增力機構(gòu)在制動夾鉗單元設(shè)計中的應(yīng)用研究

鮑春光 曾梁彬

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

0 前言

當(dāng)前軌道交通車輛整體技術(shù)呈現(xiàn)出明顯的輕量化發(fā)展趨勢，在加速各種新型輕質(zhì)材料推廣應(yīng)用的同時，也對其自身結(jié)構(gòu)及其安裝設(shè)備提出了小型化、輕量化的設(shè)計要求。制動夾鉗單元作為軌道交通車輛基礎(chǔ)制動裝置中的關(guān)鍵執(zhí)行部件，一方面其輕量化與小型化對降低列車簧下和簧間質(zhì)量具有積極效應(yīng)；另一方面，由于轉(zhuǎn)向架自身輕量化設(shè)計，設(shè)備安裝空間越來越局限，進一步促使制動夾鉗單元在結(jié)構(gòu)上采用輕量緊湊化設(shè)計。

目前，軌道交通用制動夾鉗單元多采用空氣作為壓力介質(zhì)，相比液壓傳動而言同等作用面積下不易獲得較大的推力。通過增力機構(gòu)的力放大作用，能夠以更低的制動系統(tǒng)輸入壓力，或是更小的制動缸尺寸，來滿足較大的制動輸出力需求。因此增力機構(gòu)作為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊化的關(guān)鍵技術(shù)之一，在制動夾鉗單元的設(shè)計中得到廣泛的應(yīng)用。

本文重點介紹了幾種目前廣泛應(yīng)用于制動夾鉗單元的增力機構(gòu)，并分析其結(jié)構(gòu)原理以及特點，為制動夾鉗產(chǎn)品的創(chuàng)新升級提供了較好的技術(shù)借鑒。

1 增力機構(gòu)類型介紹

不同結(jié)構(gòu)形式的增力機構(gòu)，其工作原理、運用場景與技術(shù)性能等都存在著一定的差異。目前，機械中較為常用的增力機構(gòu)主要有基于長度效應(yīng)、角度效應(yīng)、面積效應(yīng)的增力機構(gòu)以及其他一些組合增力機構(gòu)等等[1]。長度效應(yīng)裝置主要包括杠桿機構(gòu)、齒輪機構(gòu)、滑輪機構(gòu)；角度效應(yīng)裝置又分為斜面效應(yīng)裝置和斜桿效應(yīng)裝置，斜面效應(yīng)裝置主要包括斜楔機構(gòu)、螺旋機構(gòu)、凸輪機構(gòu)，斜桿效應(yīng)裝置主要包括單邊機構(gòu)和雙邊機構(gòu)；面積效應(yīng)裝置主要包括氣體傳動增力機構(gòu)和液體傳動增力機構(gòu)[2]。

在上述三種類型增力機構(gòu)中，基于長度效應(yīng)和角度效應(yīng)的增力機構(gòu)，其增力原理本質(zhì)上相同，即通過增大機構(gòu)主動側(cè)的位移或虛位移來實現(xiàn)從動側(cè)力的增益，其增力比與主動側(cè)和從動側(cè)的位移比或虛位移比相關(guān)；基于面積效應(yīng)的增力機構(gòu)主要應(yīng)用于流體介質(zhì)領(lǐng)域，利用聯(lián)通流體壓力恒定的特性，通過增加輸入端的流體流量來實現(xiàn)輸出端的增力。一般而言，采用面積效應(yīng)增力原理易導(dǎo)致執(zhí)行機構(gòu)整體體積增大，因此在制動夾鉗單元設(shè)計中采用較多的一般為基于長度或角度效應(yīng)的增力機構(gòu)，如杠桿機構(gòu)、斜楔機構(gòu)、偏心凸輪機構(gòu)及由單種增力機構(gòu)串聯(lián)組合的二次增力機構(gòu)及多次增力機構(gòu)。

2 制動夾鉗單元常用增力機構(gòu)介紹

制動夾鉗單元主要包括夾鉗和制動缸兩個總成部分，兩部分設(shè)計中均可采用增力機構(gòu)來實現(xiàn)制動力的放大。

2.1 夾鉗部分增力機構(gòu)

制動夾鉗單元中的夾鉗部分通常都設(shè)置增力機構(gòu)，來實現(xiàn)對制動缸輸出力的進一步放大。以UP型制動夾鉗單元為例(見圖1)，通過制動缸的輸出力經(jīng)過夾鉗杠桿放大后由閘片施加到制動盤上，其增力機構(gòu)為典型的杠桿機構(gòu)，增力系數(shù)i=l1/l2，式中：l1為主動側(cè)力臂長度，l2為被動側(cè)力臂長度。由于受限于制動夾鉗單元設(shè)計安裝空間和杠桿強度和剛度方面要求，增力系數(shù)一般不超過1.8，增力效果有限。

圖1 UP型制動夾鉗單元

2.2 制動缸部分增力機構(gòu)

2.2.1斜楔增力機構(gòu)

UF型帶停放制動夾鉗單元(見圖2)[3]，在停放制動缸內(nèi)部設(shè)置有斜楔機構(gòu)增力，其機構(gòu)簡圖如圖3所示，增力系數(shù)i=1/tanα，式中：α為斜楔接觸角。為了減小傳動過程中的摩擦阻力，推力輸出端采用滾柱軸承與斜面接觸，增力系數(shù)一般可達2。

圖2 UF型帶停放制動夾鉗單元

圖3 斜楔機構(gòu)簡圖

EQT型制動夾鉗單元(見圖4)[4]，也是制動缸內(nèi)部設(shè)置有斜楔機構(gòu)增力，增力系數(shù)可以達到2以上。

圖4 EQT型制動夾鉗單元

通過制動缸內(nèi)斜楔機構(gòu)和缸外夾鉗部分的杠桿機構(gòu)串聯(lián)實現(xiàn)二次增力，制動夾鉗單元總增力系數(shù)可以達到3.5以上，具有非常明顯的增力效果。

2.2.2偏心軸杠桿增力機構(gòu)

RZS制動夾鉗單元(見圖5)[5]，活塞輸出力通過一個由杠桿和偏心軸復(fù)合的串聯(lián)式二次增力機構(gòu)進行放大。由于其特殊設(shè)計，輸入端和偏心輸出端與轉(zhuǎn)動中心連線形成的夾角為90°，且在制動狀態(tài)時，偏心軸杠桿輸入端杠桿臂與活塞推力方向接近垂直，偏心軸輸出端杠桿臂與夾鉗杠桿接近平行，與閘片輸出正壓力方向接近垂直，如圖6所示。該增力機構(gòu)的增力系數(shù)可近似按照杠桿機構(gòu)的增力系數(shù)計算方法來估算，其增力系數(shù)可達10，極大地提高了氣缸輸出效果，因此其氣缸尺寸可做到常規(guī)制動缸的1/2，在保證高制動力輸出的同時有效縮減了整套產(chǎn)品的尺寸空間。

圖5 RZS制動夾鉗單元

圖6 偏心軸杠桿細(xì)節(jié)圖

2.2.3多連桿增力機構(gòu)

UF改進型停放制動缸(見圖7)[6]，在制動缸內(nèi)部采用多連桿增力機構(gòu)，替代了圖2 所示的斜楔機構(gòu)。采用該增力機構(gòu)設(shè)計，一方面使得制動缸整體結(jié)構(gòu)更為緊湊，輕量化程度進一步提升；另一方面，通過合理的連桿尺寸參數(shù)設(shè)計，在停放活塞運動行程中可以實現(xiàn)增力系數(shù)的遞增，有效彌補由于停放活塞行程變化引起的蓄能彈簧力衰減，從而確保了停放制動輸出力基本穩(wěn)定。

圖7 UF改進型停放制動缸

3 增力機構(gòu)優(yōu)化與創(chuàng)新設(shè)計

通過上述成熟應(yīng)用制動夾鉗增力結(jié)構(gòu)的分析，可以看出，單靠外部夾鉗杠桿的一次增力取得的增力效果有限。為了達到更好的增力效果，需要根據(jù)斜楔機構(gòu)、偏心凸輪機構(gòu)、杠桿機構(gòu)以及其變形形式齒輪、滑輪傳動機構(gòu)等的結(jié)構(gòu)特點，充分利用制動夾鉗的立體設(shè)計空間，通過全方位綜合布局考慮，結(jié)合夾鉗杠桿來實現(xiàn)制動力多級放大[7]。

3.1 斜楔增力機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)上述分析可知，斜楔增力機構(gòu)是現(xiàn)有制動缸方案中一種較為常用的增力設(shè)計方式。由于斜楔增力機構(gòu)的工作原理是通過犧牲主動側(cè)行程為代價來換取從動側(cè)的增力效應(yīng)，因此，采用恒定斜楔角將降低行程比。若在斜楔增力機構(gòu)中采用如圖8所示的變斜楔角設(shè)計，按照效率條件進行幾何尺寸優(yōu)化，可以實現(xiàn)較大的行程比、增力比和較高的傳動效率[8]。

圖8 變斜角斜楔機構(gòu)

3.2 偏心軸增力機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

偏心軸機構(gòu)可實現(xiàn)大比例的增力效應(yīng)，其設(shè)計的難點在于偏心軸結(jié)構(gòu)，以及驅(qū)動軸與從動零件的配合連接結(jié)構(gòu)。在偏心軸設(shè)計時，可以演變?yōu)槠妮S承與直軸的配合，從而簡化驅(qū)動軸的設(shè)計、加工組裝工藝、防護等，并可較大地縮減安裝空間。

3.3 新型增力機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

在對制動夾鉗單元中現(xiàn)有增力機構(gòu)開展優(yōu)化設(shè)計之外，也應(yīng)注重發(fā)掘新的增力機構(gòu)用于制動夾鉗單元設(shè)計。比如采用螺旋機構(gòu)，配套相關(guān)機構(gòu)將轉(zhuǎn)動變換成為直線運動來控制夾鉗杠桿的開合；采用斜桿增力機構(gòu)與無桿活塞組合來實現(xiàn)增力輸出，如圖9所示，其結(jié)構(gòu)簡單且剛性好，運動規(guī)律好，增力倍數(shù)大，在機床夾具上有很廣泛的應(yīng)用，也可以作為參考用于制動產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)；采用氣動肌腱與斜桿增力機構(gòu)組合實現(xiàn)增力，如圖10所示，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，密封性好，且由于將剛性驅(qū)動改為柔性驅(qū)動，可以避免沖擊和噪聲，目前主要應(yīng)用于機器人領(lǐng)域需要將氣動執(zhí)行元件的輸出力進行放大的場合中[1]，也具有一定的參考價值。

圖9 斜桿增力機構(gòu)

圖10 氣動肌腱增力機構(gòu)

4 結(jié)束語

隨著制動夾鉗總體技術(shù)的發(fā)展趨于成熟穩(wěn)定，在后續(xù)的核心技術(shù)競爭中能在更專業(yè)的技術(shù)點上實現(xiàn)突破創(chuàng)新，將占據(jù)更為主動有利的地位，增力機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計是一個關(guān)鍵突破點，本文的研究可對軌道基礎(chǔ)制動裝置的創(chuàng)新升級提供一定的啟發(fā)。