雙動(dòng)式制動(dòng)器技術(shù)原理分析

席世亮， 于公滿

（中國中元國際工程有限公司， 北京 100089）

0 引言

制動(dòng)器是最常用的機(jī)械裝置。 制動(dòng)器是使運(yùn)動(dòng)部件（或運(yùn)動(dòng)機(jī)械）減速、停止或保持停止?fàn)顟B(tài)等功能的裝置。幾乎是所有機(jī)械設(shè)備必配的裝置，其中摩擦類制動(dòng)器由于結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，廣泛的應(yīng)用于各類機(jī)械設(shè)備中。

常規(guī)摩擦式制動(dòng)器制動(dòng)過程存在摩擦面溫升過高，制動(dòng)塊磨損加劇，由于溫度升高還出現(xiàn)制動(dòng)效能降低的現(xiàn)象。 本文提出一種新的設(shè)計(jì)思路，變換摩擦區(qū)的位置，克服了現(xiàn)有的制動(dòng)塊在制動(dòng)的過程中一直處于摩擦狀態(tài)的情況，可以減少熱量的集聚，減少制動(dòng)塊的溫升。

1 摩擦類制動(dòng)器基本原理

制動(dòng)器有多種新的結(jié)構(gòu)型式， 從制動(dòng)機(jī)理來分類可分為摩擦式制動(dòng)器和非摩擦式制動(dòng)器兩類。

摩擦類制動(dòng)器主要有盤式制動(dòng)器、帶式制動(dòng)器、鉗式制動(dòng)器等各種構(gòu)造形式。 非摩擦類制動(dòng)器主要有磁粉制動(dòng)器、磁渦流制動(dòng)器等。

摩擦類制動(dòng)器是利用兩個(gè)運(yùn)動(dòng)表面相互接觸時(shí)所產(chǎn)生的摩擦阻力，將運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)化為熱能，從而達(dá)到減速或停止的一種裝置。 摩擦類制動(dòng)裝置的基本構(gòu)造如圖1 所示，這是一個(gè)最常見的鉗式制動(dòng)器的原理圖，制動(dòng)盤與動(dòng)力裝置相連，同步轉(zhuǎn)動(dòng)，制動(dòng)塊與機(jī)座相連，其與制動(dòng)盤之間的位置可以調(diào)整。

正常運(yùn)行時(shí)， 制動(dòng)塊與制動(dòng)盤脫離， 制動(dòng)塊的存在不影響制動(dòng)盤的運(yùn)行，從而不影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。 需要制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)塊在制動(dòng)力（可以是液壓力、彈性力、電磁力等，甚至是手動(dòng)力）的作用下，與制動(dòng)盤相互接觸。在制動(dòng)力的作用下，制動(dòng)盤和制動(dòng)塊之間產(chǎn)生摩擦力，阻止制動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)。摩擦力所做的功，成了機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。隨著機(jī)械能的不斷消耗，設(shè)備的運(yùn)行速度將逐漸減少，從而達(dá)到制動(dòng)的效果。 轉(zhuǎn)化的熱量，散失到周圍的空氣中。

2 制動(dòng)器摩擦面溫升過高，功能受到限制

運(yùn)動(dòng)的物體在制動(dòng)前，具有一定的運(yùn)動(dòng)速度，制動(dòng)過程即是在與運(yùn)動(dòng)方向相反的方向上，施加一個(gè)外力，使運(yùn)動(dòng)的物體停下來，完成制動(dòng)。 即運(yùn)動(dòng)學(xué)公式：

式中：V0—物體制動(dòng)前的運(yùn)行速度；F—制動(dòng)力；μ—制動(dòng)盤和制動(dòng)塊之間的摩擦系數(shù)；m—運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量；t—完成制動(dòng)過程所需要的時(shí)間。

分析此公式可知，在制動(dòng)時(shí)，不論初始速度有多少，制動(dòng)力有多大，制動(dòng)總是需要一段時(shí)間。

制動(dòng)過程不一定是以運(yùn)動(dòng)速度為0 作為制動(dòng)過程的終點(diǎn)，也可以通過人為的控制制動(dòng)力的數(shù)值，建立起驅(qū)動(dòng)力、運(yùn)行阻力和制動(dòng)阻力之間的平衡關(guān)系，也可以使運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)行速度保持在期望的范圍內(nèi)， 例如汽車運(yùn)行中的減速行駛過程。

作為制動(dòng)過程的逆過程，如果驅(qū)動(dòng)力小于摩擦力，則系統(tǒng)的運(yùn)行速度總是為0，即不可能完成起動(dòng)過程。

由于常見的制動(dòng)器， 總是有一個(gè)在機(jī)體上運(yùn)動(dòng)的制動(dòng)盤和一個(gè)與機(jī)體相對(duì)靜止的制動(dòng)塊構(gòu)成。 在制動(dòng)的過程中，摩擦熱量產(chǎn)生于制動(dòng)盤和制動(dòng)塊相接觸的位置處，實(shí)踐表明，摩擦處的溫度很高，通?？蛇_(dá)到400～500℃，這對(duì)制動(dòng)材料的性能是一個(gè)很大的考驗(yàn)， 由于摩擦面溫升過高，造成制動(dòng)器失靈的事情常有發(fā)生。

在制動(dòng)的過程中，在制動(dòng)盤上，與制動(dòng)塊接觸的位置是不斷變換的，由于制動(dòng)盤處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，因此可以方便的采取降溫措施，例如采用風(fēng)冷的辦法。但制動(dòng)塊在制動(dòng)的過程中，總是緊貼在制動(dòng)盤上，處于摩擦狀態(tài)的位置是不變的，同時(shí)由于其和機(jī)體之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此無法采取便利的降溫措施，制動(dòng)塊的熱量無法及時(shí)傳出，從而造成了制動(dòng)塊的溫升過高，影響到制動(dòng)器的性能發(fā)揮。

如果能夠?qū)ΜF(xiàn)有的摩擦制動(dòng)器的構(gòu)造，進(jìn)行變革，使摩擦塊在制動(dòng)的過程中，自身也處在不斷的運(yùn)動(dòng)過程中，從而為降低摩擦面的溫度提供方便， 這對(duì)于延長制動(dòng)器的壽命，提高制動(dòng)器的性能都會(huì)具有極大的作用。

3 新式制動(dòng)裝置的設(shè)想

根據(jù)對(duì)制動(dòng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)和提高制動(dòng)器性能的設(shè)想，提出如下以常規(guī)的鉗式制動(dòng)器為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方案，如圖2 所示。

圖2 新型制動(dòng)器原理

整體思路是將原固定不動(dòng)的制動(dòng)塊改成可以繞軸回轉(zhuǎn)的構(gòu)造。 將制動(dòng)塊安裝在可以轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸上， 制動(dòng)塊可以隨轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)制動(dòng)過程中摩擦面的變換，改善其散熱條件。

回轉(zhuǎn)制動(dòng)塊的轉(zhuǎn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，必須有驅(qū)動(dòng)構(gòu)造，為此可以將現(xiàn)有的制動(dòng)盤的外沿制出輪齒，轉(zhuǎn)動(dòng)軸上安裝小齒輪，制動(dòng)盤和回轉(zhuǎn)軸上的小齒輪通過齒輪嚙合，保持同步轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)制動(dòng)塊回轉(zhuǎn)。 只要制動(dòng)盤處于運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，制動(dòng)塊就必然處于運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。制動(dòng)塊可以沿回轉(zhuǎn)軸的移動(dòng)， 完成制動(dòng)時(shí)的接觸和非制動(dòng)時(shí)的脫離。

常規(guī)的鉗式制動(dòng)器的制動(dòng)力加力機(jī)構(gòu)和制動(dòng)塊之間是沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的，現(xiàn)由于制動(dòng)塊需要回轉(zhuǎn)，因此制動(dòng)力的加力裝置和回轉(zhuǎn)制動(dòng)塊之間增加了一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)，具有較小的摩擦系數(shù)，不會(huì)成為新的發(fā)熱點(diǎn)。

通常所見的制動(dòng)器在制動(dòng)的過程中，構(gòu)成摩擦付的構(gòu)件，對(duì)于機(jī)體而言，總是一個(gè)動(dòng)，一個(gè)不動(dòng)，而這種結(jié)構(gòu)的制動(dòng)器，在制動(dòng)的過程中，制動(dòng)盤和制動(dòng)塊都處在運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。因此可以稱其為雙動(dòng)制動(dòng)器，如圖3 所示，相互運(yùn)動(dòng)過程中形成的摩擦區(qū)域，與常規(guī)的鉗式制動(dòng)器完全相同。

圖3 摩擦區(qū)的變換

在制動(dòng)時(shí)，回轉(zhuǎn)制動(dòng)塊靠制動(dòng)力的作用，壓向制動(dòng)盤的側(cè)面，在接觸區(qū)產(chǎn)生摩擦力，起到制動(dòng)的作用。由于關(guān)聯(lián)齒輪的作用，制動(dòng)盤同時(shí)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)制動(dòng)塊回轉(zhuǎn)，不斷變換摩擦區(qū)的位置，從而為摩擦塊的降溫創(chuàng)造了條件。

當(dāng)制動(dòng)過程完成后， 制動(dòng)盤和回轉(zhuǎn)制動(dòng)塊在制動(dòng)力的作用下，緊緊的靠在一起。如果外力不超過制動(dòng)盤和回轉(zhuǎn)制動(dòng)塊之間的摩擦力，系統(tǒng)就不會(huì)運(yùn)行，此時(shí)與現(xiàn)有的制動(dòng)構(gòu)造一樣，外力由回轉(zhuǎn)制動(dòng)盤的轉(zhuǎn)軸來承受。其功能與現(xiàn)有的駐車制動(dòng)完全相同。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)， 制動(dòng)力去除， 摩擦盤和回轉(zhuǎn)制動(dòng)塊脫開，回轉(zhuǎn)制動(dòng)塊的存在不影響系統(tǒng)的運(yùn)行。

4 雙動(dòng)制動(dòng)器構(gòu)造原理

雙動(dòng)制動(dòng)器構(gòu)造原理如圖4 所示。

圖4 原理構(gòu)造簡圖

制動(dòng)器是一個(gè)單體結(jié)構(gòu)， 所有的構(gòu)件都支撐在一個(gè)獨(dú)立的基座上， 與制動(dòng)盤由兩個(gè)軸伸。 可以很方便的把一個(gè)機(jī)械中的驅(qū)動(dòng)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接起來，完成特定的功能。

整個(gè)裝置可分成3 個(gè)組成部分：

（1）回轉(zhuǎn)制動(dòng)塊的驅(qū)動(dòng)。常規(guī)的制動(dòng)塊相對(duì)于基座都是靜止的， 本設(shè)計(jì)的思路即是通過回轉(zhuǎn)的制動(dòng)盤來驅(qū)動(dòng)制動(dòng)塊，利用制動(dòng)盤的外圓來輸出運(yùn)動(dòng)，不僅可以簡化結(jié)構(gòu)，而且可以保證制動(dòng)盤和制動(dòng)塊同步。

要注意的是制動(dòng)盤的側(cè)面是摩擦工作面， 因此在構(gòu)造上須確保制動(dòng)盤的厚度大于被驅(qū)動(dòng)齒輪的厚度， 以免制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。

即圖中B1>B2，圖中制動(dòng)塊的回轉(zhuǎn)軸H1，H2 段是花鍵軸， 可以確保制動(dòng)塊盤既可以隨制動(dòng)塊回轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，又可以在制動(dòng)力的作用下，完成軸向移動(dòng)。 其構(gòu)造如圖5 所示。

圖5 制動(dòng)塊的回轉(zhuǎn)構(gòu)造

（2）回轉(zhuǎn)制動(dòng)塊的結(jié)構(gòu)。 回轉(zhuǎn)塊的構(gòu)造圖如圖6 所示。

圖6 回轉(zhuǎn)摩擦塊的結(jié)構(gòu)

摩擦塊和制動(dòng)塊盤采用螺栓連接，在摩擦塊磨損到一定的程度時(shí)，即可以更換。 由于摩擦塊盤位于一個(gè)開放的空間中，具有足夠的更換空間，更換維修會(huì)更加方便。

（3）制動(dòng)塊盤的加力和脫開。制動(dòng)塊盤的加力機(jī)構(gòu)如圖7 所示。采用液壓油缸作為加力的構(gòu)造，柱塞與支架相連，位于支架的一端，支架和柱塞同步運(yùn)動(dòng)， 制動(dòng)時(shí)，向油缸中通入壓力油，通過回轉(zhuǎn)輪把摩擦塊壓向制動(dòng)盤，作用力的中心與制動(dòng)盤和摩擦塊重疊部分的中心相對(duì)，在制動(dòng)力的作用下，制動(dòng)塊壓向制動(dòng)盤實(shí)現(xiàn)制動(dòng)過程。

圖7 制動(dòng)力的產(chǎn)生和解除

解除制動(dòng)時(shí)，柱塞缸的油路和油箱接通，壓力釋放，制動(dòng)塊在彈簧力的作用下，與制動(dòng)盤脫開，不再形成制動(dòng)阻力。

在支架的端部，配有報(bào)警觸點(diǎn)，當(dāng)摩擦塊逐漸摩損，觸點(diǎn)的相對(duì)位置就逐漸接近，一旦接觸，就會(huì)觸發(fā)報(bào)警信號(hào)，提醒用戶及時(shí)更換摩擦塊。

為了避免在回復(fù)時(shí)，出現(xiàn)支架的自鎖，控制好H 和L2的比值。 根據(jù)摩擦力的平衡關(guān)系，因此有：

不自鎖的條件是：

把式（3）代入式（4）得：

整理后有：

這只是形象的表示這種制動(dòng)裝置的原理， 實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)每一個(gè)構(gòu)件功能的需要，研究更加實(shí)用的機(jī)構(gòu)。例如把回位彈簧安裝在回轉(zhuǎn)制動(dòng)塊的回轉(zhuǎn)軸上， 回位動(dòng)作就會(huì)更加可靠。

例如采用圖8 所示的加力機(jī)構(gòu)， 則可以用一套加力裝置完成加力功能。 在回轉(zhuǎn)制動(dòng)塊上增加通風(fēng)道，可以加強(qiáng)冷卻效果。

圖8 加力機(jī)構(gòu)示例

分析這個(gè)示意構(gòu)造也可以看出，與現(xiàn)有的機(jī)構(gòu)相比， 制動(dòng)盤和主軸的相對(duì)位置完全沒有變化，就是說，在使用新型雙動(dòng)結(jié)構(gòu)的制動(dòng)器， 基本不影響原設(shè)備的總圖構(gòu)造，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，也可以考慮到安裝，維修等的需要，制動(dòng)盤和回轉(zhuǎn)制動(dòng)塊塊的相對(duì)位置進(jìn)行調(diào)換，而不改變使用功能。

5 新型制動(dòng)器的特點(diǎn)

（1）回轉(zhuǎn)制動(dòng)塊在制動(dòng)的過程中，不斷的改變摩擦區(qū)的位置，克服了現(xiàn)有的制動(dòng)塊在制動(dòng)的過程中一直處于摩擦狀態(tài)的情況，可以減少熱量的積聚，減少制動(dòng)塊的溫升。

（2） 回轉(zhuǎn)制動(dòng)塊， 在制動(dòng)過程中處于回轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)，因此可以像常規(guī)的制動(dòng)盤一樣，設(shè)置通風(fēng)通道，改善散熱條件。

（3）利用制動(dòng)盤作為關(guān)聯(lián)齒輪，結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，制動(dòng)盤和回轉(zhuǎn)制動(dòng)塊的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反， 提高了相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度，有助于提高制動(dòng)器的使用效果。

（4）調(diào)整關(guān)聯(lián)齒輪的速比，可以調(diào)整回轉(zhuǎn)制動(dòng)塊的速度，從而可以控制制動(dòng)力的數(shù)值，這一點(diǎn)特別是需要低速度端制動(dòng)的情況，相當(dāng)于在低速端，人為的制造了一個(gè)高速運(yùn)動(dòng)的環(huán)境，可以有效的減低制動(dòng)面的壓強(qiáng)，有助于改善制動(dòng)件的工作條件。

（5）回轉(zhuǎn)制動(dòng)塊的體積遠(yuǎn)比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)制動(dòng)塊的體積大，可以容納更多的摩擦材料， 有利于增加制動(dòng)器的壽命周期，起到減少維修工作量的效果。

（6） 制動(dòng)力的加力構(gòu)造同時(shí)起到加力和控制回轉(zhuǎn)制動(dòng)塊位置的雙重作用。 作用力加在制動(dòng)盤與回轉(zhuǎn)制動(dòng)塊重疊的位置上，可以消除回轉(zhuǎn)制動(dòng)塊偏載的影響。

6 結(jié)論

雙動(dòng)式制動(dòng)器，制動(dòng)盤與制動(dòng)塊相互運(yùn)動(dòng)過程中形成的摩擦區(qū)域，與常規(guī)的鉗式制動(dòng)器完全相同，通過轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)制動(dòng)塊，使摩擦塊的摩擦位置發(fā)生改變，可以減少熱量的積聚，減少制動(dòng)塊的溫升，從而改善制動(dòng)器的使用效果。