于詩涵 李欣迪 徐宏天 桂世昌 林文帥 王海運(yùn) 徐飛 龔麗娟

【摘 要】關(guān)于制動(dòng)裝置，國內(nèi)外研究方向是主要針對制動(dòng)器的材料以及制動(dòng)的方法進(jìn)行研究。現(xiàn)階段制動(dòng)器主要分為內(nèi)張鼓式制動(dòng)器、盤式制動(dòng)器、空氣制動(dòng)器、電制動(dòng)器，其中內(nèi)張鼓式制動(dòng)器、盤式制動(dòng)器是現(xiàn)階段主流制動(dòng)方式，具有結(jié)構(gòu)簡單，易于維修的優(yōu)點(diǎn)。這幾類制動(dòng)器一般具有磨損較快，定期需更換摩擦片等接觸件，并且嚴(yán)重降低制動(dòng)器使用壽命，使得制動(dòng)器成本不斷升高。另外，對于需要長期制動(dòng)的場合，比如重載汽車下坡制動(dòng)，長期制動(dòng)會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)器溫度升高，導(dǎo)致制動(dòng)器失靈問題，這是致命的問題和缺陷。同時(shí)，有些制動(dòng)器在制動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致沖擊和震動(dòng)產(chǎn)生，這對整體機(jī)車等產(chǎn)生不利影響。為解決傳統(tǒng)制動(dòng)器具有的制動(dòng)接觸件磨損較快，定期需更換摩擦片等接觸件的缺陷、長期制動(dòng)導(dǎo)致制動(dòng)器失靈、降低制動(dòng)器成本等系列問題，本文設(shè)計(jì)了一種高效柔性制動(dòng)裝置，該裝置采用共軸反轉(zhuǎn)傳動(dòng)技術(shù)，利用兩個(gè)葉輪的相反方向的轉(zhuǎn)動(dòng)攪動(dòng)葉輪腔體中的液壓油介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生相互阻尼扭矩，達(dá)到降速和制動(dòng)的目的。

【關(guān)鍵詞】柔性制動(dòng);液力制動(dòng);液力緩速器;葉輪

1 研究的目的和意義

由于制動(dòng)器的制動(dòng)對象為發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、高速轉(zhuǎn)動(dòng)部件等旋轉(zhuǎn)部件。傳統(tǒng)的制動(dòng)器一般具有制動(dòng)接觸件磨損嚴(yán)重，定期需更換摩擦片等接觸件的缺陷，并且嚴(yán)重降低制動(dòng)器使用壽命，使得制動(dòng)器成本不斷升高。另外，對于需要長期制動(dòng)的場合，比如重載汽車下坡制動(dòng)，長期制動(dòng)會(huì)引起制動(dòng)器溫度升高，導(dǎo)致產(chǎn)生制動(dòng)器失靈問題，這是致命的問題和缺陷。同時(shí)，有些制動(dòng)器在制動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致沖擊和震動(dòng)產(chǎn)生，這對整體機(jī)車等產(chǎn)生不利影響。

為了解決這個(gè)問題，本課題針對市面上現(xiàn)有的各種制動(dòng)器進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種具有創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的高效柔性制動(dòng)裝置。設(shè)計(jì)該柔性制動(dòng)裝置的目的就是能夠?qū)崿F(xiàn)平緩而高效的制動(dòng)過程。該柔性制動(dòng)裝置可以用在例如汽車、離心機(jī)、城市軌道列車、風(fēng)力發(fā)電、自動(dòng)扶梯、傳送裝置等需要一個(gè)高效而平緩的制動(dòng)過程和需要減小在制動(dòng)過程中對設(shè)備的損害的場所。

該柔性制動(dòng)裝置將通過液力作為制動(dòng)的動(dòng)力源，將用在發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、高速轉(zhuǎn)動(dòng)部件等旋轉(zhuǎn)部件上，能夠有效的避免接觸件摩擦，提高壽使用命，去除震動(dòng)，具有緩沖和過載保護(hù)作用;同時(shí)應(yīng)用廣泛，市場潛力巨大，對汽車、工程機(jī)械、冶金、能源與動(dòng)力等與機(jī)械相關(guān)的行業(yè)具有重要的作用，本課題具有極其重要的研究價(jià)值和廣闊的市場前景。

2 制動(dòng)裝置國內(nèi)外的研究動(dòng)態(tài)及應(yīng)用現(xiàn)狀

關(guān)于制動(dòng)裝置，國內(nèi)外研究方向是主要針對制動(dòng)器的材料以及制動(dòng)的方法進(jìn)行研究。現(xiàn)階段制動(dòng)器主要分為內(nèi)張鼓式制動(dòng)器、閘閥式制動(dòng)器、盤式制動(dòng)器、空氣制動(dòng)器、電制動(dòng)器，其中內(nèi)張鼓式制動(dòng)器、閘閥式制動(dòng)器、盤式制動(dòng)器是現(xiàn)階段主流制動(dòng)方式，具有結(jié)構(gòu)簡單，易于維修的優(yōu)點(diǎn)。這幾類制動(dòng)器一般具有磨損較快，定期需更換摩擦片等接觸件的問題，并且嚴(yán)重降低制動(dòng)器使用壽命，使得制動(dòng)器成本不斷升高。

目前國內(nèi)和國外有關(guān)柔性制動(dòng)裝置的研發(fā)很少，品種單一，目前幾乎屬于市場空白。福伊特在1961年首創(chuàng)商用車液力緩速器。福伊特液力緩速器是目前市面上唯一一款成熟使用的柔性制動(dòng)器。它利用下坡巡航功能，通過設(shè)定下坡時(shí)速，可大大減少剎車和換擋操作（甚至完全不用），杜絕了制動(dòng)器、輪胎過熱所產(chǎn)生的事故隱患;通過承擔(dān)車輛85%左右剎車制動(dòng)任務(wù)，提高駕駛的安全系數(shù)。

柔性制動(dòng)裝置因其制動(dòng)的原理沒有接觸件的摩擦，因此使用壽命長，非剛性制動(dòng)，沒有震動(dòng)，具有緩沖和過載保護(hù)作用，發(fā)展前景極其廣闊。

3 柔性制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的一種高效液力制動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其組成結(jié)構(gòu)包括：液壓油泵、液壓系統(tǒng)控制器、油箱、換熱器、散熱器、共軸反轉(zhuǎn)軸系。液壓系統(tǒng)控制器與液壓油泵連接，液壓系統(tǒng)控制器控制液壓油泵，液壓油泵與油箱連接，油箱與換熱器連接，換熱器分別與散熱器和箱體連接，第一軸與液壓油泵連接，反向葉輪和正向葉輪安裝在箱體中，正向葉輪套裝在第一軸上，反向葉輪空套在第一軸上，第一軸上設(shè)有主動(dòng)傳動(dòng)齒輪，主動(dòng)傳動(dòng)齒輪與第二軸上的第一轉(zhuǎn)向齒輪嚙合，第一轉(zhuǎn)向齒輪與第三軸上的第二轉(zhuǎn)向齒輪嚙合，第二轉(zhuǎn)向齒輪通過第三軸與從動(dòng)傳動(dòng)齒輪同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)傳動(dòng)齒輪與設(shè)置在第四軸上的反向轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪嚙合。反向轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪帶動(dòng)反向葉輪反向旋轉(zhuǎn)。

反向葉輪和正向葉輪為圓形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置有若干葉片。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 柔性制動(dòng)裝置工作原理

該高效柔性制動(dòng)裝置的運(yùn)行方法，該方法包括：

（1）動(dòng)力輸入方法：該高效液力制動(dòng)裝置的主動(dòng)傳動(dòng)齒輪1與需要制動(dòng)的汽車等設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)部件上的旋轉(zhuǎn)齒輪進(jìn)行嚙合，帶動(dòng)第一軸6和正向葉輪11旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸入。同時(shí)，與主動(dòng)傳動(dòng)齒輪1嚙合的第一轉(zhuǎn)向齒輪2轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)與第一轉(zhuǎn)向齒輪2嚙合的第二轉(zhuǎn)向齒輪3轉(zhuǎn)動(dòng)，第二轉(zhuǎn)向齒輪3轉(zhuǎn)動(dòng)方向與主動(dòng)傳動(dòng)齒輪1同向，與第二轉(zhuǎn)向齒輪3同軸的從動(dòng)傳動(dòng)齒輪4轉(zhuǎn)動(dòng)，與從動(dòng)傳動(dòng)齒輪4嚙合的反向轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪5形成與主動(dòng)傳動(dòng)齒輪1的反向轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)反向葉輪10反向轉(zhuǎn)動(dòng)。即，通過齒輪系的齒輪嚙合傳動(dòng)，反向葉輪10的反向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。（2）制動(dòng)方法：當(dāng)需要對設(shè)備進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，液壓系統(tǒng)控制器13控制開啟液壓油泵12，關(guān)閉卸荷閥25回油通路，設(shè)置壓力調(diào)節(jié)閥24的液壓值大小，液壓油泵12工作，液壓油介質(zhì)充滿正向葉輪11和反向葉輪10圍成的腔體，帶動(dòng)正向葉輪11轉(zhuǎn)動(dòng)，正向葉輪11和反向葉輪10的葉輪都攪動(dòng)液壓油介質(zhì)對彼此產(chǎn)生相互的阻尼扭矩，導(dǎo)致正向葉輪11和反向葉輪10都降速，正向葉輪11帶動(dòng)第一軸6降速，第一軸6通過鍵帶動(dòng)主動(dòng)傳動(dòng)齒輪1降速，主動(dòng)傳動(dòng)齒輪1通過齒輪嚙合帶動(dòng)需要制動(dòng)的汽車等設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)部件上的旋轉(zhuǎn)齒輪降速，制動(dòng)。制動(dòng)扭矩的大小根據(jù)壓力調(diào)節(jié)閥24的液壓值大小和卸荷閥設(shè)置壓力值大小而改變，當(dāng)卸荷閥完全關(guān)閉回油通路時(shí)，制動(dòng)扭矩的大小由壓力調(diào)節(jié)閥24設(shè)置的液壓值大小決定。當(dāng)卸荷閥沒有完全關(guān)閉回油通路時(shí)，制動(dòng)扭矩的大小由壓力調(diào)節(jié)閥24設(shè)置的液壓值大小和卸荷閥設(shè)置的液壓值大小共同決定，此兩個(gè)液壓閥所設(shè)置壓力值的最小者決定制動(dòng)扭矩的大小。由于正向葉輪11和反向葉輪10所圍腔體中的液壓油在離心力的作用下一部分從兩個(gè)葉輪結(jié)合的縫隙中流出，通過液壓管路流動(dòng)到換熱器14中進(jìn)行降溫冷卻，降溫冷卻后的液壓油通過換熱器14出口流回到油箱中23。同時(shí)，散熱器15對換熱器14中的油液進(jìn)行散熱。

當(dāng)不需制動(dòng)時(shí)，液壓系統(tǒng)控制器13控制關(guān)閉液壓油泵12，打開卸荷閥25，正向葉輪11和反向葉輪10所圍葉輪腔體中的液壓油進(jìn)行泄油，液壓油通過卸荷油管利用重力作用流回油箱23，正向葉輪11和反向葉輪10的葉輪處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，不產(chǎn)生相互阻尼扭矩。

5 總結(jié)

本文所設(shè)計(jì)的柔性制動(dòng)器能夠?qū)崿F(xiàn)高效、平緩制動(dòng)過程，保護(hù)了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性?？捎迷诎l(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、高速轉(zhuǎn)動(dòng)部件等旋轉(zhuǎn)部件上，能夠有效的避免接觸件摩擦，提高壽使用命，去除震動(dòng)，具有緩沖和過載保護(hù)作用。同時(shí)應(yīng)用廣泛，市場潛力巨大，對汽車、工程機(jī)械、冶金、能源與動(dòng)力等與機(jī)械相關(guān)的行業(yè)具有重要的作用，本課題具有極其重要的研究價(jià)值和廣闊的市場前景。

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（作者單位：沈陽工業(yè)大學(xué)）