席世亮， 于公滿

（中國中元國際工程有限公司， 北京 100089）

0 引言

制動器是最常用的機(jī)械裝置。 制動器是使運(yùn)動部件（或運(yùn)動機(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)摩擦式制動器制動過程存在摩擦面溫升過高，制動塊磨損加劇，由于溫度升高還出現(xiàn)制動效能降低的現(xiàn)象。 本文提出一種新的設(shè)計思路，變換摩擦區(qū)的位置，克服了現(xiàn)有的制動塊在制動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，減少制動塊的溫升。

1 摩擦類制動器基本原理

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

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

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

正常運(yùn)行時， 制動塊與制動盤脫離， 制動塊的存在不影響制動盤的運(yùn)行，從而不影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。 需要制動時，制動塊在制動力（可以是液壓力、彈性力、電磁力等，甚至是手動力）的作用下，與制動盤相互接觸。在制動力的作用下，制動盤和制動塊之間產(chǎn)生摩擦力，阻止制動盤轉(zhuǎn)動。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)到制動的效果。 轉(zhuǎn)化的熱量，散失到周圍的空氣中。

2 制動器摩擦面溫升過高，功能受到限制

運(yùn)動的物體在制動前，具有一定的運(yùn)動速度，制動過程即是在與運(yùn)動方向相反的方向上，施加一個外力，使運(yùn)動的物體停下來，完成制動。 即運(yùn)動學(xué)公式：

式中：V0—物體制動前的運(yùn)行速度；F—制動力；μ—制動盤和制動塊之間的摩擦系數(shù)；m—運(yùn)動物體的質(zhì)量；t—完成制動過程所需要的時間。

分析此公式可知，在制動時，不論初始速度有多少，制動力有多大，制動總是需要一段時間。

制動過程不一定是以運(yùn)動速度為0 作為制動過程的終點，也可以通過人為的控制制動力的數(shù)值，建立起驅(qū)動力、運(yùn)行阻力和制動阻力之間的平衡關(guān)系，也可以使運(yùn)動物體的運(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。

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

由于常見的制動器， 總是有一個在機(jī)體上運(yùn)動的制動盤和一個與機(jī)體相對靜止的制動塊構(gòu)成。 在制動的過程中，摩擦熱量產(chǎn)生于制動盤和制動塊相接觸的位置處，實踐表明，摩擦處的溫度很高，通常可達(dá)到400～500℃，這對制動材料的性能是一個很大的考驗， 由于摩擦面溫升過高，造成制動器失靈的事情常有發(fā)生。

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

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

3 新式制動裝置的設(shè)想

根據(jù)對制動機(jī)理的認(rèn)識和提高制動器性能的設(shè)想，提出如下以常規(guī)的鉗式制動器為基礎(chǔ)的設(shè)計方案，如圖2 所示。

圖2 新型制動器原理

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

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

常規(guī)的鉗式制動器的制動力加力機(jī)構(gòu)和制動塊之間是沒有相對運(yùn)動的，現(xiàn)由于制動塊需要回轉(zhuǎn)，因此制動力的加力裝置和回轉(zhuǎn)制動塊之間增加了一個轉(zhuǎn)動支點，具有較小的摩擦系數(shù)，不會成為新的發(fā)熱點。

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

圖3 摩擦區(qū)的變換

在制動時，回轉(zhuǎn)制動塊靠制動力的作用，壓向制動盤的側(cè)面，在接觸區(qū)產(chǎn)生摩擦力，起到制動的作用。由于關(guān)聯(lián)齒輪的作用，制動盤同時驅(qū)動回轉(zhuǎn)制動塊回轉(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)制動過程完成后， 制動盤和回轉(zhuǎn)制動塊在制動力的作用下，緊緊的靠在一起。如果外力不超過制動盤和回轉(zhuǎn)制動塊之間的摩擦力，系統(tǒng)就不會運(yùn)行，此時與現(xiàn)有的制動構(gòu)造一樣，外力由回轉(zhuǎn)制動盤的轉(zhuǎn)軸來承受。其功能與現(xiàn)有的駐車制動完全相同。

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

4 雙動制動器構(gòu)造原理

雙動制動器構(gòu)造原理如圖4 所示。

圖4 原理構(gòu)造簡圖

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

整個裝置可分成3 個組成部分：

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

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

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

圖5 制動塊的回轉(zhuǎn)構(gòu)造

（2）回轉(zhuǎn)制動塊的結(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)

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

（3）制動塊盤的加力和脫開。制動塊盤的加力機(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， 制動時，向油缸中通入壓力油，通過回轉(zhuǎn)輪把摩擦塊壓向制動盤，作用力的中心與制動盤和摩擦塊重疊部分的中心相對，在制動力的作用下，制動塊壓向制動盤實現(xiàn)制動過程。

圖7 制動力的產(chǎn)生和解除

解除制動時，柱塞缸的油路和油箱接通，壓力釋放，制動塊在彈簧力的作用下，與制動盤脫開，不再形成制動阻力。

在支架的端部，配有報警觸點，當(dāng)摩擦塊逐漸摩損，觸點的相對位置就逐漸接近，一旦接觸，就會觸發(fā)報警信號，提醒用戶及時更換摩擦塊。

為了避免在回復(fù)時，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裝置的原理， 實際設(shè)計時應(yīng)根據(jù)每一個構(gòu)件功能的需要，研究更加實用的機(jī)構(gòu)。例如把回位彈簧安裝在回轉(zhuǎn)制動塊的回轉(zhuǎn)軸上， 回位動作就會更加可靠。

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

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

5 新型制動器的特點

（1）回轉(zhuǎn)制動塊在制動的過程中，不斷的改變摩擦區(qū)的位置，克服了現(xiàn)有的制動塊在制動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，減少制動塊的溫升。

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

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

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

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

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

6 結(jié)論

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