液壓鉗盤式制動(dòng)器液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

陳拓

（珠海普田工程咨詢有限公司，廣東 珠海 519000）

隨著城市車流量不斷加大，交通事故逐漸提高。相關(guān)資料表明，在車輛自身問題導(dǎo)致的交通事故中，制動(dòng)系統(tǒng)故障引起的事故數(shù)量占總數(shù)的近一半，而一些嚴(yán)重的交通事故通常是因?yàn)榫o急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)距離過長等因素造成的。這促使人們對(duì)機(jī)械設(shè)備中制動(dòng)器的重要性有了更加深刻的認(rèn)知。液壓鉗盤式制動(dòng)器的液壓系統(tǒng)是制動(dòng)器的動(dòng)力中樞，所以，液壓鉗盤式制動(dòng)器液壓系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)對(duì)于提高制動(dòng)系統(tǒng)的性能和質(zhì)量有重要意義。

1 液壓鉗盤式制動(dòng)器液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

從執(zhí)行結(jié)構(gòu)方面來看，鉗體結(jié)構(gòu)、油壓機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)以及集體機(jī)構(gòu)是液壓鉗盤式制動(dòng)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要組成部分，它一般用來進(jìn)行制動(dòng)和夾緊、加壓等一些工作，在該制動(dòng)器的設(shè)計(jì)要求中，能夠進(jìn)行行程調(diào)節(jié)工作，來實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備對(duì)設(shè)計(jì)方面的要求。與此同時(shí)，根據(jù)制動(dòng)器相應(yīng)設(shè)計(jì)要求，該設(shè)備要能夠在制動(dòng)空隙時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)無極自動(dòng)補(bǔ)償以及恒定制動(dòng)力矩等功能，其快速制動(dòng)反應(yīng)要在0.1秒之內(nèi)，并能夠?qū)Ω鞣N工況具有失效保護(hù)功能。在需要采用液壓鉗盤式制動(dòng)器進(jìn)行工作時(shí)，要將該制動(dòng)器放置到有制動(dòng)需求的部件上，并合理調(diào)整手制動(dòng)部件與摩擦片之間的距離。在沒有進(jìn)行制動(dòng)的情況下，對(duì)溢流閥壓力進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)壓力的合理控制，并以此執(zhí)行相應(yīng)的制動(dòng)工作。操作人員將電磁閥開啟之后就能對(duì)半制動(dòng)情況以及控制器進(jìn)行有效控制。在控制過程中，通過上鉗體內(nèi)部的油缸對(duì)摩擦片間的間距進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)控制密保。若更換摩擦片并選用相應(yīng)的調(diào)節(jié)溢流閥，就能對(duì)不同部件進(jìn)行制動(dòng)，以達(dá)到可行性要求。

2 液壓系統(tǒng)的工作原理

液壓鉗盤式制動(dòng)器可以操縱作用力并將該作用力有效放大，其原理利用帕斯卡定律和杠桿原理來發(fā)揮作用，促使車輪出現(xiàn)制動(dòng)力矩，摩擦組件產(chǎn)生的摩擦力將車輛行駛過程中產(chǎn)生的功能有效轉(zhuǎn)化成摩擦熱能。摩擦組件將這些熱能吸收并釋放出熱量，進(jìn)而將車輛行駛速度降低直到實(shí)現(xiàn)停車。液壓鉗盤式制動(dòng)器在制動(dòng)過程中會(huì)沿著制動(dòng)盤的軸向持續(xù)施加作用力，制動(dòng)軸不會(huì)受到彎矩的作用，同時(shí)徑向尺寸相對(duì)很小，所以其制動(dòng)性能非常穩(wěn)定和可靠。

彈簧5能夠讓液壓鉗盤式制動(dòng)器始終處于常開狀態(tài)中。在制動(dòng)過程中，將力F1作用到手柄1上，促使手柄繞支點(diǎn)0旋轉(zhuǎn)一定角度，利用杠桿原理將作用力有效放大，進(jìn)而產(chǎn)生力F2作用到油泵活塞2上，克服了彈簧5產(chǎn)生的伸張力F3，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)動(dòng)作，將制動(dòng)上泵19中的制動(dòng)液推進(jìn)到具有低膨脹系數(shù)且較高強(qiáng)度的制動(dòng)油管18內(nèi)。與此同時(shí)，制動(dòng)鉗體6中油缸內(nèi)增加的制動(dòng)液會(huì)推動(dòng)鉗體油缸活塞17運(yùn)動(dòng)，并輸出到底板13上以正壓力F4。在底板11與13上分別粘接或鑲嵌有摩擦片10和12，并能通過銷軸14實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)動(dòng)作。車轂處固定著制動(dòng)盤9，跟著車輪共同轉(zhuǎn)動(dòng)。摩擦片12在力F4的作用下壓靠到制動(dòng)盤9，同時(shí)發(fā)作用力促使底板11和13以及缸體6通過銷軸7和14實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)動(dòng)作，同時(shí)推動(dòng)摩擦片10對(duì)制動(dòng)盤9施加作用力，一直到摩擦片10和12所受作用力與F4和F5一樣大。

通過上述流程，兩個(gè)摩擦片10與12將制動(dòng)盤9緊緊夾在中間，制動(dòng)盤受摩擦片作用產(chǎn)生摩擦力，作用在旋轉(zhuǎn)的車輪上之后，使車輪出現(xiàn)制動(dòng)力矩，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的制動(dòng)。如果手柄1上的操縱力F1被撤去，制動(dòng)過程就會(huì)結(jié)束，油泵活塞2以及手柄1在彈簧5的作用下實(shí)現(xiàn)復(fù)位。這個(gè)時(shí)候，油泵將一定量的制動(dòng)液吸入到內(nèi)部，被吸的油缸內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓導(dǎo)致密封圈16發(fā)生變形而復(fù)位，底板13施加的軸向推力F4在這時(shí)也被消除，車輪上的制動(dòng)力矩隨之消去，液壓鉗盤式制動(dòng)器撤銷對(duì)車輪旋轉(zhuǎn)的阻礙作用，車輛恢復(fù)正常行駛（具體流程見圖1）。

圖1 液壓鉗盤式制動(dòng)器液壓系統(tǒng)的工作原理

3 液壓鉗盤式制動(dòng)器液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 制動(dòng)

制動(dòng)鉗分為浮動(dòng)鉗式、分體鉗式、固定鉗式以及整體鉗式等。對(duì)于浮動(dòng)鉗式與固定鉗式來說，固定鉗式能夠有效保證兩側(cè)制動(dòng)襯墊的退距一致，也相對(duì)便于自動(dòng)補(bǔ)償制動(dòng)襯墊的磨損，但浮動(dòng)鉗式的一側(cè)軸向尺寸相對(duì)較小。對(duì)于一些大型起重機(jī)械，不缺少制動(dòng)鉗的安裝空間，所以可以采用固定鉗式。對(duì)于分提鉗式與整體鉗式，整體鉗式具有更為良好的剛性，但其軸向尺寸相對(duì)較大，結(jié)構(gòu)組成也相對(duì)復(fù)雜，所以可使用半分體鉗式，利用螺栓將兩半連接起來。若額定制動(dòng)轉(zhuǎn)矩過程中制動(dòng)鉗口張開度不超過0.017度，表明制動(dòng)鉗具有非常好的剛性。除此之外，制動(dòng)鉗上設(shè)置有銷軸，制動(dòng)襯墊上的摩擦力就靠銷軸來承受，以促進(jìn)增壓缸工作環(huán)境的改善。

3.2 復(fù)位及自動(dòng)補(bǔ)油

在撤銷Fb之后，控制彈簧在閥1上施加作用并將其接通。制動(dòng)器液壓缸內(nèi)部的活塞在復(fù)位彈簧1的作用下實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，此時(shí)油箱內(nèi)部的油液進(jìn)入制動(dòng)液壓缸。這個(gè)時(shí)候，復(fù)位彈簧2作用在閥2上，使其接通，油液從增壓缸內(nèi)部回流到制動(dòng)液壓缸內(nèi)，制動(dòng)襯墊從制動(dòng)盤上脫離開來，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。直到再次恢復(fù)到設(shè)定參數(shù)后，復(fù)位彈簧2上的作用力通過調(diào)節(jié)螺釘8實(shí)現(xiàn)平衡，閥2進(jìn)入半關(guān)閉狀態(tài)，制動(dòng)襯墊停止復(fù)位操作，液壓回路內(nèi)部余下的油液就通過制動(dòng)液壓缸內(nèi)閥1回流到油箱內(nèi)。從這里就可以看出，閥1和閥2以及調(diào)節(jié)螺釘?shù)葟浹a(bǔ)了制動(dòng)襯墊磨損造成增壓缸內(nèi)部活塞前移所產(chǎn)生的油量不足。閥1和2、復(fù)位彈簧1和2以及件8促使高壓油從制動(dòng)液壓缸流向增壓缸，還符合增壓缸高于油箱安裝位置的要求，同時(shí)有效彌補(bǔ)了密封件變形補(bǔ)油的缺陷（具體工作流程見圖2）。

3.3 自動(dòng)補(bǔ)償

圖2 常開式液壓鉗盤制動(dòng)器結(jié)構(gòu)原理

現(xiàn)階段，在磨損自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)方面，存在有機(jī)械摩擦式、機(jī)械進(jìn)給式以及密封式等補(bǔ)償機(jī)構(gòu)。這些不同的型式都有其各自的特點(diǎn)，機(jī)械摩擦式自動(dòng)補(bǔ)償裝置具有無機(jī)補(bǔ)償、結(jié)構(gòu)緊湊以及性能穩(wěn)定等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，一般應(yīng)用在常開式液壓鉗盤制動(dòng)器中。從實(shí)用性方面來看，機(jī)械摩擦式自動(dòng)補(bǔ)償裝置雖然具有緊湊的結(jié)構(gòu)，但這個(gè)優(yōu)點(diǎn)在對(duì)安裝空間要求不高的大型機(jī)械來講，就稱不上是優(yōu)勢了。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的摩擦式補(bǔ)償裝置有效彌補(bǔ)了上面所講的缺點(diǎn)。

3.4 設(shè)計(jì)流程及操作

首先，對(duì)液壓缸的基本參數(shù)進(jìn)行科學(xué)設(shè)定。液壓鉗盤式制動(dòng)器的工作狀態(tài)通常包括制動(dòng)狀態(tài)、半制動(dòng)狀態(tài)和待機(jī)狀態(tài)三個(gè)方面。設(shè)計(jì)人員在設(shè)定液壓缸基本參數(shù)后，應(yīng)根據(jù)其性能方面要求，將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸、液壓缸工作夜里和輸出力等基本參數(shù)科學(xué)計(jì)算出來。

其次，合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)回路，將系統(tǒng)工作原理圖有效確定出來。液壓鉗盤式制動(dòng)器的液壓系統(tǒng)壓力一般采用中壓，當(dāng)行程加快過程中會(huì)存在最大流量輸出，而系統(tǒng)僅需將液壓缸流量需求滿足即可，所以可以選擇斜盤式軸向柱塞泵。從液壓系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)要求來看，要想加快運(yùn)動(dòng)速度就要合理使用差動(dòng)連接運(yùn)功回路，也就是在快進(jìn)和快退過程中油泵進(jìn)行供油作業(yè)，液壓缸實(shí)現(xiàn)差動(dòng)連接。同時(shí)換接回路工作是通過電磁閥的速度來實(shí)現(xiàn)的，能夠用PLC對(duì)其進(jìn)行直接控制，其相對(duì)簡單的管路有利于對(duì)行程大小進(jìn)行有效調(diào)整。最后在擬定的基本回路的基礎(chǔ)上將系統(tǒng)工作原理圖有效確定出來。

4 結(jié)語

車輛控制系統(tǒng)可以說是車輛的核心，車輛的開關(guān)、行駛速度以及剎車動(dòng)作等都是在該系統(tǒng)下發(fā)揮作用的。因?yàn)橹苿?dòng)器是整個(gè)車輛運(yùn)行的動(dòng)力支持，所以制動(dòng)器的選用是車輛運(yùn)行效果非常重要的保證。不僅使用制動(dòng)器會(huì)影響車輛正常運(yùn)行，還可能在一定程度上對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)造成損壞，為車輛安全行駛埋下隱患，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。所以，對(duì)于車輛制動(dòng)方面，本文采用的液壓鉗盤式制動(dòng)器，通過液壓系統(tǒng)對(duì)制動(dòng)器的支持，來滿足車輛運(yùn)行的需求。