關(guān)于一種高效柔性制動裝置的設(shè)計與研究

于詩涵 李欣迪 徐宏天 桂世昌 林文帥 王海運 徐飛 龔麗娟

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

【關(guān)鍵詞】柔性制動;液力制動;液力緩速器;葉輪

1 研究的目的和意義

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

為了解決這個問題，本課題針對市面上現(xiàn)有的各種制動器進(jìn)行研究，設(shè)計了一種具有創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的高效柔性制動裝置。設(shè)計該柔性制動裝置的目的就是能夠?qū)崿F(xiàn)平緩而高效的制動過程。該柔性制動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、自動扶梯、傳送裝置等需要一個高效而平緩的制動過程和需要減小在制動過程中對設(shè)備的損害的場所。

該柔性制動裝置將通過液力作為制動的動力源，將用在發(fā)電機(jī)、發(fā)動機(jī)、高速轉(zhuǎn)動部件等旋轉(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，具有緩沖和過載保護(hù)作用;同時應(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值和廣闊的市場前景。

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

關(guān)于制動裝置，國內(nèi)外研究方向是主要針對制動器的材料以及制動的方法進(jìn)行研究。現(xiàn)階段制動器主要分為內(nèi)張鼓式制動器、閘閥式制動器、盤式制動器、空氣制動器、電制動器，其中內(nèi)張鼓式制動器、閘閥式制動器、盤式制動器是現(xiàn)階段主流制動方式，具有結(jié)構(gòu)簡單，易于維修的優(yōu)點。這幾類制動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)重降低制動器使用壽命，使得制動器成本不斷升高。

目前國內(nèi)和國外有關(guān)柔性制動裝置的研發(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器。它利用下坡巡航功能，通過設(shè)定下坡時速，可大大減少剎車和換擋操作（甚至完全不用），杜絕了制動器、輪胎過熱所產(chǎn)生的事故隱患;通過承擔(dān)車輛85%左右剎車制動任務(wù)，提高駕駛的安全系數(shù)。

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

3 柔性制動裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的一種高效液力制動裝置的結(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)有主動傳動齒輪，主動傳動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傳動齒輪同軸轉(zhuǎn)動，從動傳動齒輪與設(shè)置在第四軸上的反向轉(zhuǎn)動齒輪嚙合。反向轉(zhuǎn)動齒輪帶動反向葉輪反向旋轉(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 柔性制動裝置工作原理

該高效柔性制動裝置的運行方法，該方法包括：

（1）動力輸入方法：該高效液力制動裝置的主動傳動齒輪1與需要制動的汽車等設(shè)備的轉(zhuǎn)動部件上的旋轉(zhuǎn)齒輪進(jìn)行嚙合，帶動第一軸6和正向葉輪11旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)動力輸入。同時，與主動傳動齒輪1嚙合的第一轉(zhuǎn)向齒輪2轉(zhuǎn)動，帶動與第一轉(zhuǎn)向齒輪2嚙合的第二轉(zhuǎn)向齒輪3轉(zhuǎn)動，第二轉(zhuǎn)向齒輪3轉(zhuǎn)動方向與主動傳動齒輪1同向，與第二轉(zhuǎn)向齒輪3同軸的從動傳動齒輪4轉(zhuǎn)動，與從動傳動齒輪4嚙合的反向轉(zhuǎn)動齒輪5形成與主動傳動齒輪1的反向轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動反向葉輪10反向轉(zhuǎn)動。即，通過齒輪系的齒輪嚙合傳動，反向葉輪10的反向旋轉(zhuǎn)運動。（2）制動方法：當(dāng)需要對設(shè)備進(jìn)行制動時，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，帶動正向葉輪11轉(zhuǎn)動，正向葉輪11和反向葉輪10的葉輪都攪動液壓油介質(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帶動第一軸6降速，第一軸6通過鍵帶動主動傳動齒輪1降速，主動傳動齒輪1通過齒輪嚙合帶動需要制動的汽車等設(shè)備的轉(zhuǎn)動部件上的旋轉(zhuǎn)齒輪降速，制動。制動扭矩的大小根據(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，制動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，制動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，此兩個液壓閥所設(shè)置壓力值的最小者決定制動扭矩的大小。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葉輪結(jié)合的縫隙中流出，通過液壓管路流動到換熱器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，散熱器15對換熱器14中的油液進(jìn)行散熱。

當(dāng)不需制動時，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)計的柔性制動器能夠?qū)崿F(xiàn)高效、平緩制動過程，保護(hù)了設(shè)備運行的穩(wěn)定性和安全性?？捎迷诎l(fā)電機(jī)、發(fā)動機(jī)、高速轉(zhuǎn)動部件等旋轉(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，具有緩沖和過載保護(hù)作用。同時應(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)）