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械裝置。 制動器是使運動部件（或運動機械）減速、停止或保持停止狀態(tài)等功能的裝置。幾乎是所有機械設備必配的裝置，其中摩擦類制動器由于結構簡單，使用方便，廣泛的應用于各類機械設備中。

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制動效能降低的現象。 本文提出一種新的設計思路，變換摩擦區(qū)的位置，克服了現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構型式， 從制動機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動表面相互接觸時所產生的摩擦阻力，將運動時的動能和勢能轉化為熱能，從而達到減速或停止的一種裝置。 摩擦類制動裝置的基本構造如圖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，同步轉動，制動塊與機座相連，其與制動盤之間的位置可以調整。

正常運行時， 制動塊與制動盤脫離， 制動塊的存在不影響制動盤的運行，從而不影響機構的運行。 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生摩擦力，阻止制動盤轉動。摩擦力所做的功，成了機械能的轉化。隨著機械能的不斷消耗，設備的運行速度將逐漸減少，從而達到制動的效果。 轉化的熱量，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

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

式中：V0—物體制動前的運行速度；F—制動力；μ—制動盤和制動塊之間的摩擦系數；m—運動物體的質量；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值，建立起驅動力、運行阻力和制動阻力之間的平衡關系，也可以使運動物體的運行速度保持在期望的范圍內， 例如汽車運行中的減速行駛過程。

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

由于常見的制動器， 總是有一個在機體上運動的制動盤和一個與機體相對靜止的制動塊構成。 在制動的過程中，摩擦熱量產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?？蛇_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動的狀態(tài)，因此可以方便的采取降溫措施，例如采用風冷的辦法。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，同時由于其和機體之間沒有相對運動，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。

如果能夠對現有的摩擦制動器的構造，進行變革，使摩擦塊在制動的過程中，自身也處在不斷的運動過程中，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 新式制動裝置的設想

根據對制動機理的認識和提高制動器性能的設想，提出如下以常規(guī)的鉗式制動器為基礎的設計方案，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的構造。 將制動塊安裝在可以轉動的轉軸上， 制動塊可以隨轉軸一起轉動， 實現制動過程中摩擦面的變換，改善其散熱條件。

回轉制動塊的轉動軸旋轉，必須有驅動構造，為此可以將現有的制動盤的外沿制出輪齒，轉動軸上安裝小齒輪，制動盤和回轉軸上的小齒輪通過齒輪嚙合，保持同步轉動，帶動制動塊回轉。 只要制動盤處于運動的狀態(tài)，制動塊就必然處于運動的狀態(tài)。制動塊可以沿回轉軸的移動， 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構和制動塊之間是沒有相對運動的，現由于制動塊需要回轉，因此制動力的加力裝置和回轉制動塊之間增加了一個轉動支點，具有較小的摩擦系數，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，構成摩擦付的構件，對于機體而言，總是一個動，一個不動，而這種結構的制動器，在制動的過程中，制動盤和制動塊都處在運動的狀態(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，回轉制動塊靠制動力的作用，壓向制動盤的側面，在接觸區(qū)產生摩擦力，起到制動的作用。由于關聯齒輪的作用，制動盤同時驅動回轉制動塊回轉，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。

當制動過程完成后， 制動盤和回轉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制動塊之間的摩擦力，系統就不會運行，此時與現有的制動構造一樣，外力由回轉制動盤的轉軸來承受。其功能與現有的駐車制動完全相同。

系統運行時， 制動力去除， 摩擦盤和回轉制動塊脫開，回轉制動塊的存在不影響系統的運行。

4 雙動制動器構造原理

雙動制動器構造原理如圖4 所示。

圖4 原理構造簡圖

制動器是一個單體結構， 所有的構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械中的驅動裝置和執(zhí)行機構連接起來，完成特定的功能。

整個裝置可分成3 個組成部分：

（1）回轉制動塊的驅動。常規(guī)的制動塊相對于基座都是靜止的， 本設計的思路即是通過回轉的制動盤來驅動制動塊，利用制動盤的外圓來輸出運動，不僅可以簡化結構，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面是摩擦工作面， 因此在構造上須確保制動盤的厚度大于被驅動齒輪的厚度， 以免制動時出現干涉現象。

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

圖5 制動塊的回轉構造

（2）回轉制動塊的結構。 回轉塊的構造圖如圖6 所示。

圖6 回轉摩擦塊的結構

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。制動塊盤的加力機構如圖7 所示。采用液壓油缸作為加力的構造，柱塞與支架相連，位于支架的一端，支架和柱塞同步運動， 制動時，向油缸中通入壓力油，通過回轉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制動過程。

圖7 制動力的產生和解除

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。

為了避免在回復時，出現支架的自鎖，控制好H 和L2的比值。 根據摩擦力的平衡關系，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， 實際設計時應根據每一個構件功能的需要，研究更加實用的機構。例如把回位彈簧安裝在回轉制動塊的回轉軸上， 回位動作就會更加可靠。

例如采用圖8 所示的加力機構， 則可以用一套加力裝置完成加力功能。 在回轉制動塊上增加通風道，可以加強冷卻效果。

圖8 加力機構示例

分析這個示意構造也可以看出，與現有的機構相比， 制動盤和主軸的相對位置完全沒有變化，就是說，在使用新型雙動結構的制動器， 基本不影響原設備的總圖構造，在結構設計時，也可以考慮到安裝，維修等的需要，制動盤和回轉制動塊塊的相對位置進行調換，而不改變使用功能。

5 新型制動器的特點

（1）回轉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） 回轉制動塊， 在制動過程中處于回轉的工作狀態(tài)，因此可以像常規(guī)的制動盤一樣，設置通風通道，改善散熱條件。

（3）利用制動盤作為關聯齒輪，結構簡單，緊湊，制動盤和回轉制動塊的轉動方向相反， 提高了相對運動的速度，有助于提高制動器的使用效果。

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

（5）回轉制動塊的體積遠比現有結構制動塊的體積大，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） 制動力的加力構造同時起到加力和控制回轉制動塊位置的雙重作用。 作用力加在制動盤與回轉制動塊重疊的位置上，可以消除回轉制動塊偏載的影響。

6 結論

雙動式制動器，制動盤與制動塊相互運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，通過轉動回轉制動塊，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。