關于一種高效柔性制動裝置的設計與研究

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】關于制動裝置，國內外研究方向是主要針對制動器的材料以及制動的方法進行研究。現階段制動器主要分為內張鼓式制動器、盤式制動器、空氣制動器、電制動器，其中內張鼓式制動器、盤式制動器是現階段主流制動方式，具有結構簡單，易于維修的優點。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，長期制動會導致制動器溫度升高，導致制動器失靈問題，這是致命的問題和缺陷。同時，有些制動器在制動時會導致沖擊和震動產生，這對整體機車等產生不利影響。為解決傳統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、長期制動導致制動器失靈、降低制動器成本等系列問題，本文設計了一種高效柔性制動裝置，該裝置采用共軸反轉傳動技術，利用兩個葉輪的相反方向的轉動攪動葉輪腔體中的液壓油介質來實現產生相互阻尼扭矩，達到降速和制動的目的。

【關鍵詞】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電機、發動機、高速轉動部件等旋轉部件。傳統的制動器一般具有制動接觸件磨損嚴重，定期需更換摩擦片等接觸件的缺陷，并且嚴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，導致產生制動器失靈問題，這是致命的問題和缺陷。同時，有些制動器在制動時會導致沖擊和震動產生，這對整體機車等產生不利影響。

為了解決這個問題，本課題針對市面上現有的各種制動器進行研究，設計了一種具有創新結構的高效柔性制動裝置。設計該柔性制動裝置的目的就是能夠實現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、城市軌道列車、風力發電、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，將用在發電機、發動機、高速轉動部件等旋轉部件上，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作用;同時應用廣泛，市場潛力巨大，對汽車、工程機械、冶金、能源與動力等與機械相關的行業具有重要的作用，本課題具有極其重要的研究價值和廣闊的市場前景。

2 制動裝置國內外的研究動態及應用現狀

關于制動裝置，國內外研究方向是主要針對制動器的材料以及制動的方法進行研究。現階段制動器主要分為內張鼓式制動器、閘閥式制動器、盤式制動器、空氣制動器、電制動器，其中內張鼓式制動器、閘閥式制動器、盤式制動器是現階段主流制動方式，具有結構簡單，易于維修的優點。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。

目前國內和國外有關柔性制動裝置的研發很少，品種單一，目前幾乎屬于市場空白。福伊特在1961年首創商用車液力緩速器。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、輪胎過熱所產生的事故隱患;通過承擔車輛85%左右剎車制動任務，提高駕駛的安全系數。

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作用，發展前景極其廣闊。

3 柔性制動裝置結構設計

本文所設計的一種高效液力制動裝置的結構如圖1所示，其組成結構包括：液壓油泵、液壓系統控制器、油箱、換熱器、散熱器、共軸反轉軸系。液壓系統控制器與液壓油泵連接，液壓系統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，第一軸上設有主動傳動齒輪，主動傳動齒輪與第二軸上的第一轉向齒輪嚙合，第一轉向齒輪與第三軸上的第二轉向齒輪嚙合，第二轉向齒輪通過第三軸與從動傳動齒輪同軸轉動，從動傳動齒輪與設置在第四軸上的反向轉動齒輪嚙合。反向轉動齒輪帶動反向葉輪反向旋轉。

反向葉輪和正向葉輪為圓形結構，內部設置有若干葉片。其結構如圖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備的轉動部件上的旋轉齒輪進行嚙合，帶動第一軸6和正向葉輪11旋轉，實現動力輸入。同時，與主動傳動齒輪1嚙合的第一轉向齒輪2轉動，帶動與第一轉向齒輪2嚙合的第二轉向齒輪3轉動，第二轉向齒輪3轉動方向與主動傳動齒輪1同向，與第二轉向齒輪3同軸的從動傳動齒輪4轉動，與從動傳動齒輪4嚙合的反向轉動齒輪5形成與主動傳動齒輪1的反向轉動，進而帶動反向葉輪10反向轉動。即，通過齒輪系的齒輪嚙合傳動，反向葉輪10的反向旋轉運動。（2）制動方法：當需要對設備進行制動時，液壓系統控制器13控制開啟液壓油泵12，關閉卸荷閥25回油通路，設置壓力調節閥24的液壓值大小，液壓油泵12工作，液壓油介質充滿正向葉輪11和反向葉輪10圍成的腔體，帶動正向葉輪11轉動，正向葉輪11和反向葉輪10的葉輪都攪動液壓油介質對彼此產生相互的阻尼扭矩，導致正向葉輪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備的轉動部件上的旋轉齒輪降速，制動。制動扭矩的大小根據壓力調節閥24的液壓值大小和卸荷閥設置壓力值大小而改變，當卸荷閥完全關閉回油通路時，制動扭矩的大小由壓力調節閥24設置的液壓值大小決定。當卸荷閥沒有完全關閉回油通路時，制動扭矩的大小由壓力調節閥24設置的液壓值大小和卸荷閥設置的液壓值大小共同決定，此兩個液壓閥所設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合的縫隙中流出，通過液壓管路流動到換熱器14中進行降溫冷卻，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中的油液進行散熱。

當不需制動時，液壓系統控制器13控制關閉液壓油泵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的葉輪處于空轉狀態，不產生相互阻尼扭矩。

5 總結

本文所設計的柔性制動器能夠實現高效、平緩制動過程，保護了設備運行的穩定性和安全性。可用在發電機、發動機、高速轉動部件等旋轉部件上，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作用。同時應用廣泛，市場潛力巨大，對汽車、工程機械、冶金、能源與動力等與機械相關的行業具有重要的作用，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：沈陽工業大學）