双动式制动器技术原理分析

席世亮， 于公满

（中国中元国际工程有限公司， 北京 100089）

0 引言

制动器是最常用的机械装置。 制动器是使运动部件（或运动机械）减速、停止或保持停止状态等功能的装置。几乎是所有机械设备必配的装置，其中摩擦类制动器由于结构简单，使用方便，广泛的应用于各类机械设备中。

常规摩擦式制动器制动过程存在摩擦面温升过高，制动块磨损加剧，由于温度升高还出现制动效能降低的现象。 本文提出一种新的设计思路，变换摩擦区的位置，克服了现有的制动块在制动的过程中一直处于摩擦状态的情况，可以减少热量的集聚，减少制动块的温升。

1 摩擦类制动器基本原理

制动器有多种新的结构型式， 从制动机理来分类可分为摩擦式制动器和非摩擦式制动器两类。

摩擦类制动器主要有盘式制动器、带式制动器、钳式制动器等各种构造形式。 非摩擦类制动器主要有磁粉制动器、磁涡流制动器等。

摩擦类制动器是利用两个运动表面相互接触时所产生的摩擦阻力，将运动时的动能和势能转化为热能，从而达到减速或停止的一种装置。 摩擦类制动装置的基本构造如图1 所示，这是一个最常见的钳式制动器的原理图，制动盘与动力装置相连，同步转动，制动块与机座相连，其与制动盘之间的位置可以调整。

正常运行时， 制动块与制动盘脱离， 制动块的存在不影响制动盘的运行，从而不影响机构的运行。 需要制动时，制动块在制动力（可以是液压力、弹性力、电磁力等，甚至是手动力）的作用下，与制动盘相互接触。在制动力的作用下，制动盘和制动块之间产生摩擦力，阻止制动盘转动。摩擦力所做的功，成了机械能的转化。随着机械能的不断消耗，设备的运行速度将逐渐减少，从而达到制动的效果。 转化的热量，散失到周围的空气中。

2 制动器摩擦面温升过高，功能受到限制

运动的物体在制动前，具有一定的运动速度，制动过程即是在与运动方向相反的方向上，施加一个外力，使运动的物体停下来，完成制动。 即运动学公式：

式中：V0—物体制动前的运行速度；F—制动力；μ—制动盘和制动块之间的摩擦系数；m—运动物体的质量；t—完成制动过程所需要的时间。

分析此公式可知，在制动时，不论初始速度有多少，制动力有多大，制动总是需要一段时间。

制动过程不一定是以运动速度为0 作为制动过程的终点，也可以通过人为的控制制动力的数值，建立起驱动力、运行阻力和制动阻力之间的平衡关系，也可以使运动物体的运行速度保持在期望的范围内， 例如汽车运行中的减速行驶过程。

作为制动过程的逆过程，如果驱动力小于摩擦力，则系统的运行速度总是为0，即不可能完成起动过程。

由于常见的制动器， 总是有一个在机体上运动的制动盘和一个与机体相对静止的制动块构成。 在制动的过程中，摩擦热量产生于制动盘和制动块相接触的位置处，实践表明，摩擦处的温度很高，通常可达到400～500℃，这对制动材料的性能是一个很大的考验， 由于摩擦面温升过高，造成制动器失灵的事情常有发生。

在制动的过程中，在制动盘上，与制动块接触的位置是不断变换的，由于制动盘处于相对运动的状态，因此可以方便的采取降温措施，例如采用风冷的办法。但制动块在制动的过程中，总是紧贴在制动盘上，处于摩擦状态的位置是不变的，同时由于其和机体之间没有相对运动，因此无法采取便利的降温措施，制动块的热量无法及时传出，从而造成了制动块的温升过高，影响到制动器的性能发挥。

如果能够对现有的摩擦制动器的构造，进行变革，使摩擦块在制动的过程中，自身也处在不断的运动过程中，从而为降低摩擦面的温度提供方便， 这对于延长制动器的寿命，提高制动器的性能都会具有极大的作用。

3 新式制动装置的设想

根据对制动机理的认识和提高制动器性能的设想，提出如下以常规的钳式制动器为基础的设计方案，如图2 所示。

图2 新型制动器原理

整体思路是将原固定不动的制动块改成可以绕轴回转的构造。 将制动块安装在可以转动的转轴上， 制动块可以随转轴一起转动， 实现制动过程中摩擦面的变换，改善其散热条件。

回转制动块的转动轴旋转，必须有驱动构造，为此可以将现有的制动盘的外沿制出轮齿，转动轴上安装小齿轮，制动盘和回转轴上的小齿轮通过齿轮啮合，保持同步转动，带动制动块回转。 只要制动盘处于运动的状态，制动块就必然处于运动的状态。制动块可以沿回转轴的移动， 完成制动时的接触和非制动时的脱离。

常规的钳式制动器的制动力加力机构和制动块之间是没有相对运动的，现由于制动块需要回转，因此制动力的加力装置和回转制动块之间增加了一个转动支点，具有较小的摩擦系数，不会成为新的发热点。

通常所见的制动器在制动的过程中，构成摩擦付的构件，对于机体而言，总是一个动，一个不动，而这种结构的制动器，在制动的过程中，制动盘和制动块都处在运动的状态。因此可以称其为双动制动器，如图3 所示，相互运动过程中形成的摩擦区域，与常规的钳式制动器完全相同。

图3 摩擦区的变换

在制动时，回转制动块靠制动力的作用，压向制动盘的侧面，在接触区产生摩擦力，起到制动的作用。由于关联齿轮的作用，制动盘同时驱动回转制动块回转，不断变换摩擦区的位置，从而为摩擦块的降温创造了条件。

当制动过程完成后， 制动盘和回转制动块在制动力的作用下，紧紧的靠在一起。如果外力不超过制动盘和回转制动块之间的摩擦力，系统就不会运行，此时与现有的制动构造一样，外力由回转制动盘的转轴来承受。其功能与现有的驻车制动完全相同。

系统运行时， 制动力去除， 摩擦盘和回转制动块脱开，回转制动块的存在不影响系统的运行。

4 双动制动器构造原理

双动制动器构造原理如图4 所示。

图4 原理构造简图

制动器是一个单体结构， 所有的构件都支撑在一个独立的基座上， 与制动盘由两个轴伸。 可以很方便的把一个机械中的驱动装置和执行机构连接起来，完成特定的功能。

整个装置可分成3 个组成部分：

（1）回转制动块的驱动。常规的制动块相对于基座都是静止的， 本设计的思路即是通过回转的制动盘来驱动制动块，利用制动盘的外圆来输出运动，不仅可以简化结构，而且可以保证制动盘和制动块同步。

要注意的是制动盘的侧面是摩擦工作面， 因此在构造上须确保制动盘的厚度大于被驱动齿轮的厚度， 以免制动时出现干涉现象。

即图中B1>B2，图中制动块的回转轴H1，H2 段是花键轴， 可以确保制动块盘既可以随制动块回转轴一起转动，又可以在制动力的作用下，完成轴向移动。 其构造如图5 所示。

图5 制动块的回转构造

（2）回转制动块的结构。 回转块的构造图如图6 所示。

图6 回转摩擦块的结构

摩擦块和制动块盘采用螺栓连接，在摩擦块磨损到一定的程度时，即可以更换。 由于摩擦块盘位于一个开放的空间中，具有足够的更换空间，更换维修会更加方便。

（3）制动块盘的加力和脱开。制动块盘的加力机构如图7 所示。采用液压油缸作为加力的构造，柱塞与支架相连，位于支架的一端，支架和柱塞同步运动， 制动时，向油缸中通入压力油，通过回转轮把摩擦块压向制动盘，作用力的中心与制动盘和摩擦块重叠部分的中心相对，在制动力的作用下，制动块压向制动盘实现制动过程。

图7 制动力的产生和解除

解除制动时，柱塞缸的油路和油箱接通，压力释放，制动块在弹簧力的作用下，与制动盘脱开，不再形成制动阻力。

在支架的端部，配有报警触点，当摩擦块逐渐摩损，触点的相对位置就逐渐接近，一旦接触，就会触发报警信号，提醒用户及时更换摩擦块。

为了避免在回复时，出现支架的自锁，控制好H 和L2的比值。 根据摩擦力的平衡关系，因此有：

不自锁的条件是：

把式（3）代入式（4）得：

整理后有：

这只是形象的表示这种制动装置的原理， 实际设计时应根据每一个构件功能的需要，研究更加实用的机构。例如把回位弹簧安装在回转制动块的回转轴上， 回位动作就会更加可靠。

例如采用图8 所示的加力机构， 则可以用一套加力装置完成加力功能。 在回转制动块上增加通风道，可以加强冷却效果。

图8 加力机构示例

分析这个示意构造也可以看出，与现有的机构相比， 制动盘和主轴的相对位置完全没有变化，就是说，在使用新型双动结构的制动器， 基本不影响原设备的总图构造，在结构设计时，也可以考虑到安装，维修等的需要，制动盘和回转制动块块的相对位置进行调换，而不改变使用功能。

5 新型制动器的特点

（1）回转制动块在制动的过程中，不断的改变摩擦区的位置，克服了现有的制动块在制动的过程中一直处于摩擦状态的情况，可以减少热量的积聚，减少制动块的温升。

（2） 回转制动块， 在制动过程中处于回转的工作状态，因此可以像常规的制动盘一样，设置通风通道，改善散热条件。

（3）利用制动盘作为关联齿轮，结构简单，紧凑，制动盘和回转制动块的转动方向相反， 提高了相对运动的速度，有助于提高制动器的使用效果。

（4）调整关联齿轮的速比，可以调整回转制动块的速度，从而可以控制制动力的数值，这一点特别是需要低速度端制动的情况，相当于在低速端，人为的制造了一个高速运动的环境，可以有效的减低制动面的压强，有助于改善制动件的工作条件。

（5）回转制动块的体积远比现有结构制动块的体积大，可以容纳更多的摩擦材料， 有利于增加制动器的寿命周期，起到减少维修工作量的效果。

（6） 制动力的加力构造同时起到加力和控制回转制动块位置的双重作用。 作用力加在制动盘与回转制动块重叠的位置上，可以消除回转制动块偏载的影响。

6 结论

双动式制动器，制动盘与制动块相互运动过程中形成的摩擦区域，与常规的钳式制动器完全相同，通过转动回转制动块，使摩擦块的摩擦位置发生改变，可以减少热量的积聚，减少制动块的温升，从而改善制动器的使用效果。