最新制动器设计说明书.docx

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制动器设计说明书

制动器设计说明书

摘要

制动器可以分两大类，工业制动器和汽车制动器，汽车制动器又分为行车制动器（脚刹）和驻车制动器。

在行车过程中，一般都采用行车制动（脚刹），便于在前进的过程中减速停车，不单是使汽车保持不动。

若行车制动失灵时才采用驻车制动。

当车停稳后，就要使用驻车制动（手刹），防止车辆前滑和后溜。

停车后一般除使用驻车制动外，上坡要将档位挂在一档（防止后溜），下坡要将档位挂在倒档（防止前滑）。

使机械运转部件停止或减速所必须施加的阻力矩称为制动力矩。

制动力矩是设计、选用制动器的依据，其大小由机械的型式和工作要求决定。

制动器上所用摩擦材料（制动件）的性能直接影响制动过程，而影响其性能的主要因素为工作温度和温升速度。

摩擦材料应具备高而稳定的摩擦系数和良好的耐磨性。

摩擦材料分金属和非金属两类。

前者常用的有铸铁、钢、青铜和粉末冶金摩擦材料等，后者有皮革、橡胶、木材和石棉等。

臂架式盘式制动器是一种新型的主要适用于起重运输机械的制动装置。

本论文着重介绍了其特点、关键零部件的选择或设计计算方法、主要性能参数及一些台架试验结果。

除此之外还着重介绍了制动臂、松闸器等关键部件的设计参数及注意事项，同时细节方面对于制动器的静力矩也做了详细的计算设计。

Abstract

Brakescanbedividedintotwocategories,industrialbrakesandautomotivebrakes,automotivebrakeisdividedintobrake（footbrake）andtheparkingbrake.Inthedrivingprocess,generallyusedbrake（footbrake）,tofacilitatetheprocessofdecelerationintheforwardstop,notjustthecartoremainintact.IfthetrafficZhidongshilingwhenusingtheparkingbrake.Whenthecarcompletelystopped,ithastousetheparkingbrake（handbrake）,topreventthevehiclefrontandrearslipslide.Afterstoppingthegeneraladditiontotheparkingbrake,theuphillhanginginastalltostall（aftertheslidetoprevent）,downhilltohanginthereversegear（topreventforwardslip.）

Mechanicalmovingpartstostoporslowdowntheresistanceofthemomentmustbeappliedasthebraketorque.Brakingtorqueisthedesign,selectionbasedonthebrake,thesizeofthepatternandworkbythemechanicalrequirementsofthedecision.Frictionmaterialusedonbrake（brakeparts）directlyaffectstheperformanceofthebrakingprocess,andthemainfactorsaffectingtheperformanceoftheworkingtemperatureandthetemperaturerisespeed.Frictionmaterialshouldhavehighandstablefrictioncoefficientandgoodwearresistance.Metallicandnonmetallicfrictionmaterialssub-categories.Theformerarecommonlyusedcastiron,steel,bronze,andpowdermetallurgyfrictionmaterials,whichhaveleather,rubber,woodandasbestos.

Discbrakearmframeisanewmajorforthebrakingdevicehandlingequipment.Thispaperfocusesonitscharacteristics,keycomponentsoftheselectionordesignmethods,themainperformanceparametersandsomebenchtestresults.Highlightsinadditiontothebrakearm,loosebrakecomponents,etc.Thekeydesignparametersandconsiderations,whilethedetailsofthestatictorqueforthebrakehasalsodoneadetailedcalculationofdesign.

第1章概论

1.1制动器（brakestaff）简介

制动器就是刹车，是使机械中的运动件停止或减速的机械零件；俗称刹车、闸。

制动器主要由制动架、制动件和操纵装置等组成。

有些制动器还装有制动件间隙的自动调整装置。

为了减小制动力矩，缩小制动器的尺寸，通常将制动器安装在机构的高速轴上，也就是电动机上，或减速器的输入轴上。

但对安全性要求较高的大型设备（如矿井提升机、电梯等）则应装在靠近设备工作部分的低速轴上。

特殊情况下也有将制动器装在中速轴中的，例如需要浸入油中的载重制动器。

有些电动葫芦为了减轻发热与磨损，就装在减速器壳里。

1.2制动器工作原理

制动器的工作原理是利用摩擦副中产生的摩擦力矩来实现制动作用，或者利用制力与重力的平衡，使机器运转速度保持恒定。

具体如下：

制动器是依靠摩擦副间的摩擦而产生制动作用的，摩擦副中的一组与机构的固定机架相连。

另一组则与机构转动轴相连。

当机构起动时，使摩擦面脱开，机构转动件便可运转；当机构需要制动时，使摩擦面接触并压紧，这时摩擦面间产生足够大的摩擦力矩，消耗动能，使机构减速，直到停止运动。

制动状态还能阻止机构在外载荷作用下运动。

采用摩擦制动的优点是：

机构制动平稳可靠，有时还可以根据需要调整制动力矩的大小。

第2章制动器的种类和用途

2.1制动器的用途

在起重机的各个机构中，制动器几乎是不可缺少的组成部分。

在起升机构中必须装设可靠的制动器，以保证吊重能停止在空中。

自重不完全平衡的起重伸臂也必须用制动器将它维持在一定的位置。

运行机构与回转机构也需要用制动器使它们在一定的时间或一定的行程内停下来。

对于在露天工作或在斜坡上运行的起重机，制动器还有防止风力吹动或下滑的作用。

只有速度很低、阻力很大的室内起重机的运行机构才可以不装设制动器。

某些起重机的起升机构还利用制动器来使物品以所要求的速度下降，例如汽车起重机、淬火起重机等。

综上所述，制动器的作用有如下三种。

1）支持保持不动

2）停止用摩擦消耗运动部分的动能，以一定的减速度使机构停止下来。

3）落重将制动力与重力平衡，使运动体以稳定（恒定）的速度下降。

在起重机的各个机构中，制动器可以具有上述一种或几种作用。

在设计或选用制动器时，应充分注意制动器的任务以及对它的要求。

例如，支持制动器的制动力矩必须具有足够的储备，也就是应当保证一定的安全系数。

对于安全性有高度要求的机构需要装设双重制动器，例如运送熔化铁水包的起升机构，规定必须装设两个制动器，其中每一个都能安全地支持铁水包不致坠落。

对于落重制动器，则应该考虑散热问题，它必须具有足够的散热面积将重物的位能所产生的热量散去，以免制动器过热而损坏或失效。

2.2制动器的种类

2.2.1根据制动器的构造形式分类

a、带式制动器：

利用挠性钢带压紧制动轮产生制动力矩。

带式制动器构造简单，尺寸紧凑，但制动轮轴受力较大（使制动轮轴受到弯曲载荷），摩擦面上压力分布不均匀，因而磨损也不均匀。

它常用于中小起重机和流动式起重机。

b、块式制动器：

两个对称布置的制动瓦块在径向抱紧制动轮产生制动力矩，从而使制动轮轴所受制动力抵消。

块式制动器结构紧凑，紧闸和松闸动作快，但冲击力大。

在桥架类型起重机上大多采用这种制动器。

c、多盘式与圆锥式制动器的上闸力是轴向力，它的制动轮轴也不受弯曲载荷。

这两种制动器都需要较小的尺寸与轴向压力就可以产生相当大的制动力矩，常用于电动葫芦上，使结构非常紧凑。

d、盘式制动器：

其上闸力是轴向力，成对互相平衡，但其摩擦力对制动轮轴产生制动力矩，其大小依制动块的数目与安装而定。

这种制动器的优点是对同一直径的制动盘可采用不同数量的制动块以达到不同的制动力矩。

制动块的形状是平面的，摩擦面易于跑合，有时制动盘做成通风盘，更易于散热。

体积小，质量小，动作灵敏，摩擦面积大，制动力巨大。

它较多地应用于各类起重机中。

2.2.2根据操作情况分类

a、常闭式制动器：

在机构停止工作时，制动器处于紧闸状态；当机构接通能源的瞬间施加外力才能解除制动，使机构开始工作。

b、开式制动器：

机构在非工作状态时，制动器处于松闸状态，在外载荷（例如风载荷）作用下机构可产生运动；机构在工作状态需要运动停止时，可以根据需要施加上闸力使摩擦副结合，产生制动力矩。

c、综合式制动器是常闭式与常开式的综合体。

2.2.3根据制动器驱动方式形式分类

a、自动式制动器的上闸与松闸是自动的。

b、操纵式制动器的制动力矩是可以由人随意控制的。

c、综合式制动器在正常工作时为操纵式，当切断电源后自动上闸以保证安全。

图1综合式制动器

第3章块式制动器的构造

块式制动器的主要部分是制动轮、制动瓦块、制动臂与松闸器。

3.1制动轮

制动轮通常由铸钢制造，转速不高的制动轮也可以用组织细密的铸铁制造。

采用铁制动轮可以使制动衬料的磨损减轻。

国外有用含钼、鉻或镍的合金铸铁制造制动。

为了增强制动轮摩擦表面的耐磨性，最好进行表面淬火，使之硬度为HRC35～45,深度为2～3mm制动轮表面粗糙度Ra值为12.5～6.3μm，表面粗糙度太低在跑合期间使制动衬料磨损太多。

装在高速轴上的制动轮应全部加工，否则应进行平衡，以避免不平衡质量引起的振动。

制动轮的宽度通常比制动瓦块宽度大5mm到10mm。

制动轮的直径根据制动力矩和制动衬料的容许比压力等决定。

3.2制动瓦块

制动瓦块有固定式（图2a）与铰接式（图2b）两种。

固定瓦块构造简单，但由于对安装要求高，现在几乎已不采用。

活动的铰接瓦块在松闸后有贴向制动轮的可能，因而在制动器的瓦块与制动臂之间装了两个弹簧垫圈，以使瓦块不能自由转动。

图2固定式与铰接式制动瓦块

瓦块的材料通常为铸铁。

为了便于加工圆弧面，瓦块的包角取为略小于360°/n,n=4或5。

标准制动器瓦块的包角取为70°及88°（图3）。

增大包角可以增加制动力矩，但包角太大降低散热作用，同时也使瓦块下端松闸间隙太小。

图4示出极限情况的包角，这时A点的松闸运动在制动轮的切线方向，松闸间隙为零。

图370°瓦块的铸造工艺图4极限情况的包角

3.3制动衬料

不加衬料的制动瓦块只用于铁路车辆，起重机制动器采用带有摩擦衬料的制动瓦块，一方面衬料的摩擦系数大，同时使制动轮的磨损小。

3.3.1关于制动衬料的要求：

1）摩擦系数大。

2）摩擦系数恒定。

3）容许高的工作温度当衬料达到极限工作温度时，一般摩擦系数急剧下降，并且磨损加快。

4）耐磨。

5）不伤制动轮。

6）容许比压力大。

7）有适当的刚性——刚性大的材料要求的松闸行程较小，但刚性太大材料丧失缓冲作用，使上闸时的载荷增大。

8）有适当的挠性——便于弯曲，以适合瓦块圆弧，否则应制成定型产品。

9）导热性一般摩擦材料的导热性都不好，为了提高导热性能，有的制动衬料中加入一些导热性能良好的铜丝或铜末。

3.3.2摩擦衬料的主要种类：

1）棉织制品摩擦系数较大，μ=0.45～0.55，最高容许工作温度100℃左右，容许的比压力也低，［p］=0.05~0.3N/mm2。

2）石棉织制品浸以沥青或亚麻仁油能增加强度，是一种常用材料。

摩擦系数μ=0.35~0.4，最高容许工作温度175~200℃，容许比压力［p］=0.05~0.6N/mm2。

3）石棉压制品将石棉碎片与橡胶及小量硫混合压制在一起，然后进行硫化。

摩擦系数μ=0.42~0.53，最高容许工作温度220℃，容许比压力容许比压力［p］=0.05~0.6N/mm2

4）石棉树脂材料由石棉纤维或者石棉线与树脂粘结剂和各种填料混合后经热压而成。

这种材料允许的最高工作温度与粘结树脂的分解温度有关。

粘结剂通常用酚醛树脂，填料长用重晶石，可增加耐磨性与摩擦系数的稳定性。

常常混入黄铜丝碎段或黄铜末以提高耐热性。

摩擦系数μ=0.35~0.5，最高容许工作温度250℃，容许比压力［p］=0.15~0.8N/mm2。

5）粉末冶金摩擦材料金属粉末及石棉、石墨等材料压制烧结而成，容许工作温度达600℃以上，容许比压力［p］=1~1.5N/mm2。

粉末冶金材料是较新的摩擦材料，它是以金属为主体，通常用铁或铜，添加增加摩擦系数的组元，如石棉、二氧化硅、三氧化二铝、碳化硅等，及减少磨损的润滑组元，如石墨、铅、二硫化钼、金属硫等。

调节各组元的含量，可得到所需要的性能。

各组分按一定比例混合均匀，在钢制模具中压制成型，然后在保护气氛下烧结。

铜基粉末冶金摩擦材料对于钢质的对偶材料不易出现粘结，适合作为离合器的摩擦材料，尤其是湿式离合器。

在高速重载的刹车制动，瞬间摩擦表面温度可达1000℃以上，大多采用铁基材料。

下表列出了常用的制动粉末冶金摩擦材料的成分和性能。

常用的制动粉末冶金摩擦材料的成分和性能

粉末冶金摩擦材料的导热系数比石棉树脂材料大的多，前者为4.18kW/（m2•k）,后者为0.04Kw/（m2•k）。

这对于保护对偶材料不致过热有很大的作用。

粉末冶金摩擦材料的摩擦系数也是随着比压力与相对速度的增大而降低。

但由于强度较高，容许比压力较大，工作温度较高，特别适合于高速重载工作。

在高温工作时，磨损量比石棉树脂小一倍以上。

粉末冶金摩擦材料通常烧结在钢质背板上，可以制成多个圆形，方形或梯形。

制动衬料的固定方法通常用铝铆钉或软钢空心铆钉将衬料和瓦块铆在一起。

采用铆接的办法，衬料的利用率仅为50%左右。

采用胶合的方法可以大大的提高材料的利用率，延长更换衬料的周期。

其方法是将衬料胶在2.5～3mm的钢板上,把该板插在瓦块的凹槽中,两端用压板及螺钉固定.

3.4制动臂

制动臂可用铸钢或钢板制造,但不允许用铸铁。

铸钢制动臂断面为工字形，钢板制动臂断面为矩形。

由于铸钢制动臂费工、费料、自重大，所以现在我国大都将制动臂改为由两片钢板组成。

制动臂做成直的或弯的，主要由铰点的位置决定。

直的制动臂可以保证制动轮轴不受弯曲力。

采用弯制动臂使下铰点（固定铰点）向内移，可以增大制动瓦块的包角（图5）。

但由于在制动过程中两瓦块制动压力不相等，合力不为零，使制动轮轴受弯曲力。

图6示出铰点位置对于制动瓦块压力的影响。

图5衬料包角与制动臂铰点位置的关系图6铰点位置对于制动瓦块压力的影响

由制动臂的平衡条件，当制动轮的回转方向如图所示时

图7铰点偏距C产生弯曲压力

当制动轮向图示反方向回转时，μFN的方向相反

对于同样的上闸力FP,如果c≠0，向不同方向回转时瓦块的压力与制动力矩是不相同的。

对于双瓦块制动器来说，如果一侧制动臂为正向，则另一侧为反向，因而两侧的制动瓦块压力与摩擦力不相等（图7），使制动轮轴向一侧弯曲力为

3.5松闸器

制动器的性能好坏很大程度上取决于松闸器的性能。

制动器的松闸器有制动电磁铁和电动推杆。

3.5.1制动电磁铁

制动电磁铁是最常用的松闸器。

制动电磁铁根据激磁电流的种类分为直流电磁铁与交流电磁铁。

除少数特殊情况外，通常将电磁铁与电动机并联，电压是恒定的。

直流电磁铁的电流完全由线圈电阻决定，具有恒定的磁势，其磁通大小随磁铁空气间隙而变，气隙大时磁通小，吸力也小；完全吸合后磁通最大，吸力也最大。

有时为了减轻电磁铁发热，在完全吸合后串入一个电阻以减小电流，此电阻称为经济电阻。

此外还需要与电磁铁线圈并联一个电阻，以避免断电时由于电感产生高压将线圈绝缘击穿，称为放电电阻。

交流电磁铁的电流是变化的。

当气隙大时，由于电感小，电流很大，完全闭合后电流降到最小。

由于电流的这种变化，使交流电磁铁的吸力随气隙的变化比直流电磁铁缓和得多。

但值得注意的是，如果交流电磁铁吸合不完全，会产生烧毁线圈的危险，而直流电磁铁则否。

通常交流电磁铁与交流电动机配套，直流电磁铁与直流电动机配套。

如果在交流电动机处需要采用直流电磁铁，则必须附加整流设备。

根据行程的大小，制动电磁铁分为短程电磁铁与长程电磁铁。

如前所述，采用短程电磁铁时不需要复杂的杠杆系统，制动器紧凑，上闸动作灵敏，但由于松闸能量小（吸力×行程），只能用于小型制动器，制动轮直径一般不超过φ300mm。

长程电磁铁则需要杠杆系统以增大上闸力。

上述简单的电磁铁的共同缺点是动作时有猛烈的冲击。

为了减小冲击，有些电磁铁上设有空气缓冲装置。

目前采用一种新型的电磁铁，称为液压电磁铁。

这种电磁铁消除了简单电磁铁的缺点。

它的动作平稳，无噪声，寿命长。

此外它还有能自动补偿瓦块衬料磨损的优点。

它的缺点是制造工艺要求较高，价格昂贵。

制造不完善的液压电磁铁也常有动作失灵、漏油等毛病。

3.5.2电动推杆

目前采用的电动推杆有两种，即电动液压推杆与电动离心推杆，两者的基本原理都是利用回转物体的离心力，前者是利用回转液体离心力所产生的液体压力，后者是利用重块回转时的离心力。

a、电动液压推杆的优点是：

1）动作平稳，无噪声。

如果装设可调整的阀，可以在很大范围调整上闸及松闸时间。

2）允许开动次数多，达600次/h以上。

3）推力恒定。

4）所需电动机功率很小（0.18~0.4kw），工作时耗电很少。

5）可与电动机联合进行调速，例如淬火起重机。

电动液压推杆的缺点是：

上闸缓慢，用于起升机构时，制动行程较长；不适于低温环境；只宜于垂直布置，偏角一般不大于10°。

3.5.3电动离心推杆

电动离心推杆几乎具有电动液压推杆的所有优点。

此外，它可用于寒冷气候与任何位置。

它的缺点是：

由于惯性质量大，松闸、上闸动作迟缓，不宜于起升机构。

目前我国尚未生产这种松闸器。

3.6闸瓦松闸间隙的调整与衬料磨损自动补偿

制动器在松闸状态时应当使制动瓦块与制动轮间具有适当的间隙。

通常这个松闸间隙随着闸瓦衬料的磨损逐渐增大。

为了保证制动器正常工作，松闸间隙不能过大与过小。

最小松闸间隙根据制动材料的弹性而定，通常约为εmin=0.4~0.8mm，用以保证制动轮在旋转时不致由于振摆、轴的挠度以及热膨胀而与制动瓦接触。

松闸间隙过大可能引起很大的上闸冲击。

最大的松闸间隙通常约为εmax=1.5εmin。

松闸间隙的调整包括两个方面。

一方面要求松闸器的实际行程（它通常小于额定行程）合乎要求，这样就保证了两侧的松闸间隙的和为规定值。

例如对于短行程制动器，这是通过调整带螺纹的松闸顶杆来达到的。

另一方面要求两侧的松闸间隙相等。

为此目的，制动器都备有特殊装置。

最简单的就是装设可调整的顶螺钉（图8a、b）。

图8顶螺钉

第4章制动器的选择与使用

4.1静力矩

起吊额定起荷时作用在卷筒轴上的静力矩

Mjt=（PQ+PO）DO/2mηZηdηt

式中Mjt—静力矩，单位为Nm

m—滑轮组倍率。

ηZ—滑轮组效率。

ηd—导向轮效率。

ηt—卷筒的机械效率

滑轮

效率阻力

系数ηZ

m

ηη23456810

滚动轴承0.980.020.990.980.970.960.950.9350.916

滑动轴承0.950.050.9750.950.3250.90.880.840.8

作用在电动机轴上的静力矩为：

Mj=Mjt/iηch＝（PQ+PO）DO/2miη

式中Mj—静力矩，单位为Nm

i—减速装置的传动比

下降时作用在电动机轴上的静力矩为：

M＇j=（PQ+PO）DOη＇/2mi

DO—卷筒的卷绕直径

η＇—下降时总机械效率

η＇=η＇chηZ＇ηdηt

ηZ＇—下降时滑轮组效率

η＇ch—下降时减速装置效率

通常ηZ＇≈ηZη＇ch≈ηchη＇≈η

4.2制动器的选用

（1）制动器的制动力矩，应该满足以下要求：

MZ≥k•M＇j

式中：

MZ——制动器的制动力矩；

M＇j——制动器所在轴的力矩；

k——安全系数，参见下表。

见表制动器安全系数

驱动型式工作级别K

人力驱动M1（轻级）1.5

动力驱动M1,M2,M3（轻级）1.5

M4（中级）1.75

M5（重级）2.0

M6,M7,M8（特重级）2.5

机构使用情况安全系数

起升机构一般的1.5

重要的1.75

具有液压制动作用的液压传动的1.25

吊运炽热金属或危险品的起升机构装有两套支持制动器时，对每一套制动器1.25

彼此有刚性联系的两套驱动装置，每套装置装有两套支持制动器时，对每一套制动器1.1

非平衡变幅机构1.75

平衡变幅机构在工作状态时1.25

在非工作状态时1.15

（2）制动器一般装在机构的高速轴上，以减小制动转矩。

如果在起升和变幅机构的传动系中有离合器或挠性传动件，制动器必须装在卷筒上，以确保安全。

起升和变幅机构必须使用自动作用或操纵的常闭式制动器。

必须使用常开式操纵制动器时，应加装停止器。

运行和回转机构推荐使用操纵式制动器。

为了兼有自动作用常闭式制动器安全可靠和常开操纵式制动器制动平稳的优点，在电动桥、门式起重机的运行机构上可采用综合式制动器。

（3）在起升、变幅机构中用于支持物品和吊臂的制动器，制动转矩必须有足够的储备。

运行、回转机构采用自动作用常闭式制动器时，应满足制动时间或制动减速度的要求。

门式、门座起重机和装卸桥运行机构制动器，应保证起重机具有工作状态下的防风抗滑安全性。

铁路起重机运行机构制动器除具有自力行走制动的功能外，还应保证起重机随列车回送时能与列车空气制动系统同步制动。

汽车起重机运行机构应具有行车制动和驻车制动功能。

行车制动由车轮制动器实现。

驻车制动可采用中央制动器，制动传动轴或变速器输出轴，也可在车轮制动器上另设操纵机构，使之兼起驻车制动器作用，不另设中央制动器。

（4）选制动器应注意经济性、维修性和使用可靠性。

选用电力液压块式制动器标准产品时，制动转矩只能在（1.0～0.7）额定制动转矩范围内调整，以保证制动转矩稳定，制动可靠。

电磁块式制动器标准产品的制动转矩可在（1.0～0.5）额定转矩范围内调整。

（5）制动器选定后，应