弹簧制动器的设计计算.pdf

弹 簧 制 动 器 的 设 计 计 算北 京 科 技 大 学 张 卫 刚 张 文 明提 要 弹 簧 制 动 器 、 是 一 种 新 型 的 多 盘 湿 式 制 动 器 。 其 基 本 特 点 是 失效 安 全 , 即 在 车 辆 或 制 动 系 统 出 现 故 障 的 情 况 下 , 制 动 器 处 于 制 动 状 态 。 每 个 车 轮 制 动 器 都 是一 个 独 立 的 制 动 系 统 , 制 动 可 靠 、 维 修 简 单 、 寿 命 长 , 适 合 于 井 下 装 载 机 使 用 。 本 文 简 单 介 绍 了这 种 制 动 器 的 结 构 特 点 、 工 作 原 理 、 设 计 计 算 及 优 化 方 法 。关 被 词 制 动 器 弹 簧 井 下 装 载 机工 作 原 理 与 特 点近 几 年 来 开 始 应 用 于 工 程 机 械 特 别 是井 下 无 轨 运 输 设 备 的 弹 簧 制 动 器 是 一 种 新型 的 多 盘 湿 式 制 动 器 , 其 基 本 结 构 如 图 所丫 丫 乙 仁 才才, 犷犷嚓嚓 鹦 鹦解解 亘架 万万彩彩 彩 于 彭 绷绷图 弹 簧 制 动 器 的 结 构一 轮 毅 一 端 面 密 封 圈 一 外 壳 一 摩 擦 片一 对 偶 片 一 活 塞 一 密 封 圈 一 弹 簧一 桥 壳 一 半 轴 套 管 一 半 轴 一 密 封 圈摩 擦 片 与 对 偶 片 间 隔 排 列 , 片 间 距离 为 一 。 片 间 距 离 过 小 会 造 成解 除 制 动 不 彻 底 , 摩 擦 损 失 大 并 引 起 制 动 器发 热 片 间 距 离 过 大 会 使 制 动 响 应 时 间 长 ,影 响 制 动 效 果 。 摩 擦 片 与 轮 毅 用 花 键 联接 并 与 轮 毅 一 起 转 动 。 对 偶 片 与 制 动 器 外壳 用 花 键 联 接 , 制 动 器 外 壳 用 螺 栓 固 接 在桥 壳 上 。制 动 时 , 活 塞 与 制 动 器 外 壳 之 间 的 环形 充 油 空 间 通 过 工 作 制 动 阀 与 回 油 联通 。 活 塞 在 弹 簧 的 作 用 下 向 左 运 动 , 压 紧摩 擦 片 与 对 偶 片 产 生 制 动 力 矩 。 解 除 制 动时 , 压 力 油 经 工 作 制 动 阀 进 入 环 形 空 间 ,推 动 活 塞 向 右 运 动 并 压 缩 弹 簧 。 停 车 制 动时 , 环 形 空 伺 经 停 车 制 动 阀 与 回 油 联 通 。用 工 作 制 动 阀 控 制 油 压 可 以 控 制 制 动 力 矩的 大 小 。弹 簧 制 动 器 采 用 油 液 循 环 散 热 冷 却 。其 冷 却 方 式 可 以 根 据 制 动 时 摩 擦 生 热 的 程度 采 用 强 制 式 或 自 冷 式 。 强 制 冷 却 方 式 采用 密 封 圈 隔 离 制 动 器 与 桥 壳 和 轮 边 减速 。 冷 却 油 流 经 制 动 器 后 回 油 箱 或 去 冷 却器 循 环 。 自 冷 却 方 式 在 支 承 轴 和 轮 毅 之间 无 密 封 , 润 滑 差 速 器 和 轮 边 减 速 的 润 滑 油张 卫 刚 工 程 师 北 京 市 海 淀 区 学 院 路 号 邮 编 收 文 时 间 年 月 日直 接 流 向 制 动 器 中 , 达 到 同 时 冷 却 制 动 器 效果 。与 液 压 驱 动 的 多 盘 湿 式 制 动 器 相 比 , 弹簧 制 动 器 有 以 下 特 点制 动 更 加 安 全 可 靠 。 四 个 车 轮 制 动器 的 制 动 是 各 自 独 立 的 , 不 受 其 它 制 动 器 故障 的 影 响 。 如 果 制 动 液 压 系 统 发 生 故 障 , 前者 的 后 果 是 不 能 制 动 , 后 者 的 后 果 是 不 能 解除 制 动 。结 构 更 简 单 。 工 作 制 动 、 停 车 制 动和 紧 急 制 动 均 由 车 轮 制 动 器 完 成 。 液 压 系统 也 可 以 大 大 简 化 , 总 体 布 置 更 方 便 。如 果 制 动 液 压 系 统 见 图 在 蓄 能器 和 制 动 器 之 间 发 生 故 障 , 如 管 路 漏 油 等 ,则 车 辆 处 于 制 动 状 态 , 无 法 拖 动 , 必 须 原 地排 除 故 障 。式 中 摩 擦 片 数无 轴 向 力 ,产 摩 擦 系 数一 制 动 半 径 一一为 了 保 证 使 用 寿 命 , 应 该 校 核 摩 擦 片 圆环 单 位 面 积 的 压 力 比 压 尸 。 使 其 小 于 许用 值 【 尸尸 一 丁 二 井 厂 一 一 一 下 了 霭 尸尺 一 弹 簧 的 设 计 计 算弹 簧 制 动 器 采 用 多 个 圆 柱 螺 旋 压 缩 弹簧 作 为 储 存 能 量 的 元 件 , 产 生 制 动 所 需 的 轴向 力 , 弹 簧 的 计 算 简 图 如 图 所 示 仁 。设 计 与 计 算摩 擦 片 的 设 计 计 算粉 末 冶 金 摩 擦 片 和 钢 制 对 偶 片 的 形 状如 图 所 示 , 为 了 保 证 摩 擦 片 的 润 滑 , 改 善摩 擦 面 油 膜 的 连 续 性 , 外 径 和 内 径 应满 足簇一 镇这 样 可 以 得 到 稳 定 的 摩 擦 数 和 最 大 的制 动 力 矩 。 同 时 , 为 了 排 出 磨 损 物 , 摩 擦 片表 面 加 工 有 若 干 沟 槽 , 沟 槽 面 积 约 占 总 面 积的 左 右 。尸盆 口目图 弹 簧 的 计 算 简 图弹 簧 的 刚 度 为二一一 耐以 , 、 , , 、二 二 二 丁 一 气 刊 气匕 丈 少 “ 趁图 摩 擦 片 和 对 偶 片 形 状簇式 中 制 动 时 弹 簧 的 作 用 力 ,一 摩 擦 片 一 对 偶 片 解 除 制 动 时 弹 簧 的 作 用 力制 动 力 矩 河 以 按 下 式 计 算矛 止 制 动 过 程 中 活 塞 的 位 移占 一 占 , 犷 弹 簧 材 料 的 剪 切 弹 性 模 量 , 弹 簧 直 径 , 弹 簧 钢 丝 直 径 , 弹 簧 的 有 效 圈 数在 、 、 三 式 中液 压 系 统 的 设 计 计 算弹 簧 制 动 器 的 液 压 系 统 如 图 所 示 。与 液 压 驱 动 的 湿 式 制 动 器 相 比 , 系 统 更 简单 , 所 用 元 件 少 , 因 而 制 造 费 用 低 、 保 养 、 维厅 王 弹 簧 个 数弹 簧 修 正 系 数 ,一二 十 一二 一 丁 多 斗 材 料 的 许 用 剪 切 应 力 值 ,占 制 动 时 弹 簧 的 变 形 ,占 , 解 除 制 动 时 弹 簧 的 变 形 ,丰丰丰图 弹 簧 的 布 置占 一 二左占 , 一龙弹 簧 的 两 端 并 紧 磨 平 ,总 长 度 伪。支 承 圈 为 圈 , 则 其当 解 除 制 动 , 即 弹 簧 的 变 形 为之 间 的 间 隙 应 大 于 。周 节 应 满 足占 ,止占 时 , 弹 簧 丝所 以 , 弹 簧 的弹 簧 的 布 置 如 图 所 示弹 簧 的 分 布 圆 半 径 应 为,于一 、 一 、为 了 在 有 限 的 空 间 内 储 存 尽 可 能 多 的能 量 , 应 该 使 弹 簧 个 数 尽 可 能 大 。 当 采用 单 排 布 置 时 , 在 分 布 半 径 为 汹 圆 周 上所 能 布 置 的 弹 簧 个 数 按 计 算 并 取 整 , 式中 , 。 、 用 同 一 单 位 。一 十 、, 厄 夜 二 丁 图 液 压 系 统 原 理 图修 方 便 。制 动 油 泵 的 压 力 油 经 过 充 液 阀 进 入 蓄能 器 , 再 经 过 停 车 制 动 阀 和 工 作 制 动 阀 进 入制 动 器 解 除 制 动 。 当 系 统 压 力 达 到 蓄 能 器的 最 高 工 作 压 力 尸 时 , 充 液 阀 换 位 , 油 泵 的油 经 过 充 液 阀 直 接 回 油 箱 。 蓄 能 器 的 有 效工 作 容 积 几 应 能 使 制 动 器 作 一 次 解除 制 动 。 当 蓄 能 器 的 压 力 降 低 到 系 统 的 最低 工 作 压 力 尸 时 , 充 液 阀 换 位 。为 了 在 发 动 机 故 障 时 解 除 制 动 以 便 牵引 , 系 统 中 需 要 设 一 手 动 油 泵 。 液 压 系 统 的最 低 工 作 压 力 尸 和 最 高 工 作 压 力 尸 应 满足尸 一 牛 孕 、 一厂式 中 活 塞 面 积 耐如 果 按 在 发 动 机 停 机 后 还 能 派 解 除制 动 计 算 , 蓄 能 器 的 工 作 容 积 护 总 容 积卿 充 气 压 力 尸 应 为双 币续 而尸。、 , 气旦 而尸。 一如 果 车 辆 的 制 动 次 数 为 每 分 钟 次 , 则制 动 油 泵 的 最 小 流 量 应 满 足入 一 “ 五充 液 阀 是 制 动 液 压 系 统 中 一 个 比 较 特殊 的 部 件 , 其 基 本 结 构 如 图 所 示 。 它 实 际上 是 一 个 普 通 的 先 导 式 溢 流 阀 附 加 一 个 补失 , 先 导 阀 口 的 压 力 不 会 低 于 蓄 能 器 的 压力 。 补 偿 阀 芯 在 左 端 位 置 , 充 液 阀 仅 起 普通 溢 流 阀 的 限 压 作 用 。 当 充 油 压 力 上 升 到先 导 弹 簧 调 定 的 制 动 液 压 系 统 压 力 最 大值 尸 时 , 先 导 阀 芯 动 作 , 溢 流 阀 开 始 溢流 。 这 时 , 单 向 阀 关 闭 , 补 偿 阀 芯 左 端 的 压力 大 于 右 端 的 压 力 , 补 偿 阀 芯 运 动 到 右 端 位置 。 由 于 补 偿 阀 芯 的 作 用 , 先 导 阀 芯 无 法 复位 , 溢 流 阀 不 会 稳 定 在 高 压 溢 流 状 态 , 而 是持 续 地 全 开 , 成 为 卸 荷 阀 使 油 泵 卸 荷 。 蓄 能器 进 入 保 压 状 态 。 此 后 , 随 着 制 动 操 作 和 泄漏 , 蓄 能 器 压 力 下 降 。 当 压 力 下 降 到 系 统 压力 的 最 小 值 尸 时 , 补 偿 阀 芯 在 先 导 弹 簧 的作 用 下 向 左 运 动 , 溢 流 阀 关 闭 。 油 泵 从 卸 荷状 态 转 变 为 工 作 状 态 向 蓄 能 器 充 油 。 这 样 ,蓄 能 器 的 压 力 保 持 在 设 定 的 压 力 范 围 尸 一尸 内 。设 被 补 偿 阀 芯 的 直 径 为 二 , 先 导 阀 口的 直 径 为 , 先 导 弹 簧 的 作 用 力 为 , , 则一 一耐一耐一 二 厂,尸卜 ,目 、耀耀耀耀耀耀耀耀耀 不不不不 李 封封 下下因因因因一一 卜卜卜 国了 、尸 二 二 升 】尸 ,以 少 即 蓄 能 器 的 最 低 工 作 压 力 与 最 高 工 作压 力 成 比 例 , 其 比 值 取 决 于 卸 荷 溢 流 阀 的 结构 尺 寸 。 一 旦 由 溢 流 阀 的 调 压 弹 簧 调 定 最大 压 力 值 尸 , 则 最 小 压 力 值 尸 也 成 比 例地 确 定 。图 充 液 阀 的 基 本 结 构一 补 偿 阀 芯 一 先 导 阀 芯 一 先 导 弹 簧一 主 弹 簧 一 主 阀 芯偿 阀 芯 和 蓄 能 器 控 制 油 口 组 成 的 卸 荷 溢 流阀启 动 制 动 油 泵 后 向 蓄 能 器 充 油 。 在 充油 过 程 中 , 由 于 单 向 阀 开 启 造 成 的 压 力 损参 数 优 化 数 学 模 型弹 簧 制 动 器 的 设 计 , 实 际 上 是 在 限 定 的几 何 空 间 、 、 。 一 占 等 参 数 受 结 构 几何 尺 寸 的 限 制 和 给 定 的 物 理 参 数 产 、 等 参 数 是 定 值 的 条 件 下 , 合 理 地 选 择 、 、 、 、 、 、 等 参 数 , 以 满 足 制 动 性能 声 参 数 达 到 设 计 要 求 的 要 求 。 显然 , 这 是 一 个 典 型 的 多 变 量 、 多 约 束 的 参 数优 化 问 题 , 可 采 用 约 束 优 化 方 法 进 行 求 解 。设 计 变 量为 了 在 有 限 几 何 空 间 内 贮 存 尽 可 能 多的 制 动 能 量 , 充 分 发 挥 弹 簧 制 动 器 的 制 动 效能 , 可 选 取 、 、 、 、 、 作 为 参 数 优 化设 计 变 量 , 即尺 , , , , 。 , 了 二 , , ,工 , 工 , , , 目 标 函 数根 据 弹 簧 制 动 器 的 设 计 要 求 , 可 选 择和 。 一 占 或 一 占 的 线 性 加 权 之 和 最小 作 为 其 参 数 优 化 设 计 的 目 标 函 数 , 即。 一 占丛 一占 , 一 “ 一 式 十 “ ” 多尺 一 日, 一, 【 , 、 祀 , 卜 圣 。 ,一 万 汀 司 丁 万 魏 了 “ ” ,“ 舀 上塑 十 二 轰 , 门 , 、十 。 , 一 止 十 一 二 二 、 一 一 ” 一 一 ” 众 、 一 式 中 , 、 线 性 加 权 系 数 。约 束 条 件弹 簧 制 动 器 参 数 优 化 设 计 的 约 束 条 件由 摩 擦 片 的 约 束 条 件 和 弹 簧 自 身 的 约 束 条件 组 成 。 综 合 前 文 的 分 析 结 果 , 可 建 立 如 下的 约 束 条 件 , 即一 全一 , 一 二二 【 尸 一 , 丁 一 一 一 灭 多万 气 厂 工一 二、 一一二 、 一。 二 一 妻 。二 一式 中 、 一 一 一 分 别 为 安 装 空 间 所允 许 的 弹 簧 直 径 的最 小 与 最 大 值、 。 天 一 一 分 别 为 弹 簧 钢 丝 产 品规 格 中 所 规 定 的 弹 簧钢 丝 的 最 小 与 最 大 直径、 二 、 、 二 天 一 分 别 为 弹 簧 最 小 与 最大 工 作 圈 数 。这 样 , 根 据 弹 簧 制 动 器 参 数 优 化 设 计 数学 模 型 的 特 点 , 可 选 择 复 合 形 优 化