最终定型-抱轴式全封闭班湿式多盘制动器说明书

山西大同大学

本科生毕业设计

中文题目： 抱轴式全封闭湿式多盘制动器（6t）

英文题目： the Design Fully enclosed Wet Multi-disc Brake

学院： 煤炭工程学院

姓名： 邢 林 林 学号： 110803013128

专业：机械设计制造及其自动化班级： 11机械专升本

指导教师： 王衍 职称： 讲师

完成日期： 2013 年 06 月 17

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摘 要

当今矿井生产中使用最为先进的井下辅助运输装置是无轨辅助运输装置。其中，无轨胶轮车主要承担运人、运料工作，因此其对其安全性能的要求很高。而无轨胶轮车的工作安全可靠性主要是依靠制动系统中的制动器来完成的，针对井下的特殊工作条件，查阅相关文献，设计并改造出最适合井下工作的制动器类型-抱轴式全封闭湿式多盘制动器。通过对制动原理的分析，计算出所需制动力矩，选出合适的碟簧组，完成抱轴式全封闭湿式多盘制动器的总体结构及主要零件的设计。

关键词:无轨胶轮车；湿式制动器；抱轴制动式；CAD

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Abstract

Now mine production using the most advanced underground auxiliary transport device is a rubber tire vehicle transport devices. Among them, the trackless cars bear the main transport people, haul work, so their safety performance is high Safety and reliability of rubber tire vehicles to rely on have to brake in the brake system. The design depending on learning and understanding the structure of the common brake of the principles, characteristics and on the basis of relevant literature, selects the type of brake most suitable for underground work fully enclosed wet multi-disc brake in special working conditions for underground. Through the analysis of braking principle, calculate the required braking torque, select a suitable disc spring set, complete wet brake shaft braking style overall structure and major parts of the design.

Keyword : Trackless rubber tire vehicle; wet brakes; shaft braking style; CAD

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目 录

前 言 ....................................................................... 1 第一章 概述 .................................................................... 2

1.1 绪论 ................................................................... 2 1.2 井下辅助运输设备概述 ................................................... 2

1.2.1 井下辅助运输的组成及特点 .......................................... 2 1.2.2 无轨胶轮车的分类及应用 ............................................ 3 1.3 无轨胶轮车的研究意义 ................................................... 3 1.4 课题的引出 ............................................................. 4 第二章 湿式多盘制动器的制动理论分析及结构介绍 .................................. 5

2.1 制动器的概念 ........................................................... 5 2.2 制动器的分类 ........................................................... 5

2.2.1 按摩擦分类： ...................................................... 5 2.2.2 按制动件结构形式分类： ............................................ 5 2.2.3 按制动件工作状态分类： ............................................ 5 2.2.4 按操作方式分类： .................................................. 5 2.2.5 按制动系统的作用分类： ............................................ 5 2.2.6 按制动操纵能源分类： .............................................. 6 2.2.7 按制动能量传递方式分类： .......................................... 6 2.3 制动理论的分析 ......................................................... 6

2.3.1 制动性能的概念 .................................................... 6 2.3.2 制动性能的评价指标 ................................................ 6 2.3.3 制动时车轮受力分析 ................................................ 6 2.3.4 制动器制动Fu的分析 ............................................... 8 2.3.5 制动车辆制动效能 .................................................. 9 2.4 常见湿式多盘制动器的结构、原理介绍 .................................... 10

2.4.1 普通型湿式多盘制动器 ............................................. 10 2.4.2 湿式多盘失压制动器 ............................................... 11

2.4.3 多功能湿式多盘制动器 ............................................. 11 第三章 抱轴式全封闭湿式多盘制动器设计 ......................................... 14

3.1 设计的原始数据 ........................................................ 14 3.2 全封闭湿式多盘制动器的设计原则 ........................................ 14 3.3 整车制动力矩的计算 .................................................... 15

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3.3.1 制动减速度的计算 ................................................. 15 3.3.2 整车所需最大制动力矩MB的计算 ................................... 16 3.3.3 前桥制动器所需制动力 ............................................. 16 3.4 弹簧的设计计算以及校核 ................................................ 18

3.4.1 弹簧的种类及特点 ................................................. 18 3.4.2 碟簧的使用方法 ................................................... 19 3.4.3 复合碟簧计算的准备数据 ........................................... 21 3.4.4 碟簧组方案的设计 ................................................. 21

第四章 湿式多盘制动器的方案设计 ............................................... 35

4.1 湿式多盘制动器的设计方案概述 .......................................... 35 4.2 制动器主要零件的结构设计 .............................................. 36

4.2.1 活塞结构的确定 ................................................... 36 4.2.2 轴结构的确定 ..................................................... 39 4.2.3 静压盘结构的确定 ................................................. 41 4.2.4 动压盘结构的确定 ................................................. 42 4.2.5 外壳结构的确定 ................................................... 43 4.2.6 固定盘结构的确定 ................................................. 44 4.3 辅助零件的选择 ........................................................ 44

4.3.1 摩擦片的选择 ..................................................... 44 4.3.2 密封元件的选择 ................................................... 45 4.3.3 轴承的选择 ....................................................... 46 4.3.4 螺钉的选择 ....................................................... 46 4.4 设计成果 .............................................................. 47 总 结 ...................................................................... 48 参考文献 ...................................................................... 49 致 谢 ...................................................................... 50

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2.2.6 按制动操纵能源分类：

1.人力制动系统：依靠人的每一个操作动作作为仅有的制动能源的制动系统； 2.动力制动系统：全部能量来源是由发动机的动能转化成气压或液压形式的势能进行制动的系统；

3.伺服制动系统/助力制动系统：并用1和2制动能量来源进行制动的制动系统。 2.2.7 按制动能量传递方式分类：

可分为机械型、气/液压型、电磁型，两种或两种以上组合型等多种类型。

2.3 制动理论的分析

2.3.1 制动性能的概念

车辆行驶时能在短时间内停车且能维持行驶方向稳定性和在下坡是能维持一定车速的能力。

制动性分三种情况:

停车制动：使车辆在平路上或坡道上保持静止不动的情况 行车制动：使车辆从运动状态到减速直至完全停止的制动情况 紧急制动：使车辆能够迅速制动并停止的制动情况 2.3.2 制动性能的评价指标

1.制动效能:制动距离、制动减速度、制动时间。

2．制动效能恒定性:热衰退性、抗水衰退性、摩擦系数的变化。

3.制动时方向稳定性:高速运行的车辆制动时汽车不发生跑偏、侧滑及失去转向能力的性能。根据中华人民共和国煤炭行业标准MT/T989-2006中矿用防爆柴油机无轨胶轮车的4.3.7条规定可知设计任务车速为20km/h,一般不会发生此类现象,故不做参考。

2.3.3 制动时车轮受力分析

1.地面制动力 Fxb＝Tu/r＝－F′ (2－1)

式(2－1)中:

Fxb?地面制动力(N)；

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F??车轮对地面的作用力(N);

Tu?车轮制动器的摩擦力矩(N.ｍ);

r? 车轮半径(m);

Fp?车轴对车轮的作用力(N)；

W?车的重力(N)。

图2—1 制动时车轮受力示意图

2.地面制动力是汽车制动而减速行驶的外力,其影响因素: (1)制动器内制动摩擦片与制动盘的摩擦力。

(2)轮胎与地面间摩擦切向作用力的极限值,即附着力Fψ

3.附着力

附着力 Fψ＝f?G此轮胎与地面间附着力取决于法向作用力和摩擦力系数。 4.附着系数ψ

表示轮胎与地面的摩擦系数。一般用平均附着系数ψ，峰值附着系数ψp， 滑动附着系数ψs来衡量。在水平干硬路上的平均附着系数见表2-1：

表 2-1 平均附着系数

沥青混凝土 干 湿 平均滑动附着系数?s 0.75 峰值附着系数?p 0.8~0.9 0.5~0.7

0.45~0.6 附着系数ψ取决于道路材料，路面状况，花纹材料，轮胎结构以及车辆运动

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速度等。

2.3.4 制动器制动Fu的分析 1.制动器制动力的定义:

指在轮胎周围克服制动摩擦力矩所需要的力F??T?/r （2－2） 2.影响制动器制动力的因素:

地面制动力Fxb仅由制动器结构参数决定,即取决于制动器的结构。制动器摩擦系数与半径有关,并与Fxb制动器踏板力Fp及制动液压或气压成正比。 3.地面制动力，制

Fxb动器制动力，地面附着力F?的关系：

①地面制动力仅与制动力矩有关，而制动器制动力F?仅由制动器的结构 决定，地面附着力F?与F?无关。

②一般来说仅考虑制动时，分车轮做滚动和抱死拖滑两种情况：

汽车制动时，车轮做滚动时：地面制动力Fxb?F?制动器制动力，即ABS制动， 车轮不抱死仍具有转向能力。

汽车车轮抱死拖滑时：地面制动力Fxb?F?地面附着力。

Fxb、F?与F?的关系如图2—2所示

图2—2 Fxb、Fu与F?的关系图

当制动油压小于P0时，制动器制动力等于地面制动力，且随着制动油压的增大而

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增大；当制动油压超过P0时，虽然制动器制动力还在增大，但是地面制动力在达到地面附着力后便不再增加。

可见，首先Fxb取决于Fu，但又受附着条件限制，只有车辆具有足够的制动器 动力，同时地面又能提供加大的附着力时才能获得足够的地面制动力。 地面制动力，制动器所需的制动力矩，制动器制动力Fu校核其小于地面附 着力即可。

2.3.5 制动车辆制动效能 （1）制动减速度：

①影响因素：制动器制动力（车辆滚动），附着力（车辆抱死拖滑等）。 ② 不同路面上的减速度

Fxb???G (水平路面上） 式（2-3）中： G?重力（N）； 故制动减速度j的极限值：

jFxb

max?m??bg 式（2-4)中：

g?重力加速度 （m/s2）

一般情况下车轮不抱死制动，故jmax??b?G。 （2）制动距离s

依据“制动规范”中规定的要求，车辆在v0?20m/s时制动距离s?8m，

则制动时间：

?2???2????2 2s?1v0

3.6(??2??2??)?v0?25.92jmax 式（2-6）中：

v0?制动初速度 （20Km/h）；

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2-3）2-4）2-5）2-6） （

（

（

（ 山西大同大学煤炭工程学院2013届本科生毕业设计

??消除制动器间隙所用的时间 （s） ?2；

???制动力增长过程中所用的时间 （s） ?2；

2 jmax?最大制动减速度 （m/s）。

可见决定制动器距离的主要因素是制动器起作用的时间和最大制动减速 度。

2.4 常见湿式多盘制动器的结构、原理介绍

2.4.1 普通型湿式多盘制动器

普通型湿式多盘制动器如图2-3所示：

图2-3 普通型湿式多盘制动器

壳盖与壳体用螺栓联结在一起,壳盖内圆周面上加工出内花键, 固定盘和摩擦盘依次相间地安装在壳盖内, 固定盘的外花键与壳盖的内花键配合,摩擦盘的内花键与轮毂的外花键相配合。当活塞油腔进压力油加压时, 活塞推力使固定盘与摩擦盘压紧从而产生摩擦力, 此摩擦力形成的摩擦阻力矩使轮毂制动。当活塞油腔内的压力油卸

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压时, 回位弹簧将活塞推回, 从而使固定盘与摩擦盘脱离, 摩擦阻力矩消失, 解除车轮制动。

2.4.2 湿式多盘失压制动器

湿式多盘失压制动器如图2-4所示：

图2-4 湿式多盘失压制动器

制动力由压缩组合弹簧产生, 活塞油腔加压力油时产生的推力使压缩弹簧推回，从而形成该制动器的制动与非制动状态。当踏下制动脚踏板使活塞油腔卸压或液压系统失压车辆处于停车状态、车辆发动机出现故障、液压系统管路暴裂等时, 弹簧推动活塞使固定盘与摩擦盘压紧从而产生摩擦力,此摩擦力形成的摩擦阻力矩使轮毂制动。当活塞油腔内的压力油加压时, 油压力将活塞推回, 从而使固定盘与摩擦盘脱离, 摩擦阻力矩消失, 解除车轮制动。 2.4.3 多功能湿式多盘制动器

多功能湿式多盘制动器结构如图2-5所示：弹簧座盖内部圆周方向上均布若干组合压缩弹簧, 组合压缩弹簧左端顶在座盖内端面上, 右端顶在驻车活塞上, 活塞顶

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在压板上。在活塞座盖与右侧压板间, 布置一个行车制动活塞。弹簧座盖与活塞座盖分别用螺栓固定在制动盘壳上, 活塞座盖用双头螺栓固定在轮毂上。滑动衬片和摩擦片依次相间地装在制动盘壳内。行车制动与停车制动分别由两个油压不同的油路控制。

图2-5 多功能湿式多盘制动器

1.制动器左半壳；2.制动器右半壳；3.行车制动活塞；4.停车制动活塞；5.回味弹簧；6.组合弹簧；7.摩擦片隔片组；8.手动释放螺栓；9.冷却油管接头

行车制动力由压力油作用在行车制动活塞表面产生, 当行车制动活塞腔内进人压力油时, 活塞推动压板使滑动衬片与摩擦片压紧从而产生摩擦力, 此摩擦力形成的摩擦阻力矩使车轮制动解除行车制动时, 则需将压力油卸掉, 行车制动活塞在回

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位弹簧的作用下向右运动脱离压板, 从而使滑动衬片与摩擦片脱离, 摩擦阻力矩消失, 使车辆处于非制动状态。

停车制动力由压缩弹簧产生, 行车时, 驻车活塞腔内进人的压力油达到额定值, 压力油作用在活塞表面使之脱离压板并压缩弹簧, 处于非停车制动状态, 摩擦片与滑动衬片的脱离或压紧仅与行车制动活塞的动作有关停车制动或发动机出现故障及管路爆裂时, 压力油卸掉, 弹簧在弹力的作用下推动活塞, 从而推动压板, 衬片与摩擦片压紧而产生摩擦力, 此摩擦力形成的摩擦阻力矩使车制动。

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第三章 抱轴式全封闭湿式多盘制动器设计

3.1 设计的原始数据

1. 制动器能实现行车制动、停车制动和紧急制动功能； 2. 制动器结构由传动轴、分动器壳体等结构限制； 3. 全载荷下，前后桥质量分配为50%，50%；

4. 整车最大装载质量6000kg，整车整备质量6000kg，最大总质量12000kg； 5. 停车制动时要求汽车承载1.5倍额定载荷下，在最大为16的坡道上保持静止状态而不产生位移；

6. 在水平干硬路面上，以额定载荷制动，当制动器的制动初速度为20km/h时，制动距离不大于8m；

o3.2 全封闭湿式多盘制动器的设计原则

矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技术条件MT/T989-2006中规定的制动要求： 1.车辆应设置工作制动，工作制动的最大静态制动力矩大于50%整车的最大质量。 2.车辆应设置停车制动，停车制动应在车辆运行和动力停止时均起作用。停车制动装置要保证车辆在规定的坡道上承载1.5倍的最大载荷，在最大坡度为16o的坡道上保持静止。

3.车辆的轮胎半径：

r轮胎未装车前的半径称为自由半径0，满载车辆静止时的轮胎半径称为静力半径rsr，车辆运动时，车辆运动速度与车辆角速度的比值称为轮胎的运动半径v。

在本次设计中，考虑到无轨胶轮车是目前井下最为先进的运输设备，故计算中使用的是车轮的运动半径。根据井下无轨胶轮车的要求以及结构，选用轮胎型号为11.00-20，半径为0.519m。

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3.3 整车制动力矩的计算

3.3.1 制动减速度的计算

（1）不考虑制动延迟时的减速度a1：

v0202 a1??m/s2?1.93m/s2 （3-1） 22s3.6?2?82（2）考虑制动延迟时间?2时的制动减速度a2： 选取弹簧制动，则由表3-1取得?2=0.5s，

v012020a2???()2(8??0.5)m/s2?2.96m/s2 （3-2）

2(s?v0?2)23.63.62此时因制动延迟而产生减速制动距离为：

20s2?v0?2??0.5m?2.78m （3-3）

3.6s1?v020?()2(2?2.96)m?5.2m （3-4） 2a23.6制动总距离s总?s1?s2?(5.2?2.78)m?7.98m?8m （3-5） 由此可知最大制动减速度为amax：

amax?(a1a2)max?2.96m/s2 （3-6）

表3-1 制动类型延迟时间选取

制动类型 弹簧制动 液压盘式制动 多片制动 气压制动 鼓式制动 时间?2 0.5s 0.35s 0.17s 0.4~0.8s 0.75s 15

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3.3.2 整车所需最大制动力矩MB的计算

（1）按制动减速度计算整车制动力矩MB1

MB1?

GSrgGs?a?rgi （3-7）

—整车工作质量（kg）；

—轮胎半径（m）；

a—最大制动减速度（m/s2）； i—轮边速比取3.39；

其中GS=12000kg，rg=0.519m，a=2.96m/s2，i=3.39；带入式（3-7），有：

1200?2.96?0.219 MB1?N?m?5438.02N?m （3-8）

3.39（2）按整车质量的1.5倍在16°的坡道上驻车制动计算整车所需的制动力矩

MB2

sin?i （3-9）

12000?2.96?0.519?1.5sin16??2248.38N?m3.39MB2?1.5GS?a?rg选取较大的整车制动力矩Mmax

Mmax?(MB1MB2)max?5438.02N?m （3-10）

考虑一定的制动扭矩储备，扭矩储备系数为1.2~1.4，取1.3。可知整车最大制动力矩Mmax为：

Mmax?1.3MB1?1.3?5438.02N?m?7069.426N?m （3-11）

按照制动时载荷分配可知制动前后桥所需制动力矩为：

M前桥?Mmax?50%?7069?50%N?m?3534.713N?m （3-12） M后桥?Mmax?50%?7069?50%N?m?3534.713N?m （3-13）

3.3.3 前桥制动器所需制动力

（1）一个前制动器制动力F?1：

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T?1?f?F?1?n?k?RB (3-14)

式（3-14）中：

T?1—一个前桥制动器的制动力矩。由于传动轴制动式制动器前后桥各一个，所以T?1?M前桥?3534.713N?m；

f—动摩擦系数，0.08~0.1，取0.085； n—摩擦副个数4-14，取12； k—折减系数，取0.94； RB—摩擦副等效半径（mm）； 其中折减系数k由表3-2查出：

表3-2 折减系数表

n k 2 0.99 4 0.98 6 0.97 8 0.96 10 0.95 12 0.94 摩擦副等效半径参考文献中《湿式多片制动器衬片压力分布模型及性能计算》中

3R4.?r42R3.?r3可知等效半径有两种计算方法：①RB?，②RB?。第二种方法33224R?r3R?r是在初始压力分布均匀的简单模型中计算出来的，但是实际当中会有各种情况的影响，计算及结果并不是最接近，偏差较大；第一种计算模型比较复杂，相比较方法①更符合实际要求，因此选用第一种模型计算。 故摩擦副等效半径RB为：

3R4.?r4 RB? （3-15）

4R3?r3式（3-15）中：

R—摩擦片的外半径，取80mm； r—摩擦片的内半径，去40mm。 将R、r带入式（3-15）中得

3804.?404mm?64.3mm?0.0643m （3-16） RB??3480?403 17

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将算得的RB带入式（3-14）中，经变换得：

F?1?T?1f?n?k?RB

?3534N?57322.8N0.085?12?0.94?0.0643 （3-17）

3.4 弹簧的设计计算以及校核

3.4.1 弹簧的种类及特点

弹簧类型主要有：螺旋圆柱弹簧、碟形弹簧、矩形截面弹簧。 1.螺旋圆柱弹簧的特点： 优点：

（1）具有精密的调节性能，即作用力与位移的关系非常灵敏； （2）柔软性能好，即变形的范围相对较宽； （3）制造容易，结构比较紧凑，能量利用率高； （4）可用来制造组弹簧，可得到一些所需的性能。 2.碟形弹簧的特点： 优点：

（1）刚度大，缓冲吸振能力强，只需很小的变形就能获得较大的弹力，适合于轴向空间要求小的场合。

（2）具有变刚度特性，这种弹簧具有很广范围的非线性特性。

（3）用同样的碟形弹簧采用不同的组合方式，能使弹簧特性在很大范围内变化。 （4）行程短 、负荷重 、所需空间小。且组合使用方便 、维修更换容易、经济、安全性高、使用寿长。

（5）碟簧是标准件，易于批量生产。 缺点：载荷偏差难以保证。 3.矩形截面弹簧的特点： 优点：

（1）弹簧具有刚度大、寿命长、体积小。弹簧承载能力比较高、变形量大。

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（2）线性度比圆截面弹簧好，即刚度更趋于常数值。 缺点：设计制造比较难，质量不稳定，造价高。

由于适合井下胶轮车使用的湿式制动器设计时要求弹簧寿命高,安装空间也受到限制，而弹簧压缩产生的弹力即是制动压力, 应能保证足够的压力作用在压盘上。当制动器处于非制动状态时,弹簧被压缩量增加,使得弹簧所受压力更大。当车辆工作时,制动器在制动与非制动状态进行交换,使得弹簧受力也发生变化,这样弹簧在制动与非制动状态内基本上是受最小载荷和最大载荷的作用,但是从较长时间内考虑弹簧又在受一种似于稳定变载荷的作用。因此,弹簧在满足静强度条件下,还应满足一定的疲劳强度要求。故选用碟形弹簧不仅可以满足湿式制动器的设计要求，而且经济实用。 3.4.2 碟簧的使用方法

1.碟簧的工作特点：

碟簧安装完毕，碟簧螺钉给弹簧施加压力，使其压缩然后达到制动（动静间隙消除，达到制动力矩）。

车辆发动，油压系统供油，直至解除制动。

当车辆发动达到液压系统工作油压，此时弹簧再次被压缩。 2.碟簧组合形式：

（1）叠合：由x个同方向规格的碟簧组成，如图（3-1）所示。由于单片碟簧无法满足设计要求，变形小，叠合可以使弹力增加，但无法满足行程的要求。

（2）对合：由y个相同规格的碟簧组成，如图（3-2）所示。碟簧对合使其满足了对位移的要求，使变形量增加，虽然变形量增加但是力大小基本不变。

（3）复合：由y个同方向同规格的叠合组合弹簧组成，如图（3-3）所示。

图3-1 叠合碟簧

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图3-2 对合碟簧

图3-3 复合碟簧

3. 制动器中碟簧的受力变形情况如图3-4：

第一次压缩变形量f1，车辆制动；第二次压缩变形量f2，车辆解除制动。 两次压缩满足以下关系：

F1F2F?? （3-18） f1f2f0.75h0由于碟簧要两次压缩，受力很大，且制动需要较大的变形，而复合碟簧既能承受很大的载荷，又可以满足变形要求，所以选择采用复合碟簧组组合形式。

图3-4 碟簧受力示意图

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/umf7.html