干式盤型液壓制動器的設計畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 決干式盤型液壓制動器的如下的關鍵問題： 干式盤型液壓制動器結構及受力設計計算； 需要解決的問題：（ 1）制動器軸向壓緊力，（ 2）摩擦片制動可靠性，（ 3）摩擦片開啟可靠性及摩擦片比壓的計算，（ 4）制動器主要零件的設計。（ 5）密封與緊固標準件的選擇。 通過查閱相關文獻及應用，本設計基于已知的基本設計參數提出如下總 體方案，設計參數的提出是為詳細設計提供方向和參考，在后面的設計中可對參數做適當的修正，得到較匹配的具體參數。 8 干式多盤型液壓制動器的整體結構如 圖 。 圖 1 整體結構 9 3 干式盤型液壓制動器結構設計 一般來說，對摩擦元件的材料要求有如下幾個方面： （ 1）具有高而穩定的摩擦系數，對溫度、壓力、滑動速度變化不敏感，動靜摩擦系數差值小。對于干式摩擦片我一般要求摩擦系數值的波動量不超過正常平均值的 177。 15%。對于濕式摩擦片摩擦系數數值的波動值不應超過177。 20%； （ 2）具有足夠的強度和良好的耐磨性； （ 3）導熱性好，熱容量大，能經受較高的溫度二無明顯的變形或碳化、腐蝕等引起材質的改變； （ 4）抗膠合性能好，不擦傷對偶的摩擦表面；易跑合，耐油無腐蝕； （ 5）工藝性好，摩擦時沒噪聲、沒振蕩、沒雜味、沒污染物，成本低。 在本設計中，設計的是干式液壓制動器，故要求摩擦片具有摩擦系數大，導熱和耐熱性好等特性，因此，在查閱相關資料后，選擇銅基粉末冶金材料作為摩擦片的材料。 銅基粉末冶金材料具有相當高的摩擦系數，并具 有良好的導熱性和耐熱性（許用工作溫度可達 560176。 C），工作可靠。此外還具有相當高的強度和良好的耐磨性，其許用壓強高于其他摩擦材料，可用作摩擦片襯片或摩擦塊，在濕式或干式條件下與鋼或鑄鐵配對，用于重載或高速工況。 粉末冶金材料用的是 粉末冶金工藝制得的半致密材料、多孔材料和全致密材料（包括制品）。粉末冶金工藝具有傳統熔鑄工藝所無法得到的獨特的化學組成和物理性能，如材料的材料組織均勻，無宏觀偏析（合金凝結后其的截面上不同的位置沒有因為液態合金宏觀流動而造成的化學成分不均勻現象）、孔隙度可控，可以 一次性加工成型等。平常按照用途可分為七類。 ①粉末冶金減摩材料。又稱燒結減摩材料。經過在材料孔洞中浸泡潤滑油或者在材料的成分中添加固體潤滑劑或減摩潤滑劑制得。材料接觸面之間的摩擦系數小，在有限 10 潤滑油條件下，可靠性高、使用壽命很長；并在干摩擦條件下，依靠自身或表層含有的潤滑劑，就是具備有自行潤滑效果。非常龐大的用作支承襯套、制造軸承或者作端面密封等。 ②粉末冶金多孔材料。還叫做多孔燒結材料。材料是由球形狀或形狀不很規則的金屬或者合金粉末來經成型、燒結制成。材料內部孔道互相貫通、相互交錯，通常有 30%～60%的 體積孔隙度，孔徑大小有 1～ 100 微米之間。透過性能和導電、導熱性能非常的好，非常耐低溫、高溫，也抗介質腐蝕，而且抗熱振。通常用來制造過濾器、多孔電極、防凍裝置、滅火裝置等。 ③粉末冶金結構材料。還叫做燒結結構材料。能承受扭曲、拉伸和壓縮力，而且能夠在摩擦磨損條件下工作。因為材料里面有殘余孔隙，其沖擊值和延展性比化學成分相同的鑄造鍛件低很多，因此其應用范圍受到了很多的限制。 ④粉末冶金摩擦材料。還叫做燒結摩擦材料。由潤滑組元（包括鉛、石墨、二硫化鉬等）、基體金屬（包括銅、鐵或其他合金）、摩擦組元（二氧化硅、石 棉等）三部分組成。它的摩擦系數很高，而且能非常快轉化動能，傳動、制動速度也快快、磨損小；耐高溫，強度高，導熱性好；抗咬合性好，受油脂，耐腐蝕、潮濕影響小。制造制動器和離合器非常的合適。 ⑤粉末冶金工具模材料。包括粉末冶金高速鋼 、硬質合金等。它的晶粒渺小，組織勻稱，沒有偏析，比熔鑄高速鋼耐磨性和韌性好，熱處理變形非常小，使用壽命很長。可用于零件、模具和制造切削刀具的毛坯件。 ⑥粉末冶金電磁材料。包括磁性材料和電工材料。電工材料中，用作電能頭材料的有鉑、銀、金等貴重金屬的粉末冶金材料以銅、銀為基體添加鐵、鎳、 鎢、碳化鎢、石墨等做成的粉末冶金材料；用作電極的有鎢鎳銅、鎢銅等粉末冶金材料；用作電刷的有金屬 石墨粉末冶金材料；用作電熱偶和熱電合金的有鎢、鉭、鉬等粉末冶金材料。磁性材料分為硬磁材料和軟磁材料。軟磁材料有磁性粉末、磁粉芯、軟磁鐵氧體、矩磁鐵氧體、壓磁鐵氧體、正鐵鐵氧體、微波氧體和粉末硅鋼等；硬磁材料有磁記錄材料、稀土鈷硬磁、 硬磁鐵氧體 、微粉硬磁、磁性塑料等。用于制造各種傳遞、轉換、儲存信息和能量的磁性器件。 ⑦粉末冶金高溫材料。囊括粉末冶金高溫合金、金屬陶瓷和合金、 難溶金屬 、纖 11 維強化和彌散強化材料 等。用于制造高溫下使用的噴頭、渦輪、葉片及其他耐高溫零部件。 摩擦材料的組成成分復雜，含有金屬、非金屬 (聚合物、礦物質、碳素等 )成分，對它們對偶副的摩擦過程不能用金屬摩擦副理論來解釋，可以借鑒這些論點來辨析制定的摩擦副。常用的有粘著摩擦理論、分子一機械理謝。 1．粘著摩擦理論認為：①摩擦表面處于塑性的接觸的狀態。由于實際接觸面積的A只占表觀的接觸的面積的非常小部分，在載荷的作用下峰點的接觸處的應力達到受壓的屈服的極限從而產生的塑性的變形。此后的接觸點的應力是不再改變的， 只能夠靠著擴大的接觸的面積來支承繼續增加的載荷。所以有 sAN ?? 式中： A實際接觸面積， s? 屈服極限， N法向載荷 ②滑動摩擦表示的是滑動和粘著相互交替發生著的跳動過程。由于接觸點的金屬正處于塑性流動狀態，摩擦中接觸點還有可能會有瞬時高溫，因而使兩種金屬產生粘著，粘著點具有非常強強的粘著力。相對的移滑動時，粘著的點被剪切后然后產生移滑動 。這樣移滑動摩擦就是粘著的點變成和剪切相互替換發生的過程。③摩擦力是頂著粘著的作用和犁溝的作用所變成的阻力的全部。 2．分子一機械的理論認識，在適當高的壓力下，摩擦的表面間實際的接觸部分的微凸體相互契合，而且較硬接觸面的微凸體嵌入較軟表面內，在此時還有著分子之間的吸引力。因此，摩擦本身的過程是克服表面微凸體的犁溝、機械嵌合還有表面分子間引力的過程，而摩擦力就是各接觸點上由于機械嵌合、犁溝和分子引力所引起的切向阻力之和。推出摩擦系數描述公式如下： NA??? ??? 式中 A—— 實際接觸面積， N—— 法向載荷， ??, —— 和表面的物理、機械性能有關的系數。 到目前為止對摩擦材料磨損的機理還沒徹底搞清楚，還未得出為世人公認的磨損 12 定量分析及計算方法。本世紀三十年代德國 Fiich sel 認為磨損過程是先表面變形，繼而變形金屬從基體脫離。 Fink 及 Siebel 等發現金屬在磨損過程中可能氧化，且工作條件不同，磨損型式又有很大差別。五十年代 Kerriadge 指出金屬在摩擦接觸面之間的轉移和金屬的消耗兩者的區別，認為前者金屬基體的直接轉移形成劇烈磨損 (相當于咬合、膠合 )，后者可能發生在金屬表層氧化之后，表現為緩慢的磨損。阿查德 (J． EArchard)和漢斯 (W． Hirs0 曾得出緩慢磨損經驗公式：滑動長短與載荷及消耗量成正比而與較軟材料的硬度成反比。 1957 年鮑威爾 (Burwell)把磨損按機理不同劃分為：粘著、磨粒、腐蝕及表面疲勞磨損。實際工程中出現的磨損，常不局限于上述單一的型式。 從摩擦學角度上講，把機械磨損分為磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損和 腐蝕磨損四種類型。 (1)磨粒磨損，它是指外界的硬顆粒對磨表面上的硬突出物在摩擦過程中引起表面材料掉落的現象。摩擦材料中含有纖維和硬顆粒，硬顆粒在其中起承載作用，并在接觸面面形成很多比其偶件硬的小凸出，在摩擦過程中，這些小凸起像刀子一樣，對其偶件表面進行切削，在多次作用力的狀況下，這些小凸起物因為勞累而斷開形成碎末，或者原因摩擦表面溫度升高，樹脂變軟，結合力降低，硬質點脫離材料機體形成磨屑。形成的磨屑將會導致摩擦材料和對偶的磨損增大，使摩擦系數增大。 (2)粘著磨損，是當摩擦副表面相對滑動時，因為粘著效應所 形成的粘著結點發生的切斷斷裂，被剪切的材料或脫落成碎末或由一個表面移動到另一個表面的現象。摩擦材料與其偶件在壓力作用下，表面上微凸起受到應力較大，發生塑性變形，當摩擦材料在偶件表面上移滑動時或著壓在表面上隨后拉開時，表面上一些小顆粒將會從一個表面粘附到另一個表面上，有時被粘附的材料因為原因又會回到表面上，因而發生反粘附。這些被轉移的表面材料經過反復地粘附與反粘附及擠壓等過程，會發生加工硬化、疲勞、氧化等 過程，從而形成磨屑脫落下來。為獲得較高的摩擦系數，摩擦材料與摩擦盤之間可有一定的粘著，但過大會加劇粘著磨 損，嚴重的粘著磨損，最終將摩擦材料成片撕裂。摩擦過程中，真實接觸面上的眾多接觸點將首先產生局部溫升，形成局部“熱點”， (Hot Spotting)，研究發現，由冷焊產生的粘著一撅裂磨損能使接觸面瞬間溫度升高到 760。 C。一旦對偶件接觸面的小塊面積開始承受多出的載荷并且比周邊溫度高時，它將膨脹并伸 13 出“平均水平面”，形成“熱點”，而使表面壓應力的變化，進而使得熱點周圍的區域發生塑性變形，也可能發生冶金變化。當熱流輸入下降很快或是制動很快結束時，這一區域的材料很快地被冷卻，可能發生由珠光體到馬氏體的相變。在一定的 條件下，可生成摩擦奧氏體、摩擦馬氏體，由于馬氏體占用的空間比原材金屬大，使得這一相變區域更為突出，因此在這一區域及其周邊取悅有可能有初始裂紋形成。還有，在熱點處所馬氏體非常硬，可能引發表面刮削現象的加強。 (3)疲勞磨損，是兩個互相滑動接觸的摩擦表面，在循環變化的接觸應力作用下，由于 材料疲勞剝落而形成凹坑的現象。在制動過程中，摩擦材料與其對偶進行相對滑動，在兩者接觸區將造成很大的應力和塑性變形。在長期反復的交變應力作用下，摩擦材料及其偶件表露某些薄弱環節處將會引發疲勞裂紋，并逐步擴展，最后將可能以微細薄片 形式斷裂剝落下來。在每次制動時，材料表層溫度都會隨制動升高，導致材料的熱疲勞，在長期反復熱應力作用下，會加速材料表面裂紋的產生與擴展，加速材料的疲勞磨損熱疲勞是指材料在經受溫度變化時，因其自由膨脹和收縮受到了約束，從而產生了循環應力和循環應變，最終導致龜裂而破壞的現象。在制動過程中主要是熱疲勞磨損，它是在制動過程中由于表面接觸的分散性，每經過一個接觸斑點就有一變形波。表面接觸處承受循環應力的作用，反復制動時將產生較大的溫度梯度，受循環熱應力的作用，表面或在表層、多相的晶接口或接口處將產生裂紋，裂紋擴展至小塊 磨粒而剝落。對于粉末冶金摩擦襯片，材質的多孔性就形成許多應力源，在反復熱應力作用下，易出現疲勞磨損；對于有機摩擦襯片，在填料 — 粘合劑或填料 — 填料接口間總存在一些粘合強度的薄弱點而成為裂紋的根源。 分析表明，摩擦制動器磨損的主要原因是它們的摩擦材料在工作中產生裂紋并且隨著這些裂紋的擴展而造成的。摩擦材料上出現的裂紋是屬于疲勞磨損。摩擦制動器中摩擦材料的裂紋分為三類：①垂直于滑動方向的裂紋，這是由于摩擦力引起材料表面層內的拉應力作用的結果；②平行與滑動方向的裂紋，這是由于摩擦材料本身的熱彈性和熱塑性不穩定的結果 ；⑨距表面一定距離處的裂紋，這是由于摩擦表面受粗大磨粒作用而造成應力增大的結果。摩擦磨損過程是在對偶件表面微凸體的接觸面積上進行的，所以材料的磨損受到接觸區的應力狀態和溫度以及零件相對移動速度和名義接觸面的形貌的 14 影響。 對于有機基襯片一金屬摩擦副而言，摩擦表面溫度場分布的不均勻以及接觸溫度的過高會引起材料表面一系列力學、物理 — 化學變化 (如熱彈性不穩定性、材料的熱降解、熱變形等 )。摩擦熱引起襯片中的有機物組分間發生熱降解等一系列化學反應和物理作用，其反應速率隨溫度呈指數增加。在接觸界面形成轉移膜，出現“制動熱 衰退”現象和“氫脆”現象，促進磨粒的形成，加劇材料的磨損。分析盤式制動器的結構特點，制動時制動盤與摩擦片處于周期性摩擦接觸，這種移動熱源所產生的熱沖擊會導致制動盤發生熱疲勞裂紋。也是接觸界面摩擦學特性發生變化 (轉化膜的形成和穩定性、熱衰退 )的重要原因。摩擦熱還會導致制動壓力不均勻分布和表面溫度梯度的變化。 (4)腐蝕磨損是在摩擦過程中，金屬與周圍介質發生化學或電化學反應而產生的表面損傷。 綜上所述，在摩擦過程中，材料的磨損可能不止一種磨損機理在起作用，而是幾種可能同時作用，并且在不同摩擦階段，可能會有不同的 磨損機理起主導作用，有時可相互轉化，同時材料的磨損并不僅限于以上幾種，這些都給認識和研究摩擦材料的磨損機理帶來一定的難度。 干式盤型液壓制動器是專為動力電機配套使用而設計的。它具有良好的制動性能，也可以在其他機械系統中使用。多盤干式液壓制動器的基本結構如 2 所示，多盤摩擦式液壓制動器由摩擦片、制動盤、進油口、彈簧、前后蓋、活塞、缸體等零件組成，這種制動器是一種常閉干式液壓盤式摩擦制動器，在通常情況西安，依靠一組圓柱壓縮彈簧產生的壓力作用在活塞上壓緊摩擦片與摩擦盤而產生制動力矩，當制 動機械需要轉動時，將壓力油通過液壓油路輸送到缸體內，此時，液壓力將活塞推開，摩擦片與摩擦盤分離。機器開始轉動工作。多盤摩擦式液壓制動器的特點是：結構簡單、操作靈活