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【摘要】通过对工程机械减速器制动器的实际应用、试验、验证，并结合制动器实际应用过程中出现的故障及其分析研究，总结工程机械减速器用制动器的设计方法及关键参数确定方法，解决了实际设计过程中很多难以确定的技术参数及相互匹配方法，对提高工程机械减速器产品性能及使用寿命有重大的意义和使用价值。
【关键词】工程机械；减速器；制动器；参数
1. 前言
（1）工程机械减速器是指应用于汽车起重机、履带起重机、挖掘机、桩机等设备的行走机构、回转机构、卷扬机构所配置的行走减速器、回转减速器、卷扬减速器。它们具有类似的应用工况，对于减速器制动器有同样的功能及性能要求。
（2）工程机械减速器制动器属于常闭式液压松脱弹簧制动安全保护装置（湿式），用于设备工作时保持设备稳定性，设备驻车后的安全保护，运行过程中紧急情况下的紧急停车。一般内置于减速器高速端，主要应用于工程机械汽车起重机、履带起重机、挖掘机、桩机等工程机械的行走、回转、卷扬机构，以防止整机倾翻、滑动，旋转臂架晃动，重物下滑等，同时起到保护驱动装置的作用。因此，无论对减速器而言，还是对整机来说，制动器的性能都是至关重要的。
（3）减速器内置湿式多片式制动器的性能、可靠性直接影响主机工作的安全性、可靠性。该类制动器的设计，涉及到密封、摩擦副、弹簧、连接等诸多环节，是一项系统性工程，每个环节的失误都会导致制动器制动性能及可靠性下降甚至功能丧失。制动转矩和开启压力是制动器的显性指标，制动器的分离灵活性、密封性、稳定性、可靠性是隐性不易控制的指标。有些指标并非单一要素能够直接控制，必须系统性考虑，比如制动转矩就与摩擦副数量、弹簧工作压力、摩擦副摩擦系数等相关。值得注意的是，摩擦片在实际应用中的的摩擦系数与理论摩擦系数并非一致，与摩擦副数量、弹簧正压力、摩擦片形位精度等相关。
图1制动器结构（完全开启状态）
2. 结构及工作原理
2.1制动器结构。
制动器结构如图1所示：包括定位结构、夹紧结构、传扭结构、密封结构、接触结构等模块，传动轴1为动力输入件，通过渐开线外花键与对偶钢片8的内花键连接；摩擦片9通过渐开线外花键与缸体7内的花键连接；缸体7固定，在压缩组合弹簧4压力的作用下使对偶钢片8、摩擦片9之间产生摩擦力，限制传动轴1的转动，即对输入端进行了制动。为了达到要求的制动转矩、开启压力，可以合理匹配弹簧刚度、数量，摩擦片数量、大小、摩擦系数等。
2.2工作原理。
常态（制动状态）：利用压缩弹簧4的预压力，在压板2及定位装置的支撑作用下压紧摩擦片组9，摩擦片9及对偶钢片8通过自有连接结构（花键、键等）分别与缸体7和传动轴1连接，实现对传动轴的制动。释放：当系统工作（齿轮箱运转）时，系统液压油先经过减压阀及制动油路进入图1密封油腔5，压力油克服弹簧压力推动活塞3移动，直到弹簧力与高压油达到平衡或活塞3与压板2接触，完全打开制动器。然后，系统液压油开启平衡阀进入液压马达驱动油路，驱动齿轮箱转动。制动：当工作结束停机时，液压系统先断开液压马达驱动油路，通过液压马达制动能力将齿轮箱完全停止，然后，断开制动油路，活塞在弹簧力的作用下被推动直到压紧摩擦片组9，关闭制动器。在释放过程中，由于制动器是停车制动器，不能作为制动或离合器使用，因此，释放过程必须保证快速、灵活，避免制动器在没有完全打开时即进入高速旋转；在制动过程中，必须保证制动器制动时正好停止旋转，在以上工作过程中，设置合理的延时是非常重要的。
3. 功能特性及设计要求
3.1产品特点及设计要求。
（1）工程机械减速器制动器通常内置于减速器高速端内部或安装在高速端外部，结构紧凑、空间狭小，浸油润滑，散热能力较弱。制动器分离时摩擦片转速最高可达5000r/min，制动器分离或闭合过程有短时不同程度的冲击或振动，每次持续运转时间为5～15min。制动器安装方式可分为水平安装（卷扬、行走机构）或竖直安装（回转机构），水平安装时润滑油位为摩擦片中心位置，竖直安装时润滑油位为上端摩擦片表面。
（2）制动器设计除满足基本要求如制动转矩、开启压力、密封性等基本指标外，制动器工作时摩擦片必须彻底分离，分离或闭合过程必须灵活、迅速。摩擦片设计时，摩擦片厚度一般在1.5～2mm左右，多组（通常为4～16组）组合使用；希望摩擦片与钢片之间的静态摩擦系数与动态摩擦系数比尽量大，减少摩擦片与钢片之间分离不彻底时动态过程的有害转矩和磨损发热。弹簧设计时，尽量采用组合弹簧，降低单个弹簧刚度，提高弹簧工作稳定性。在保证静态制动转矩的前提下，开启压力尽量小，保证制动器开启灵活、迅速，避免冲击、振动现象。通过各要素的合理匹配，保证合理的开启、制动曲线。
3.2设计流程。
3.2.1制动器基本设计要求。
（1）制动转矩。根据主机相关机构工作载荷及工作级别情况，计算出主机所需制动转矩，再根据主机工作级别所需安全系数和传动机构传动比及传动效率，计算确定制动器制动转矩大小。
（2）制动器解除方式及解除压力要求。根据主机驱动系统配置条件，确定制动器解除方式及解除压力。
（3）安装及润滑方式。根据应用场合确定安装和润滑方式，结构形式。
3.2.2确定结构及主要参数的方案设计。
（1）确定弹簧刚度及数量：根据解除压力要求及空间大小确定弹簧刚度、尺寸及数量。
（2）确定摩擦片数量及类型：根据制动转矩、弹簧压力、空间大小确定摩擦片类型、数量、尺寸。
（3）确定密封腔尺寸、摩擦片连接花键规格：根据以上数据计算、匹配、反复调整。
（4）密封结构及尺寸设计：根据压力大小设计密封方式，确定活塞配合尺寸。 （5）制动行程确定：根据摩擦片组数、大小、加工精度、安装方式计算确定。
（6）定位结构设计：确定轴向定位结构及尺寸。
（7）制动器解除油路设计：保证油路稳定，无压力损失，无流量损失。
（8）润滑方式：根据结构、安装方式及齿轮箱润滑方式设计（一般为浸油）。
（9）结构设计：主要零件结构设计，尺寸链设计。
3.2.3强度及性能指标校核。
（1）各参数的计算及校核：制动转矩、开启压力（最大和最小）、弹簧刚度及数量、摩擦片数量及尺寸、制动行程、密封件规格等。
（2）强度计算：弹簧、摩擦片（表面耐压、花键强度）。
（3）发热验算：搅油损失、粘油摩擦等。
（4）制动器开启曲线、制动转矩曲线验算：计算制动器开启时间一压力一转矩曲线。
4. 设计要点
制动器设计可靠性的关键除合理匹配、计算各特性参数外，零部件结构设计也是制动器可靠使用的关键所在，尤其需要注意各个细节部位的设计。
4.1定位。
制动器轴向定位及支撑轴向力通常有以下定位方式：
（1）孔用弹性挡圈+压板定位，这种定位方式结构简单，加工、安装、维修方便，但承受轴向力大小受限制，对沟槽加工质量的依赖性比较大，径向受力点影响支撑强度，安装可靠性要求高。
注意事项：压板近挡圈侧外圆倒角应尽量小，减少挡圈受压点与支撑点之间的距离，提高轴向受力能力；压板径向间隙设计要合理（0.05～0.1mm），不能太大；挡圈槽加工质量必须保证；挡圈安装必须到位，不能敲击到位。
（2）法兰定位螺钉紧固定位，这种方式定位可靠，受力大，但安装不便，需增加密封结构，维修也不方便。
4.2配合。
活塞与缸体的配合面设计，是制动器开启是否灵活、轻便、可靠、卡滞的关键。配合面采用H7/f6配合，两圆同轴度、圆柱度，活塞两端面与外圆垂直度要求至少6级精度。
4.3连接。
摩擦片与输入轴及缸体的连接有多种形式，只要能传递转矩，有足够的强度，任何连接形式都可以，如半圆键、矩形键、矩形花键、渐开线花键等，可根据结构、加工难易度灵活选取，最常见的是渐开线花键连接。配合间隙要合理设计：间隙太小，轴向移动不灵活，导致摩擦片分离不灵活，影响制动器开启灵活性；间隙太大，容易导致摩擦片开启后关闭时卡死。一般渐开线花键侧隙设计为0.2～0.4mm之间比较合理。
4.4导向角。
密封件在安装过程中都会经过多个棱角，容易导致密封件在装配过程中被切坏或挤压，影响制动器的密封性能。经模拟分析，导向角设计成斜角+圆角方式时，密封件经过时应力最小。因此密封件经过棱角一定要设计成斜角+圆角形式，如图2所示。
4.5油路。
制动器开启油孔一般设置成6和4组合孔形式，以方便积累压力和快速泄压。与系统油路连接的是6孔通路，与密封腔连接的是4孔通路。如图3、图4所示。
4.6密封结构。
【关键词】工程机械；减速器；制动器；参数
1. 前言
（1）工程机械减速器是指应用于汽车起重机、履带起重机、挖掘机、桩机等设备的行走机构、回转机构、卷扬机构所配置的行走减速器、回转减速器、卷扬减速器。它们具有类似的应用工况，对于减速器制动器有同样的功能及性能要求。
（2）工程机械减速器制动器属于常闭式液压松脱弹簧制动安全保护装置（湿式），用于设备工作时保持设备稳定性，设备驻车后的安全保护，运行过程中紧急情况下的紧急停车。一般内置于减速器高速端，主要应用于工程机械汽车起重机、履带起重机、挖掘机、桩机等工程机械的行走、回转、卷扬机构，以防止整机倾翻、滑动，旋转臂架晃动，重物下滑等，同时起到保护驱动装置的作用。因此，无论对减速器而言，还是对整机来说，制动器的性能都是至关重要的。
（3）减速器内置湿式多片式制动器的性能、可靠性直接影响主机工作的安全性、可靠性。该类制动器的设计，涉及到密封、摩擦副、弹簧、连接等诸多环节，是一项系统性工程，每个环节的失误都会导致制动器制动性能及可靠性下降甚至功能丧失。制动转矩和开启压力是制动器的显性指标，制动器的分离灵活性、密封性、稳定性、可靠性是隐性不易控制的指标。有些指标并非单一要素能够直接控制，必须系统性考虑，比如制动转矩就与摩擦副数量、弹簧工作压力、摩擦副摩擦系数等相关。值得注意的是，摩擦片在实际应用中的的摩擦系数与理论摩擦系数并非一致，与摩擦副数量、弹簧正压力、摩擦片形位精度等相关。
图1制动器结构（完全开启状态）
2. 结构及工作原理
2.1制动器结构。
制动器结构如图1所示：包括定位结构、夹紧结构、传扭结构、密封结构、接触结构等模块，传动轴1为动力输入件，通过渐开线外花键与对偶钢片8的内花键连接；摩擦片9通过渐开线外花键与缸体7内的花键连接；缸体7固定，在压缩组合弹簧4压力的作用下使对偶钢片8、摩擦片9之间产生摩擦力，限制传动轴1的转动，即对输入端进行了制动。为了达到要求的制动转矩、开启压力，可以合理匹配弹簧刚度、数量，摩擦片数量、大小、摩擦系数等。
2.2工作原理。
常态（制动状态）：利用压缩弹簧4的预压力，在压板2及定位装置的支撑作用下压紧摩擦片组9，摩擦片9及对偶钢片8通过自有连接结构（花键、键等）分别与缸体7和传动轴1连接，实现对传动轴的制动。释放：当系统工作（齿轮箱运转）时，系统液压油先经过减压阀及制动油路进入图1密封油腔5，压力油克服弹簧压力推动活塞3移动，直到弹簧力与高压油达到平衡或活塞3与压板2接触，完全打开制动器。然后，系统液压油开启平衡阀进入液压马达驱动油路，驱动齿轮箱转动。制动：当工作结束停机时，液压系统先断开液压马达驱动油路，通过液压马达制动能力将齿轮箱完全停止，然后，断开制动油路，活塞在弹簧力的作用下被推动直到压紧摩擦片组9，关闭制动器。在释放过程中，由于制动器是停车制动器，不能作为制动或离合器使用，因此，释放过程必须保证快速、灵活，避免制动器在没有完全打开时即进入高速旋转；在制动过程中，必须保证制动器制动时正好停止旋转，在以上工作过程中，设置合理的延时是非常重要的。
3. 功能特性及设计要求
3.1产品特点及设计要求。
（1）工程机械减速器制动器通常内置于减速器高速端内部或安装在高速端外部，结构紧凑、空间狭小，浸油润滑，散热能力较弱。制动器分离时摩擦片转速最高可达5000r/min，制动器分离或闭合过程有短时不同程度的冲击或振动，每次持续运转时间为5～15min。制动器安装方式可分为水平安装（卷扬、行走机构）或竖直安装（回转机构），水平安装时润滑油位为摩擦片中心位置，竖直安装时润滑油位为上端摩擦片表面。
（2）制动器设计除满足基本要求如制动转矩、开启压力、密封性等基本指标外，制动器工作时摩擦片必须彻底分离，分离或闭合过程必须灵活、迅速。摩擦片设计时，摩擦片厚度一般在1.5～2mm左右，多组（通常为4～16组）组合使用；希望摩擦片与钢片之间的静态摩擦系数与动态摩擦系数比尽量大，减少摩擦片与钢片之间分离不彻底时动态过程的有害转矩和磨损发热。弹簧设计时，尽量采用组合弹簧，降低单个弹簧刚度，提高弹簧工作稳定性。在保证静态制动转矩的前提下，开启压力尽量小，保证制动器开启灵活、迅速，避免冲击、振动现象。通过各要素的合理匹配，保证合理的开启、制动曲线。
3.2设计流程。
3.2.1制动器基本设计要求。
（1）制动转矩。根据主机相关机构工作载荷及工作级别情况，计算出主机所需制动转矩，再根据主机工作级别所需安全系数和传动机构传动比及传动效率，计算确定制动器制动转矩大小。
（2）制动器解除方式及解除压力要求。根据主机驱动系统配置条件，确定制动器解除方式及解除压力。
（3）安装及润滑方式。根据应用场合确定安装和润滑方式，结构形式。
3.2.2确定结构及主要参数的方案设计。
（1）确定弹簧刚度及数量：根据解除压力要求及空间大小确定弹簧刚度、尺寸及数量。
（2）确定摩擦片数量及类型：根据制动转矩、弹簧压力、空间大小确定摩擦片类型、数量、尺寸。
（3）确定密封腔尺寸、摩擦片连接花键规格：根据以上数据计算、匹配、反复调整。
（4）密封结构及尺寸设计：根据压力大小设计密封方式，确定活塞配合尺寸。 （5）制动行程确定：根据摩擦片组数、大小、加工精度、安装方式计算确定。
（6）定位结构设计：确定轴向定位结构及尺寸。
（7）制动器解除油路设计：保证油路稳定，无压力损失，无流量损失。
（8）润滑方式：根据结构、安装方式及齿轮箱润滑方式设计（一般为浸油）。
（9）结构设计：主要零件结构设计，尺寸链设计。
3.2.3强度及性能指标校核。
（1）各参数的计算及校核：制动转矩、开启压力（最大和最小）、弹簧刚度及数量、摩擦片数量及尺寸、制动行程、密封件规格等。
（2）强度计算：弹簧、摩擦片（表面耐压、花键强度）。
（3）发热验算：搅油损失、粘油摩擦等。
（4）制动器开启曲线、制动转矩曲线验算：计算制动器开启时间一压力一转矩曲线。
4. 设计要点
制动器设计可靠性的关键除合理匹配、计算各特性参数外，零部件结构设计也是制动器可靠使用的关键所在，尤其需要注意各个细节部位的设计。
4.1定位。
制动器轴向定位及支撑轴向力通常有以下定位方式：
（1）孔用弹性挡圈+压板定位，这种定位方式结构简单，加工、安装、维修方便，但承受轴向力大小受限制，对沟槽加工质量的依赖性比较大，径向受力点影响支撑强度，安装可靠性要求高。
注意事项：压板近挡圈侧外圆倒角应尽量小，减少挡圈受压点与支撑点之间的距离，提高轴向受力能力；压板径向间隙设计要合理（0.05～0.1mm），不能太大；挡圈槽加工质量必须保证；挡圈安装必须到位，不能敲击到位。
（2）法兰定位螺钉紧固定位，这种方式定位可靠，受力大，但安装不便，需增加密封结构，维修也不方便。
4.2配合。
活塞与缸体的配合面设计，是制动器开启是否灵活、轻便、可靠、卡滞的关键。配合面采用H7/f6配合，两圆同轴度、圆柱度，活塞两端面与外圆垂直度要求至少6级精度。
4.3连接。
摩擦片与输入轴及缸体的连接有多种形式，只要能传递转矩，有足够的强度，任何连接形式都可以，如半圆键、矩形键、矩形花键、渐开线花键等，可根据结构、加工难易度灵活选取，最常见的是渐开线花键连接。配合间隙要合理设计：间隙太小，轴向移动不灵活，导致摩擦片分离不灵活，影响制动器开启灵活性；间隙太大，容易导致摩擦片开启后关闭时卡死。一般渐开线花键侧隙设计为0.2～0.4mm之间比较合理。
4.4导向角。
密封件在安装过程中都会经过多个棱角，容易导致密封件在装配过程中被切坏或挤压，影响制动器的密封性能。经模拟分析，导向角设计成斜角+圆角方式时，密封件经过时应力最小。因此密封件经过棱角一定要设计成斜角+圆角形式，如图2所示。
4.5油路。
制动器开启油孔一般设置成6和4组合孔形式，以方便积累压力和快速泄压。与系统油路连接的是6孔通路，与密封腔连接的是4孔通路。如图3、图4所示。
4.6密封结构。