CN107110257B - 摩擦制动器结构 - Google Patents

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Abstract

本发明减少了摩擦制动器结构中的异常噪音的产生。所述摩擦制动器结构包括：固定到旋转电机(1)的旋转轴(15)上的制动板(20)；配置成面对所述制动板的环状闸瓦(30)；和闸瓦支撑板(40)，所述闸瓦支撑板与所述旋转电机的固定部配合以便沿轴向方向能够移动，并且所述闸瓦支撑板支撑所述闸瓦的同时受到偏置作用而被偏置，以使所述闸瓦与所述制动板进行滑动接触。

Description

摩擦制动器结构
技术领域
本发明涉及一种用于诸如电动机等旋转电机的摩擦制动器结构。
背景技术
图6示出了用于电动机的常规摩擦制动器结构。电动机包括电动机壳体100、定子101和转子102，并且定子101和转子102设置在电动机壳体100中。转子102由旋转轴103支撑。旋转轴103支撑在输出侧轴承106a和输出侧反侧轴承106b上。制动板104固定到旋转轴103上。多个闸瓦105配置成面对制动板104。闸瓦105***在轴承外壳部107中沿轴向方向钻出的孔108中。输出侧反侧轴承106b安装在轴承外壳部107中。螺旋弹簧109将每个闸瓦105都朝向制动板104偏置以便与制动板104进行滑动接触。螺旋弹簧109由弹簧保持板110支撑。
在如上所述的摩擦制动器结构中，闸瓦105在制动板104上的滑动接触提供了制动作用以及当电动机停止时的保持转矩。
专利文献1公开了将多个上述闸瓦固定到环状支撑件上。
[现有技术]
[专利文献]
专利文献1：JP H11-089173A
发明内容
[技术问题]
在这种常规摩擦制动器结构中，闸瓦随着制动板的旋转而旋转，并且这种旋转可能产生称为制动尖叫的异常噪音。
鉴于上述问题，本发明的目的是减少摩擦制动器结构中异常噪音的产生。
[解决问题的方案]
为了实现上述目的，本发明的实施方案提供了一种摩擦制动器结构，包括：固定到旋转电机的旋转轴上的制动板；配置成面对所述制动板的环状闸瓦；和闸瓦支撑板，所述闸瓦支撑板与所述旋转电机的固定部配合以便沿轴向方向能够移动，并且所述闸瓦支撑板支撑所述闸瓦的同时受到偏置作用而被偏置，以使所述闸瓦与所述制动板进行滑动接触。
可以采用以下这样的结构，其中在所述闸瓦的与和所述制动板进行滑动接触的表面相反的表面以及所述闸瓦支撑板的支撑面中的任一个中设置有凸部，并且在另一个中设置有用于与所述凸部配合的配合部。
所述制动板可以在用于支撑所述旋转轴的输出侧反侧轴承的外侧的位置处固定到所述旋转轴上。
所述制动板的外径可以小于所述输出侧反侧轴承的外径，以及所述制动板可以支撑在所述输出侧反侧轴承的内环部上。
所述闸瓦的外径可以小于所述输出侧反侧轴承的外径。
所述摩擦制动器结构还可以包括作为用于将所述偏置作用施加到所述闸瓦支撑板上的机构的锥形螺旋弹簧。
所述摩擦制动器结构还可以包括用于限制所述闸瓦支撑板沿所述轴向方向朝向所述制动板移动的接触止动部，当所述闸瓦的轴向厚度减小到预定值以下时，会发生所述移动。
[发明的有益效果]
如上所述，根据本发明实施方案的摩擦制动器结构包括固定到旋转电机的旋转轴上的制动板；配置成面对所述制动板的环状闸瓦；和闸瓦支撑板，所述闸瓦支撑板与所述旋转电机的固定部配合以便沿轴向方向能够移动，并且所述闸瓦支撑板支撑所述闸瓦的同时受到偏置作用而被偏置，以使所述闸瓦与所述制动板进行滑动接触。
使环状闸瓦与制动板进行滑动接触的同时防止闸瓦与制动板一起旋转减小了由闸瓦的摩擦力引起的旋转力矩，从而使闸瓦和制动板之间的耦合部的弹簧常数更不易改变。因此，抑制了闸瓦的自激振动，从而可以减少称为制动尖叫的异常噪音的产生。
附图说明
图1是从电动机的输出侧反侧观察到图，其示出了制动板和闸瓦是如何配置的。
图2示出了摩擦制动器结构中的耦合***：图2A示出了当闸瓦没在旋转时的耦合***；以及图2B示出了当闸瓦正在旋转时的耦合***。
图3是根据本发明实施方案的用于电动机的摩擦制动器结构的断面图。
图4是图2的局部放大图。
图5是摩擦制动器结构的分解立体图。
图6是用于电动机的常规摩擦制动器结构的断面图。
具体实施方式
[异常噪音的产生原理]
首先，发明人对异常噪音的产生原理进行了研究，下面对此进行详细说明。
图1是示出了图6所示的电动机中的从电动机的输出侧反侧观察到的制动板104和多个闸瓦105的图。在图1中，沿周向方向等间隔设置的四个闸瓦105由附图标记1051～1054示出，以便互相区分。制动板104的旋转方向由箭头A1表示。
摩擦制动器结构中的异常噪音的产生属于耦合***中的一种自激振动。图2A和图2B各自示出了从由图1的箭头Y所示的方向观察到的包括制动板104的一部分、闸瓦1052和螺旋弹簧109的耦合***。图2A和图2B中的制动板104的弹性、质量和位置分别由kB、mB和xB表示。此外，图2A和图2B中的闸瓦1052的弹性、质量和位置分别由k、mS和xS表示。螺旋弹簧109的弹性由kS表示。在图2B中，表示当制动板104的一部分由于制动板104的旋转而沿箭头A2的方向移动时观察到的闸瓦1052的倾斜角。闸瓦1052的惯性矩由JS表示。制动板104和闸瓦1052之间的摩擦系数由μ表示。从闸瓦1052的重心G到滑动接触面105a的距离由l0表示，时间由t表示。制动板104和闸瓦1052之间的接触面积由A表示，与围绕闸瓦1052的重心G的旋转相关的弹簧常数由表示。在平衡点附近，这些量具有以下关系：
式(1)是用于制动板位置的运动方程式。式(2)是用于闸瓦位置的运动方程式。式(3)是用于闸瓦旋转的运动方程式。
这里，积分函数f(l)是表示制动板104和闸瓦1052之间的压力的函数，其中l表示在其中闸瓦1052的轴线和滑动接触面105a之间的交点Q用作基准点的情况下滑动接触面105a上的坐标。积分函数f(l)可以近似表示如下：
结合上述方程式给出以下联立方程式：
进行这些联立方程式的拉普拉斯变换给出以下特征方程式：
其中S表示拉普拉斯算子。
一般而言，已知的是，如果上述特征方程式中的矩阵是对称的，则表示该***不是自激振动***，但是如果通过切换行指标和列指标给出的任何一对元素具有相反的符号，则表示该***是自激振动***。在上述特征方程式中，与闸瓦的旋转相关的元素不是对称的，并且每个元素都很可能具有与通过切换行指标和列指标给出的元素相反的符号。这表示存在如下可能性：在旋转方向上可能产生闸瓦的自激振动，从而导致异常噪音。
如上所述，专利文献1公开了将闸瓦固定到环状支撑件上。在这种情况下，随着制动板旋转，闸瓦可能相对于环状支撑件稍微旋转，从而导致自激振动，由此产生异常噪音。
[实施方案]
基于上述异常噪音的产生原理，下面对本发明的实施方案进行说明。
如图3～5所示，电动机1具有用作外壳的电动机壳体10。在电动机壳体10中，设置有定子11和转子12。转子12由支撑在输出侧轴承13和输出侧反侧轴承14上的旋转轴15支撑。
输出侧反侧轴承14安装在一体地设置于电动机壳体10上的轴承外壳部10a内。在轴承外壳部10a中，在轴向方向上钻出孔10b，以与电动机壳体10的外部连通。大致呈椭圆形的孔10b具有形成在外周中以彼此面对的两个平面部10b1和10b2。因此，孔10b具有所谓的D形切口形状。
环状制动板20在输出侧反侧轴承14的外侧的位置处固定到旋转轴15上。旋转轴15通过制动板20的孔20a。另外，制动板20支撑在输出侧反侧轴承14的内环部14a上。制动板20的外径小于输出侧反侧轴承14的外径。制动板20与旋转轴15一起旋转。
环状闸瓦30配置成面对制动板20。旋转轴15通过闸瓦30的孔30a。闸瓦30的外径小于输出侧反侧轴承14的外径。闸瓦30在轴向端面30b中具有四个凸部30c，该轴向端面30b与和制动板20进行滑动接触的另一个轴向端面相反。凸部30c沿周向方向等间隔设置。闸瓦30可以由诸如PPS(聚苯硫醚)树脂或PTFE(聚四氟乙烯)树脂等材料制成。
闸瓦30由沿轴向方向能够移动的环状闸瓦支撑板40支撑。旋转轴15通过设置在闸瓦支撑板40的中央的第一孔40a。
闸瓦支撑板40具有形成在外周40b中以跨过第一孔40a而彼此面对的两个平面部40b1和40b2。这两个平面部40b1和40b2设置成分别与两个平面部10b1和10b2配合。因此，闸瓦支撑板40具有大致椭圆形的所谓D形切口形状。闸瓦支撑板40的两个平面部40b1和40b2分别与平面部10b1和10b2配合而防止闸瓦支撑板40围绕旋转轴15旋转，同时允许闸瓦支撑板40沿轴向方向移动。
另外，闸瓦支撑板40具有沿周向方向等间隔设置以分别与四个凸部30c配合的四个第二孔40c。四个第二孔40c分别与四个凸部30c配合而将闸瓦30固定在闸瓦支撑板40上。
在闸瓦支撑板40的与闸瓦30的支撑面相反的外侧轴向端面上配置有锥形螺旋弹簧50。锥形螺旋弹簧50支撑在通过螺钉61安装到电动机壳体10上的锥形螺旋弹簧支撑板60上。闸瓦支撑板40受到锥形螺旋弹簧50的偏置作用而被偏置，以使闸瓦30与制动板20进行滑动接触。
此外，在输出侧反侧轴承14和闸瓦支撑板40的外周部40d之间设置有接触止动部10c。外周部40d位于第二孔40c的径向外侧。接触止动部10c从轴承外壳部10a的孔10b的内壁径向向内突出。设置接触止动部10c以限制闸瓦支撑板40沿轴向方向朝向制动板20移动。当闸瓦30因与制动板20的滑动接触而被磨损到足以使得闸瓦30的轴向厚度减小到预定值以下时，会发生这种移动。
[作用和效果]
如上所述，将闸瓦30固定到被防止围绕旋转轴15旋转的同时允许其沿轴向方向移动的闸瓦支撑板40上。因此，当驱动电动机1时，防止闸瓦30随着旋转轴15和制动板20的旋转而旋转，从而允许制动旋转轴15的旋转。当电动机1的驱动停止时，闸瓦30的制动力可以快速地使旋转轴15的旋转停止。另外，当电动机停止时，向旋转轴15施加一定的保持力。如上所述，该实施方案提供了当电动机被驱动时的制动作用以及当电动机停止时的保持转矩。
通过使具有允许确保足够的滑动接触面积的环形形状的闸瓦30与制动板20进行滑动接触，防止了闸瓦30与制动板20一起旋转。这抑制了由闸瓦30的摩擦力引起的旋转力矩，从而使闸瓦30和制动板20之间的耦合部的弹簧常数更不易改变。
这里，在表示耦联振动的方程式(4)～(6)中的每一个中，右侧第一项表示引起简谐运动的恢复力，并且该项的系数是所谓的弹簧常数。倾斜角包含在第二或之后的项中，其产生与图6所示的常规技术中的弹簧常数的变化相同的效果。
相比之下，根据上述实施方案，通过使闸瓦30和制动板20之间的耦合部的弹簧常数更不易改变，可以抑制闸瓦30的自激振动，从而可以减少称为制动尖叫的异常噪音的产生。
相对于式(7)对降低异常噪音的产生的这种效果进行说明。然而，需要指出的是，由于似乎难以简单地使用包括三个变量且没有进行任何修正的式(7)，所以下面通过使用包括经由减少式(7)中的元素获得的两个变量的修正方程式来考虑对是否稳定的判断。假设这样的修正方程式可以表示如下：
已知的是，当该方程式中非对角元素的乘积为负时，表示***是自激振动***。
根据上述实施方案，闸瓦30的环形形状允许闸瓦30确保足够的滑动接触面积，从而防止或抑制闸瓦30与制动板20一起旋转。换句话说，与图6所示的常规技术不同的是，在该实施方案中倾斜角为零或无限接近零。从式(7)中排除用于闸瓦旋转的运动方程式给出以下方程式：
在式(9)中，两个非对角元素的乘积为正，表示该***不是自激振动***。这意味着上述实施方案可以减少制动器中的异常噪音的产生。
相比之下，对于图6所示的常规技术，从式(7)中排除XB给出以下方程式：
根据常规技术，由于存在倾斜角所以包含在非对角元素中的如下表达式可以为正值和负值。
k∫ldA
这提供了两个非对角元素的乘积可能为负的可能性，表明常规技术可能出现自激振动，从而可能在制动器中产生异常噪音。
与制动板20之间的摩擦使闸瓦30逐渐磨损，并且减小了闸瓦30的轴向厚度。这种厚度减小使得锥形螺旋弹簧50向其施加偏置力的闸瓦支撑板40朝向制动板20移动。闸瓦支撑板40最终与接触止动部10c接触，从而限制了闸瓦支撑板40朝向制动板20的进一步移动。当闸瓦30被进一步磨损时，闸瓦30不再与制动板20进行滑动接触。这防止或抑制了如果闸瓦30即使被磨损到某一相当大的程度之后还进行这种滑动接触时预计会发生的火花的产生。
相比之下，在没有设置接触止动部10c的图6中，可以通过限制螺旋弹簧109的自由高度使得在闸瓦105被大量磨损之后螺旋弹簧109不被压缩来防止或抑制火花的产生。然而，在这种情况下，随着闸瓦105被磨损，螺旋弹簧109的压缩高度增高，因此螺旋弹簧109的偏置力减小。这可能导致制动力的减小。
在上述实施方案中，接触止动部10c的存在消除了对这种弹簧自由高度进行限制的需要。这使得可以选择具有足够大的自由高度以在闸瓦支撑板40与接触止动部10c接触之前施加足够的偏置力的弹簧作为锥形螺旋弹簧50。因此，上述实施方案可以在闸瓦支撑板40与接触止动部10c接触之前提供可靠的制动力。
在图6中，制动板104轴向地设置在输出侧反侧轴承106b的内侧。闸瓦105配置在输出侧反侧轴承106b的径向外侧，以便不干扰输出侧反侧轴承106b。因此，制动板104具有相对较大的外径。换句话说，在距离旋转轴103的轴线相对较远的点处闸瓦105与制动板104进行滑动接触。这必然使滑动接触部的周向速度增大到相对较高的值。
闸瓦的磨损量与由弹簧的偏置力F引起的接触压力P[MPa]和闸瓦的滑动接触面上的周向速度V[m/s]的乘积PV成比例。然而，在周向速度V增大到一定值以上之后，磨损量增大到较大的值而不再依赖于P。这使得难以延长图6中的制动器寿命。
在上述实施方案中，制动板20和闸瓦30的外径均小于输出侧反侧轴承14的外径。因此，滑动接触部离旋转轴15的轴线相对较近，这抑制了滑动接触部上的周向速度V的增大。滑动接触部离轴线越近，提供期望的制动力所需要的弹簧偏置力F越大。然而，在上述实施方案中，闸瓦30的允许确保足够的滑动接触面积的环形形状限制了P的值。因此，减小了乘积PV的值，从而可以延长制动器寿命。
此外，代替多个闸瓦，设置单个一体化的闸瓦，并且仅设置一个锥形螺旋弹簧作为与闸瓦相对应的偏置机构。这允许更有效地组装。
另外，尽管将制动器结构设置在输出侧反侧轴承的轴向外侧被认为是增加了电动机沿轴向方向的尺寸，但是通过利用锥形螺旋弹簧可以限制这种尺寸增大。
[其他实施方案]
代替锥形螺旋弹簧50，可以设置诸如普通螺旋弹簧等任意偏置机构或任意弹性机构。
在上述实施方案中，凸部30c的数量为4个，但可以设定为任意数量。仅需要设置与凸部30c一样多的第二孔40c。第二孔40c仅必须是用于与凸部30c配合的配合部，并且可以从闸瓦支撑板40的支撑面穿透到其相对面，或者不穿透到其相对面，而是形成为凹部。以下这种替代的配置也是可行的，其中凸部30c设置在闸瓦支撑板40上并且第二孔40c设置在闸瓦30上。
闸瓦支撑板40不一定与作为设置在电动机1中的固定部并且预计不会因驱动电动机1而移动的轴承外壳部10a配合，而是可以与另一个固定部配合。
摩擦制动器结构也可以设置在电动机1以外的旋转电机上。
以上具体说明了摩擦制动器结构的特定实施方案。然而，本发明不限于这些实施方案，并且对于本领域技术人员来说显而易见的任何变形和修改都包含在本发明的技术范围内。
附图标记列表
1 电动机
10 电动机壳体
10a 轴承外壳部
10b 孔
10b1 平面部
10b2 平面部
10c 接触止动部
11 定子
12 转子
13 输出侧轴承
14 输出侧反侧轴承
14a 内环部
15 旋转轴
20 制动板
20a 孔
30 闸瓦
30a 孔
30b 轴向端面
30c 凸部
40 闸瓦支撑板
40a 第一孔
40b 外周
40b1 平面部
40b2 平面部
40c 第二孔
40d 外周部
50 锥形螺旋弹簧
60 锥形螺旋弹簧支撑板
61 螺钉
100 电动机壳体
101 定子
102 转子
103 旋转轴
104 制动板
105 闸瓦
1051～1054 闸瓦
105a 滑动接触面
106a 输出侧轴承
106b 输出侧反侧轴承
107 轴承外壳部
108 孔
109 螺旋弹簧
110 弹簧保持板
G 重心
倾斜角
l0 距离
l 坐标
Q 交点
A1、A2、Y 箭头

Claims (7)

1.一种摩擦制动器结构，包括：
固定到旋转电机的旋转轴上的制动板；
配置成面对所述制动板的环状闸瓦；和
闸瓦支撑板，所述闸瓦支撑板与所述旋转电机的固定部配合以便沿轴向方向能够移动，并且所述闸瓦支撑板支撑所述闸瓦的同时受到偏置作用而被偏置，以使所述闸瓦与所述制动板进行滑动接触，
其中，在所述旋转电机被驱动时，在所述旋转电机的所述旋转轴上施加制动作用，且在所述旋转电机停止时，在所述旋转电机的所述旋转轴上施加保持转矩。
2.根据权利要求1所述的摩擦制动器结构，其中在所述闸瓦的与和所述制动板进行滑动接触的表面相反的表面以及所述闸瓦支撑板的支撑面中的任一个中设置有凸部，并且在另一个中设置有用于与所述凸部配合的配合部。
3.根据权利要求1所述的摩擦制动器结构，其中所述制动板在用于支撑所述旋转轴的输出侧反侧轴承的外侧的位置处固定到所述旋转轴上。
4.根据权利要求3所述的摩擦制动器结构，其中
所述制动板的外径小于所述输出侧反侧轴承的外径，以及
所述制动板支撑在所述输出侧反侧轴承的内环部上。
5.根据权利要求3所述的摩擦制动器结构，其中所述闸瓦的外径小于所述输出侧反侧轴承的外径。
6.根据权利要求1所述的摩擦制动器结构，还包括作为用于将所述偏置作用施加到所述闸瓦支撑板上的机构的锥形螺旋弹簧。
7.根据权利要求1所述的摩擦制动器结构，还包括用于限制所述闸瓦支撑板沿所述轴向方向朝向所述制动板移动的接触止动部，当所述闸瓦的轴向厚度减小到预定值以下时，会发生所述移动。
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