CN1010203B - 一种机电制动装置、特别是用于铁路车辆的机电制动装置 - Google Patents

Abstract

一种机电制动装置，其中包括一个驱动套筒(8)，用以承受来自诸如螺旋弹簧(6)的扭矩，另有一循环球螺纹组件，用以将所述扭矩转换为施加制动力的输向力，在驱动套筒和循环球螺纹组件之间有一个控制器，其中包括一外锁止弹簧(16)、一控制套筒(17)和一内锁止弹簧(18)，以及一个与控制套筒相连并使其可沿两方向中任一方向转动的控制马达(20)，控制套简与锁止弹簧相连，用以控制它们的锁止和松开。

Description

本发明涉及一种制动装置、特别是一种用于铁路车辆上的制动装置，其中包括一个储能器（最好采用螺旋弹簧）、给所述储能器供能的供能器（最好采用电动机）以及一个驱动套筒，该套筒将储能器的旋转运动传给一个循环球螺杆或类似部件，以便将所述旋转运动转换为一个力传递件的轴向运动。

通常，铁路车辆的制动是通过如下方式进行的：压缩空气进入制动缸，推动缸内活塞轴向移动，从而传递轴向制动力。另一种方式常用于停车制动和紧急制动，偶而也用于行车制动，其中有一个强力弹簧在正常情况下被压缩空气压紧在制动缸内，只有当空气压力下降时才施加制动力。

目前在现代铁路车辆上趋向于避免采用压缩空气系统，这意味着在控制或动力发生系统中不采用空气。相反，人们常希望用电力作为动力发生和控制的介质，其部分原因是考虑到电子技术在控制系统中已被广泛采用，并且以电能形式传送动力的设备简单，而且该设备在现代铁路车辆上有多种用途。

因此，人们对“用电线制动”的想法兴趣日增，即用一种系统，其中电能根据司机给出的电信号被转换为机械制动力。对这种系统有很高的要求，例如对其准确度和相应于各种防滑作用的响应时间等都有要求，同时还要求其结构简单、工作可靠以及能够承受铁路车辆下面相当大的环境应力。

已知有几种方案用于满足所述机电制动装置的各种要求。US- A-874219、US-A-2218605、US-A-4033435、US-A-4202430、DE-A-3010335、GB-A-2141500和EP-A-166156中公开了几种技术解决方案，其中一个电动机用于张紧一个普通弹簧（螺旋弹簧），当需要时弹簧施加制动力。

还有一些方案，其中来自于电动机的能量被储存在螺旋弹簧或发条弹簧中，如US-A-3131788、US-A-3217843和US-A-3280944所公开的。这些方案同出一源，其中制动力由电动机控制，同时电动机又用于张紧弹簧。显然，用这种技术不可能得到现代系统所需要的响应时间和控制。

为了满足上述各种要求，本发明的制动装置的特征在于，在驱动套筒和循环球螺杆或类似运动转换部件之间，安装有离合和控制器，用以实现从储能器到力传递件的可控力的传递。如上所述，储能器最好采用螺旋弹簧，供能器是一张紧该弹簧的马达（最好是电动机）。因此，该马达仅用于保持螺旋弹簧的张力，而与螺旋弹簧上的力传递无关。

离合和控制器还可以采用另一种形式，其中包括一个位于驱动套筒和制动装置壳体之间的外锁止弹簧，该锁止弹簧允许套筒沿制动的施加方向有条件地转动，另外还有一内锁止弹簧，用于连接驱动套筒和驱动环，该驱动环与驱动套筒同轴并与所述运动转换部件相连接，一个控制套筒用于控制内锁止弹簧，使其仅当驱动套筒沿制动的施加方向转动时将驱动套筒与驱动环连接，而在制动的缓解方向上则允许驱动环转动。

在一个最佳实施例中，控制套筒与驱动套筒和驱动环同轴并连接 到内锁止弹簧的一端，控制套筒沿制动的缓解方向的转动使锁止弹簧松开，从而允许驱动环在制动的缓解方向上产生一个与控制套筒转动的角位移相同的角位移。

另外，在一个最佳实施例中，外锁止弹簧与控制套筒同轴布置在控制套筒的外侧，其一端与控制套筒连接，它通常防止驱动套筒沿制动的施加方向转动，因而，控制套筒沿制动的施加方向的转动将松开外锁止弹簧，从而允许驱动套筒在制动的施加方向上产生一个与控制套筒转动的角位移相同的角位移。

为满足“用电线”控制制动装置的需要，控制套筒可以与一电控马达相连，使其能沿制动的施加方向和制动的缓解方向中的任一方向转动。

作为另一实施例，离合和控制器可以包括一个位于驱动套筒和制动装置壳体之间的外锁止弹簧，该锁止弹簧允许驱动套筒沿制动的施加方向有条件地转动，另外还有一内锁止弹簧，用于连接驱动套筒和驱动环，该驱动环与驱动套筒同轴并与所述运动转换部件相连接，一个在两电磁铁作用下可轴向移动的控制件，用于使两锁止弹簧中任一个的端部分别与壳体或驱动环脱开，从而分别允许驱动套筒沿制动的施加方向转动或驱动环沿制动的缓解方向转动。

以下将参考附图进一步详细描述本发明的内容，其中图1和图2分别为本发明机电制动装置的两个实施例的局剖侧视图。

图1所示的机电制动装置有一个壳体1，其上带有一位于图左侧的弹簧盖2和一位于图右侧的机构盖3。盖2和3通过螺纹拧到壳体1上。制动装置还具有一力传递件4，该件如下所述可相对壳体1轴向移动。壳体1和力传递件4上有接头5，用以将制动装置安装在诸 如铁路车辆的普通盘式制动器卡钳上。（这样一种制动器的布置未表示在图中，但对本领域技术人员来说是已知的）。这样，件4向图左侧的运动将产生制动作用。

壳体1中安装一个强力螺旋弹簧或发条弹簧6。弹簧6的外端固定于一个可转动的马达套筒7上，内端固定于一个可转动的驱动套筒8上，驱动套筒8通过轴承支承在壳体1上。

电动机10连接到壳体1上并与马达套筒7上的齿圈7′可驱动地连接。一个单向偶合件、如锁止弹簧12使马达套筒7仅能沿张紧螺旋弹簧6的方向转动。

一个可转动的驱动环13与驱动套筒8同轴，并与一心轴环14花键连接，心轴环14安装在可转动的心轴15上。

驱动套筒8与驱动环13之间（因而也是心轴15与心轴环14之间）的旋转力传递是由一个组件完成的，该组件由三个同心件构成，即一外锁止弹簧16、一控制套筒17和一个内锁止弹簧18。

控制套筒17的外端、或者说是图1中的右端安装有一齿圈17′，齿圈17′与电控马达20的转轴19上相应的齿轮啮合，电控马达20安装在机构盖3上。马达20最好是直流电动机或步进式电动机，其转轴19上有一个与固定叉件22共同作用的转盘21。转盘21上有周向控制部件，如有一些孔，叉件22记录所转过的孔数，从而控制电控马达20的转动，这在下面将更清楚地看出。

力传递套筒23与力传递件4固接。循环球螺母25与循环球螺杆15构成一循环球螺纹组件。循环球螺母25与力传递套筒23非转动地连接。心轴15通过一个径向滚珠轴承26支承在力传递套筒23中并通过一个滚珠轴承28支承在一个力传感座27中。滚珠轴 承28可以传递由心轴15到力传感座27的轴向力。

一个弹性圆盘30（由橡胶或类似材料制成）被限制在力传感座27和机构盖3之间。安装在盖3中的一个压力传感器31与弹性圆盘30接触。

设计上使传感器31的受力面积小于力传感座27的受力面积，因而由心轴15传来的全部力中，只有一部分传给传感器31。传感器31可以采用任一种普通结构，它可以根据施加在其上的压力或力传递一个电信号。

以下将说明不同部件之间、特别是两个锁止弹簧16和18与控制套筒17之间的相互作用。

外锁止弹簧16也可称作制动施加弹簧（其原因以下自明），其主要功用是防止驱动套筒8沿某一方向相对于壳体1旋转。弹簧16的轴向移动受到限制，其左端锁止于驱动套筒8。弹簧16的主要部分的外表面与套筒8和壳体1的同轴圆柱形内表面接触。锁止弹簧16中有几圈直径较小的部分，其内表面与圆柱形控制套筒17的外表面接合。

内锁止弹簧18也可称作制动缓解弹簧，其主要功用是在某一方向上传递驱动套筒8和驱动环13之间的旋转运动，而在另一方向上，它又可传递控制套筒17和驱动环13之间的旋转运动，如下所述，锁止弹簧18的内表面与驱动套筒8和驱动环13的同轴圆柱形外表面相接触。弹簧18的右端与驱动环13锁止，左端上有一向上的凸肩与控制套筒17的左端上一轴向凸肩接合。

以上所述的结构的功能是：假定螺旋弹簧6被电动机10张紧或绕紧并且电动机10受单向偶合器12的制约而不能反向转动，则驱 动套筒8将在一个旋转方向上承受一很大的扭矩。但是套筒8又通常受制动施加弹簧16的制约而不能沿这个方向转动。

然而，转动控制套筒17（用控制马达20）可以“打开”外锁止弹簧或制动施加弹簧16，即，通过弹簧上与控制套筒17接合的几圈，使弹簧沿与锁止方向相反的方向转动。因而驱动套筒8可在螺旋弹簧6的作用下自由转动直至制动施加弹簧16再次将套筒8锁止到壳体1上。换言之，驱动套筒8的旋转运动对应于控制套筒17的旋转运动。内锁止弹簧18在这个旋转过程中，由于是锁止方向，因而将旋转运动和扭矩传给驱动环13。

传给驱动环13的扭矩通过循环球螺杆15转换成循环球螺母25、力传递套筒23和力传递件4的轴向力。制动施加行程或运动指向图上的左侧。

应当注意，驱动套筒8的转动条件（将其扭矩传给驱动环13和内锁止弹簧18）是，仅当控制马达20沿制动施加弹簧16的反锁止方向转动控制套筒17时且仅在此转动范围内。还需要注意的是，控制套筒17本身不承受驱动套筒8的扭矩，控制套筒17仅需要用于克服锁止弹簧16的预张力的小扭矩。

制动缓解行程或力传递件4和套筒23向图右侧的移动（紧接上述制动施加行程）可分为两步：第一步，件4和套筒23承受来自制动盘（或其它制动件）以及整个制动卡钳或制动系统的向右的回位力，制动片即将离开制动盘，回位力降为零;第二步，制动片离开制动盘一期望的距离，这在现有技术中被称为制动松驰。

为了完成上述第一步中沿制动缓解方向的运动，控制套筒17的转动方向与上述制动施加行程中的方向相反。该转动不受外锁止弹簧 16与控制套筒17接合的部分的制约，因为此时控制套筒17的转动方向是使其上卷紧的锁止弹簧16松开。

由于控制套筒17的轴向凸肩17″与外锁止弹簧或制动缓解弹簧18的向上凸肩的接合，弹簧18不能阻止驱动环13在由螺母25的轴向力转换成的心轴15的转动力作用下旋转，但其转动范围仅限于控制套筒17的转动范围内。在这个转动过程中，驱动套筒8自始至终承受着来自于螺旋弹簧6的扭矩，因为它受到与壳体1接合的外锁止弹簧16的制约而不能转动。

需要再次说明的是，驱动环13的转动对应于控制套筒17的转动，并且转动套筒17实际上不需要来自控制马达10的扭矩，即仅仅需要用于克服内锁止弹簧18的预张力的扭矩。

在制动缓解行程的第二步骤中，没有从制动系统通过螺杆15向驱动环13传递的扭矩。为在制动系统的制动盘和制动片之间建立适当的间隙，需要对驱动环13施加另外的周向力，以便将制动片从制动盘上拉开。这个周向力是由控制马达20供给的一个相对较小的力。进一步沿制动的缓解方向转动，则其旋转运动将通过制动缓解弹簧18传给驱动环13。而驱动套筒8将仍受外锁止弹簧16制约而不能转动。

还有一个电力和电子系统与上述机械装置相关联。该系统在图中没有表示，它的主要功用是给电动机10和控制马达20供应电能并按以下方式控制它们的功能：

由上述内容可知，电动机10的唯一功用就是给以螺旋弹簧6形式的储能器供能，换句话说就是保持弹簧6处于张紧状态。电动机是间断地工作的。

该系统设计要保证电动机10在如下条件下起动：

1）当系统无任何原因而不存在电流时，以及

2）在控制马达20已经起动之后。

另一方面，当电动机电流达到一预定值时，电动机10断开，该预定值表示螺旋弹簧6已被张紧。

一般地说，控制马达20（以及与之相关的控制套筒17）是作为心轴15的伺服机构工作的。在不同条件下其作用方式如下：

如上所述，制动施加行程是由控制马达20沿一定方向-制动的施加方向，转动控制套筒17来完成的。

当压力传感器31指示所需制动力，或者说是通过心轴环14、滚珠轴承28、力传感座27和弹性圆盘30传给传感器31的作用在心轴15上的反作用力达到时，控制马达20断开。这意味着没有进一步的转动通过内锁止弹簧18由驱动套筒8传给驱动环13。

当控制马达20沿制动的施加方向转过由圆盘21和叉件22所确定的转数比如说两转时，电动机10则由先前的断开状态开始起动。

另一方面，制动缓解行程是由控制马达20沿相反方向即制动的缓解方向转动而实现的。

控制马达20产生这个方向的转动直至传感器31指示心轴15上有一个很低的反作用力，例如2KN。从出现这一指示起，控制马达20还允许转动由圆盘21和叉件22确定的额外几圈，以便在制动系统的制动片和制动盘之间产生适当的间隙。

根据图1以及上述说明所给出的实施例，可以得到许多不同的实施方案。

一般地说，电动机10可以有不同的位置，例如当需要一个较紧 凑的装置时，此外电动机10可由其它装置代替给螺旋弹簧6供能，例如用一个气动马达或液压缸，其功能都是保持螺旋弹簧总是处在足够的张紧状态下。另外，螺旋弹簧6也可以用其它类型的弹簧或任一种其它形式的储能器来代替。

正如本领域任一技术人员所知，该制动装置的各种机械部件，例如转动件的轴承以及所采用的循环球螺纹组件都可以有很大的变化。

更具体地说，内锁止弹簧18的左端可由上面所述的结构型式改为与外锁止弹簧16的右端相同的结构。

另外，还可以用一些其它装置，例如应变仪，来替代上述的检测力传递件4或心轴15的轴向力的信号装置，即力传感座27、弹性圆盘30以及压力传感器31。信号也可以从制动系统的其它部件中取出。

图2表示了本发明的第二实施例。该实施例与图1所示以及上述的第一实施例有许多相同之处;其主要差别在于制动装置的控制系统不同，因而以下将对此进行全面的说明。

下面这些部件的结构和功能实际上和第一实施例中的部件的相同，因而可以参考以上的说明。这些部件是：壳体40、弹簧盖41、力传递件42、接头43、螺旋弹簧或发条弹簧44、马达套筒45以及其上的齿圈45′、驱动套筒46、电动机47、锁止弹簧48、驱动环49、心轴环50、心轴51、力传递套筒52、循环球螺母53、径向滚珠轴承54、力传感座55、滚珠轴承56、弹性圆环57和压力传感器58。

在本实施例中，心轴51有一延伸段，其上安有一圆盘59，圆盘59与一固定叉件60共同作用（其作用方式及目的与图1所示实 施例中的圆盘21和叉件22的相同）。

与图1所示实施例相同，本实施例中也有一外锁止弹簧61和内锁止弹簧62，一般来说它们的功能与第一实施例中共同作用的锁止弹簧16和18的相同。不过，对锁止弹簧的控制不同。下面将说明这点。

外锁止弹簧61在张紧条件下，其外表面与驱动套筒46和壳体40的同轴圆柱形内表面相接触。内锁止弹簧62在张紧条件下，其内表面与驱动套筒46和驱动环49的同轴圆柱形外表面相接触。

第一离合器垫圈63不能转动但可轴向移动地与外锁止弹簧61的右端接触。垫圈63可以与壳体40上一固定轴肩64接触从而构成齿端离合器63-64。

同样，第二离合器垫圈65不能转动但可轴向移动地与内锁止弹簧62的右端接触。垫圈65可以与驱动环49的一个轴肩66接触从而构成齿端离合器65-66。

两个离合器垫圈63和65受一螺旋压缩弹簧67的弹性压力，使其相互分开地与各自的轴肩64和66相接合。压缩弹簧67位于两个止推挡圈之间，即第一挡圈68和第二挡圈69之间。

圆柱形控制件70可轴向移动，其上有一径向部件71位于固定在壳体40上的两电磁铁72之间。控制件70上在相对于两个止推挡圈之处有一圆柱形凹槽，凹槽的宽度略大于两挡圈68、69之间的距离。凹槽的两端与各自挡圈以下述方式共同作用。在图示的中间位置上（此时两个电磁铁72都未通电），离合器63-64和离合器65-66在弹簧67的作用（通过挡圈68、69）下都保持在接合状态。

如前面已说过，图2所示实施例的基本功能与图1所示实施例的相同。

假定螺旋弹簧44被张紧，并且此时需要施加一制动力，则完成这个作用必须克服外锁止弹簧或制动施加弹簧61作用在驱动套筒46上的锁止力。给左电磁铁通电，则控制件70移向图2的左侧，使离合器63-64分离，从而解除锁止弹簧61的张紧力，使它与壳体40脱离接触。通过内锁止弹簧62，扭矩从驱动套筒46传至驱动环49并传到后续各部件，其更详细的内容已在上面结合图1的说明中给出。

只要左电磁铁通电，制动施加行程就不中断，其控制方式与图1所示实施例中控制套筒17的控制马达20控制转动的方式相同。当该电磁铁断电时，离合器63-64接合，锁止弹簧61再次伸展，与壳体40的圆柱形内表面接触，从而阻止驱动套筒46继续转动。

制动缓解行程的实现是通过给另一电磁铁或石电磁铁通电，使控制件70向图2的右侧移动，从而使离合器65-66分离。这样就解除了内锁止弹簧62的张紧力，使它与驱动环49脱离接触，从而使驱动环49可沿制动的缓解方向自由转动，其方式与上面参考图1所描述的相同。

以上所说的都是将本发明作为一个制动装置的应用。然而，广义地说，它可以同样地适用于以更广义的术语“促动器”所包罗的各种机构中，这种“促动器”是给外负载提供一个力或达到某一位置。

Claims (10)

1、一种制动装置，其中包括一个储能器(6；44)、给该储能器供能的供能器(10；47)以及一个驱动套筒(8；46)，该驱动套筒将所述储能器的旋转运动传递给运动转换部件(15，25；51，53)，该部件将所述旋转运动转换成一个力传递件(4；42)的轴向运动，其特征在于，在驱动套筒(8；46)和所述运动转换部件(15，25；51，53)之间，布置有离合和控制器(16-20；61-72)，以完成由储能器(6；44)到力传递件(4；42)之间的可控力的传递。

2、根据权利要求1所述的制动装置，其中储能器是一个螺旋弹簧（6;44），为其供能的供能器是一个张紧该弹簧的马达（10;47），其特征在于，该马达用于保持螺旋弹簧的张力而与螺旋弹簧上的力传递无关。

3、根据权利要求2所述的制动装置，其特征在于，所述的马达是一个转动的电动机（10;47）。

4、根据权利要求1所述的制动装置，其特征在于，离合和控制器（16-20）包括一个位于驱动套筒（8）和制动装置壳体（1-3）之间的外锁止弹簧（16），该锁止弹簧允许驱动套筒沿制动的施加方向有条件地转动，另外还有一内锁止弹簧（18），用以连接驱动套筒和一驱动环（13），该驱动环与驱动套筒同轴并与所述运动转换部件（15，25）相连接，一个用于控制内锁止弹簧的控制套筒（17），使其仅当驱动套筒沿制动的施加方向转动时将驱动套筒与驱动环连接，而在制动的缓解方向上则允许驱动环转动。

5、根据权利要求4所述的制动装置，其特征在于，控制套筒（17）与驱动套筒（8）和驱动环（13）同轴并与内锁止弹簧（18）的一端相连，由此，控制套筒沿制动的缓解方向转动，使锁止弹簧松开，从而允许驱动环在制动的缓解方向上产生一个与控制套筒转动的角位移相同的角位移。

6、根据权利要求5所述的制动装置，其特征在于，外锁止弹簧（16）与控制套筒（17）同轴且位于其外侧，弹簧的一端与控制套筒相连，它通常阻止驱动套筒（8）沿制动的施加方向转动，因而，控制套筒沿制动的施加方向的转动将松开外锁止弹簧，从而允许驱动套筒（8）在制动的施加方向上产生一个与控制套筒转动的角位移相同的角位移。

7、根据权利要求6所述的制动装置，其特征在于，控制套筒（17）与一个可沿两方向中任一方向转动的控制马达（20）相连接。

8、根据权利要求7所述的制动装置，其特征在于，装有一个压力传感器（31），当检测到预定的制动力时，该压力传感器（31）发出信号，以关断沿制动的施加方向转动的控制马达（20）。

9、根据权利要求8所述的制动装置，其特征在于，控制马达（20）在压力传感器所传送的信号表明制动力为零后，可沿制动的缓解方向再转动一定的角位移，以建立一适当的制动间隙。

10、根据权利要求1所述的制动装置，其特征在于，离合和控制器（61-72）包括一个位于驱动套筒（46）和制动装置壳体（40，41）之间的外锁止弹簧（61），该锁止弹簧允许驱动套筒沿制动的施加方向有条件地转动，另外还有一内锁止弹簧（62），用以连接驱动套筒和一驱动环（49），该驱动环与驱动套筒同轴并与所述运动转换部件（51，53）相连接，一个在两电磁铁作用下可轴向移动的控制件（70），用于使两锁止弹簧（61，62）中任一个的端部分别与壳体或驱动环脱开，从而分别允许驱动套筒（46）沿制动的施加方向转动或驱动环沿制动的缓解方向转动。

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