CN109424666B - 涡轮闪跳式刹车装置 - Google Patents

Abstract

涡轮闪跳式刹车装置是对现行车辆和飞机起落架刹车装置的改进，用于解决车辆和飞机刹车距离过长的技术难题，其特征是该装置主要由刹车盘、刹车片、刹车涡轮、刹车轮毂四个部分组成的。在刹车前，刹车轮毂上的滾子推着刹车涡轮上的弹簧片，使涡轮和刹车盘一起转动，刹车时刹车片把刹车盘抱死，使刹车涡轮停止转动，刹车轮毂上的滚子受到的阻力增大，迫使弹簧片弯曲变形，当变形量超过了弹簧片与滾子在径向位置的重叠量时，阻力就会突然消失，弹簧片自动复位产生闪跳，弹簧片的复位，又一次阻碍了刹车轮毂的转动，就又重复了前面发生过的能量消耗的过程，直到能量耗尽为止。

Description

涡轮闪跳式刹车装置

(一)技术领域：属于车辆制动技术领域。

(二)技术背景：

目前世界各国制造的各种车辆和飞机等交通工具，都很重视刹车装置的功能和制作质量，因为它是保障安全的最直接和最重要手段，所以刹车技术一直被人们密切关注。经过一百多年的模索，刹车技术得到了很好的发展，目前使用比较多的刹车装置主要有抱闸、涨闸、及盘式刹车装置或毂式装车装置两大类。特别是A.B.S防抱死技术的出现和发展，给人们带来很大的满足，盘式刹车装置也已经广泛的应用在汽车、火车和飞机上。但是，还是存在许多缺点和不足，急需解决。

1、盘式刹车装置是靠刹车盘和刹车片的摩擦做制动手段的，制动力小了刹车距离会很长，制动力太大了会使轮胎抱死，发生爆胎和翻车事故。这就是目前摩托车和各种车辆刹车事故频发的主要原因。

2、A.B.S防抱死技术的出现，从技术上看，轮胎抱死事故可以避免了，但是由于电磁脉冲振幅本身的特性，使在整个的刹车过程中，刹车片和刹车盘无法实现瞬间全脱离式的点刹方式，每次振动所消耗的能量十分有限，工作效率较低。A.B.S防抱死技术的使用解决了紧急刹车时的惯性力过大而翻车的难题，但是汽车滑行距离不但没有减少，反而还会增加，这样的情况是人们不希望的，特别是在重型货车在大坡度山路滑行时刹不住车和给舰载飞机在航母飞行甲板上降落时增加了困难，迫切需要改進。

3、A.B.S防抱死装置的制作和使用成本较高，普通的低挡车无法接受，使其应用范围受到限制。在飞机起落架缓冲装置的研发过程中，从涡轮叶片的闪跳技术研究中得到启发，经过反复的论证，产生了本项技术方案。

(三)发明内容：

1、本发明的目的在于提出一种能够在各种类型的汽车、火车和飞机起落架上使用的刹车装置的新方案，用这样的设计方案制作一种能够高效而可靠的刹车装置。

一种利用金属弹簧片的变形和突然反弹过程，达到消耗车辆或飞机滑行能量的机械刹车装置。这种刹车装置是按照《冲力可以控制的安全理论》设计的，它是在我的一项发明《汽车碰撞保护器》(ZL200610100934.8)研制成功的基础上发展出来的一项新的技术。前者是用连续冲切金属片的工作原理，来限制和消耗冲击能量，保障汽车的碰撞安全，后者是用连续弯曲弹簧片的工作原理，用弹簧片的抗变形能力来限制和消耗交通工具刹车过程中的滑行能量，并用弹簧片瞬间闪跳的方法来实现刹车力瞬间归零的点刹方式，使刹车时的惯性力和减速度得到有效的分割和控制，刹车效果得到极大的提高，达到提高能量衰变效率，减少惯性力，缩短刹车距离的目的。本案中提出的在金属片弯曲变形后，由于外力的突然消失而出现的连续不断的闪跳，巧妙的解决了这个技术难题，因此，新型的刹车装置中的刹车涡轮就成为这种刹车装置的核心结构件了，这种刹车涡轮上的金属片需要有很好的弹性和靱性，采用优质弹簧钢制作，刹车功效就是靠这样的涡轮叶片的闪跳来完成的，所以将这种刹车装置取名：《涡轮闪跳式刹车装置》。

为了实现刹车力瞬间归零的点刹方式，将目前广泛使用的把刹车盘固定在轮胎轮毂上的做法改为刹车盘与轮胎轮毂分离的方式。并增加了一个由多个弹簧片组合而成的弹性涡轮和一个周边装有与涡轮叶片件数相同的滾子的刹车轮毂，将弹性涡轮与刹车盘连成一体，刹车轮毂与轮胎轮毂连成一体。车辆运行中轮胎带动刹车轮毂一起转动，由于刹车轮毂上的滚子的安装位置与涡轮叶片的顶端位置有1.5mm的重叠，使涡轮的转动受阻，在刹车盘和涡轮与轴之间装有滾动轴承，使其阻力很小，刹车轮毂上的滚子就推动涡轮叶片和刹车盘一起转动。在刹车时刹车片抱住刹车盘，使涡轮停止转动，造成刹车轮毂上的滚子对涡轮叶片外端的力增大，迫使涡轮叶片弯曲。涡轮片的弯曲变形，使涡轮叶片外端的直径尺寸收缩，在收缩量超过与刹车轮毂上的滾子接触处的重叠尺寸时，使作用在刹车轮毂上的滚子的阻力立即消除，滚子越过涡轮叶片。在这一瞬间，涡轮叶片就会因迫使其弯曲变形的力的消失而自动恢复到原来的状态和尺寸，产生本能的闪跳。涡轮叶片尺寸的恢复又把刚刚越过的滚子挡在两个涡轮叶片之间，完成了一个完整的能量消耗过程。由于涡轮叶片尺寸的恢复，就又开始重复前面所述的受力变形和闪跳的能量消耗过程。车辆或飞机滑行时的能量和冲力，就是这样的在涡轮叶片的一次接着一次的闪跳中被消耗，直到耗尽为止。每一次的闪跳过程所消耗的能量都不一样，而且呈现出一次比一次多的现象。这是因为每次闪跳都会使速度产生衰变，速度低了金属片的抗弯曲的能力自然就提高了。两次闪跳中消耗的力的差值就是涡轮叶片闪跳过程中造成的力的衰变值。这样，只要能把每次闪跳前涡轮弯曲变形的力计算出来，每次闪跳造成的力的损耗就会知道了。

让弹簧片弯曲变形是需要外力的，当让弹簧片弯曲的力突然消失，弹簧片就会立即反弹，恢复原来的状态，这是人们都知道的普通常识。让弹簧片弯曲的力可以用很简单的的方法计算出来，即用弹簧片的弹性模数与弹簧片弯曲处的截面面积相乘，再除以弯距就可以了，但是要想知道在冲击力的作用下弹簧片的抗弯曲能力就没有那么简单了。

2、本发明提供了一种简捷的计算方法，用来解决涡轮叶片的抗弯曲能力和弯曲后产生的闪跳现象造成的力的消耗值。计算公式：P＝F÷ξ

式中P是刹车时车辆的抗弯曲力，F是金属片在非冲力作用下的抗弯曲力，ξ是两种抗弯曲力的比例系数，这个系数是一个与速度有关的变量值，即ξ＝√V+1，其中V是刹车瞬间，车辆是或飞机的移动速度。

本案中的刹车装置消耗的能量包含两个部分，第1部分是弹簧片弯曲中消耗的能量。第2部分是弹簧片闪跳造成的能量衰变。弹簧片弯曲中消耗的能量比较容易理解，而对弹簧片闪跳中造成的能量衰变的理解却不太容易。在过去，由于技术水平的限制，很少有人对这一技术感兴趣，对弹簧片闪跳造成的能量衰变的大小進行探討和研究的人很少，更无人对这种力的简易计算方法進行探索。通常可以采用汽车碰撞試验的方法获取，但是这种方法不但费用昂贵而且也很费时，电子计算机技术的发展，提供了模拟计算的手段，即可以利用ANSYN/LS-DYNA软件建立弹簧片弹性碰撞有限元模型，進行弹簧片的一端碰撞性能仿真试验获取。但是这种方法确实很麻烦，很不适用。因此，寻找简便快捷的计算方法成为这一技术能否尽快推广和实施的重要环节。

通过研究和探討发现，涡轮叶片的抗冲击变形的力和闪跳中的能量衰变的计算并不复杂，只要能搞清楚静力状态下和冲力状态下的抗击变形力的区别和规律就可以了。

人们都知道，用力速度越快越省力，用力动作越慢越费力的普通常识。这就是说，同样的金属片，在冲击力作用下的抵抗弯曲的能力远不如在静态力作用下的抗弯曲能力，金属片抗冲击力的最大值不会超过非冲击力下的抗冲击力，刹车装置中的弹簧片的抗冲击能力是随着涡轮闪跳次数的增加和车辆或飞机滑行速度的下降而逐渐增大的，并且最大值不会超过静态力下的抗弯能力，这些都是刹车装置中的弹簧片的抗冲击变形能力的变化规律，它表明了动态与静态下的抗弯能力是不一样的，而且它们有着密不可分的关系。通过反复的运算和公式推导，发现了它们之间是存在着一个比例关係，这个比例不是固定的，而是一个随着速度的变化而改变的比例关係，这就是用静态力下的抗弯能力为基础来计算冲击抗力，因此提出了一个静态和动态下的抵抗弯曲能力的比值，这个比值可以称为转换系数，用ξ表示。

弹簧片的抗冲击力的计算是整个计算的核心，只要能找到金属片在静态下的抗弯曲力和冲击状态下的抗冲击力之间的换算系数，整个的计算就会很简单了。

即：ξ＝静态弯曲力÷冲击弯曲力，冲击弯曲力＝静态弯曲力÷ξ

冲力系数：

这个冲力系是通过公式推导獲得的，使用起来十分方便，因为在以后的应用效果的说明中，涉及到刹车距离的比较，因此有必要将这个速算公式的推导过程介绍如下：

众说周知，金属片的抗弯曲能力是由它自身的因素决定的

即金属片的抗弯曲力Pa＝金属片的抗弯模数(E)×金属片的抗弯断面面积S

例式，①P_a＝E×S

造成金属片弯曲的力Pb＝抗弯曲力(Pa)÷弯矩(L)，

例式：②P_b＝P_a÷L

冲击状态下使金属片弯曲的力Pc＝抗弯曲力(P_a)÷弯矩(L)÷冲力系数(ξ)

例式③P_c＝P_a÷L÷ξ

其中ξ是表示此時冲击力数值与装置中的弹簧片的静态抗弯力的比值，反映金属片在受到冲击力时抵抗外力的系数值。

冲力计算公式：P_d＝车辆或飞机的质量(M)×滑行速度(V)÷冲击时间(t)

例式：④P_d＝M×V÷t

从公式④中可以看出，对同一车辆或飞机而言，涡轮叶片每次闪跳的时间可以看着都相同，所以滑行时的质量M和时间t都是不变的，影响刹车装置中的涡轮叶片抗冲击力大小的因素只有滑行速度V，速度越大，产生的冲力就越大，涡轮叶抗弯曲的力就越小。所以冲击状态下影响冲力大小变化的是系数ξ，它是一个变量值，是随着冲击速度(V)的变化而改变的数值。它的大小与外力大小成反比。这是因为受到冲击能量的变化造成的，冲击能量是冲力系数值变化的根源。冲击能量的计算公式：

⑤W＝1/2×M×V²

在这一公式中，1/2和M都是不变的，只有滑行速度V是变化的数值，并以平方的方式出现，所以可以认定速度V是改变冲力系数ξ数值的主因。

因此公式④P_d＝M×V÷t就可以变成公式：

⑥

式中

是由V变过来的，因为

从公式②和③中可以看出ξ＝P_b÷P_c人们公认的是ξ≥1，这是因为冲力P_c不会超过静态冲力Pb的(即P_d≤P_b)。

假设ξ＝1则：P_b÷P_d＝1

例式⑦

涡轮闪跳時，M、t都是不变的，只有V是不断的变化，所以√V就是影响ξ数值变化的唯一因素。此时

就是冲力系数ξ，

例式⑧

当V小于1时，ξ必然小于1，这就会出现抗冲力大于抗静力数值的现象，那是不可能的。要保证ξ大于1，这就需要对√V进行修正，修正系数取自然数中的最小的1，于是把

改为

这就是抗冲力系数

产生的全过程。

刹车过程中速度是逐渐降低的，V值减小了，ξ值必然也变小，所以这种刹车装置中的涡轮每次闪跳中消耗的能量，是按照1次比1次多的递增顺序变化的。刹车时的能量就是这样在涡轮的闪跳中消耗着，直到无力闪跳为止。

有了这个抗冲力系数的计算方法，使刹车装置的计算变得简单了，只要知道刹车瞬间的速度就能借助学生用的计算器在一个小时内算出刹车距离。

3、新颖之处

①把现行车辆上使用的盘式刹车装置中的刹车盘和刹车片改做本发明中的离合器使用。

在刹车过程中刹车盘和刹车片之间一直是抱死不动的，刹车片和刹车盘的摩损很小，使用中不会损坏，不需要更换。这样的设计方案与现行技术正相反，现行技术中刹车盘与刹车片之间一直保持着相对运动状态，直到仃车为止，刹车力是靠刹车片和刹盘之间的摩擦力来实现的，刹车片和刹车盘的摩擦损耗很大。特别是刹车片需要经常换新。

②本发明中的刹车盘与车轮是分离的，并通过轴承浮在车轮轴上，这与现行盘式刹车装置相反，现行盘式刹车装置中的刹车盘是与车轮连成一体的。

③弹性涡轮的结构设计中采用众多弹簧片同时变形和变形后的闪跳来消耗量，这还是第1次应用，可称为首创。开创了冲力可以控制安全理论的实际应用的一个典范。

④本发明中使用的刹车轮毂，与目前还在使用中的涨闸式的刹车装置中的刹车轮毂，有本质性的区别，涨闸式刹车轮毂是靠与刹车片接触的表面摩擦力来刹车的，而本技术的刹车轮毂，在刹车中没有刹车片的摩擦过程，而且靠轮毂里的滚子撞击弹簧片后，使涡轮叶片变形和瞬间闪跳来消耗能量。

⑤用改变弹簧片的尺寸和数量的方法来改变刹车距离，这也是有史以来首次提出的，这个在本发明的典型应用示例的计算中已经说清楚了，这是因为弹簧片的截面尺寸和长度直接影响了能量消耗值。

⑥利用弹簧片的闪跳方式，实现刹车力瞬间归零的理想境界，最大限度的挖掘了弹簧片吸收和消能量的潜力，并使能量消耗的计算变得简单了。这是因为弹簧片的闪跳瞬间，阻挡刹车轮毂上滚子转动的力会突然消失，使轮胎受力状态又从新开始，这对滑行能量来说是一个完整的分割过程，使刹车过程中的惯性力无法超越弹簧片闪跳前的量值，所以惯性很小，相当平稳。

4、有益效果：

①实现了人们对刹车效的最高要求标准：刹车快而平稳，刹车距离缩短了，并且可以按照需要人为的设定刹车距离的范围。

与现行的A.B.S防抱死技术装置相比，本技术更加先进。因为A.B.S防抱死技术是靠电磁脉冲手段来改变刹车压力，防止抱死现象发生，它的优点是可以提高刹车效果而且比较平稳，但是这种调压手段无法实现刹车盘和刹车片之间的瞬间全脱离状态，使刹车效率受到限制，刹车距离不但沒有缩短，反而增加了。而本技术能完成涡轮叶片与刹车盘里的滾子之间的瞬间全脱离状态，实现了刹车力瞬间归零的理想境界，使其刹车更快更平稳，刹车距离成倍的缩短。并且可以按照需要，人为的设定刹车距离的范围。

②解决了造价较低的经济性车辆刹车距离太长，易翻车的难题，例如小型电动汽车，三轮摩托-----等。

这是因为本发明的装置中，不使用的A、B、S防抱死系统，使生产成本降下来了，对整车的生产成本影响不大，很容易被用户接受而得到推广。

③解决了大型载重汽车刹车不稳和在山路行驶刹不住车的难题。

这是因为本发明的刹车装置在刹车的过程中，刹车盘和刹车片始终抱死不动，使弹性涡轮上的弹簧片和刹车轮毂上的滚子一直不停的工作，坡度增加的能量不会超过涡轮闪跳中消耗的能量，所以越滑越快的情况不会出现，汽车失控和爆胎事故就不会发生，所以在车辆大坡度下滑时，速度会很慢，安全有保障。

④解决了舰载飞机在航母飞行甲板上降落的难题，飞机尾钩和阻拦绳索都可以不用了。

按照本发明的设计方案，制做的新型起落架刹车装置，用金属弹簧片的闪跳手段代替现行的电磁脉冲调节刹车压力的技术，用弹簧片的闪跳技术分割滑行能量，克服了A、B、S防抱死技 将会使飞机降落后的滑行距离控制在100米的范围内。飞行甲板的长度足够了。飞机尾钩失去了使用价值。详细情况请看典型示例4。

(四)附图说明：

图1 质量为2000公斤的普通轿车使用的新型刹车装置(即涡轮闪跳式刹车装置)的典型结构.

这是按照汽车前轮设计的一种刹车机构，为了保持与现行汽车配件使用的协调和继承性，在组成前轴的三段中，里面的两载尺寸不变，外面的一截插入刹车盘里的花键的长度尺寸需要与新型的刹车盘的尺寸進行协调，刹车片前轮轴的安装吊架和离合器及刹车片安装架都利用现行配件，刹车轮毂口盖.1*是通过内六角螺钉7*将其固定到刹车轮毂14*上，螺钉头下面装有弹性垫圈8*。刹车装置中的刹车盘的安装与现行盘式刹车装置的安装方法不同，是通过滾动轴承5*浮在刹车轮毂的轴上，使其与轮胎不能直接连动，装置中的刹车轮毂的安装与现行毂式刹车装置中的刹车轮毂的安装方法同。

图2 图1的局部放大图B，

表明涡轮刹车装置的内部结构详细情况：刹车盘2*和刹车涡轮的轴是做成一体的，刹车滾子13*装在刹车轮毂14*和轮毂口盖1*之间，弹性涡轮叶片3*在涡轮轴上的位置，用弧面压板9*将其卡住，再用一种专用铆钉4*与环形套10*的铆合，使其牢固的固定在涡轮轴上无法脱离。滾针轴承装在涡轮轴和刹车轮毂的轴之间。

图3 图1的A-A切面视图，

表明在涡轮轴上装有16个弹簧片3*，这16个弹簧片之间各有一个弧面楔子9*将其均匀的隔开，铆钉4*置于两个相邻的弹簧片3*的中间，其位置不会影响弹簧片的弯曲变形，涡轮叶片3*和与滾子13*之间在径向位置有重叠量，轴承5*是为了减少刹车盘和涡轮轴转动时的阻力，保障刹车涡轮转动的重要手段，刹车盘上制有许多减轻孔，是一种减轻结构重量的手段。图中V1表示刹车盘2*在刹车前的转动方向，V2表示刹车轮毂14*和车轮的转动方向。

图3A 图3里的k放大视图，

涡轮叶片3*和与滾子13*之间在径向位置有重叠量，(在小型汽上选定为1.5mm的单面重叠量)，这1.5mm的重叠量是用来产生阻力和保障变形量的必要手段。

图4 是涡轮叶片在刹车时的变形情况示意图，

在刹车时，离合器使汽车前轮失去动力，与此同时刹车片将刹车盘2*抱死，使刹车涡轮仃止转动，由于轮胎在汽车惯性力和地面磨擦力的作用下还是要转动的，刹车轮毂14*是通过图2中所示的11*螺钉与汽车轮毂连成一体的，使刹车轮毂14*的转动迫使滚子13*对已经仃止不动的弹簧片3*施压，使其弯曲变形，造成弹簧片3*的径向尺寸缩短，在缩短量超过了它们的重叠量时弹簧片的顶端与滾子就脱离开了，此时弹簧片就因外力的突然消失而本能的恢复了原形，产生了突然的闪跳，这就完成了一个完整的能量消耗过程，接着又因为弹簧片的径向尺寸的恢复，又挡住了下一个滾子的运动，就又开始了下一次的能量消耗的过程，弹簧片的变形过程就是消耗能量的过程，一个弹簧片变形消耗的能量是很有限的，但图中显示的16个弹簧片同时弯曲变形时，所消耗的能量就不能小看了，这16个弹簧片一次接着一次的变形所形成的不断的闪跳，极大的提高了刹车功效。

图5 表示涡轮刹车盘的结构图，表明它是一个平面圆盘和轴形件的组合体。

表示刹车盘2*件的结构，在这一圆盘上有一个凸出的部分，这是刹车涡轮的轴，它与涡轮叶片3*组合成一体，圆盘部分与刹车片配合使用，以代替现行技术中的离合器的功能，其圆盘的平面上制有许多孔，这些孔只是起减轻重量的作用。

图6 是图5的C-C视图，

表示在涡轮轴的圆柱面上制有16个凹槽，是用于安装涡轮叶片时起定位作用的。

图7 是图6的D-D视图，

表明图6中的个16个凹槽是长方形的，同时也表明图6中的4个异形铆钉孔的切面形状。

图8 是刹车轮毂的平面结构图

图9 图8的E-O-E视图，重点表明4个螺纹孔和4个销钉孔的位置

图10 图8的F-F视图，表明16个铜套的位置.

图11 1号件(刹车轮毂口盖)的结构图。

在这个刹车轮毂口盖上锒有16个铜衬套，用于安装刹车轮毂上的滾子，另有8个沉头螺钉的孔，用于与刹车轮毂配合保障16个滾子的安装位置。

图12 图11中的H-H视图，表明这个口盖上制有8个内六角螺钉孔，

图13 图11中的丁-丁视图，表明这个口盖上镶有16个衬套，

图14 图11中的G-G视图，表明这个口盖上制有4个销钉孔，

图15 9号件(弧面压板)的示意图：

表示16个弧面压板的形状和组合使用的状况。这样的楔子有两个用处，一个是将弹簧叶片等距分割开来，另一用处是压住涡轮叶片的凸台，使其无法松动。

图16 图15的侧视图，表明弧面压板的长度方向的形状。

图17 表示3*件涡轮叶片的外形图。

它是这一发明的核心件之一，这是一个两头宽中间窄的钢钣件。

图18 是图17的顶视图。

表明弹性涡轮叶片的两端都各制有一个凸台，这两个凸台，一个用于增加使用中的抗摩损能力，另一是为了与弧面压板配合使用，为在涡轮的轴上定位提供条件，以防止使用中松动。

图19 10*的平面图。

表示这是一个环形件，与弧面压板9*配合使用，用于将16块压板的外端套住，使其无法活动，确保16个弹簧片的使用安全。这个环形件上制有4个孔，为异形铆钉4*插入提供条件。

图20 图20的顶视图。

图21 异形铆钉4*的图形，这个铆钉的一个端面制有中心孔，是为组装中铆合使用的。

图22 13号件(滚子)的示意图。用滚动的方式与弹簧叶片接触，减轻摩擦损耗。

图23 衬套12*的图形。

(五)具体实施方式：参照附图给出本发明的具体实施方式，用来对本发明做进一步说明，

附图所示的结构是按照质量为2000公斤的普通轿车前轮的特点设计的新型刹车装置(即涡轮闪跳式刹车装置)的典型结构.为了保持与现行汽车配件使用的协调和继承性，前轮主轴是由三截组成的，里面的两载尺寸不变，外面的一截插入刹车盘里的花键轴的长度尺寸需要与新型的刹车盘的尺寸進行协调，前轮轴的安装吊架和离合器及刹车片合成都利用现行配件。

本发明的刹车装置，从外表看很象是一个盘式刹车装置和毂式刹车装置的结合体，因为它有现行盘式刹车装置中的刹车片和刹车盘2*，还有类似毂式刹车装置中的刹车轮毂14*，但细看差别却很大。本发明中的刹车盘2*上制有一个外形类似压缩机上使用的涡轮，这个涡轮的轴与刹车盘连成一体，在这个涡轮轴上装有16个涡轮叶片3*，这些涡轮叶片以伞形的方式，均匀的固定在如图6和图7所示的涡轮轴的圆柱面上，这个圆弧面上制有16个长方形的凹槽，涡轮叶片的一端就插在这些凹槽里，用图15和图16所示的楔子9*将其卡住，并用图2所示的环形件10*和异形铆钉4*将其锁牢，以防止工作中涡轮叶片松动，涡轮叶片3*是本发明中的核心构件，要求有很好的弹性和靱性，采用优质弹簧薄板制作，它的形状如图17和图18所示，其两端都制有凸台，这两个凸台，一个用于增加使用中的抗摩损能力，另一个是为了组装中提供定位方便使用，並与弧面压板9*配合使用，以防止松动。刹车轮毂14*和现行毂式刹车装置中的刹车轮毂完全不同，它的内表面没有与刹车片接触的摩擦面，有的是沿刹车轮毂的内侧装有一圈镶有铜套12*的钢制柱形滾子13*，这些滾子与涡轮叶片3*接触的地方，在轮毂转动时形成的圆的直径尺寸与涡轮叶片安装位置形成的外圆直径尺寸，有1，5mm，的单面重叠量。因刹车轮毂是用螺丝11*固定在轮胎的轮毂上的，所以它能跟轮胎是同步转动的，刹车盘2*和刹车涡轮是通过滾针轴承5*浮在刹车轮毂的轴上，因为滾动轴承5*的摩擦系数很小，使滾子推动涡轮叶片转动的力不会造成涡轮叶片弯曲变形，所以刹车前只需要很小的力就能让涡轮叶片3*和滾子13*一起转动。在刹车时刹车片夾住刹车盘，使刹车涡轮叶片对滾子的阻力立即增大，当这种阻力达到或超过金属弹簧片的抗弯曲能力时，弹簧片就产生了弯曲变形，变形使涡轮的直径尺寸缩小，直到完全脱离接触为止。在弹簧片弯曲变形的过程中，弹簧片与滾子的接触处产生滑移，这种滑移会造成接触面的摩擦和损耗，为了减少这种摩擦和损耗，将滾子的两端镶上铜套，並将弹簧片的接触处按图17和图18所示的方法加宽和加厚。在涡轮叶片脱离接触后，因外力的消失，使弹簧片自动恢复了原状，这就是一完整的能量消耗过程。由于弹簧片恢复了原来的形状和尺寸，就立即挡住了下一个滾子的去路，这就又开始重复前面所述的能量消耗过程，直到滑行力耗尽为止。

让一个金属片变形的力是很有限的，本案中的涡轮上装有16个金属片，这16个金属片同时变形所消耗的能量就很可观了。刹车轮毂是与轮胎同步转动的，轮胎每转动一圈就会出现16次闪跳式的刹车过程，所以刹车效果很好。以汽车轮胎的直径尺寸为700mm为例，刹车时轮胎每向前滚动137mm就会出现一次刹车过程，四个轮胎同时刹车，其效果就可想而知了。

弹簧片闪跳会有声音的，16个叶片同时闪跳必然会产生较大的躁音，因此需要採取消除和减少躁音的措施，在弹簧片上涂一层油漆，可以降低弹簧片在闪跳过程中的震动频率，在刹车轮毂14*和轮毂口盖1*的内外表面都涂漆，並增加软质非金属垫，都会收到好的消除噪音的效果。

刹车轮毂上的滾子压迫涡轮叶片，使其产生弯曲变形后，因障碍的消失产生的闪跳是一种十分简单的物理现象，这种消耗能量的方式非常直观，也很容易理解，就是这样简单的道理却能使能量消耗和减速度的衰变计算变得非常简单了，所以说这一发现也是力学研究范筹里的一个不小成果。

(六)典型示例分析：

为了便于理解，下面将例举几个典型示例，通过对刹车距离的计算加以分析。

典型示例1：常用的助力车上应用时的刹车效果。

假设：

[1]、助力车的质量为75kg 司机质量75kg 载重50kg三项合计200kg

[2]、车速为50km/h，合13.9m/s，平均速度：7m/s

[3]、车轮直径600mm

[4]、涡轮叶片用65Mn钢制造，弹性模量取21kg/mm²，

[5]、涡轮叶片根部断面尺寸：宽---6mm 厚----0.8mm

[6]、叶片弯矩60mm(6CM)，

[7]、涡轮轴直径取ф54

[8]、地面与车轮的磨擦系数：0.2

[9]、涡轮装叶片10个，

计算内容：

[1]车轮与刹车盘涡轮的转速比：600÷174＝3.45

[2]涡轮外圆直径：

[3]涡轮叶片冲力系数：

[4]摩托车的冲力：200×13.9÷0.1÷9.8＝2837kg

[5]1个弹簧片的抗弯曲力：21×6×0.8＝101kg

[6]1个弹簧片的阻力：101÷6＝16.8kg

[7]1个弹簧片承受的最大冲力：16.8÷ξ＝16.8÷2.24＝7.5

[8]1个涡轮8个叶片同时受力：7.5×10＝75

[9]闪跳1次消耗力75÷3.45＝21，7

[10]总共闪动次数：2837÷21，7＝131

[11]单轮刹车距离：600×3.1416÷10×131＝24692mm

[12]两轮同刹车(急刹车)距离：12346mm

[13]考虑地面摩擦系数的影响，刹车距离：9877mm

<14>刹车过程中的惯性力：2837÷131÷2＝11kg

<15>刹车过程中人的的惯性力：11÷200×75＝4kg

从这一计算例子中可以看出，这辆摩托车在50km/h速度時，单轮刹车闪跳131次，刹车距离20m，前后两轮同时刹时，涡轮闪跳66次，刹车距离9.9米。刹车时的惯性力仅有11kg而一个75kg的人刹车时的惯性力仅有4kg，这就是本发明的刹车效果，所以车是很平稳的，助力车是不会翻倒的，非常安全。如果想再提高刹车效率，可以采用涡轮叶片外移的方法，将前面计算中的涡轮叶片的旋转圆直径从ф174改为ф300，

此时600÷174＝3.45变为600÷300＝2

则刹车距离9.5÷3.45×2＝5.5m

典型示例2：在汽车上应用时的刹车效果。

以质量2000kg的4轮轿车为例，刹车时速度64m/h.(即：17，8m/s)

[1]、假设条件：

轮胎直径700mm；缓冲装置中涡轮轴ф88；.涡轮叶片的弯矩取6cm涡轮上装16个叶片；叶片组合的涡轮直径；88+60×2＝208(ф208)；叶片宽10mm；叶片厚1.0mm；叶片用钢：65Mn；

弹性模量：206Gpa(21kg/mm²)，

[2]计算程序和内容：.

<1>平均速度32m/h，(9m/s)

<2>轮胎直径700mm与刹车涡轮的直径208mm之比3.4

<3>刹车涡轮切向速度：9÷3，4＝2.65m/s

<4>涡轮冲力系数

<5>1个叶片冲力消耗：21×10×1÷6÷1.9＝18.4kg/片。

<6>16个叶片冲力消耗：18，4×16＝294kg/闪跳1次。

<7>闪跳1次车轮消耗力：294÷(492+208)÷208＝86kg

<8>滑行力：2000×17.8÷0.1÷9.8＝36327kg

<9>涡轮闪跳次数：36327÷86＝418次

<10>418÷4＝105次

<11>刹车滑距：700×3.1416÷16×105＝14431mm

<12>刹车滑距：14432×0.8＝11545mm

<13>刹车过程中的惯性力：36327÷105＝346kg

<14>刹车过程中人的的惯性力：346÷2000×75＝13kg

从上面的计算中可以看出，质量2000kg的轿车，如果改用本发明的设计方案，在速度64m/h时紧急刹车其刹车距离11，5m。，汽车刹车时的惯性力仅有346kg而一个75kg的人刹车时的惯性力仅有13kg，这就是本发明的刹车效果。如果想再提高刹车效率，可以采用涡轮叶片外移的方法，将前面计算中的涡轮叶片的旋转圆直径从ф208改为ф350，此时700÷208＝3.4改为700÷350＝2则刹车距离：11.5÷3.4×2＝6.8m

典型示例3：在重型卡车上应用时的刹车效果。

以质量50000kg的20轮重型卡车为例，刹车时速度40km/h.(即：11m/s)

[1]假设条件：

轮胎直径1000mm；缓冲装置中涡轮轴ф124；涡轮上装20个叶片；

叶片组合的涡轮直径；ф258(124+60×2)、叶片宽15mm、叶片厚1.0mm、

叶片用65Mn、弹性模量、206Gpa(21kg/mm²)，

[2]计算程序和内容：.

<1>平均速度20m/h，(5.5m/s)

<2>轮胎直径1000mm与刹车涡轮的直径258mm之比3.88

<3>刹车涡轮切向速度：5.5÷3.88＝1.42m/s

<4>涡轮冲力系数

<5>1个叶片冲力消耗：21×15÷6÷1.56＝33.7kg/片。

<6>20个叶片冲力消耗：20×33.7＝673kg

<7>闪跳1次车轮消耗力：673÷3，88＝173kg

<8>滑行力：50000×11÷0.1÷9.8＝561224kg

<9>涡轮闪跳次数：561224÷173.5＝3235次

<10>用20个车轮同时刹车162次(3235÷20)，

<11>刹车滑距；1000×3.1416÷20×162＝25450m

<12>刹车滑距；25450×0.8＝20360m

<13>刹车过程中的惯性力：56122÷162＝346kg

<14>刹车过程中人的的惯性力：346÷2000×75＝13kg

从上面的计算中可以看出，质量50000kg的货车，如果改用本发明的刹车装置，在速度40m/h时紧急刹车其刹车距离约20m。，刹车时的惯性力仅有346kg，而一个75kg的人刹车时的惯性力仅有13kg，这就是本发明的刹车效果。如果想再提高刹车效率，还可以采用涡轮叶片外移的方法，将前面计算中的涡轮叶片的旋转圆直径从258改为500，此时1000÷258mm＝3.88变为1000÷500＝2，则刹车距离：20.4÷3.88×2＝10，5m

典型示例4：在舰载飞机上应用时的刹车效果。

以起飞质量30000kg的舰载飞机为例，着陆时的质量约10000kg(即：10丅)。按照现行起落架的使用规范：飞机降落时的下滑角被限定在4度，飞机水平滑行-速度60m/s.飞机滑行距离约600---800m.

[1]、假设条件：

轮胎直径800mm；缓冲装置中：涡轮轴ф112；涡轮上装16个叶片；叶片组合的涡轮直

ф径232；叶片宽6mm；叶片厚0.8mm；叶片用65Mn；

弹性模量：206Gpa(21kg/mm²)，

[2]计算程序和内容：.

<1>飞机水平滑行速度60m/s，平均速度30m/s

<2>起落架轮胎直径800mm与刹车涡轮的相对直径232mm之比3.4

<3>刹车涡轮切向速度：30÷3.4＝8.7m/s

<4>涡轮冲力系数

<5>1个叶片冲力消耗：21×4.8÷6÷3.1＝5.4kg/片。

<6>闪跳1次车轮消耗力：5.4×16×3.4＝295kg

<7>飞机降落后的滑行力：10000×60÷0.1÷9.8＝612245kg

<8>涡轮闪跳次数：612245÷295＝2075次

<9>用3个起落架时刹车692次，

<10>刹车滑距：800×3.1416÷16×692＝108699mm＝109m

<11>刹车滑距：109×0.8＝87m

<13>刹车过程中的惯性力：612245÷692＝612kg

<14>刹车过程中人的的惯性力：612÷10000×75＝4.6kg

从上面的计算中可以看出，以起飞质量30000kg的舰载飞机为例，着陆时的质量.取10000kg(即：10丅)，按照现行起落架的使用规范：飞机降落时的下滑角被限定在4度，飞机水平滑行速度60m/s.飞机滑行距离600---800m，如果改用本发明的设计方案，飞机的滑行距离就可以降至87m。刹车时的惯性力仅有612kg，而一个75kg的人刹车时的惯性力仅有4.6kg，这就是本发明的刹车效果。这样的刹车效果是非常理想的，航母飞行甲板的长度够用了，尾钩和弹性阻拦绳索装备都会失去使用价值了。

Claims (8)

1.一种刹车装置，其特征在于它是由刹车片、刹车盘、刹车涡轮、刹车轮毂四个部分组成，除了刹车片外，其它三部分都是装在同一轮胎轴上的圆盘形的旋转体结构件上，其中刹车涡轮固定在刹车盘上，刹车轮毂固定在轮胎的轮毂上，在刹车轮毂里，沿圆周镶有一圈金属滚子，这些滚子沿圆周均布，它们都装在轴向位置的同一平面内，与刹车涡轮上的弹性涡轮叶片相互配合工作，在刹车过程中，刹车盘和刹车涡轮是不动的，轮胎和刹车轮毂的转动，引起刹车轮毂上的滚子与处于固定状态的刹车涡轮叶片之间的碰撞，使涡轮叶片产生弹性变形和变形后的闪跳，对刹车时的能量进行有效的分割和消耗，直到刹车时的巨大能量耗尽为止。

2.根据权利要求1所述的刹车装置，其特征是装置中的刹车涡轮上的叶片是用弹簧钢制作的，在刹车过程中，弹簧片的外端受到垂直方向的外力时会产生弯曲变形，使涡轮叶片的径向尺寸收缩，当收缩量超过叶片与滚子在径向位置的重叠量时，使涡轮叶片变形的力立即消失，涡轮叶片就会自动反弹恢复原状，出现瞬间的闪跳现象，这种闪跳现象的出现，使刹车时的能量和减速度产生衰变和分割，这种能量衰变值可以用抗力衰变系数ξ的计算方法获取，它是一个与速度有关系的数值，即

式中v是刹车瞬间的速度。

3.根据权利要求2所述的刹车装置，其特征是刹车涡轮叶片的尺寸和安装件数，是根据不同车辆的质量和刹车距离的要求计算出来的。

4.根据权利要求2所述的刹车装置，其特征是刹车涡轮叶片的两端，制有长方形的凸台，这两个凸台的尺寸相同，一个是安装的需要，另一个是为提高使用中的抗磨损的能力。

5.根据权利要求1所述的刹车装置，其特征是装置中的刹车盘和刹车涡轮的轴制成一体，在刹车涡轮轴的圆柱面上，制有用于涡轮叶片安装定位使用的长方形的凹槽，这些凹槽的尺寸和数量都与涡轮叶片一致。

6.根据权利要求1所述的刹车装置，其特征是装置中的刹车涡轮的轴的端面上，制有用来插入弧面楔子的环形沟槽，为涡轮叶片的安装和固定提供保障。

7.根据权利要求1所述的刹车装置，其特征是装置中的涡轮叶片安装后，最后由圆形卡环锁紧。

8.根据权利要求1所述的刹车装置，其特征是装置中的刹车轮毂是由轮毂壳体、轮毂口盖及金属滚子组成。

Images