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【doc】自行车涨闸的创新与优化设计 自行车涨闸的创新与优化设计 ? 27 . . 汉 实例分析与经验交流?27? —… N — AL … YSE … S … OF … LIV … INGE . X . AM ... PL _ E 1u S Es 自行车涨闸的创新与优化设计 王培俊(西南变通大学)王德良(彭山西南冶金机械厂) 1引言 我国定型批量生产的涨闸与国际名牌产品 如英国三枪牌相比有一定的差距,主要表现 在如下几个方面: (1)制动效果差为产生同样的制动力矩 所需的手握力较大,一般在200N左右.对女性 而言,这样的手握力是偏大的. (2)摩擦材料易磨损一般用两年左右,涨 闸的摩擦材料就已产生很大磨损,虽然可以进 行调整,但制动性髓仍有较大的下降. (3)磨损后的可补偿性差. 针对以上问题,我f订利用系统工程思想,从 制动原理,结构方面对现有涨闸进行了较大的 改造,同时利用位化方法进一步设计了结构参 数,使性能得到了进一步的提高.新型涨闸样品 试制成功后进行的试验表明,各方面的指标都 有很大的提高,使用寿命,制动性能均超过r 三枪牌.该新型涨闻曾荣获四川省第二届发 明展览会金牌奖,全国第四届发明展览会铜牌 奖,并申报了国家专利. 2借鉴增力式鼓式制动器原理 提高涨闸的制动性能 ? 汽车上大量使姐鼓式制动器,其理论与实 践均已达到相当完美晦程度,其中增力鼓式制 动器使用得很多,效果较好.自行车涨闸也是鼓 式制动器,但多少年来,国内却没有厂家借鉴汽 车的制动原理来提高自行车的制动性能.我们 在改进涨闸的过程中充分借鉴了增力制动原 理,使自行车涨闸的制动性能有了很大的提高. ?I994一I2一o5收到稿件 图1为普通涨闸的结构简图,1为紧蹄,因为 该蹄产生的摩擦力矩有使该蹄进一步贴紧闸壳 的作用,2为松蹄,因为该蹄产生的摩擦力有使 该蹄脱开闸壳的作用.因此作用在紧蹄上的单 位扩张力产生的摩擦力矩大于作用在松蹄上的 单位扩张力产生的摩擦力矩.用较小的扩张力 获得较大的制动摩擦力矩自然是人们追求的目 标.在汽车鼓式制动器领域中有人设计了如图2 所示的单向增力式鼓式制动器,其左,右蹄均为 紧蹄,因此其制动性能有较大提高.此外左蹄的 扩张是依靠右蹄下端推动的,而推动力s一般 是扩张力P的2,3倍,故左蹄的制动力矩也是 右蹄的2,3倍,从而产生增力效果.由此可 见,这种制动器制动性能较普通鼓式制动器有 很大的提高.将这种原理引进到自行车涨闸中 便形成了单向增力式涨闸,从以下的分析计算 中可以看到其制动性能提高的幅度.制动性能 计算的目的是求出最大制动力矩与手握制动力 的关系,由于制动系统的传动比已知,故求出 上述关系即可. 向 由1圈2 参见图3,图4,在摩擦片材料的线弹性假设 下,与轴成P角的径向线上摩擦片的压力呈 余弦分布(见文献1). 一co(1) 由于摩擦片一般对z轴呈轴对称分布,故 一 优化设计一 ?28?实例分析与经验交流《机械设计}1995Nol1 摩擦片表面各处正压力的合力?,各处擘擦力 的合力丁可用作用在E点的集中力?,丁表示, 其大小分别为 N—JdN.—J—..fb : 1 7bRp~.(sinO)(2) Y=(3) 式中6一摩擦片宽度——闸壳半径 摩擦力矩 == j2Rd丁=J2^~=2/2(4) 同时,摩擦力矩还可由等效集中力?,丁表示为 M一7z=?,(5) 今(4,5)式相等,可以求出 4n() L一争?() 这就是说为分析方便起见,可将制动蹄表 面的分布力(正压力,摩擦力)用集中力?,表 示.其作用点E到圆心.的距离工用(6)式计 算.对图4所示制动器的右蹄,其制动力矩为 =-(7) 左蹄的制动力矩为 M:?—r--r~+uL = K~pL(8) (7)式与(8)式相加,得 M=M+础=(l+2)户](9) 从而有手握制动力Q的计算公式 Q=号=取涨闸的参数如下: 摩擦材料包角:0=90.摩擦系数;P=0.3 闸壳半径:R一35ram,r~26mm.=4mm(普通闸).to=8 mm(增力闸) 车轮半径:一330ram枯着系赦iv-0.6,后车轮反力G =850 ., :14c单向增加闸) . ? ,. s 则手握制动力计算结果如下 普通闸单向增力闸 手握制动力Q240N120N 由此可见,在最大制动力矩相同的条件下, 优化设计一 增力式涨闸所需的手握力Q远小于普通涨闸的 手握力Q,也就是说,使用增力式涨闸可用较小 的手握力获得较大的制动力矩.这对采用人力 制动的自行车来说是非常重要的. 3将摩擦材料内置以 提高涨闸的使用寿命 一h述的