機械設計 Machine Design

帶式制動器Band Brakes

P轉向T1​(緊邊)T2​(鬆邊)φam簡單帶式制動器:緊邊通過樞軸,P a = T2 m

寬 \(b\) 的鋼帶(內襯摩擦材料)繞在半徑 \(r\) 的鼓上,包角 \(\phi\)。拉動槓桿使帶收緊,鼓與帶之間的摩擦產生制動扭矩。順著轉向,帶被鼓拖向的一端張力較大(緊邊 \(T_1\)),另一端較小(鬆邊 \(T_2\))。(補充說明)

原圖對照(帶式制動器)
帶式制動器

張力比與壓力 Tension Ratio and Pressure

dθTT + dTdRμ dR轉向帶的微小元素:鼓對帶的正向力 dR 與摩擦力 μdR

取一段 \(d\theta\) 的帶元素,受兩端張力 \(T\)、\(T+dT\),鼓的正向力 \(dR\) 與摩擦力 \(\mu\,dR\)。徑向平衡(\(\sin\frac{d\theta}2\approx\frac{d\theta}2\),略去高階項)與切向平衡:

$$\left(T+dT\right)\sin\frac{d\theta}2-dR+T\sin\frac{d\theta}2=0\ \Longrightarrow\ T\,d\theta-dR=0$$ $$\left(T+dT\right)\cos\frac{d\theta}2-\mu\,dR-T\cos\frac{d\theta}2=0\ \Longrightarrow\ dT=\mu\,dR$$ $$T\,d\theta-\frac{dT}\mu=0\ \Longrightarrow\ \int_{T_2}^{T_1}\frac{dT}T=\int_0^\phi\mu\,d\theta\ \Longrightarrow\ \frac{T_1}{T_2}=e^{\mu\phi}$$

正向力 \(dR=p\,b\,r\,d\theta\),代入 \(T\,d\theta=dR\) 得襯片壓力與張力成正比,最大壓力在緊邊:

$$T=p\,b\,r,\qquad T_1=p_{max}\,b\,r$$

制動扭矩 \(T_b=r\left(T_1-T_2\right)\)。補充:這和皮帶的推導相同,只是制動器轉速低、不計離心力。

0°45°90°135°180°225°270°02000400060008000T2 = 2922 N(鬆邊)T1 = 7500 N(緊邊)T(θ) = T2 e^(μθ)、壓力 p = T/(b r)由鬆邊量起的包角 θ帶的張力 T(N)
原圖對照(推導)
帶式制動器
帶式制動器

槓桿力 Lever Force

對槓桿樞軸取力矩。簡單帶式制動器的緊邊通過樞軸,\(P\,a=T_2\,m\)。差動帶式制動器的緊邊接在樞軸另一側(距離 \(m_1\)),緊邊張力幫忙拉槓桿:

P轉向T1​(緊邊)T2​(鬆邊)φam2​m1​差動帶式制動器:P a = T2 m2 − T1 m1 $$P\,a=T_2m_2-T_1m_1=T_2\left(m_2-m_1e^{\mu\phi}\right)$$

補充:當 \(m_1e^{\mu\phi}\ge m_2\) 時 \(P\le0\),制動器會自鎖——不需操作力就自己煞住。若只需單向制動(例如防止起重機倒轉),可以利用這個特性;一般用途則要避免。

原圖對照(差動帶式制動器)
帶式制動器
帶式制動器

例題 Example

帶寬 \(b=75\) mm、鼓半徑 \(r=200\) mm、包角 \(\phi=270^\circ\)、\(\mu=0.20\),襯片最大壓力 \(p_{max}=0.5\) MPa,鼓轉速 200 rpm;槓桿 \(a=250\) mm、\(m=75\) mm,緊邊接在樞軸上(\(s=0\))。求制動扭矩與功率。

解 $$T_1=b\,r\,p_{max}=75(200)(0.5)=7500\ \text{N},\qquad T_2=\frac{T_1}{e^{\mu\phi}}=\frac{7500}{e^{0.2\times270\pi/180}}=2922\ \text{N}$$ $$T_b=r\left(T_1-T_2\right)=200(7500-2922)=915\,500\ \text{N·mm},\qquad kW=\frac{T_bn}{9\,550\,000}=\frac{915\,500(200)}{9\,550\,000}=19.2$$

補充:所需槓桿力 \(F=T_2\,m/a=2922(75)/250=877\) N。

編註:原講義第二行把 \(T_2\) 寫成 2293 N(數字順序顛倒),下一行代入的是正確的 2923;用未四捨五入的 \(T_2=2922.5\) N,扭矩為 915 500 N·mm(原講義 915 400),功率仍為 19.2 kW。

原圖對照(例題)
帶式制動器
帶式制動器

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