Распространение новых применений тормозов с отключением питания требует новых подходов к проектированию, использующих накопленный опыт ведущих производителей тормозов. Ключом к оптимизации конструкции с точки зрения срока службы, стоимости и производительности является раннее сотрудничество с производителем тормозов.

Около Брайан Мэзер • Ogura Industrial Corp.

Конструкторы машин, работающие в индустрии управления движением, различают тормоза с отключением питания по следующим признакам: Удерживающие тормоза, тормоза с пружинным приводом, безотказные тормоза, стояночные тормоза, тормоза с отрицательным приводом и тормоза с постоянными магнитами.

Независимо от того, как их любит называть инженер, эти тормоза служат одним и тем же целям. Чаще всего эти тормоза выполняют функцию устройств безопасности, управляя движением, а именно с помощью функций остановки, удержания или аварийной электронной остановки. Они также обеспечивают точность позиционирования.

В то время как пружинные тормоза приводятся в действие гидравлически, пневматически, электрически или вручную, здесь мы сосредоточимся на электромагнитных тормозах с электрическим приводом. Это наиболее распространенные пружинные тормоза во всем мире, и рынок их быстро растет.

Наиболее распространенные области применения пружинных тормозов с электрическим приводом включают сервомоторы, робототехнику, мобильных роботов, автоматизацию складских помещений, приводы колес, подъемники, лифты, двери и ворота, промышленную автоматизацию, хирургические инструменты, захваты, конвейеры, приводы, автомобильную автоматизацию, лифты и эскалаторы.

Теперь мы обрисуем основные параметры дизайна и подходы к преодолению этих проблем.

При выборе тормоза с отключением питания первым вопросом, на который необходимо ответить, является: какой крутящий момент необходим оси? Два значения крутящего момента для тормозов — это статический крутящий момент и динамический крутящий момент. В таких приложениях, как тормоза с приводом на колеса, обычно требуется только удержание — функция, относящаяся к статическому крутящему моменту. Здесь двигатель останавливает транспортное средство, а затем включается тормоз. Следовательно, статический крутящий момент здесь является первостепенной задачей.

Для электромобиля или аналогичных применений инженеры должны также учитывать максимальный вес транспортного средства, включая полезную нагрузку (а также наклон, на котором транспортное средство может припарковаться). Крутящий момент, необходимый для удержания на склоне, будет намного больше, чем удерживающий момент, необходимый на ровной местности. Иногда существуют нормативные акты или отраслевые стандарты, также диктующие требуемые возможности данного удерживающего тормоза.

С другой стороны, для некоторых видов оборудования требуются тормоза для остановки или e-stops. Возьмем, к примеру, нежелательный сценарий отключения питания во время движения электромобиля на скорости вниз по склону. Здесь тормозу требуется надлежащий крутящий момент, чтобы остановить автомобиль в течение определенного времени или расстояния.

Имейте в виду, что для конкретного тормоза способность производить динамические остановки (обычно для экстренных остановок) гораздо скромнее, чем может предполагать номинальный статический крутящий момент. Эта способность к динамическому торможению в значительной степени зависит от скорости зацепления, способности отводить тепло и материалов, используемых в рабочих поверхностях тормоза. При более высокой скорости максимальные возможности рассеивания энергии уменьшаются. Для применений, связанных с периодической динамической остановкой, проконсультируйтесь с производителем тормозов, чтобы обсудить:

Одним из наилучших способов снизить требования к тормозному моменту является установка тормоза со стороны высокоскоростной трансмиссии axis в сборе. Обычным местом для установки тормоза является задняя часть двигателя. (Некоторые конструкции допускают установку на переднем конце, но более распространен монтаж на заднем конце.) Установка тормоза на стороне низких скоростей “ниже по потоку” — то есть после коробки передач или другого снижения скорости в трансмиссии — пропорционально увеличит требуемый крутящий момент, что приведет к необходимости установки тормоза большего размера и дороже. Напротив, удержание тормоза “перед” коробкой передач означает, что полезная нагрузка и инерция трансмиссии, отражаемые обратно на этот тормоз, уменьшаются.

Какое напряжение доступно от системы питания конструкции? Исторически наиболее распространенным напряжением для большинства промышленных применений было 24 В постоянного тока. Для многих применений, приводимых в действие двигателем, встроенная 12-вольтовая батарея может приводить в действие тормоз — или двигатель также может обеспечивать питание. В аэрокосмической промышленности часто используется источник напряжения 28 В. Для мобильного оборудования с питанием от сети можно использовать напряжение 48 В. Для тормозов большего размера часто используется напряжение 72 В или 90 В, поскольку P = V · I — и более высокая требуемая мощность, подаваемая при более высоком напряжении, обеспечивает меньший ток.

При выборе тормоза для нового применения учитывайте источник питания конструкции и проконсультируйтесь с поставщиком тормозов, чтобы получить тормозную катушку для этого напряжения.

Скорость аналогична вопросу о крутящем моменте. Это зависит от того, является ли это скоростью при включении или скоростью без нагрузки. Конструкция удерживающих тормозов рассчитана на включение при 0 оборотах в минуту, поэтому следует учитывать только скорость без нагрузки. В этом отношении тормоза работают на максимально допустимой скорости. Поскольку воздушные зазоры малы, а детали не точно сбалансированы, может произойти непреднамеренное зацепление на скоростях, превышающих опубликованные значения скорости. Вибрация оборудования и другие внешние параметры также могут играть определенную роль. Поэтому важно проконсультироваться с вашим поставщиком тормозов, и при необходимости изменить внутреннюю конструкцию, чтобы обеспечить более высокие скорости.

При динамичных зацеплениях скорость становится чрезвычайно важной для срока службы тормоза. Во время динамического зацепления тормоз поглощает определенный уровень энергии зацепления. Эта энергия преобразуется в тепло и износ. Энергия — это произведение скорости в квадрате и умножение на отраженную инерцию вращающегося объекта. При быстром вращении и высокой инерции расход энергии и износ увеличиваются.

Удерживающие тормоза обычно выдерживают аварийные остановки (e-stops). В зависимости от конструкции производителя, в e-stop может быть максимально допустимая энергия зацепления для предотвращения перегрева или вредного износа. Циклы E-stop должны быть ограничены конструкцией и учитываться в процессе выбора, чтобы гарантировать, что тормоз прослужит желаемый срок службы.

Существует широкий диапазон размеров выключаемых тормозов. Самые маленькие имеют диаметр 10 мм или меньше и используются в основном на микромоторах. Самые большие электромагнитные пружинные тормоза на подъемниках или лифтах довольно массивны. Последняя тенденция — это сверхтонкие тормоза. Самые тонкие тормоза находятся в диапазоне ½ дюйма или 12 мм. Во многом это результат бума робототехники и роста рынка электроприводов на колеса. Что касается робототехники, тонкие тормоза на роботизированных шарнирах обеспечивают меньшую сборку, меньшую инерцию и большую пропускную способность системы. Для приводов на колеса два двигателя часто устанавливаются рядно, а осевое пространство крайне ограничено. Часто сверхтонкие тормоза монтируются на приводных двигателях типа «блин». Специализированные тормозные корпуса могут даже служить концевым раструбом двигателя, чтобы сэкономить еще больше места.

Взаимосвязь между размером и крутящим моментом определяется законами физики. Однако с годами регуляторы мощности стали более сложными и коммерчески практичными. Более того, можно получить больший крутящий момент в меньшем корпусе по сравнению с конструкциями многолетней давности. Выбранные тормоза теперь используют перевозбуждение, чтобы преодолеть усилие пружины для отключения тормоза. После быстрого отключения индуктивность (магнитная сила) тормоза увеличивается, а требуемая мощность уменьшается при сохранении тормоза в этом отключенном состоянии. Это также помогает снизить потребление тепла и электроэнергии.

Износ тормозов является результатом динамического зацепления. Существует прямая зависимость между энергией динамического зацепления и износом поверхностей трения. Расчетный срок службы зависит от этой скорости износа в сочетании с желаемым количеством циклов.

Удерживающие тормоза изготовлены из материалов, предназначенных только для статического зацепления. Они обладают высоким коэффициентом трения, поэтому обеспечивают более высокий крутящий момент при меньших размерах, но недостатком является то, что они не способны выдерживать повторяющиеся динамические зацепления.

Фрикционный материал в тормозах, предназначенных для динамической остановки, достаточно долговечен, и важно проводить различие между применением для остановки и только для удержания, чтобы определить правильный выбор тормоза для обеспечения желаемого срока службы.

Жара — злейший враг сцепления или тормоза. Динамическое взаимодействие выделяет тепло. Ток, протекающий через тормозную катушку, выделяет тепло. Когда температура повышается, сопротивление катушки увеличивается, а ток падает при постоянном напряжении. V=I ×R. Таким образом, когда износ увеличивает внутренние воздушные зазоры, а температура увеличивает сопротивление катушки, тормозу труднее отключиться, поскольку ток сравнительно ниже. При низких температурах сопротивление тормозной катушки уменьшается, и тормоз включается легче, предотвращая образование льда или другие проблемы, связанные с термическим сжатием, не представляют проблемы. При выборе тормоза важно учитывать экстремальные температуры в сочетании с окружающей средой и рабочим циклом.

Рабочий цикл важен. Во-первых, если есть динамические взаимодействия, то срок службы будет зависеть от количества циклов. Смотрите предыдущие комментарии по износу. Во-вторых, высокий рабочий цикл приводит к увеличению тепловыделения. Тепло генерируется за счет тока, протекающего через тормозную катушку. Он возникает во время динамических взаимодействий, когда две поверхности соприкасаются и испытывают кратковременное скольжение при замедлении или остановке нагрузки. Важно согласовать рабочий цикл с вашим поставщиком тормозов, чтобы не были превышены максимальные температурные ограничения и чтобы компоненты тормоза могли быть сконструированы таким образом, чтобы обеспечить желаемый срок службы изделия.

Одним из способов снизить энергопотребление и уменьшить накопление тепла с помощью пружинного тормоза является использование широтно-импульсной модуляции или ШИМ. Когда тормоз включен (в выключенном состоянии), между корпусом катушки и прижимной пластиной образуется воздушная прослойка. При подаче тока на тормозную катушку он генерирует электромагнитный поток, проходящий через этот воздушный зазор, который затем прижимает прижимную пластину к корпусу катушки. Это приводит к сжатию пружин, которые обеспечивают нормальное усилие для тормозного момента. После этого тормоз может свободно вращаться.

Первоначально полная мощность отпускает тормоз. Как только тормоз отключается, воздушного зазора между прижимной пластиной и корпусом катушки больше не существует. Это означает, что индуктивность изменяется. Магнитная сила очень велика. По этой причине теперь для удержания тормоза в отключенном состоянии требуется гораздо меньше энергии.

ШИМ позволяет существенно снизить среднюю мощность (напряжение), пока тормоз остается в отключенном состоянии — как правило, на 50%. (Конечно, каждая машина отличается от другой.) Это охлаждает тормоз и снижает энергопотребление, причем последнее особенно полезно в оборудовании, работающем от батарей.

Другой подход с сопоставимыми результатами заключается в использовании перевозбуждения для отключения тормоза. Для тормозов, предназначенных для этого, пружинные тормоза меньшего размера могут обеспечить больший крутящий момент. Например, напряжение 24 В питает тормозную катушку 12 В на короткое время, пока тормоз отключается. После завершения отключения напряжение снова падает до 12 В. Это не только обеспечивает экономию электроэнергии и меньшее нагревание, но и обеспечивает меньший вес и меньшую инерционность конструкции.

В робототехнике и медицинских приложениях время отклика часто имеет важное значение для позиционирования и точности. Это относится как к времени включения тормоза, так и к времени расцепления. Для применений, где решающее значение имеет быстрое включение тормоза, a Стабилитрон помогает ускорить включение тормоза. Когда питание отключается от тормозной катушки, естественно, требуется некоторое время, чтобы поток затух. Используя схему стабилитрона, он быстрее ослабляет электромагнитное поле, что помогает пружинам входить в зацепление с тормозом. Перевозбуждение, упомянутое ранее, является методом контроля для увеличения времени срабатывания при отпускании тормоза.

В прошлом большинство промышленных установок внутри помещений редко подвергались воздействию суровых условий окружающей среды. Сегодня больше применений, чем когда-либо, подвергаются воздействию экстремальных температур, загрязняющих веществ и высокой относительной влажности. Отчасти это связано с более высоким уровнем автоматизации, а отчасти с растущим рынком оборудования, работающего на батарейках. В электроприводах колес тележек для гольфа и даже в тормозах пассажирских лифтов в течение многих лет использовались резиновые кольца для покрытия открытого фрикционного материала на пружинных тормозах. Это оказалось эффективным методом. Другие методы включают полное закрытие тормоза, что может привести к значительным затратам. Другим способом защиты зоны трения тормоза является удлинение корпуса катушки для сопряжения с торцевым раструбом двигателя. В этом случае канавка и уплотнительное кольцо еще больше улучшают герметизацию. Простой способ защитить тормоз от воздействия окружающей среды — это установить крышку на весь тормоз. Это крепилось бы болтами к двигателю или к адаптерной пластине.

Экстремальные условия умеренного климата следует учитывать на ранних стадиях процесса проектирования. Если относительная влажность высока и оборудование находится при низких температурах, важно не допускать попадания влаги в зону трения тормоза. Мокрые поверхности могут снизить номинальный крутящий момент из-за более низкого коэффициента трения. Кроме того, влажные поверхности могут замерзнуть и вызвать проблемы.

Чрезвычайно горячие настройки также являются проблемой. Жара вызывает беспокойство, потому что более высокие температуры увеличение сопротивление катушки и затрудняет прохождение электромагнитного потока через воздушный зазор тормоза. Что еще хуже, воздушные зазоры увеличиваются после износа тормозов. Более высокие температуры также со временем приводят к ухудшению изоляции проводов и сокращению срока службы тормозов. По этой причине при определении размеров и выборе тормоза для нового применения важно учитывать максимальную рабочую температуру, рабочий цикл и срок службы изделия.

Люфт (как начальный, так и в конце срока службы) — это конструктивное соображение, которое особенно важно учитывать при создании приложений с высокой цикличностью, таких как робототехника, или прецизионных приложений, таких как медицинское оборудование или производство полупроводников. Часто качество конструкции зависит от этого уровня тормозного люфта.

Существуют специальные элементы конструкции, обеспечивающие ограниченный или близкий к нулю люфт. Существуют также внутренние особенности тормоза (связанные с материалами, площадями контакта, допусками и многим другим), которые способствуют сохранению ограниченного люфта или нежелательному износу или расширению условий люфта.

Если низкий люфт является критическим элементом конструкции, машиностроителям лучше всего сотрудничать со специалистами по тормозам в разработке конструкции, соответствующей потребностям применения.

Иногда во время интервалов технического обслуживания, простоев или перебоев в подаче электроэнергии возникает необходимость вручную отпустить тормоз. В пружинном тормозе это срабатывание происходит электрически, но оно также может происходить механически. Тормоза меньшего размера могут не нуждаться в ручном отпускании, поскольку физически легко проскочить тормоз. Однако коробки передач с высоким передаточным отношением могут усложнить это. Для тормозов большего размера с более высоким крутящим моментом самый простой способ — вставить в тормоз резьбовые отверстия для ручного снятия. Ослабьте болты, вручную прижмите прижимную пластину к корпусу катушки, которая отпускает тормоз.

При желании доступны рычаги ручного расцепления, и на рынке представлено бесчисленное множество конструкций. Эти рычаги могут крепиться к тяге троса, так что оператор может отпустить тормоз, не приближаясь к нему физически. Расстояние срабатывания прижимной пластины довольно невелико и зависит от внутреннего воздушного зазора тормоза. В конце концов, ручное освобождение часто является непреднамеренным событием, и самый простой метод часто является лучшим.

В центре внимания этой статьи были электромагнитные пружинные тормоза с отключением питания. Однако существуют также электромагнитные тормоза с постоянными магнитами. Пружинные тормоза, безусловно, являются более популярным выбором во всем мире — поэтому они производятся в большем количестве большим количеством производителей и по более низкой цене. Напротив, тормоза с постоянными магнитами сравнительно дороже, но обеспечивают преимущества для определенных применений. Они обладают высокой плотностью крутящего момента, поэтому иногда обеспечивают больший крутящий момент для данного размера компонента. Тормоза с постоянными магнитами также превосходны в приложениях, требующих регулируемой остановки или плавных остановок. Это связано с тем, что входная мощность управляет тормозным моментом.

С другой стороны, пружинные тормоза либо включены, либо выключены, и время включения очень короткое.

При выборе тормоза для нового применения разумно обратиться к производителю за помощью в выборе тормоза, который наилучшим образом соответствует затратам, производительности и сроку службы. Еще одним преимуществом привлечения производителя на ранних стадиях процесса проектирования является потенциальный доступ к конструкциям тормозов, не включенным в опубликованные модели каталога. Инженеры, которые выбирают тормоза только по каталогам, могут упустить возможность указать гораздо лучшие альтернативы.

Ogura Industrial Corp. | ogura-clutch.com