侯寶杰 馬磊 董欣

摘 要：文章以某重型6x6越野汽車為依托，對(duì)氣壓制動(dòng)系統(tǒng)及其工作原理進(jìn)行詳細(xì)說明。通過對(duì)該車型同步附著系數(shù)的分析確定，得到整車制動(dòng)力分配系數(shù)，計(jì)算得到該車型利用附著系數(shù)與制動(dòng)效率，校核了該車型的制動(dòng)性能。

關(guān)鍵詞：越野汽車;氣壓制動(dòng)系統(tǒng);高壓氣體;制動(dòng)性能

中圖分類號(hào)：U469.3? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）13-68-04

The Brake Design of a Heavy 6x6 Off-road Vehicle

Hou Baojie， Ma Lei， Dong Xin

（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co.， Ltd， Shaanxi Xi'an 710000 ）

Abstract： Based on the heavy 6x6 off-road vehicle， this paper gives a detailed description of the pneumatic brake system and its working principle. Through the analysis and determination of synchronous adhesion coefficient of the vehicle type， the braking force distribution coefficient of the whole vehicle is obtained， and the braking performance of the vehicle type is checked by calculating the adhesion coefficient and braking efficiency.

Keywords： Off-road vehicle; Pneumatic brake system; High pressure gas; Braking performance

CLC NO.： U469.3? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）13-68-04

前言

汽車制動(dòng)系統(tǒng)的功用是使汽車以適當(dāng)?shù)臏p速度降速行駛直至停車;在下坡行駛時(shí)，是汽車保持適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定速度;使汽車可靠地停在原地或坡道上。

為滿足上述功用，制動(dòng)系統(tǒng)一般裝有兩套獨(dú)立的制動(dòng)裝置。一套是由駕駛員用腳操縱的行車制動(dòng)裝置，主要用于汽車行駛時(shí)的減速或停車;另一套是由駕駛員用手操縱的駐車制動(dòng)裝置，主要用于汽車停駛后防止汽車滑溜。有的汽車為了提高行車安全和減輕行車制動(dòng)器性能的衰退，還裝有應(yīng)急制動(dòng)裝置及輔助制動(dòng)裝置。

現(xiàn)有的制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)傳動(dòng)傳輸方式分為機(jī)械式、液壓式、氣壓式、電力式或混合式。氣壓式制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力大，不易出現(xiàn)故障，維修保養(yǎng)方便，所以重型汽車廣泛采用氣壓式制動(dòng)系統(tǒng)。

1 氣壓制動(dòng)系統(tǒng)說明

氣壓制動(dòng)系統(tǒng)是將壓縮空氣的壓力通過制動(dòng)氣室轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械動(dòng)力，從而使車輪產(chǎn)生制動(dòng)。駕駛員只需按不同的制動(dòng)強(qiáng)度要求控制踏板行程，便可控制氣體壓力的大小來獲得所需的制動(dòng)力。

1.1 氣壓制動(dòng)系統(tǒng)中氣閥接口的編號(hào)及含義

氣路元件的各個(gè)氣路接口都用數(shù)字做了標(biāo)注，其標(biāo)注性質(zhì)含義如下：

1-進(jìn)氣口;2-出氣口;3-排氣口;4-控制口

凡標(biāo)注兩個(gè)數(shù)字的，第一位表示氣路接口性質(zhì)，第二位表示氣路接口順序。

1.2 氣壓制動(dòng)系統(tǒng)工作過程

重型汽車典型的氣壓制動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)傳動(dòng)部分采用了雙回路行車制動(dòng)、彈簧儲(chǔ)能斷氣駐車制動(dòng)、應(yīng)急制動(dòng)及輔助制動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)。

工作原理：發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后帶動(dòng)空壓機(jī)（1）將壓縮空氣通向空氣干燥器（2），壓縮空氣經(jīng)空氣干燥器（2）將空氣中的油水過濾吸附后被輸送至四回路閥（4），同時(shí)向再生儲(chǔ)氣筒（3）充氣，再生儲(chǔ)氣筒（3）中的空氣用于將空氣干燥器（2）中沉淀的油水經(jīng)“3”口吹出干燥器，四回路閥（4）的“21”口向前橋儲(chǔ)氣筒（5）充氣，“22”口向中后橋儲(chǔ)氣筒（6）充氣，“23”口向儲(chǔ)氣筒（7）充氣，“24”口向整車其他輔助用氣供氣，儲(chǔ)氣筒（7）的壓縮空氣一路與手制動(dòng)閥（8）連接，另一路為差動(dòng)式繼動(dòng)閥（9）提供高壓氣體，前橋儲(chǔ)氣筒（5）中的壓縮空氣向腳制動(dòng)閥⑾下腔的“12”口供氣，從中后橋儲(chǔ)氣筒（6）出來的壓縮空氣一路向繼動(dòng)閥（10）供氣，另一路與腳制動(dòng)閥（11）上腔的“11”口連接。

當(dāng)駕駛員踩下腳制動(dòng)踏板時(shí)，腳制動(dòng)閥（11）上腔11口先打開，高壓氣體由“21”口通往差動(dòng)式繼動(dòng)閥（9）的“41”口和繼動(dòng)閥（10）的“4”口供氣，繼動(dòng)閥（10）被“4”口的制動(dòng)氣壓打開，高壓氣體分別向中、后橋復(fù)合制動(dòng)氣室（13）前腔的“11”口提供與制動(dòng)踏板行程成正比的制動(dòng)氣壓力，差動(dòng)式繼動(dòng)閥（9）的“41口”氣壓防止行車及駐車制動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)操縱式，制動(dòng)氣室中的力重疊，從而避免機(jī)械傳遞元件超負(fù)荷，腳制動(dòng)閥（11）下腔“12”口打開，高壓氣體由“22”口通往前橋膜片制動(dòng)氣室（12），產(chǎn)生使制動(dòng)器產(chǎn)生機(jī)械摩擦力。松開制動(dòng)踏板，腳制動(dòng)閥（11）的“21”口、“22”口關(guān)閉，復(fù)合制動(dòng)氣室（13）行車制動(dòng)分室、膜片制動(dòng)氣室（12）在回位彈簧彈力的作用下，將管路中的氣體經(jīng)繼動(dòng)閥（10）和腳制動(dòng)閥（11）的“3”口排入大氣，從而使制動(dòng)力消失。

停車時(shí)，操縱手制動(dòng)閥（8）使“2”口關(guān)閉，差動(dòng)式繼動(dòng)閥（9）的“42”口的氣壓消失，復(fù)合制動(dòng)氣室⒀的“12”口斷氣，停車制動(dòng)分室活塞在彈簧的彈力作用下迫使推桿伸出，管路中的氣體經(jīng)差動(dòng)式繼動(dòng)閥（9）的“3”口排入大氣，從而產(chǎn)生制動(dòng)，氣制動(dòng)力的大小取決于停車制動(dòng)分室彈簧的預(yù)緊力。當(dāng)手制動(dòng)閥（8）置于“行駛”位置時(shí)，手制動(dòng)閥（8）的“2”口將氣壓傳遞到差動(dòng)式繼動(dòng)閥（9）的“42”口，在其作用下差動(dòng)式繼動(dòng)閥（9）打開，由儲(chǔ)氣筒（7）提供的高壓氣體經(jīng)差動(dòng)式繼動(dòng)閥（9）后快速進(jìn)入復(fù)合制動(dòng)氣室（13）的“12”口，在氣壓的作用下，氣室儲(chǔ)能彈簧完全被氣壓力壓回，從而實(shí)現(xiàn)駐車制動(dòng)解除。

2 制動(dòng)系統(tǒng)主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算

下面以某型6x6越野汽車為例對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)主要參數(shù)計(jì)算做說明。

2.1 越野汽車的參數(shù)

越野汽車的參數(shù)如表1所示。

由于該型越野汽車載荷分配中、后橋載荷相近，為便于對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，本次設(shè)計(jì)將三軸車簡化為兩軸車進(jìn)行計(jì)算。制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)如圖2所示。

2.2 同步附著系數(shù)的分析及確定

當(dāng)制動(dòng)器制動(dòng)力足夠時(shí)，根據(jù)汽車前、后軸軸荷分配，前、后車輪制動(dòng)器制動(dòng)力的分配、道路附著系數(shù)和坡度等因素，車輛制動(dòng)過程可能出現(xiàn)以下三種情況。

1）當(dāng)φ<φ0時(shí)：制動(dòng)時(shí)總是前輪先抱死，這是一種穩(wěn)定工況，但喪失了轉(zhuǎn)向能力。

2）當(dāng)φ<φ0時(shí)：制動(dòng)時(shí)總是后輪先抱死，這時(shí)容易發(fā)生后軸側(cè)滑而使汽車失去方向穩(wěn)定性。

3）當(dāng)φ<φ0時(shí)：制動(dòng)時(shí)汽車前、后輪同時(shí)抱死，可以避免后軸側(cè)滑，但喪失轉(zhuǎn)向能力，較之前兩種工況，附著條件利用情況較好。

為了防止汽車的前輪失去轉(zhuǎn)向能力和后輪產(chǎn)生側(cè)滑，希望在制動(dòng)過程中，在即將出現(xiàn)車輪抱死但尚無任何車輪抱死時(shí)的制動(dòng)減速度，為該車可能產(chǎn)生的最高減速度。越野汽車常采用較高的同步附著系數(shù)。這樣，即使在很低的附著系數(shù)路面上制動(dòng)，也不會(huì)發(fā)生后軸側(cè)滑;且在高附著系數(shù)路面上制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)系效率較高。再結(jié)合上述分析，制動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算過程中同步附著系數(shù)確定為滿載時(shí)φ0=0.7。

2.3 制動(dòng)力與制動(dòng)力分配系數(shù)

在汽車制動(dòng)時(shí)，若忽略路面對(duì)車輪滾動(dòng)阻力偶矩和減速時(shí)的慣性力、慣性力偶矩，車輪所受力可分為地面制動(dòng)力Fxb、制動(dòng)器制動(dòng)力Fu和附著力Fφ。

對(duì)任一角度ω>0的車輪，其力矩平衡方程為：

Tμ-Fxbre=0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中： Tμ—制動(dòng)器對(duì)車輪的制動(dòng)力矩，其方向與車輪旋轉(zhuǎn)方向相反，N?m。

Fxb—地面制動(dòng)力，其方向與汽車行駛方向相反。

re—車輪有效半徑：

Fμ=Tμ/re? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

Fμ稱為制動(dòng)器制動(dòng)力，它是在輪胎周緣克服制動(dòng)器摩擦力矩所需的力，其與地面制動(dòng)力Fxb的方向相反，當(dāng)車輪角速度ω>0時(shí)，大小相等，且Fμ僅由制動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，其與制動(dòng)踏板力即制動(dòng)系的氣壓成正比。當(dāng)加大踏板力以加大Tμ，F(xiàn)μ和Fxb均隨之增大。但地面制動(dòng)力Fxb受附著條件的限制，其值不可能大于附著力Fφ，即Fxb≤Fφ=Fzφ或最大地面制動(dòng)力Fxbmax為：

Fxbmax=Fzφ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

當(dāng)制動(dòng)器制動(dòng)力Fμ和地面制動(dòng)力Fxb達(dá)到附著力Fφ時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)的車輪即被抱死并滑移。此后制動(dòng)器制動(dòng)力矩Tμ變?yōu)殪o摩擦力矩，而 Fμ=Tμ/re即成為與Fxb相平衡以阻止車輪旋轉(zhuǎn)的周緣力的極限值。當(dāng)ω=0后，地面制動(dòng)力Fxb達(dá)到附著力Fφ后不再增大，而制動(dòng)器制動(dòng)力Fμ由于踏板力FP的增大而繼續(xù)上升，如圖3所示：

由上述分析可知，汽車的地面制動(dòng)力首先取決于制動(dòng)器制動(dòng)力，但同時(shí)又受地面附著條件的限制，所以只有汽車具有足夠的制動(dòng)器制動(dòng)力，同時(shí)地面又能提供高的附著力時(shí)，才能獲得足夠的地面制動(dòng)力。

根據(jù)汽車制動(dòng)時(shí)的整車受力情況，考慮到制動(dòng)時(shí)的軸荷轉(zhuǎn)移，可求得地面對(duì)前、后車輪的法向反作用力Fz1，F(xiàn)z2為：

（4）

式中：

G—汽車所受重力，N;

L—汽車軸距，mm;

a—汽車質(zhì)心離前軸距離，mm;

b—汽車質(zhì)心離后軸距離，mm;

hg—汽車質(zhì)心高度，mm;

g—重力加速度;m/s2;

—汽車制動(dòng)減速度，m/s2;

汽車總的地面制動(dòng)力為：

（5）

式中： —制動(dòng)強(qiáng)度，或稱比減速度或比制動(dòng)力。

由以上兩式可知，前、后橋的附著力Fφ1，F(xiàn)φ2為：

（6）

目前大多數(shù)汽車尤其是貨車的前、后制動(dòng)器制動(dòng)力之比值為一定值，并以前制動(dòng)器制動(dòng)力Fμ1與汽車總制動(dòng)器制動(dòng)力Fμ之比來表明分配的比例，稱為制動(dòng)器制動(dòng)力的分配系數(shù)β。又由于在附著條件所限定的范圍內(nèi)，地面制動(dòng)力在數(shù)值上等于相應(yīng)的制動(dòng)周緣力，故β又可通稱為制動(dòng)力分配系數(shù)。

（7）

根據(jù)已選定的同步附著系數(shù)φ0，得滿載時(shí)β：

（8）

2.4 利用附著系數(shù)與制動(dòng)效率

汽車以一定減速度制動(dòng)時(shí)，除去制動(dòng)強(qiáng)度z=φ0以外，不發(fā)生車輪抱死所要求的地面附著系數(shù)總大于其制動(dòng)強(qiáng)度。為了定量的說明這一點(diǎn)，引進(jìn)利用附著系數(shù)ki和制動(dòng)效率Ei。

（9）

（10）

根據(jù)GB 12676規(guī)定：所有車輛在k值處于0.2與0.8之間時(shí)的制動(dòng)強(qiáng)度應(yīng)滿足z≥0.1+0.85（k-0.2）;在車輛所有載荷狀態(tài)下，后軸的利用附著系數(shù)曲線不應(yīng)位于前軸之上;但是，當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度在0.15-0.30之間時(shí)，如各軸的利用附著系數(shù)曲線位于由方程k=z±0.08所確定的兩條平行的理想利用附著系數(shù)之間，且后軸利用附著系數(shù)曲線在制動(dòng)強(qiáng)度不小于0.3時(shí)滿足z≥0.3+0.74（k-0.38）關(guān)系，即可認(rèn)為滿足條件。下邊分別求出前輪或后輪提前抱死時(shí)，前軸和后軸的利用附著系數(shù)和制動(dòng)效率。

（11）

（12）

（13）

計(jì)算結(jié)果繪圖如圖4和圖5所示，從圖中可以看出符合法規(guī)。

3 結(jié)論

氣壓制動(dòng)系統(tǒng)操縱輕便，工作可靠，制動(dòng)效果好，而且其氣源除供制動(dòng)用外，還可以供其他裝置使用，因而廣泛運(yùn)用在重卡上。

通過理論計(jì)算，采用氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的該越野汽車制動(dòng)完全滿足要求。而且經(jīng)過市場驗(yàn)證，反饋氣壓制動(dòng)性能也非常好。

參考文獻(xiàn)

[1] 王望予.汽車設(shè)計(jì)（第四版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2] 余志生.汽車?yán)碚摚ǖ谌妫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3] 陳家瑞.汽車構(gòu)造（第五版）[M].北京：人民交通出版社，2005.