吳小雨,顏 浩,金成功,孫舒豪

(北華大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，吉林 吉林 132021)

生活中，卡車(chē)發(fā)生交通事故的新聞屢見(jiàn)不鮮[1]，針對(duì)卡車(chē)發(fā)生交通事故的原因，進(jìn)行調(diào)查得知，卡車(chē)交通事故的發(fā)生有75.3%的原因是制動(dòng)距離過(guò)長(zhǎng)，剎車(chē)更是重大事故的首因[2].剎車(chē)是司機(jī)行駛過(guò)程中保證車(chē)輛安全的一個(gè)重要部分，對(duì)于剎車(chē)故障，大部分人只有在制動(dòng)異響或者制動(dòng)力出現(xiàn)急劇下降的時(shí)候才會(huì)發(fā)現(xiàn)[3]，而且，由于卡車(chē)的重量極大，零部件質(zhì)量達(dá)標(biāo)率等原因，常常為時(shí)已晚，存在潛在的安全隱患[4].

目前，卡車(chē)制動(dòng)無(wú)論是盤(pán)式還是鼓式，都是將制動(dòng)力作用在剎車(chē)片上，間接控制車(chē)輪與地面的摩擦力，所提供的制動(dòng)力有限，雖然崔德祥等在提升制動(dòng)蹄鐵的產(chǎn)品質(zhì)量方面已取得顯著的實(shí)際效果[5],但在車(chē)輛長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的過(guò)程中，剎車(chē)片溫度升高會(huì)導(dǎo)致剎車(chē)效果下降[6].緊急剎車(chē)輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理是通過(guò)增加卡車(chē)的外部摩擦組，利用大摩擦因數(shù)材料，增大與地面的摩擦提供制動(dòng)力.本文主要對(duì)裝置的控制原理及摩擦組等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析.

1 車(chē)輛緊急剎車(chē)輔助裝置的設(shè)計(jì)

1.1 裝置設(shè)計(jì)方案

1.1.1 裝置主體設(shè)計(jì)

目前，市面上的卡車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)主要是通過(guò)氣壓傳動(dòng)控制的鼓剎機(jī)構(gòu).鼓剎機(jī)構(gòu)是從輪胎內(nèi)部提供摩擦力來(lái)進(jìn)行減速制動(dòng)，而該“緊急制動(dòng)輔助裝置”則是作用于卡車(chē)外部，通過(guò)擠壓廢舊普通汽車(chē)輪胎所組成的摩擦組來(lái)進(jìn)行制動(dòng).根據(jù)不同車(chē)型，該裝置可安裝在車(chē)廂底盤(pán)的中部或后方的空余部位，如圖1所示.

圖1 裝置安裝位置(以中部為例)

輔助裝置的主體位于車(chē)廂底盤(pán)的下方，貼合底盤(pán)設(shè)計(jì)，裝置上部分連有液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu).為增大對(duì)地面的摩擦效率，設(shè)計(jì)一種折疊廢舊輪胎的方式，通過(guò)擠壓來(lái)改變與地面接觸的摩擦面形狀.由于摩擦力受到摩擦系數(shù)的影響，經(jīng)過(guò)討論與力學(xué)分析，得出多個(gè)向下凸起的弧形摩擦面能比一個(gè)普通平面更能提高摩擦效率，所以，采用將輪胎擠壓為弧形凸起的摩擦組，安裝于輔助裝置，上如圖2所示.

圖2 主體結(jié)構(gòu)

1.1.2 控制原理設(shè)計(jì)

如圖3所示，該輔助機(jī)構(gòu)為液壓傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng).由一個(gè)活塞桿對(duì)裝置進(jìn)行限制作用.設(shè)置感應(yīng)器，當(dāng)剎車(chē)過(guò)程滿足緊急制動(dòng)操作時(shí)，觸發(fā)緊急制動(dòng)輔助裝置，解除彈簧限位，彈簧由于先前處于壓縮狀態(tài)，失去限制后將迅速?gòu)棾霾⑾聣耗Σ两M，使摩擦組充分與地面接觸，配合卡車(chē)輪胎內(nèi)自帶的鼓剎系統(tǒng)進(jìn)行緊急制動(dòng).當(dāng)制動(dòng)結(jié)束時(shí)，再通過(guò)液壓桿將輔助裝置上抬復(fù)位.

圖3 工作原理示意圖

1.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 輔助裝置設(shè)計(jì)

為增大卡車(chē)的摩擦效率，該輔助機(jī)構(gòu)由多個(gè)折疊普通汽車(chē)輪胎為主體.該機(jī)構(gòu)將采用下壓的方式通過(guò)與地面的擠壓來(lái)產(chǎn)生摩擦力從而提高摩擦效率.折疊擠壓的輪胎形成向下突起的摩擦組(如圖4所示).

圖4 摩擦組結(jié)構(gòu)圖

提高了因車(chē)胎磨損而降低的摩擦系數(shù)，并且增大了整個(gè)廢舊輪胎的表面利用率.由于該裝置與地面直接進(jìn)行摩擦，在啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，并且受到巨大的力作用，對(duì)摩擦面產(chǎn)生巨大的摩擦損耗.考慮到該輔助機(jī)構(gòu)用于突發(fā)情況而不是正常制動(dòng)，因此，摩擦組采用折疊擠壓的廢舊普通汽車(chē)輪胎的設(shè)計(jì)，在突發(fā)的緊急剎車(chē)之后可以視需要而及時(shí)更換摩擦面，可以回收廢舊輪胎進(jìn)行再利用.

1.2.2 摩擦組

該輔助裝置是通過(guò)增加卡車(chē)外部的摩擦力組從而起到輔助制動(dòng)的效果.為了增大卡車(chē)的摩擦效率，該輔助機(jī)構(gòu)由折疊普通汽車(chē)輪胎為主體.該機(jī)構(gòu)將采用下壓的方式通過(guò)與地面的擠壓來(lái)產(chǎn)生摩擦力，從而提高摩擦效率，如圖5所示.

圖5 廢舊輪胎的擠壓方式示意圖

折疊擠壓的輪胎形成向下突起，在不影響剎車(chē)性能的前提下增加了摩擦面，并且增大了整個(gè)舊輪胎的表面利用率.由于該裝置與地面直接進(jìn)行摩擦作用，在觸發(fā)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱并減少與地面之間的摩擦力,如圖6所示.

T/℃

1.2.3 彈簧

YⅠ型圓柱螺旋壓縮彈簧如圖7所示.

圖7 YⅠ型圓柱螺旋壓縮彈簧

如圖7所示，根據(jù)彈簧設(shè)計(jì)要求，以及該輔助裝置所需力的大小，設(shè)單個(gè)彈簧安裝載荷F1=1 600 N,工作載荷為4 200 N,安裝高度H=300 mm，工作行程h=80 mm，選用剛度k=32.5 N/mm，選用載荷類型為Ⅱ類，材料選用“油淬火回火硅錳合金彈簧鋼絲(GB4361)A類”.根據(jù)材料特性切模量G=7.9×105，彈性模量E=2.06×106,平均抗拉強(qiáng)度為1 471 MPa，平均許用切應(yīng)力為647 MPa.選用彈簧端部形式為YⅠ型,繞旋比為7.4，根據(jù)以下公式進(jìn)行推導(dǎo)：

(1)

(2)

(3)

(4)

彈簧特性校核：

疲勞強(qiáng)度校核：

τmax/δb

穩(wěn)定性校核：

b=He/D

故，符合條件，彈簧穩(wěn)定不易失穩(wěn)，滿足穩(wěn)定性要求.

1.2.4 推桿

由于該輔助裝置在回收時(shí)需要足夠大的拉力，氣動(dòng)桿與電動(dòng)桿所提供的拉力無(wú)法滿足裝置的回收.所以，為了滿足回收即固定功能，綜合考慮選用電動(dòng)液壓推桿，其可以帶負(fù)荷啟動(dòng)，并且具有超負(fù)荷保護(hù)能力，不會(huì)損壞電機(jī)和機(jī)件，動(dòng)作靈敏、運(yùn)行平穩(wěn)，能有效緩沖外來(lái)的沖擊力.

1.3 力學(xué)校核

如圖10所示，通過(guò)分析摩擦組折疊車(chē)胎對(duì)地面的摩擦因數(shù)F1=0.6～0.8，卡車(chē)鼓剎摩擦片的摩擦系數(shù)F2=0.2～0.7，因?yàn)檐?chē)胎面與地面直接進(jìn)行摩擦不發(fā)生滾動(dòng)，則已知車(chē)重約為8 t，則裝置所提供的摩擦力大?。?/p>

圖10 受力分析

FS1=F1×G=4.8～6.4 kN ,

(5)

鼓剎剎車(chē)片所受摩擦力：

FS2=F2×G=1.6～5.6 kN，

(6)

則在鼓剎夾緊到一定程度時(shí)，卡車(chē)輪胎與地面的摩擦力Fs≈FS1,但是，鼓剎剎車(chē)片的剎車(chē)力會(huì)隨著剎車(chē)時(shí)間增加、溫度的升高而減弱.

∴Fs1>Fs

所以，該剎車(chē)輔助裝置能起到輔助剎車(chē)的作用.

對(duì)主要受力部件進(jìn)行SolidWorks的simulation仿真，分析其所受應(yīng)力和形變量(見(jiàn)圖11).

圖11 主要構(gòu)件受力應(yīng)力變化圖及形變變化圖

根據(jù)以上仿真分析圖，得出機(jī)構(gòu)所受的最大應(yīng)力：σs1=2.493×106N/m，σs2=2.493×106N/m，所采用的合金鋼材料的屈服應(yīng)力為[σ]=6.204×108N/m，所以，安全因數(shù)：

(7)

由于兩主要部件結(jié)構(gòu)受力不相同，最大形變量也不同，由仿真結(jié)果可知：Δl1=1.446×10-2=0.014 46 mm，Δl2=6.739×10-3=0.006 739 mm，因此，取二者最大值Δl=1.446×10-2=0.014 46 mm.

故，材料滿足強(qiáng)度條件，可實(shí)現(xiàn)裝置的折疊輪胎摩擦組與地面之間的摩擦降速.

2 結(jié) 論

該裝置作為適用于卡車(chē)的輔助制動(dòng)裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，達(dá)到降速的效果.主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有以下兩方面：

(1)可更換摩擦組：采用折疊擠壓的廢舊普通汽車(chē)輪胎，在增加摩擦效果的同時(shí)，又利用可回收資源，減少材料損失，低碳環(huán)保，并且，更換方便.

(2)弧形摩擦面：采用折疊輪胎的弧形突起作為摩擦面，起到新輪胎胎花的作用，減小卡車(chē)輪胎損耗，降低運(yùn)營(yíng)成本.

總之，該裝置的設(shè)計(jì)為卡車(chē)的剎車(chē)制動(dòng)提供了另外一種可能，設(shè)計(jì)了一種新型的以改變廢舊輪胎形狀為特征的制動(dòng)摩擦組，對(duì)制動(dòng)原理進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與校核，并利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，結(jié)果表明：基本可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求.