氣壓盤式制動器與鼓式制動器匹配的探討

1 前言

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氣壓盤式制動器(Air Disc Brake)(以下簡稱ADB)結構簡單,性能優良,尤其是能顯著減少制動噪聲,有效解決城市公交車輛及客車制動引起的噪聲污染,故歐美國家自上世紀90年代初開始已經將其作為鼓式制動器的替代產品應用于各種城市公交車輛,豪華客車,越野車及重型車輛上。[1]由于我國鼓式制動器應用仍然很廣,因此出現前橋ADB,后橋鼓式制動器的制動匹配形式。但是將ADB與鼓式制動器簡單互換顯然是不行的,因為ADB制動反應比鼓式制動器快,存在制動作用時間不一致的情況,同時在此制動匹配形式工況下制動力如何分配更是值得深入探討。此外,鼓改盤時的安裝空間也需要考慮。本文將從以上三個方面進行分析探討。


圖1 ADB示意圖


圖2 鼓式制動器示意圖

2制動時間不一致的原因分析及其解決辦法

圖1、圖2分別為典型的ADB和鼓式制動器。一般來說,盤式制動器反應要比鼓式制動器快,這是由于二者結構不同導致的。首先,制動盤或制動鼓與摩擦塊之間的間隙對制動反應時間有較大影響,ADB制動盤和摩擦塊之間的間隙一般為0.3 ~0.5 mm(單邊)鼓式制動器為0.4 ~0.6 mm,ADB間隙比鼓式制動器小。其次,鼓式制動器的制動行程要比盤式制動器的長,制動鼓熱膨脹也會引起制動踏板行程損失,使得制動反應時間變長。還有一點需要說明的是,當摩擦塊不斷磨損,與制動鼓或制動盤之間的間隙會不斷增大,雖然制動器有間隙自調機構,但磨損達到一定程度后,間隙自調機構的不穩定性還是會對制動反應時間造成一定影響,從而影響制動時間的一致性,尤其是許多大中型客車鼓式制動器采用的是領從蹄式,“增勢”作用較大,偏磨嚴重,偏磨到一定程度后差異就較為明顯了,這種趨勢更加劇了制動時間的不一致。

汽車緊急制動時,盤式制動器的反應比鼓式制動器快,所以前輪先制動,此時后輪仍在行進中,會起到驅動輪的作用。由于制動時間滯后,摩擦塊先和制動盤進行摩擦,兩者之間的相對速度和摩擦力很高,摩擦程度較之于后橋的制動鼓和摩擦襯片要嚴重。輕微制動時,盤式制動器的回位彈簧力比鼓式制動器小很多,其回位滯后于鼓式制動器,也使得摩擦塊的磨損增加[2]。那是否說這種磨損會對前盤后鼓制動時間差異有被動補償呢?答案是否定的。ADB摩擦塊磨損厚度可達20 mm,而鼓式制動器摩擦襯片磨損厚度不到10 mm,且ADB的間隙自調機構比鼓式制動器可靠得多,所以由此造成的磨損對ADB制動時間的影響相對來說也要比鼓式制動器小。解決制動時間差異的辦法如下:

a、與ABS匹配

現代汽車安裝ABS系統已經成為大勢所趨,ABS對汽車制動力的控制需要制動器盡可能快地反應,而反應快正是盤式制動器的優點之一,盤式制動器能更好地與ABS匹配,而使用ABS進行控制也更能體現盤式制動器的優勢。

b、縮短后制動器的反應時間

儲氣筒和繼動閥的后移能減少制動管路的長度,縮短制動時間。大多數客車后制動管路較長,故安裝繼動閥來緩解前后制動時間的差異,但是繼動閥的后移并非越多越好,要根據實際安裝空間合理安排其位置,而且這種做法不能從根本上解決問題。

根據制動閥工作原理,制動閥上下壓力差越大,后制動器反應時間就越短,因此增大制動閥的壓力差也可以縮短前后制動時間差。

c、延緩前制動器的反應時間

在前制動管路串聯一個氣壓計量閥,當制動氣壓達到一定值時計量閥再開啟,延緩ADB反應時間,同時根據需要安裝一個快放閥,以盡快解除ADB的回位滯后,減少摩擦片的磨損[2]。

3 制動力分配系數的確定

3.1 實際制動力分配系數的確定

制動力分配是汽車制動系統設計的重點,也是難點。圖3為汽車制動時的受力示意圖。

 

圖3 汽車制動時受力示意圖

其中:Z1為汽車制動時水平地面對前軸車輪的法向反力,N;Z2為汽車制動時水平地面對后軸車輪的法向反力,N;L為汽車軸距,mm;L1為汽車質心到前軸的距離,mm;L2為汽車質心到后軸的距離,mm;hg為汽車質心高度,mm;G為汽車所受重力,N;m為汽車質量,kg;FB1為前輪地面制動力,N;FB2為后輪地面制動力,N;

經典制動力分配系數的計算過程可參考相關書籍,故不再贅述,下面只從汽車實際行駛制動過程和相關的法規來作以分析。實際情況是汽車不會始終行駛于同一路面上,附著系數會隨著不同的路面變化,因此汽車往往會出現某一軸制動力不足或后軸提前抱死的狀況。這方面歐洲ECE法規有明確規定,中國也采用了與其大體相同的內容。法規中對制動強度q和地面附著系數φ的規定如下:q=0.15~0.61,φ≤(q-0.1)/0.85+0.2,同時應滿足:q=0.15~0.30時,各軸利用附著系數滿足q+0.08≥φ≥q-0.08;q≥0.30時,后軸利用附著系數φ≤(q-0.3)/0.74+0.38。圖4為制動法規所規定的限制曲線圖,所求制動力分配曲線必須在法規規定的限制曲線范圍之內。

 

圖4 制動法規的限制曲線圖

有了上述法規,可以根據汽車制動法規并綜合考慮汽車前盤后鼓的制動情況確定制動力分配系數,F作分析如下:

β為制動力分配系數,前輪抱死或前后輪同時要抱死時,則地面附著力Fφ1=βGq ,

而前輪地面法向反力    

Z1=G(L2+qhg)/L (1)

地面利用附著系數     

φf= Fφ1/Z1=βqL/(L2+qhg) (2)

設后輪或前后輪同時要抱死時,后輪地面制動力Fφ2=(1-β)Gq ,

地面法向反力 Z2=G(L1-qhg)/L (3)

地面利用附著系數

φr=Fφ2/Z2=(1-β)qL/(L1-qhg)  (4)

將(1),(2)式代入法規規定各式,可以得到以下三種情況:

(1)q=0.15~0.30時,

q+0.08≥βqL/(L2+qhg)≥q-0.08 (5)

q+0.08≥(1-β)qL/(L1-qhg)≥q-0.08 (6)

(2)q≥0.30時

(1-β)qL/(L1-qhg) ≤(q-0.3)/0.74+0.38 (7)

(3)q=0.15~0.61時,

βqL/(L2+qhg)≤(q-0.1)/0.85+0.2 (8)

(1-β)qL/(L1-qhg) ≤(q-0.1)/0.85+0.2 (9)

實際上(1)、(2)兩種情況也符合第三種情況,而第三種情況是汽車在大部分附著系數下應滿足的。由于現代汽車安裝ABS系統已經相當普遍,對制動力控制調節越來越好,所以β的選擇也可更大程度上滿足上述三種情況的要求?蛙囕d人較多,安全性(尤其是滿載時)更是受到人們的關注,所以滿載時要滿足(1)、(2)兩種情況的要求,空載時應滿足(3)的要求并盡量滿足(1)、(2)兩種情況的要求,再根據制動強度q值所規定的范圍,就可以選定β所取值的范圍。與此同時,也需要綜合考慮車輛的制動和承載情況以及車輛經常行駛的路況。根據經驗,客車同步附著系數φ0的選定范圍一般在0.5~0.7,而只有在φ=φ0的情況下,地面的附著條件才利用得最好。因此可以利用公式

β/(L2+φ0hg)=(1-β)/ (L1-φ0hg) (10)

推出β,使其滿足φ0在0.5~0.7的要求,如若滿足不了則應盡可能使其靠近該值[2]。

3.2 從能量的觀點來確定制動力分配系數

 

圖5 ADB和鼓式制動器摩擦片受熱膨脹圖

圖5為制動鼓和制動盤熱膨脹現象的對比,盤式制動器的熱膨脹量明顯比鼓式制動器小,這是由于熱容量不同所導致的。汽車制動過程是將機械能(動能、勢能)轉換為熱能耗散的過程。在制動強度很大的緊急制動過程中,制動器幾乎承擔了耗散汽車全部動能的任務。由于能量巨大,而制動時間很短,所以致使制動器溫度升高,此即所謂制動器的能量負荷。能量負荷越大,摩擦塊磨損越嚴重。能量負荷通常用比能量耗散率作為評價指標[3],它表示單位摩擦面積在單位時間內耗散的能量,單位為W/mm2。因此在3.2節分析的基礎上,也可以從能量的角度來進一步確定制動力分配系數。一般相同制動器的能量載荷比是1,但是前盤后鼓匹配形式的能量負荷比可達到3~4,前后制動器摩擦塊制動時的能量負荷是與制動力分配系數直接相關的,其比能量耗散率計算公式如下:

e1=δma(v12-v22) β/(4tA1 ) (11)

e1=δma(v12-v22) (1-β)/ (4tA2) (12)

式中δ為汽車回轉質量換算系數;v1,v2為制動初始和終了速度,m/s;計算時轎車取v1=100 km/h;總質量3.5 t以下的貨車取v1=80 km/h;總質量3.5 t以上的貨車取v1=65 km/h;t為制動時間,s;按t=(v1- v2)/j,j為制動減速度,計算時取j=0.6 g;A1,A2為前后制動器摩擦塊面積;ma為汽車總質量;

緊急制動時v2為0,鼓式制動器的比能量耗散率應不大于1.8 W/mm2,當制動初速度低于上述規定的初始速度時,可允許略大于1.8 W/mm2。轎車盤式制動器的比能量耗散率應不大于6.0 W/mm2,其它車型可酌情增減。比能量耗散率過大會加速摩擦塊的磨損和引起制動盤或鼓的龜裂。故可根據上述規定利用(9),(10)兩式計算出β,與3.2節中計算出來的范圍進行比較,并盡量使之處于3.2節計算出來的范圍之內。

最后還應該核算一下制動器的熱容量和溫升是否滿足下面的條件:

(mdcd+mkck)Δt≥L (13)

式中,md為各制動盤(鼓)的總質量;mk為與各制動盤(鼓)相連的受熱金屬件(如輪轂、輪輻等)的總質量;cd為制動盤(鼓)材料的比熱容;ck為與各制動盤(鼓)相連的受熱金屬件的比熱容;Δt為各制動盤(鼓)的溫升(一次由30 km/h的初始速度到完全停車的強烈制動,溫升不應超過15 ℃。[3]

上述計算分析都是簡化了的計算分析,實際制動情況要復雜許多,很多未知因素對制動過程都有一定影響?紤]到這些,通過3.1,3.2節的方法計算出的β值只能是盡量接近,而不是完全符合。

4 安裝與配合

由于ADB在國內應用的時間還不長,專門為匹配ADB的車橋很少。目前主要還是在車橋上進行匹配,一般采用連接過渡板。因此,安裝時最重要的問題就是制動器與其周圍部件的干涉問題,在安裝時要注意以下兩點:

目前采用的ADB多為浮鉗式,當摩擦片和制動盤發生磨損后,卡鉗體和制動氣室以及連接板會向車架中心發生移動。移動距離d計算如下:d=ΔD+ΔP 。

其中,ΔD為制動盤單側允許磨損厚度;ΔP為單個摩擦片允許磨損厚度[4]。

在安裝之前應根據制動器相關參數和整車參數進行校核,避免制動器在前橋轉向時與其各桿件干涉。還應考慮汽車在車架上下跳動和左右擺動時制動器在其極限位置與懸掛系統的干涉問題。對后橋而言,由于沒有轉向節,故應注重考慮與車架懸掛系統的干涉問題。

卡鉗體和支架都采用鑄件,很多非配合面未加工,進行校核時,空間緊張位置的尺寸應嚴加控制?ㄣQ體和上蓋壁厚有限,連接螺栓孔大小受到限制,故連接螺栓強度也應充分考慮,在空間允許的情況下,選擇既能保證強度又經濟的螺栓。

安裝時,除應注意上述兩點外,為避免泥漿濺入制動器內部引起摩擦片和制動盤的損壞或銹蝕,應盡量將制動器安裝在車橋的前方。

5 結束語

ADB在中國發展時間還很短,但優異的性能決定了其廣闊的發展前景,隨著中國汽車零部件產業的不斷發展,制約其發展的成本和價格肯定會降低,ADB也會越來越多地應用在各種車輛上。

鼓式制動器和盤式制動器
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