朱 顏，王傳青

（聊城大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，山東 聊城 252059）

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，隨著國(guó)家“三農(nóng)”政策的實(shí)施，農(nóng)用車擔(dān)負(fù)著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重任，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的主力軍。我國(guó)的農(nóng)用車保有量已超過(guò)200萬(wàn)輛，居世界第一，而且還以每年5％的速度增長(zhǎng)[1]。農(nóng)用車常常是用于工地、山區(qū)等路況較差的三級(jí)公路以下或自修土路的運(yùn)輸設(shè)備，其運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，工作條件惡劣。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用過(guò)程中，農(nóng)用車的事故發(fā)生率很高，很大程度上其主要原因是制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)性能差造成的，因此對(duì)其制動(dòng)系統(tǒng)使用可靠性要求很高。

文獻(xiàn)[2～4]從不同角度，對(duì)農(nóng)用車的制動(dòng)系統(tǒng)作了一定的研究。本文進(jìn)行了農(nóng)用車制動(dòng)系統(tǒng)常見故障分析，根據(jù)溫度、滑移率等因素對(duì)制動(dòng)性能的影響，對(duì)農(nóng)用車制動(dòng)系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上提出了數(shù)種改進(jìn)方案，對(duì)提高農(nóng)用車的制動(dòng)性能的研究，有一定的參考價(jià)值。

1 農(nóng)用車制動(dòng)系統(tǒng)常見故障分析

1.1 下長(zhǎng)坡時(shí)制動(dòng)踏板發(fā)軟，制動(dòng)性能降低

因?yàn)橹苿?dòng)過(guò)程的實(shí)質(zhì)，是把汽車的動(dòng)能通過(guò)制動(dòng)器吸收轉(zhuǎn)化為熱能，制動(dòng)過(guò)程中溫度不斷升高，制動(dòng)器摩擦系數(shù)下降，制動(dòng)器摩擦力矩減小，從而使制動(dòng)性能降低。BF（制動(dòng)器因數(shù)）對(duì)f（摩擦系數(shù)）的敏感性由制動(dòng)器的敏感度（dBF/df）來(lái)衡量。摩擦系數(shù)f除決定于摩擦副材料外，還與摩擦副表面的溫度有關(guān)。制動(dòng)時(shí)摩擦生熱，因而溫度是經(jīng)常起作用的因素，通過(guò)熱衰退試驗(yàn)表明，多次重復(fù)地緊急制動(dòng)，可導(dǎo)致制動(dòng)器因數(shù)值減小50％，而下長(zhǎng)坡時(shí)的連續(xù)制動(dòng)，會(huì)使該值降至正常值的30％。

1.2 制動(dòng)時(shí)后輪側(cè)滑

這里用u表示車輪中心的速度，w表示車輪的角速度，r表示車輪半徑，則滑移率為

由此可知，當(dāng)滑移率為0時(shí)，橫向附著系數(shù)μ最大；隨滑移率的增大，橫向附著系數(shù)減小，當(dāng)滑移率達(dá)到100％時(shí)，橫向附著系數(shù)為0。制動(dòng)時(shí)若受到側(cè)向干擾力，則會(huì)發(fā)生側(cè)滑。制動(dòng)慣性力與側(cè)向干擾力的合力，將與車輛縱軸成一定的角度β，側(cè)向干擾力必須用車輪上的等值側(cè)向力來(lái)平衡，因?yàn)楹筝喴呀?jīng)抱死，所以側(cè)向力實(shí)際上只能作用在前輪上，使車輪繞鉛垂軸旋轉(zhuǎn)，并使β角增大，使得車輛回轉(zhuǎn)趨勢(shì)增大，處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。

2 制動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn)

2.1 制動(dòng)器加冷卻系統(tǒng)

分析上述第一種情況，下長(zhǎng)坡時(shí)感到制動(dòng)踏板發(fā)軟，制動(dòng)性能降低的常見故障。大多數(shù)農(nóng)用車前軸分配的載荷占總載荷的38.8％，后軸占61.2％。對(duì)行駛在平原地區(qū)的小功率農(nóng)用車，現(xiàn)廣泛采用后輪制動(dòng)的方式，制動(dòng)器因制動(dòng)蹄與制動(dòng)鼓之間密封，空氣不流通，不利于散熱，下長(zhǎng)坡時(shí)的頻繁制動(dòng)，可使制動(dòng)器摩擦副的溫度達(dá)300～400℃，有時(shí)甚至高達(dá)700℃。溫度的迅速升高，使得制動(dòng)摩擦副的摩擦系數(shù)會(huì)急劇減小，各種摩擦材料摩擦系數(shù)的穩(wěn)定值約為0.3～0.5，少數(shù)可達(dá)0.7。通過(guò)試驗(yàn)得知，當(dāng)試驗(yàn)溫度在250℃時(shí)，摩擦系數(shù)為0.15～0.7。極易造成因過(guò)熱使制動(dòng)性能下降，或造成制動(dòng)失靈等嚴(yán)重后果。

為了避免這一現(xiàn)象的發(fā)生，可加裝一套冷卻循環(huán)裝置，包括水泵、水箱、膠管（膠管具有一定的磨損性能，由于具有一定的彎曲性，膠管起到了密封性好、彎曲性好、耐磨損、壽命長(zhǎng)、連接牢固可靠的作用，而且還具有一定的活動(dòng)余量，如圖1）。在制動(dòng)蹄支承壓板靠近半軸殼的一側(cè)，設(shè)置水箱和水泵。水箱大小可設(shè)計(jì)成50mm×50mm×50mm的容積。水泵的電動(dòng)機(jī)可采用電池提供能量的小型電動(dòng)機(jī)。制動(dòng)蹄支承壓板不可轉(zhuǎn)動(dòng)，屬于固定元件。因此裝在上面的水泵和水箱也不轉(zhuǎn)動(dòng)。在摩擦片和制動(dòng)蹄之間，事先加工出能供膠管通過(guò)的凹槽，將膠管放在凹槽內(nèi)，再將摩擦片鉚接在制動(dòng)蹄上。水泵安裝在水箱旁邊，經(jīng)膠管將水泵與水箱連成一體。冷卻液經(jīng)水泵膠管水箱循環(huán)動(dòng)鼓之間有一定的間隙，制動(dòng)蹄的上面有一滑塊在制動(dòng)缸里面上下運(yùn)動(dòng)，滑塊上面用連桿連接在曲軸上。曲軸的外面有偏心輪。偏心輪的下面，經(jīng)傳動(dòng)裝置將制動(dòng)踏板的力傳到制動(dòng)器。制動(dòng)踏板的直線運(yùn)動(dòng)，經(jīng)偏心輪轉(zhuǎn)化為滑塊的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。制動(dòng)時(shí)，滑塊將制動(dòng)蹄緊緊地壓在制動(dòng)鼓上起制動(dòng)作用。解除制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)蹄在彈簧的彈力作用下回位，制動(dòng)踏板在彈簧的彈力下回位。這樣可以利用空氣進(jìn)行冷卻，大大提高了制動(dòng)器的制動(dòng)性能。另外，制動(dòng)器暴露在外面，且制動(dòng)蹄與摩擦片上鉆些小孔，不但大大提高了冷卻效果，而且還增加了當(dāng)農(nóng)用車行駛在雨天制動(dòng)時(shí)，將水排出制動(dòng)器增加制動(dòng)性能的能力。一周，帶走制動(dòng)器的熱量，降低溫度，提高摩擦系數(shù)。由于水泵所需的動(dòng)力較小，且不是一直工作。因此采用電池作為動(dòng)力源，可隨時(shí)控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，而且起到節(jié)約能源的作用。

圖1 制動(dòng)系統(tǒng)冷卻裝置

2.2 制動(dòng)器改為外束式

鼓式制動(dòng)器的散熱性要差許多。當(dāng)溫度升高時(shí)，制動(dòng)器的制動(dòng)力穩(wěn)定性差，在不同路面上，制動(dòng)力變化很大，不易于控制。而由于散熱性能差，在制動(dòng)過(guò)程中會(huì)聚集大量的熱量。制動(dòng)塊和輪鼓在高溫影響下，較易發(fā)生極為復(fù)雜的變形，容易產(chǎn)生制動(dòng)衰退和振抖現(xiàn)象，引起制動(dòng)效率下降。另外，鼓式制動(dòng)器在使用一段時(shí)間后，要定期調(diào)校制動(dòng)蹄的間隙，甚至要把整個(gè)制動(dòng)鼓拆出，清理累積在內(nèi)的剎車粉。

為了提高農(nóng)用車的散熱效果，同時(shí)為了提高制動(dòng)系統(tǒng)維護(hù)的簡(jiǎn)便性，將制動(dòng)器改為外束式（如圖2），將制動(dòng)蹄承壓板靠近半軸殼的一側(cè)加工出直徑Φ250～300mm，寬度為100mm的凸緣，凸緣的外表面有定位凸臺(tái)。將制動(dòng)底板固定在半軸殼上，摩擦片鉚接在制動(dòng)蹄的內(nèi)側(cè)，兩個(gè)制動(dòng)蹄在拉伸彈簧的作用下，將制動(dòng)蹄拉伸到一定的位置，并保持制動(dòng)蹄與制

圖2 機(jī)械式外束式制動(dòng)系統(tǒng)

2.3 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)

為提高制動(dòng)性能，可根據(jù)ABS的工作原理，改進(jìn)農(nóng)用車的制動(dòng)系統(tǒng)。根據(jù)前面分析，農(nóng)用車完全抱死時(shí)，其滑移率為100％，這大大增加了制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間，降低了制動(dòng)性能。如果將滑移率控制在一定的范圍內(nèi)，就可以縮短制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間，提高制動(dòng)性能。只要能控制輪胎的滑移率，就可模仿ABS的工作模式。

改進(jìn)方法如圖3所示，在原液壓鼓式制動(dòng)器的基礎(chǔ)上，在制動(dòng)鼓內(nèi)部加工出一道寬6mm、深3mm的凹槽（見圖3），相應(yīng)的在制動(dòng)蹄的一側(cè)，加工出一道寬5mm、高2mm的凸緣（見圖3），凹槽的內(nèi)表面和凸緣的外表面加工出如圖3所示的齒形結(jié)構(gòu)。這樣，制動(dòng)時(shí)凸緣上齒的頂端與凹槽上齒的頂端相接觸，制動(dòng)蹄壓縮制動(dòng)輪缸的活塞，使其向里運(yùn)動(dòng)，制動(dòng)蹄上的摩擦片便與制動(dòng)鼓分離，輪胎處于滾動(dòng)狀態(tài)。隨著輪胎的旋轉(zhuǎn)，兩齒的頂端開始分離。制動(dòng)輪缸的活塞，將制動(dòng)蹄推向制動(dòng)鼓，制動(dòng)器的摩擦力增大，滑移率隨之增加。隨著輪胎的旋轉(zhuǎn)，另外兩齒又開始接觸，制動(dòng)器的摩擦力開始減小，滑移率又開始升高。如此往復(fù)循環(huán)，直到農(nóng)用車停駛時(shí)為止。

圖3 改進(jìn)的液壓鼓式制動(dòng)器

這種制動(dòng)方式，可以克服輪胎抱死時(shí)制動(dòng)力降低的缺點(diǎn)，還可以減少輪胎的磨損。同時(shí)橫向附著系數(shù)保持在一定值，可以克服側(cè)向干擾力的不良影響，對(duì)由于制動(dòng)引起的側(cè)滑，起到很好的作用，提高了制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性。如圖3所示，即使農(nóng)用車倒車時(shí)，制動(dòng)器也可以如前述一樣，控制農(nóng)用車的滑移率，使其工作在一定的范圍內(nèi)，使路面附著系數(shù)最大，從而使制動(dòng)性能達(dá)到最大。無(wú)論是前進(jìn)還是后退，制動(dòng)器都能把滑移率控制在一定的范圍內(nèi)，使制動(dòng)性能保持在最大狀態(tài)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)農(nóng)用車制動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)的常見故障，對(duì)農(nóng)用車制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)提出了數(shù)種解決的方案，理論上縮短了制動(dòng)距離、制動(dòng)時(shí)間，提高了制動(dòng)性能。為農(nóng)用車制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論參考。

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