熊 仆 原順法 高明臣

隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，盤式制動器相較于鼓式制動器而言優(yōu)勢明顯，已在歐洲等市場得到了廣泛應(yīng)用。盡管多年前國內(nèi)主要中重卡生產(chǎn)企業(yè)就已開始對盤式制動器的應(yīng)用進(jìn)行探索，做了大量的推廣工作；但是直到2012上半年，除了個別汽車生產(chǎn)企業(yè)在前橋上有一些批量使用外，其他主流企業(yè)均未形成有效的批量應(yīng)用。從技術(shù)和市場的角度來看，盤式制動器取代鼓式制動器應(yīng)是必然的趨勢，歐洲卡車發(fā)展的歷程已經(jīng)驗(yàn)證了這一點(diǎn)。考慮到盤式制動器在制動安全性方面的優(yōu)勢明顯，工信部于2011年底下發(fā)了第632號文，明確要求危險化學(xué)品運(yùn)輸車前橋必須安裝盤式制動器。汽車企業(yè)在國家強(qiáng)制要求情況下開始有了一定規(guī)模的應(yīng)用，但是相對于巨大的國內(nèi)卡車市場來說，這僅占很少的份額。那么，制約盤式制動器在中重卡上應(yīng)用的因素到底有哪些？筆者根據(jù)多年來對卡車研發(fā)設(shè)計的工作經(jīng)驗(yàn)，從其結(jié)構(gòu)、性能及使用環(huán)境等方面作一探析。

表1 盤式與鼓式制動器性能對比

中重卡制動器結(jié)構(gòu)及市場分析

1.常用制動器分類及結(jié)構(gòu)

制動器主要根據(jù)摩擦的工作表面分為盤式制動器和鼓式制動器2種(圖1)。盤式制動器以平面摩擦為制動工作表面，而鼓式制動器以圓柱面摩擦為制動工作表面。

2.2種制動器性能對比

不同的制動器形式，決定著性能會各不相同。筆者通過對20′的盤式、鼓式制動器進(jìn)行試驗(yàn)，獲取了不同溫度和不同制動次數(shù)情況下制動力矩的變化曲線(圖2)，經(jīng)一一對比測試，并在7個方面進(jìn)行考量、加以比較(表1所示)。結(jié)果證明，盤式制動器優(yōu)勢明顯，尤其是在控制精度和制動穩(wěn)定性上明顯優(yōu)于鼓式制動器，如果將制動防抱死ABS、電子制動系統(tǒng)EBS，以及電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESP與盤式制動器配合使用，其控制精度和效果則會更佳；然而，盤式制動器熱容量小、溫升快是其結(jié)構(gòu)決定的不容回避的問題。用更通俗的話來講，盤式制動器更適合高精度控制的“細(xì)活”；而鼓式制動器更適合精度要求不高、負(fù)荷相對較大且持續(xù)時間較長，因此在不規(guī)范的超載使用環(huán)境中適應(yīng)能力更優(yōu)于盤式制動器，且價格便宜，更適宜于干“粗活”。

從表1可以看到，2種制動器在制動力矩、穩(wěn)定性、自質(zhì)量和成本等方面相比較，盤式制動器優(yōu)劣對比為5:2，其優(yōu)勢十分明顯。

3.應(yīng)用比例分析

據(jù)不完全統(tǒng)計，盤式制動器在歐洲得到了廣泛應(yīng)用，其應(yīng)用比例仍在持續(xù)增加(表2)，在北美和除中國之外的亞洲其他國家也有一定的增長比例，但中國卡車仍然以鼓式制動器為主，盤式制動器的應(yīng)用明顯低于其他地區(qū)。

4.輔助制動對制動器使用的影響

從物理學(xué)角度來看，車輛的制動過程是一個能量轉(zhuǎn)換過程，即把動能轉(zhuǎn)換為熱能，而制動器就是這樣一個能量轉(zhuǎn)換裝置，通過摩擦的方式轉(zhuǎn)換成熱能。隨著裝載量愈來愈多，單靠制動器卻無法完全承擔(dān)這份“厚重”。以總質(zhì)量55 t的8×4車輛而言，在6%的坡度勻速下坡時，需要的制動功率約為200 kW，分配到每個制動器，其功率達(dá)到25 kW左右，除去動力及傳動系阻尼和制動器本身散熱，剩余功率對制動盤(鼓)的加熱能量仍然非常大。隨著摩擦溫度的不斷升高，制動器的制動效能及其零部件的壽命都會大幅度降低，為此需要輔助制動裝置來分擔(dān)制動功率。輔助制動裝置是一種脫離主制動系統(tǒng)、通過對動力系統(tǒng)或傳動系統(tǒng)產(chǎn)生阻尼的緩速制動技術(shù)。GB 7258《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條例》規(guī)定，總質(zhì)量不小于12 000 kg的貨車、所有危險貨物運(yùn)輸車，應(yīng)裝備緩速器或其他輔助制動裝置。然而遺憾的是，未對輔助制動的效能做出明確要求。

(1)常用輔助制動裝置。

常用輔助制動裝置包括排氣制動、發(fā)動機(jī)制動、電渦流緩速器、液力緩速器。筆者對排氣制動和發(fā)動機(jī)制動等裝置進(jìn)行了實(shí)測，即以10 L機(jī)在1 500 r/min時進(jìn)行實(shí)測制動功率，并對各輔助制動裝置進(jìn)行了對比，如表3所示。

從表3中的對比數(shù)據(jù)來看，排氣制動由于制動功率太低，不能單獨(dú)滿足對輔助制動的要求(即將修訂的GB 7258對此有相關(guān)要求)，故今后將不會作為一種主流的輔助制動；電渦流緩速器由于熱衰退嚴(yán)重、自質(zhì)量高且不易布置等原因也將會逐漸淘汰。

圖3為國外某公司提供的臺架測試數(shù)據(jù)，普通排氣制動是最早的一種制動方式，其余3種是不同形式的發(fā)動機(jī)制動，其中新型制動方式是正在開發(fā)的高功率制動，良好的低速時制動性高于現(xiàn)有的制動方式，既使在高速時，制動性能仍能保持良好。壓縮釋放制動為現(xiàn)有主流發(fā)動機(jī)制動，其制動功率為排氣制動的2～2.5倍，但發(fā)動機(jī)低速時功率偏低。發(fā)動機(jī)制動將成為主要輔助制動形式，它與液力緩速器配合使用，互為彌補(bǔ)，會達(dá)到理想的制動效果。

表2 國內(nèi)外中重卡制動器應(yīng)用比例對比

表3 常用輔助制動裝置對比

歐洲卡車技術(shù)一直處于國際領(lǐng)先地位，尤其在輔助制動器應(yīng)用方面經(jīng)過了長期的摸索、研究和驗(yàn)證工作，技術(shù)已經(jīng)達(dá)到非常成熟的程度，形成了為用戶提供標(biāo)配發(fā)動機(jī)制動和選裝液力緩速器等系列解決方案。

(2)輔助制動對制動器的保護(hù)作用。

車輛制動通常分為2種情況：其一為緊急制動，要求車輛迅速減速甚至停止，此過程時間短，要求反應(yīng)迅速，制動力穩(wěn)定；另一種為緩行制動，如下長坡道，只需將車速穩(wěn)定在一定范圍即可，它持續(xù)時間長，發(fā)熱量大。上述發(fā)動機(jī)制動等形式作為輔助制動存在，并不能替代行車制動器的作用，通俗講輔助制動只管“慢”不管“站”。緩行制動狀態(tài)時輔助制動將消耗大部分制動功率，有效減輕制動器的負(fù)荷，延長制動蹄片的更換周期，降低因摩擦高溫對制動器帶來的損害，對制動器的保護(hù)不言而喻，尤其是對于熱容量較小的盤式制動器。

新修訂的GB 7258對重型卡車輔助制動性能擬定了新增規(guī)定要求，Ⅱ型A試驗(yàn)要求在6%坡度、6 km路程及禁止使用行車制動條件下，車速可以保持在30 km/h以下。仍以總質(zhì)量55 t車輛為例，要求輔助制動系統(tǒng)能夠產(chǎn)生約200 kW的制動功率，相當(dāng)于輔助制動替代主制動的作用，使制動后的車速穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。

制約我國盤式制動器應(yīng)用瓶頸分析

1.國內(nèi)制動器在卡車上的應(yīng)用現(xiàn)狀

針對制動器的使用關(guān)注點(diǎn)，筆者認(rèn)為國內(nèi)中重型卡車使用環(huán)境存在以下特點(diǎn)：一是裝載不規(guī)范，超載情況在部分地區(qū)仍然嚴(yán)重；二是地域廣，路況和工況復(fù)雜；三是法規(guī)雖要求安裝輔助制動但對其效能尚未明確規(guī)定，因此輔助制動仍以排氣制動為主，制動效能很低。

制動功率與裝載量和路面坡度成正比。超載下坡時，若沒有足夠的輔助制動裝置，巨大的制動功率主要依靠行車制動器轉(zhuǎn)化，制動器則會不堪重負(fù)。出于無奈，駕駛員加裝了淋水裝置，當(dāng)車輛長距離下坡時則會給車輪制動鼓淋水降溫，甚至公路管理部門也在路邊設(shè)置水槽為下坡車輛的車輪降溫，這些措施雖然有效，但對制動器以及行車安全等都有潛在的不利影響。據(jù)統(tǒng)計，我國多年來在中重型卡車故障發(fā)生率中，鼓式制動器故障一直高居前列。

如前所述，我國中重卡盤式制動器形成有效市場銷量的應(yīng)用比例不足3%。從車型上來講，主要是在水泥攪拌車和自卸車上形成了一定銷量，從布置形式來講，均為前盤后鼓式。

根據(jù)售后千臺故障率的統(tǒng)計，在水泥攪拌車上采用前盤后鼓式布置形式，前盤式制動器故障率低于同類型全鼓式制動器的攪拌車。經(jīng)分析，這主要受益于水泥攪拌運(yùn)輸車罐體容積和物料固定，不可能過度超載，盤式制動器的優(yōu)勢得以發(fā)揮，制動跑偏和抖動故障明顯減少；而與水泥攪拌運(yùn)輸車類不同的自卸車類，同樣是國內(nèi)某企業(yè)在同型號底盤上進(jìn)行前盤后鼓式布置，盤式制動器故障卻始終居高不下(圖4)，制動盤開裂等故障雖經(jīng)過多次整改仍效果不理想。筆者認(rèn)為這不僅是結(jié)構(gòu)問題，更多的是車型選配沒有考慮超載等問題。

2.制約因素

(1)超載是制約盤式制動器推廣應(yīng)用的首要因素。經(jīng)過多年的治理，我國的超載現(xiàn)象雖然得到了有效遏制，但是遠(yuǎn)沒有杜絕。以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大允許總質(zhì)量為31 t的自卸車為例，實(shí)際裝載后總質(zhì)量達(dá)到120 t的現(xiàn)象依然存在。在超載情況下，對于熱容量更小的盤式制動器是無法承受的，其制動能力無法滿足整車的需求，在制動控制方面的優(yōu)勢也就無從體現(xiàn)。據(jù)試驗(yàn)，超載時盤式制動器摩擦片的壽命不到鼓式制動器的1/4，且制動盤的龜裂現(xiàn)象更為嚴(yán)重；而又因盤式制動器工作溫度高于鼓式制動器，不能采用淋水降溫，這也是用戶根本不能接受的。

(2)輔助制動效能較低不能為盤式制動器應(yīng)用提供保障。目前我國卡車輔助制動主要以排氣制動為主，平均制動功率不足100 kW，無法滿足整車需要。為國內(nèi)某款主流發(fā)動機(jī)廠引進(jìn)的EVB(Exhaust Valve Brake，排氣門制動)技術(shù)的是一種泄氣型發(fā)動機(jī)制動，氣門的控制依賴于排氣背壓的穩(wěn)定。由于通過排氣蝶閥控制排氣背壓，背壓不穩(wěn)定，蝶閥故障率高，其制動效果僅僅是略高于普通排氣制動，作用有限。

目前西安康明斯發(fā)動機(jī)匹配JACOBS制動器(壓縮釋放型)可以達(dá)到150 kW，但在國內(nèi)的應(yīng)用還很少，而另一種制動功率更高的液力緩速器幾乎沒有得到應(yīng)用。

(3)成本過高限制了盤式制動器的推廣。表3為筆者對國內(nèi)某單級減速驅(qū)動橋采用鼓式和盤式制動器(20英寸)的采購成本對比。

因一個單橋便有左右2個制動器，僅單橋成本差異，盤式比鼓式要高出2 586元，6×4車型共有3個車橋，若全部采用盤式制動器，其整車成本則增加7 758元。若采用22.5英寸或進(jìn)口盤式制動器，成本增加幅度還將加大。超載時車輛用戶很難感知到盤式制動器的控制優(yōu)勢，而讓整車成本增大了約3%，用戶是很難接受的。

推廣中重卡盤式制動器的建議

針對國內(nèi)超載現(xiàn)象的治理還會有相對較長的過程，在盤式制動器的應(yīng)用上筆者提出以下建議。

1.結(jié)合國情選擇相對固定的車型配裝盤式制動器。盤式制動器對超載敏感，應(yīng)選擇裝載相對規(guī)范的車型，如運(yùn)/加油車、水泥攪拌運(yùn)輸車等，而對于自卸車、平板運(yùn)輸車等裝載量難以控制的車型應(yīng)當(dāng)慎用；牽引車由于掛車制動器設(shè)計和選用不在主機(jī)廠，且存在超載情況，也不建議使用。另外，水泥攪拌車罐體容積也在不斷增大，目前已經(jīng)超過18 m3，對于超過14 m3的水泥攪拌運(yùn)輸車車型也應(yīng)慎用盤式制動器。

表4 單個制動器成本對比

2.優(yōu)先使用前盤后鼓的匹配形式。制動控制過程中，前橋的控制精度更為重要。筆者曾經(jīng)在試驗(yàn)場對4×2牽引車空車不帶掛車進(jìn)行ABS低附路面對比試驗(yàn)，前盤后鼓式比全鼓式制動器性能更優(yōu)。

從用戶使用的結(jié)果來看，某型8×4平板車匹配全盤制動器在山區(qū)路面行駛，后橋摩擦片的磨損速度為前橋的6倍，且遠(yuǎn)高于鼓式制動器，用戶抱怨很大。經(jīng)分析認(rèn)為：由于整車質(zhì)量大部分由后橋承擔(dān)，制動過程中后橋摩擦片與盤的滑移率高于前橋，造成后橋制動盤溫度高于前橋，摩擦片的磨損更嚴(yán)重。

前盤后鼓布置形式可揚(yáng)長避短，能充分發(fā)揮盤式制動器的優(yōu)勢，如前所述水泥攪拌運(yùn)輸車采用前盤后鼓布置形式所取得的效果便驗(yàn)證了此觀點(diǎn)。

需要提醒的是，由前期對水泥攪拌運(yùn)輸車盤式制動器故障分析發(fā)現(xiàn)，超過12個月之后，其故障率會異常升高，主要原因是摩擦片磨損到極限時，駕駛員未及時更換。為此建議整車匹配時應(yīng)增加摩擦片磨損報警裝置。

3.重視匹配高效輔助制動裝置。輔助制動器不僅保護(hù)盤式制動器，對所有類型制動器都能起到保護(hù)的作用，對行車安全的意義非常重大，不過對盤式制動器更為重要。經(jīng)比較，參照歐洲成功經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)優(yōu)先考慮發(fā)動機(jī)制動并輔以液力緩速器。應(yīng)優(yōu)先選用制動功率更大的壓縮釋放型發(fā)動機(jī)制動。對于國內(nèi)應(yīng)用較廣的EVB泄氣制動，建議放棄故障較高且壓力不穩(wěn)定的扭桿式排氣蝶閥，采用其他恒壓設(shè)計。