柳 帥, 李鵬飛

(一汽解放汽車有限公司 商用車開發(fā)院，長春130011)

制動氣室利用氣壓產(chǎn)生制動器制動力，是熱力學(xué)系統(tǒng)和機(jī)械裝置的耦合元件，既作為商用車氣壓制動系統(tǒng)傳能裝置的終止點[1-2]，又是制動器的促動裝置，對車輪制動力的大小具有重要作用.在匹配設(shè)計和優(yōu)化前后橋制動力過程中，通過調(diào)整制動氣室參數(shù)，優(yōu)化軸間制動力，更加靈活有效，尤其適合在平臺車型基礎(chǔ)上，針對細(xì)分市場所開發(fā)的大量拓展變型車的制動系統(tǒng).但是，由于橡膠膜片的非線性特征，采用常規(guī)活塞式結(jié)構(gòu)的計算方法會產(chǎn)生極大誤差，無法滿足實際需求，往往需要通過臺架試驗，測量多個樣件的平均值作為設(shè)計依據(jù)，耗時費(fèi)力.國內(nèi)外學(xué)者也對膜片式制動氣室進(jìn)行了相應(yīng)研究，并給出了復(fù)雜的理論公式和仿真方法，大多針對氣室充放氣的動態(tài)響應(yīng)過程[3-5].文中結(jié)合制動氣室的結(jié)構(gòu)特征和受力分析情況，依據(jù)制動氣室的結(jié)構(gòu)參數(shù)，推導(dǎo)出一種氣室推桿力的近似計算方法，并通過臺架試驗，驗證了該方法的有效性和適用范圍.

1 結(jié)構(gòu)特點

制動氣室主要由前蓋、殼體、夾箍、膜片、支撐盤、回位彈簧、緊固螺栓和推桿組成，如圖1所示.其中，前蓋、膜片和殼體通過夾箍固定在一起，緊固螺栓壓裝到殼體上，支撐盤和推桿焊接在一起[6],制動氣室與制動器總成共同裝配到車橋上.當(dāng)進(jìn)氣口有輸入氣壓時，膜片在氣壓的作用下發(fā)生變形，并克服回位彈簧彈力，使推桿推出.當(dāng)氣室無氣壓時，在氣室回位彈簧和制動蹄片回位彈簧的共同作用下，制動器摩擦片與制動鼓(或盤)之間產(chǎn)生一定的制動間隙(如：0.6～0.8 mm)，用于防止行駛中的車輛發(fā)生制動摩擦片拖磨.當(dāng)摩擦片磨損后，可通過間隙自動(或手動)調(diào)整裝置，縮小磨損間隙至合理設(shè)計值范圍內(nèi).因此，在制動摩擦片的使用壽命中，一般對應(yīng)推桿行程的1/3-2/3為正常使用行程：在1/3行程以內(nèi)，受回位彈簧和氣室膜片初始變形影響較大，輸出力偏大且不穩(wěn)定；超過2/3行程后，受膜片脹形限制，對推力的消耗作用明顯，推桿推力顯著降低.因此，對制動氣室推力的精確估算，主要針對正常使用狀態(tài)下的1/3-2/3推桿行程；該范圍內(nèi)的推桿行程，也是合理匹配和優(yōu)化制動力的應(yīng)用范圍.

圖1 制動氣室結(jié)構(gòu)組成

2 氣室推桿力估算方法

2.1 受力分析和簡化假設(shè)

為了能夠精確估算氣室推桿力，需要對氣室的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，如圖1所示.工作狀態(tài)下，高壓氣體經(jīng)氣室進(jìn)氣口充滿前蓋和膜片之間的封閉腔，膜片在氣壓的作用下，克服回位彈簧推力，推動支撐盤和推桿推出并產(chǎn)生推力.在整個過程中，制動器負(fù)載對推桿的反作用力FP，以及凸輪支架通過緊固螺栓對氣室殼體的拉力F1，是氣室受到的外力，其余均為內(nèi)力.

對氣室膜片進(jìn)行分析，如圖2所示.區(qū)域1為支撐盤投影面積，受回位簧彈力、推桿推力和膜片氣壓力作用；區(qū)域2為夾箍夾緊作用輪廓與支撐盤外圓之間的環(huán)帶，該區(qū)域內(nèi)僅承受氣壓力的作用；區(qū)域3內(nèi)，夾箍將氣室前蓋、殼體和膜片緊密壓合在一起，產(chǎn)生限制膜片進(jìn)一步變形的反作用力.

圖2 氣室支撐盤和膜片

無論在工作狀態(tài)下，還是非工作狀態(tài)下，支撐盤、推桿和膜片均緊密結(jié)合，推桿的推力由膜片產(chǎn)生的推力和回位彈簧力決定.其中，膜片所產(chǎn)生的推力是主要影響因素.不同于活塞結(jié)構(gòu)，氣室膜片一般采用橡膠編織尼龍線結(jié)構(gòu)，受力狀態(tài)下，變形復(fù)雜，很難通過精確計算的方法進(jìn)行理論推導(dǎo)，為了能夠根據(jù)其主要零件的結(jié)構(gòu)和特征參數(shù)，估算氣室總成的輸出力，需要對其受力狀態(tài)進(jìn)行簡化假設(shè)：

1)將膜片按圖2所示投影，將其推力拆分成兩部分分力：一部分是區(qū)域1對支撐盤的力，即支撐盤投影面積的氣壓力(類似活塞)，可等效為作用于圓心的集中力，大小為P0Sr；另一部分是區(qū)域2對支撐盤的力，即夾箍夾緊作用半徑R輪廓和支撐盤半徑r輪廓，所共同承擔(dān)的圓環(huán)區(qū)域2的集中力，并認(rèn)為該集中力沿圓周均勻分布；

2)對于區(qū)域2環(huán)帶內(nèi)的膜片圓環(huán)而言，忽略氣室膜片的徑向張力和變形，依據(jù)其中心對稱的特征，認(rèn)為徑向內(nèi)力的合力為0，僅從宏觀角度，考慮軸向作用力及其反作用力；

3)忽略初始非穩(wěn)態(tài)過程：當(dāng)車輛行車制動時，制動氣室內(nèi)的氣壓力均勻施加于氣室膜片夾緊作用半徑R范圍內(nèi)，在膜片的推力作用下，支撐盤帶動推桿克服回位簧壓力推出，直至完全消除制動間隙后，開始產(chǎn)生制動器的促動力.該促動力產(chǎn)生后，支撐盤的行程位置不變，可視為準(zhǔn)靜態(tài)過程，促動力的數(shù)值由氣室膜片的當(dāng)前氣壓值決定.

2.2 估算公式推導(dǎo)

由于壁厚(約3.5 mm)遠(yuǎn)小于圓環(huán)的半徑差(R-r)，可認(rèn)為夾箍和支撐盤對區(qū)域2邊緣根部局部應(yīng)力，對整個圓環(huán)區(qū)域的影響很小.因此，氣室推桿推力主要由彈簧推力、氣室壓力和支撐盤邊緣外廓分力3部分組成.

支撐盤所受到的彈簧推力

Fk=kx+F0

，

(1)

式中：k為彈簧剛度，由回位彈簧的結(jié)構(gòu)形式確定；k可以是固定值或表達(dá)式，此處取k=4.5 N/mm；x為推桿行程，此處取值x={25 mm，38 mm，50 mm}，分別對應(yīng)推桿總行程的1/3，1/2和2/3位置；F0為制動氣室在非工作狀態(tài)下，回位彈簧預(yù)壓縮力，此處取F0=195 N.

支撐盤背面投影的氣室壓力

Fair=P0Sr，

(2)

式中：P0為氣室壓力，分別取100 kPa、300 kPa、500 kPa、700 kPa、800 kPa；Sr為支撐盤面積，Sr=πr2，R=72 mm，支撐盤半徑r分別取50 mm和55 mm.

支撐盤沿邊緣外廓所承擔(dān)的圓環(huán)區(qū)域2的反作用分力：

(3)

氣室推桿推力大小

Fp=Fair+Fring-Fk

.

(4)

3 試驗驗證

為了驗證上述假設(shè)和估算方法推導(dǎo)的有效性，對某20#規(guī)格制動氣室進(jìn)行臺架試驗，同時，對同一氣室減小支撐盤半徑進(jìn)行復(fù)測，驗證算法的適應(yīng)性，測量曲線見圖3和圖4所示.

圖3 氣室推力測量曲線(支撐盤半徑r1=55 mm)

圖4 氣室推力測量曲線(支撐盤半徑r2=50 mm)

由公式(4)可知，氣室推桿推力的估算表達(dá)式為穩(wěn)定狀態(tài)的推力值.對于0-1/4推桿行程的初始階段，膜片在回位彈簧預(yù)壓縮彈力的作用下，被壓靠在前蓋內(nèi)表面并產(chǎn)生拉伸變形，這部分的膜片拉伸變形力與膜片材料、成型形狀和內(nèi)部編織層結(jié)構(gòu)有關(guān)，難以精確計算；同樣，在3/4-1推桿行程的末端階段，膜片在反向翻轉(zhuǎn)拉伸過大時，也會出現(xiàn)產(chǎn)生阻礙推動的變形力，這是初始和末端推桿行程時，公式(4)難以精確估算推桿推力的主要原因.因此，在兩次臺架試驗中，截取推桿在1/3-2/3之間的工作行程范圍內(nèi)3個典型位置的實測推桿力，并將其與估算值和相對誤差對比，結(jié)果見表1、表2所示.

表1 20#氣室臺架試驗數(shù)據(jù)對比分析

表2 20#氣室配小規(guī)格支撐盤臺架試驗數(shù)據(jù)對比分析

對比表1中的測量值和估算值發(fā)現(xiàn)：①在推桿中間行程位置，估算值與真實值的相對誤差精度不超過3%，從推桿行程1/3處至2/3之間的正常使用行程范圍內(nèi)，誤差不超過5%；②低壓100 kPa下，平均誤差約20%，精度不高.

更換更小規(guī)格的支撐盤后復(fù)測，得到表2中的測量值和估算值，對比發(fā)現(xiàn)：①縮小支撐盤半徑對氣室推桿力有一定降低；②估算方法對該結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變能夠很好的識別，誤差精度水平一致性良好，無明顯變化.

此外，由式(4)可知，在制動氣室結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，推桿力Fp主要受輸入氣壓和推桿行程影響.其中，不同壓力下，回位彈簧力與推桿力占比見表3.

表3 20#氣室規(guī)格回位力與推桿力比值

由表3可知，當(dāng)輸入氣壓P0較低時，回位彈簧力對推桿力影響急劇增大，是造成低壓時估算誤差較大的主要原因.

4 結(jié) 論

通過對商用車膜片式制動氣室的結(jié)構(gòu)和受力分析，推導(dǎo)出一種可用于精確估算正常使用行程范圍內(nèi)的推桿力估算方法.經(jīng)臺架試驗驗證，該估算方法的相對誤差小于5%,且對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)具有良好適應(yīng)性，分析了氣室氣壓、回位彈簧力等參數(shù)對推桿推力的影響效果.對整車制動系統(tǒng)軸間制動力的匹配設(shè)計和改進(jìn)優(yōu)化具有積極的借鑒意義.