嚴(yán)穎波 張毅 楊益

1、陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司 2、陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院

前言

制動系統(tǒng)作為拖拉機的重要組成部分，對拖拉機的行駛安全性、舒適性極為重要。國內(nèi)拖拉機制動系統(tǒng)主要以濕式制動器、盤式制動器為主。濕式多片制動器有制動性能穩(wěn)定、使用壽命長、兼容性高等優(yōu)點，濕式制動器調(diào)整制動性能需要改變摩擦面積，使活塞腔容積增大，導(dǎo)致充油時間變長，影響制動效果。

針對以上問題，本文提出一種結(jié)合楔式制動器與濕式制動器的楔式多片濕式制動系統(tǒng)，該制動系統(tǒng)繼承了傳統(tǒng)的濕式多片制動器優(yōu)點的同時，制動增壓油缸需求油量少、壓力低，同時摩擦面的面積、數(shù)量，制動器斜面和楔塊角度都可以根據(jù)車輛工況精確匹配，保證制動性能和舒適性。

1 楔式多片濕式制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和制動原理

楔式制動系統(tǒng)由伺服油缸、楔式多片濕式制動器（下文簡稱制動器）組成。伺服油缸由活塞座、活塞、銷釘、拉桿、執(zhí)行元件等組成。當(dāng)需要制動時，來自助力泵的壓力油進入活塞腔作用在活塞上時，會對活塞產(chǎn)生一個向上的推力作用在銷釘上，銷釘上的力以一定的杠桿比放大作用在中間的執(zhí)行元件上，執(zhí)行元件與制動器拉桿連接，將作用在活塞上的液壓力轉(zhuǎn)換為拉桿上的拉力。

圖1 伺服油缸結(jié)構(gòu)圖

制動器由拉桿、鋼球a、楔塊、制動盤、鋼球b 等組成，兩制動盤對稱布置，內(nèi)部分布有六處斜面，鋼球b位于兩制動盤之間與斜面接觸，如A-A，當(dāng)拉力作用在拉桿上時，拉桿帶動楔塊向上運動，楔塊兩側(cè)的斜面與鋼球a 接觸形成球斜坡，楔塊對鋼球a 的支撐力分別作用在兩個制動盤上產(chǎn)生相反方向的扭矩，該扭矩與鋼球b 作用在制動盤斜面上的支撐力產(chǎn)生的扭矩平衡，鋼球b 與斜面形成球斜坡，鋼球b 作用在制動盤斜面上的支撐力作用在摩擦片上，即摩擦片的壓緊力，制動器實現(xiàn)將拉桿上的拉力轉(zhuǎn)換為摩擦片的壓緊力[5]。

圖2 制動器結(jié)構(gòu)圖

制動器安裝示意圖如圖，包含后橋殼體、制動器、半軸、摩擦片、鋼片及壓蓋等部件。摩擦片與后橋半軸花鍵連接，鋼片與后橋橋殼通過擋肩固定，壓蓋與摩擦片和鋼片形成初始間隙，制動器不工作時，摩擦片與鋼片可相互運動，當(dāng)受到制動器壓緊力時，摩擦片與鋼片貼緊產(chǎn)生摩擦力，摩擦力產(chǎn)生的扭矩即為制動扭矩。

圖3 制動器安裝示意圖

當(dāng)車輛需要行車制動時，駕駛員踩下制動踏板，助力泵將來自控制回路的壓力放大傳遞至伺服油缸，伺服油缸將液壓力轉(zhuǎn)換為拉力作用在制動器上，制動器將拉力轉(zhuǎn)換為摩擦片的壓緊力，最終形成制動扭矩傳遞至車輛輪胎產(chǎn)生減速度。

當(dāng)車輛需要駐車制動時，駕駛員拉緊制動拉桿，制動力通過軟軸和駐車制動裝置傳遞至伺服油缸作用在拉桿上，拉桿力以一定的杠桿比放大作用在制動拉桿上，然后通過制動器轉(zhuǎn)換為張力作用在摩擦片上產(chǎn)生制動扭矩。

2 楔式多片濕式制動器的匹配計算

根據(jù)GB18447.1《輪式拖拉機安全要求》中對拖拉機制動性能的規(guī)定，拖拉機行車制動和駐車制動的制動效果要求不同，行車制動和駐車制動的制動力源也不同，所以需要分別計算。

楔式多片濕式制動器行車制動匹配計算過程如下：

2.1 行車制動匹配計算

2.1.1 行車制動扭矩計算

制動器產(chǎn)生的制動扭矩經(jīng)過輪邊減速行星排放大傳遞至輪胎，在輪胎與地面間產(chǎn)生摩擦力使車輛減速，行車制動力的大小由車輛需求的減速度決定，根據(jù)GB18447.1《輪式拖拉機安全要求》中對拖拉機制動性能的規(guī)定，“拖拉機冷態(tài)試驗的制動平均減速度應(yīng)不小于2.5m/s2。[1]”拖拉機后橋一般裝備兩個制動器，單邊制動器需求的制動扭矩：

式中：T 為制動器制動扭矩，Nm；m 為整車總重，kg；a 為需求減速度，m/s2；i 為輪邊減速比。

2.1.2 制動器壓緊力計算

制動扭矩由摩擦片間的摩擦力產(chǎn)生，受摩擦面大小和數(shù)量影響，摩擦力的大小取決于摩擦片受到的壓力和摩擦片的摩擦系數(shù)，制動扭矩與壓緊力的關(guān)系：

式中：FB為制動器壓緊力，N；μ為摩擦片摩擦系數(shù)，由摩擦材料的性能決定；n 為摩擦面的數(shù)量；Rm為摩擦片等效半徑，mm。

式中：r2為摩擦面外徑，mm；r1為摩擦面內(nèi)徑，mm。

摩擦面外徑r2可根據(jù)經(jīng)驗公式確定：

式中：e 為系數(shù)，取值19～25；

式中：C 為常數(shù)，考慮到因內(nèi)外徑線速度不同對摩擦片內(nèi)外溫升的影響和對摩擦片面壓的影響，C 一般取0.6～0.85[3]。

2.1.3 制動器拉桿力的計算

制動器壓緊力取決于拉桿力的大小和制動器本身的結(jié)構(gòu)，拉桿力：

式中：FL為制動器拉桿力，N；FS為制動器彈簧保持力，N；c 為制動器制動系數(shù)，由制動器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，主要影響因素為楔塊的角度、鋼球接觸斜面的角度和鋼球距離制動器中心的距離，一般由制動器廠家在制動器性能參數(shù)給出；ηB為制動器機械效率，不同的制動器略有不同[4]。

2.1.4 制動油壓的計算

制動器拉桿力由伺服油缸活塞處的油壓決定，計算公式為：

式中：P 為伺服油缸活塞處的油壓，MPa；S 為伺服油缸活塞面積，mm2；ic1為行車制動杠桿比；ηc為伺服油缸機械效率。

根據(jù)不同的油壓就可以計算出相應(yīng)的制動扭矩、制動力和整車減速度，然后根據(jù)整車的需求選取合適的制動力，就可以確定增壓油缸的壓力和油液體積。

2.2 駐車制動匹配計算

楔式多片濕式制動器駐車制動匹配計算過程與行車制動區(qū)別在于：

（1）車輛駐車制動扭矩由車輛懸停坡度決定，根據(jù)GB18447.1《輪式拖拉機安全要求》中對拖拉機制動性能的規(guī)定，“拖拉機在20%的干硬坡道上，使用駐車制動裝置，應(yīng)能沿上下坡方向可靠停住[1]”。

（2）制動力來源不同，駐車制動來源于駕駛員拉動手剎的機械力，駐車制動扭矩的計算方法與行車制動相同。

駐車制動20%坡道的制動扭矩：

式中：Fp為拉動手剎機械力，N；is為駐車制動系統(tǒng)杠桿比；ic2為伺服油缸駐車制動杠桿比。

根據(jù)不同的手剎機械力就可以計算出相應(yīng)的制動扭矩、制動力和懸停坡度，然后根據(jù)整車的需求選取合適的制動力[2]。

確定了制動器和摩擦片相關(guān)參數(shù)后，需要對制動系統(tǒng)主要是摩擦片的熱應(yīng)力進行校核，制動器制動過程中摩擦片單位面積能量計算：

式中：q 為摩擦片單位面積的能量，J/mm2，建議值≤2J/mm2；v＇為摩擦片與鋼片的轉(zhuǎn)速差，r/min；t 為制動摩擦片同步時間，s；SF為單摩擦面面積，mm2。

3 實例驗證

以國內(nèi)一款應(yīng)用此制動系統(tǒng)的動力換擋拖拉機為例，該拖拉機主要參數(shù)和制動性能要求為：

4 結(jié)語

楔式多片濕式制動器繼承了傳統(tǒng)的濕式多片制動器的優(yōu)點，并且制動增壓油缸需求油量少、壓力小，同時制動摩擦材料、摩擦片數(shù)量、制動器斜面和楔塊角度都可以根據(jù)車輛的實際工況精確匹配，保證制動性能和制動舒適性。

本文闡述了楔式多片濕式制動器的結(jié)構(gòu)和制動原理，介紹了楔式制動器的匹配計算和摩擦片的校核計算，并通過實例驗證該匹配計算的合理性，為工程設(shè)計提供設(shè)計參考。