某重型6x6越野汽车的制动设计

侯宝杰 马磊 董欣

摘 要：文章以某重型6x6越野汽车为依托，对气压制动系统及其工作原理进行详细说明。通过对该车型同步附着系数的分析确定，得到整车制动力分配系数，计算得到该车型利用附着系数与制动效率，校核了该车型的制动性能。

关键词：越野汽车;气压制动系统;高压气体;制动性能

中图分类号：U469.3  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）13-68-04

The Brake Design of a Heavy 6x6 Off-road Vehicle

Hou Baojie， Ma Lei， Dong Xin

（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co.， Ltd， Shaanxi Xi'an 710000 ）

Abstract： Based on the heavy 6x6 off-road vehicle， this paper gives a detailed description of the pneumatic brake system and its working principle. Through the analysis and determination of synchronous adhesion coefficient of the vehicle type， the braking force distribution coefficient of the whole vehicle is obtained， and the braking performance of the vehicle type is checked by calculating the adhesion coefficient and braking efficiency.

Keywords： Off-road vehicle; Pneumatic brake system; High pressure gas; Braking performance

CLC NO.： U469.3  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）13-68-04

前言

汽車制动系统的功用是使汽车以适当的减速度降速行驶直至停车;在下坡行驶时，是汽车保持适当的稳定速度;使汽车可靠地停在原地或坡道上。

为满足上述功用，制动系统一般装有两套独立的制动装置。一套是由驾驶员用脚操纵的行车制动装置，主要用于汽车行驶时的减速或停车;另一套是由驾驶员用手操纵的驻车制动装置，主要用于汽车停驶后防止汽车滑溜。有的汽车为了提高行车安全和减轻行车制动器性能的衰退，还装有应急制动装置及辅助制动装置。

现有的制动系统根据传动传输方式分为机械式、液压式、气压式、电力式或混合式。气压式制动系统制动力大，不易出现故障，维修保养方便，所以重型汽车广泛采用气压式制动系统。

1 气压制动系统说明

气压制动系统是将压缩空气的压力通过制动气室转变为机械动力，从而使车轮产生制动。驾驶员只需按不同的制动强度要求控制踏板行程，便可控制气体压力的大小来获得所需的制动力。

1.1 气压制动系统中气阀接口的编号及含义

气路元件的各个气路接口都用数字做了标注，其标注性质含义如下：

1-进气口;2-出气口;3-排气口;4-控制口

凡标注两个数字的，第一位表示气路接口性质，第二位表示气路接口顺序。

1.2 气压制动系统工作过程

重型汽车典型的气压制动系统如图1所示。该系统传动部分采用了双回路行车制动、弹簧储能断气驻车制动、应急制动及辅助制动的传动系统。

工作原理：发动机启动后带动空压机（1）将压缩空气通向空气干燥器（2），压缩空气经空气干燥器（2）将空气中的油水过滤吸附后被输送至四回路阀（4），同时向再生储气筒（3）充气，再生储气筒（3）中的空气用于将空气干燥器（2）中沉淀的油水经“3”口吹出干燥器，四回路阀（4）的“21”口向前桥储气筒（5）充气，“22”口向中后桥储气筒（6）充气，“23”口向储气筒（7）充气，“24”口向整车其他辅助用气供气，储气筒（7）的压缩空气一路与手制动阀（8）连接，另一路为差动式继动阀（9）提供高压气体，前桥储气筒（5）中的压缩空气向脚制动阀⑾下腔的“12”口供气，从中后桥储气筒（6）出来的压缩空气一路向继动阀（10）供气，另一路与脚制动阀（11）上腔的“11”口连接。

当驾驶员踩下脚制动踏板时，脚制动阀（11）上腔11口先打开，高压气体由“21”口通往差动式继动阀（9）的“41”口和继动阀（10）的“4”口供气，继动阀（10）被“4”口的制动气压打开，高压气体分别向中、后桥复合制动气室（13）前腔的“11”口提供与制动踏板行程成正比的制动气压力，差动式继动阀（9）的“41口”气压防止行车及驻车制动系统同时操纵式，制动气室中的力重叠，从而避免机械传递元件超负荷，脚制动阀（11）下腔“12”口打开，高压气体由“22”口通往前桥膜片制动气室（12），产生使制动器产生机械摩擦力。松开制动踏板，脚制动阀（11）的“21”口、“22”口关闭，复合制动气室（13）行车制动分室、膜片制动气室（12）在回位弹簧弹力的作用下，将管路中的气体经继动阀（10）和脚制动阀（11）的“3”口排入大气，从而使制动力消失。

停车时，操纵手制动阀（8）使“2”口关闭，差动式继动阀（9）的“42”口的气压消失，复合制动气室⒀的“12”口断气，停车制动分室活塞在弹簧的弹力作用下迫使推杆伸出，管路中的气体经差动式继动阀（9）的“3”口排入大气，从而产生制动，气制动力的大小取决于停车制动分室弹簧的预紧力。当手制动阀（8）置于“行驶”位置时，手制动阀（8）的“2”口将气压传递到差动式继动阀（9）的“42”口，在其作用下差动式继动阀（9）打开，由储气筒（7）提供的高压气体经差动式继动阀（9）后快速进入复合制动气室（13）的“12”口，在气压的作用下，气室储能弹簧完全被气压力压回，从而实现驻车制动解除。

2 制动系统主要参数的设计计算

下面以某型6x6越野汽车为例对制动系统主要参数计算做说明。

2.1 越野汽车的参数

越野汽车的参数如表1所示。

由于该型越野汽车载荷分配中、后桥载荷相近，为便于对制动系统相关参数的计算，本次设计将三轴车简化为两轴车进行计算。制动系统参数如图2所示。

2.2 同步附着系数的分析及确定

当制动器制动力足够时，根据汽车前、后轴轴荷分配，前、后车轮制动器制动力的分配、道路附着系数和坡度等因素，车辆制动过程可能出现以下三种情况。

1）当φ<φ0时：制动时总是前轮先抱死，这是一种稳定工况，但丧失了转向能力。

2）当φ<φ0时：制动时总是后轮先抱死，这时容易发生后轴侧滑而使汽车失去方向稳定性。

3）当φ<φ0时：制动时汽车前、后轮同时抱死，可以避免后轴侧滑，但丧失转向能力，较之前两种工况，附着条件利用情况较好。

为了防止汽车的前轮失去转向能力和后轮产生侧滑，希望在制动过程中，在即将出现车轮抱死但尚无任何车轮抱死时的制动减速度，为该车可能产生的最高减速度。越野汽车常采用较高的同步附着系数。这样，即使在很低的附着系数路面上制动，也不会发生后轴侧滑;且在高附着系数路面上制动时，制动系效率较高。再结合上述分析，制动系统计算过程中同步附着系数确定为满载时φ0=0.7。

2.3 制动力与制动力分配系数

在汽车制动时，若忽略路面对车轮滚动阻力偶矩和减速时的惯性力、惯性力偶矩，车轮所受力可分为地面制动力Fxb、制动器制动力Fu和附着力Fφ。

对任一角度ω>0的车轮，其力矩平衡方程为：

Tμ-Fxbre=0                                    （1）

式中： Tμ—制动器对车轮的制动力矩，其方向与车轮旋转方向相反，N?m。

Fxb—地面制动力，其方向与汽车行驶方向相反。

re—车轮有效半径：

Fμ=Tμ/re                                      （2）

Fμ称为制动器制动力，它是在轮胎周缘克服制动器摩擦力矩所需的力，其与地面制动力Fxb的方向相反，当车轮角速度ω>0时，大小相等，且Fμ仅由制动器结构参数决定，其与制动踏板力即制动系的气压成正比。当加大踏板力以加大Tμ，Fμ和Fxb均随之增大。但地面制动力Fxb受附着条件的限制，其值不可能大于附着力Fφ，即Fxb≤Fφ=Fzφ或最大地面制动力Fxbmax为：

Fxbmax=Fzφ                                    （3）

当制动器制动力Fμ和地面制动力Fxb达到附着力Fφ时，转动的车轮即被抱死并滑移。此后制动器制动力矩Tμ变为静摩擦力矩，而 Fμ=Tμ/re即成為与Fxb相平衡以阻止车轮旋转的周缘力的极限值。当ω=0后，地面制动力Fxb达到附着力Fφ后不再增大，而制动器制动力Fμ由于踏板力FP的增大而继续上升，如图3所示：

由上述分析可知，汽车的地面制动力首先取决于制动器制动力，但同时又受地面附着条件的限制，所以只有汽车具有足够的制动器制动力，同时地面又能提供高的附着力时，才能获得足够的地面制动力。

根据汽车制动时的整车受力情况，考虑到制动时的轴荷转移，可求得地面对前、后车轮的法向反作用力Fz1，Fz2为：

（4）

式中：

G—汽车所受重力，N;

L—汽车轴距，mm;

a—汽车质心离前轴距离，mm;

b—汽车质心离后轴距离，mm;

hg—汽车质心高度，mm;

g—重力加速度;m/s2;

—汽车制动减速度，m/s2;

汽车总的地面制动力为：

（5）

式中： —制动强度，或称比减速度或比制动力。

由以上两式可知，前、后桥的附着力Fφ1，Fφ2为：

（6）

目前大多数汽车尤其是货车的前、后制动器制动力之比值为一定值，并以前制动器制动力Fμ1与汽车总制动器制动力Fμ之比来表明分配的比例，称为制动器制动力的分配系数β。又由于在附着条件所限定的范围内，地面制动力在数值上等于相应的制动周缘力，故β又可通称为制动力分配系数。

（7）

根据已选定的同步附着系数φ0，得满载时β：

（8）

2.4 利用附着系数与制动效率

汽车以一定减速度制动时，除去制动强度z=φ0以外，不发生车轮抱死所要求的地面附着系数总大于其制动强度。为了定量的说明这一点，引进利用附着系数ki和制动效率Ei。

（9）

（10）

根据GB 12676规定：所有车辆在k值处于0.2与0.8之间时的制动强度应满足z≥0.1+0.85（k-0.2）;在车辆所有载荷状态下，后轴的利用附着系数曲线不应位于前轴之上;但是，当制动强度在0.15-0.30之间时，如各轴的利用附着系数曲线位于由方程k=z±0.08所确定的两条平行的理想利用附着系数之间，且后轴利用附着系数曲线在制动强度不小于0.3时满足z≥0.3+0.74（k-0.38）关系，即可认为满足条件。下边分别求出前轮或后轮提前抱死时，前轴和后轴的利用附着系数和制动效率。

（11）

（12）

（13）

计算结果绘图如图4和图5所示，从图中可以看出符合法规。

3 结论

气压制动系统操纵轻便，工作可靠，制动效果好，而且其气源除供制动用外，还可以供其他装置使用，因而广泛运用在重卡上。

通过理论计算，采用气压制动系统的该越野汽车制动完全满足要求。而且经过市场验证，反馈气压制动性能也非常好。

参考文献

[1] 王望予.汽车设计（第四版）[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2] 余志生.汽车理论（第三版）[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3] 陈家瑞.汽车构造（第五版）[M].北京：人民交通出版社，2005.