汽车制动储液罐最低容积设计

蒋大伟

（安徽江淮汽车股份有限公司，合肥 230601）

1 影响储液罐最低容积的因素

采用液压制动系统的车辆需要在车辆上设计存储制动液的容器——制动储液罐，以便在需要时为回路补充制动液[1-2]。按照法规要求，储液罐中应有报警装置，在液面下降到可能导致制动系统失效时，报警装置发出声、光等信号，提醒驾驶者检查并及时向储液罐中补充制动液。报警装置工作时的液面称为储液罐的报警液面，即储液罐最低液面，对应的容积就是储液罐的最低容积。由于储液罐的最低容积与行车安全直接相关，所以储液罐最低容积设计是整车制动系统开发中的一项重要工作，其主要影响因素有：

1）磨损因素。制动器的摩擦衬片/衬块从全新状态使用到完全磨损状态，以及制动盘/鼓使用到最大许可磨损尺寸时，制动系统回路中液体的体积将增加[3]。图1为液压回路在摩擦衬片/衬块出现磨损后（如图中虚线所示）导致回路容积增加，从而储液罐液面下降的示意图。

2）变形因素。实际应用中，除了要考虑摩擦衬片/衬块与制动盘/鼓的磨损因素外，储液罐最低容积设计还要考虑以下变形因素的影响：

①制动器（钳）工作变形[4]：制动过程中，回路中的液压使制动器（钳）总成发生一定变形，这种变形会导致回路容积有一定增加。

②摩擦衬片/衬块压缩变形[5]：制动过程中，回路中的液压使摩擦衬片/衬块发生一定压缩变形，这种变形也会导致回路容积有一定增加。

③制动软管膨胀变形[6-7]：制动过程中，回路中的液压使制动软管发生一定膨胀变形，这种变形对导致回路容积增加也有贡献。

2 水平路面储液罐最低容积

下面以某车型为例，对其储液罐最低容积进行计算。该车型采用X型[8]液压回路布置（即左前制动器与右后制动器组成一个回路，右前制动器与左后制动器组成一个回路），前、后制动器均采用盘式制动器[9]。主要参数如表1所示。

表1 某车型主要参数

1）摩擦块完全磨损、制动盘达到最大许可磨损时，导致回路中增加的容积V1。对于单个制动器，出现摩擦块完全磨损、制动盘达到最大许可磨损时，回路中增加的容积V1为

式中，△为摩擦块与制动盘的单侧间隙；t1为摩擦块单侧完全磨损厚度；t2为制动盘单侧最大许可磨损量。

根据设计要求，该车型前、后制动器的摩擦块与制动盘单侧间隙均为0.2 mm；前摩擦块单侧极限磨损厚度为8.5 mm，前制动盘单侧最大许可磨损量为1.8 mm；后摩擦块单侧极限磨损厚度为7.5 mm，后制动盘单侧最大许可磨损量为0.8 mm[10]。将以上数据代入式（1），则对于第一回路:

由于左、右制动器为对称设计，因此，对于第二回路：

2）制动器（钳）所需液量导致回路中增加的容积V2。由于制动器（钳）总成变形、摩擦块压缩变形、制动软管膨胀变形等均与回路中的液压大小有关，为了计算其最大值，首先需要确定回路中的最大有效液压（所谓有效液压指地面制动力达到附着力时的临界液压），即要对汽车获得最大减速度时的工况进行分析计算。具体如下：

单轴制动器制动力F为

式中，p为回路液压。

式中，Fμf为前轴制动器制动力；Fμr为后轴制动器制动力。将表 1 数据代入式（2）、（3）得 β=0.625。

式中，L为轴距等于a+b，将表1数据和β值代入式（4）得 φ0=0.48。

根据文献[11]，地面制动力受路面附着条件的限制，只有路面能提供高的附着力时，才会产生足够的地面制动力。因此，假设汽车在附着系数φ为1.0的路面上制动，由于φ＞φ0，因此，后轮将先抱死。随着回路液压继续增加，当前轴达到抱死所需的地面制动力Fxbf时，前、后轮均抱死，汽车获得最大制动减速度为 1.0 g[10]，此时 Fxbf=Fμf，即

式中，p为汽车获得1.0 g最大减速度所需的回路液压，将表1数据代入式（5）得p=13.96 MPa。

显然，p=13.96 MPa就是回路中的最大有效液压，也符合“储液罐最低容积”定义中关于制动系统“完全作用”的表述。为了增加安全系数，根据文献[4]中所需液量试验条件，将制动器（钳）总成变形、摩擦块压缩变形、制动软管膨胀变形的测试液压提高到16 MPa。

对于第一回路：

V2=V2左前+V2右后=3.96+1.37=5.33 ml

由于左、右制动器为对称设计，因此，对于第二回路：V2=V2右前+V2左后=5.33 ml。

3）摩擦块压缩变形导致回路中增加的容积V3。表2为该车型制动器（钳）所需液量和前后摩擦块压缩变形量测试数据。

表2 制动器（钳）总成所需液量及摩擦块压缩变形量

对于单个制动器，摩擦块发生压缩变形时，回路中增加的容积V3为

将表2中的0.12代入式（6），对于第一回路：

由于左、右制动器为对称设计，因此，对于第二回路：V3=V3右前+V3左后=1.56 ml

4）制动软管膨胀导致回路中增加的容积V4。该车型第一回路中使用的制动软管长度为0.851 m，第二回路中使用的制动管软长度为0.582 m。

该车型使用软管为同一规格产品，在16 MPa时测试的软管膨胀率为0.89 ml/m，因此，对于第一回路：V4=0.851×0.89=0.76 ml;对于第二回路：V4=0.582×0.89=0.52 ml

综上，汽车在水平路面上行驶时，第一回路所需的储液罐最低容积为

第二回路所需的储液罐最低容积为

3 最大爬坡度路面储液罐最低容积

图2为汽车在水平路面上和最大爬坡度路面上行驶时储液罐液面高度示意图。假设储液罐的最低容积为Vmin，储液罐截面积为S，则最低液面高度h1为h1=Vmin/S。

显然过储液罐出油口中心点的虚线以下部分的容积V′在坡度上无法被利用，V′称作无效利用容积；为了保证汽车在最大爬坡度路面上行驶时可利用的制动液容积满足最低容积要求，则要求虚线以上部分的容积V″等于汽车在水平路面上行驶时所需的储液罐最低容积Vmin，V″称作有效利用容积，此时，储液罐中的总容积V为V=V′+V″

换算成水平路面上的液面高度h2为

因此，h2才是储液罐最终设计的最低液面，对应的容积就是储液罐应有的最低容积。

4 结论

本文对影响制动储液罐最低容积的因素进行了分析，并通过实例对最低容积进行了计算，得到以下结论：

1）摩擦衬片/衬块和制动盘/鼓的磨损量是影响储液罐最低容积的主要因素。

2）储液罐的最低容积应等于车辆在最大爬坡度路面上行驶时的有效利用容积和无效利用容积之和。

[1]吉林大学汽车工程系.汽车构造（第5版）[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2]《汽车工程手册》编辑委员会.汽车工程手册：设计篇[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]GB 21670-2008，乘用车制动系统技术要求及试验方法[S].北京：中国标准出版社，2008.

[4]QC/T 592-1999，轿车制动钳总成性能要求及台架试验方法[S].

[5]GB 5763-2008，汽车用制动器衬片[S].北京：中国标准出版社，2008.

[6]GB 16897-2010，制动软管的结构、性能要求及试验方法[S].北京：中国标准出版社，2010.

[7]马少民，蔡晓娟.城市客车制动管路结冰问题的研究[J].客车技术与研究，2011，（1）：18-20.

[8]刘惟信.汽车设计[M].北京：清华大学出版社，2001.

[9]刘田.汽车制动器性能控制方法[J].四川兵工学报，2010，（4）：64-68.

[10]童成前.汽车抽动器与整车匹配设计方法研究[J].公路与汽运，2010，（6）

[11]余志生.汽车理论（第5版）[M].北京：机械工业出版社，2010.