农用车制动系统的常见故障分析与改进

2010-03-16王传青

装备制造技术 2010年11期

朱颜，王传青

（聊城大学汽车与交通工程学院，山东聊城 252059）

我国是一个农业大国，随着国家“三农”政策的实施，农用车担负着农村经济增长的重任，是实现农村经济增长的主力军。我国的农用车保有量已超过200万辆，居世界第一，而且还以每年5％的速度增长[1]。农用车常常是用于工地、山区等路况较差的三级公路以下或自修土路的运输设备，其运行环境复杂，工作条件恶劣。在现实应用过程中，农用车的事故发生率很高，很大程度上其主要原因是制动系统的制动性能差造成的，因此对其制动系统使用可靠性要求很高。

文献[2～4]从不同角度，对农用车的制动系统作了一定的研究。本文进行了农用车制动系统常见故障分析，根据温度、滑移率等因素对制动性能的影响，对农用车制动系统从结构上提出了数种改进方案，对提高农用车的制动性能的研究，有一定的参考价值。

1 农用车制动系统常见故障分析

1.1 下长坡时制动踏板发软，制动性能降低

因为制动过程的实质，是把汽车的动能通过制动器吸收转化为热能，制动过程中温度不断升高，制动器摩擦系数下降，制动器摩擦力矩减小，从而使制动性能降低。BF（制动器因数）对f（摩擦系数）的敏感性由制动器的敏感度（dBF/df）来衡量。摩擦系数f除决定于摩擦副材料外，还与摩擦副表面的温度有关。制动时摩擦生热，因而温度是经常起作用的因素，通过热衰退试验表明，多次重复地紧急制动，可导致制动器因数值减小50％，而下长坡时的连续制动，会使该值降至正常值的30％。

1.2 制动时后轮侧滑

这里用u表示车轮中心的速度，w表示车轮的角速度，r表示车轮半径，则滑移率为

由此可知，当滑移率为0时，横向附着系数μ最大；随滑移率的增大，横向附着系数减小，当滑移率达到100％时，横向附着系数为0。制动时若受到侧向干扰力，则会发生侧滑。制动惯性力与侧向干扰力的合力，将与车辆纵轴成一定的角度β，侧向干扰力必须用车轮上的等值侧向力来平衡，因为后轮已经抱死，所以侧向力实际上只能作用在前轮上，使车轮绕铅垂轴旋转，并使β角增大，使得车辆回转趋势增大，处于不稳定的状态。

2 制动系统的改进

2.1 制动器加冷却系统

分析上述第一种情况，下长坡时感到制动踏板发软，制动性能降低的常见故障。大多数农用车前轴分配的载荷占总载荷的38.8％，后轴占61.2％。对行驶在平原地区的小功率农用车，现广泛采用后轮制动的方式，制动器因制动蹄与制动鼓之间密封，空气不流通，不利于散热，下长坡时的频繁制动，可使制动器摩擦副的温度达300～400℃，有时甚至高达700℃。温度的迅速升高，使得制动摩擦副的摩擦系数会急剧减小，各种摩擦材料摩擦系数的稳定值约为0.3～0.5，少数可达0.7。通过试验得知，当试验温度在250℃时，摩擦系数为0.15～0.7。极易造成因过热使制动性能下降，或造成制动失灵等严重后果。

为了避免这一现象的发生，可加装一套冷却循环装置，包括水泵、水箱、胶管（胶管具有一定的磨损性能，由于具有一定的弯曲性，胶管起到了密封性好、弯曲性好、耐磨损、寿命长、连接牢固可靠的作用，而且还具有一定的活动余量，如图1）。在制动蹄支承压板靠近半轴壳的一侧，设置水箱和水泵。水箱大小可设计成50mm×50mm×50mm的容积。水泵的电动机可采用电池提供能量的小型电动机。制动蹄支承压板不可转动，属于固定元件。因此装在上面的水泵和水箱也不转动。在摩擦片和制动蹄之间，事先加工出能供胶管通过的凹槽，将胶管放在凹槽内，再将摩擦片铆接在制动蹄上。水泵安装在水箱旁边，经胶管将水泵与水箱连成一体。冷却液经水泵胶管水箱循环动鼓之间有一定的间隙，制动蹄的上面有一滑块在制动缸里面上下运动，滑块上面用连杆连接在曲轴上。曲轴的外面有偏心轮。偏心轮的下面，经传动装置将制动踏板的力传到制动器。制动踏板的直线运动，经偏心轮转化为滑块的往复运动。制动时，滑块将制动蹄紧紧地压在制动鼓上起制动作用。解除制动时，制动蹄在弹簧的弹力作用下回位，制动踏板在弹簧的弹力下回位。这样可以利用空气进行冷却，大大提高了制动器的制动性能。另外，制动器暴露在外面，且制动蹄与摩擦片上钻些小孔，不但大大提高了冷却效果，而且还增加了当农用车行驶在雨天制动时，将水排出制动器增加制动性能的能力。一周，带走制动器的热量，降低温度，提高摩擦系数。由于水泵所需的动力较小，且不是一直工作。因此采用电池作为动力源，可随时控制电动机运转，而且起到节约能源的作用。

图1 制动系统冷却装置

2.2 制动器改为外束式

鼓式制动器的散热性要差许多。当温度升高时，制动器的制动力稳定性差，在不同路面上，制动力变化很大，不易于控制。而由于散热性能差，在制动过程中会聚集大量的热量。制动块和轮鼓在高温影响下，较易发生极为复杂的变形，容易产生制动衰退和振抖现象，引起制动效率下降。另外，鼓式制动器在使用一段时间后，要定期调校制动蹄的间隙，甚至要把整个制动鼓拆出，清理累积在内的刹车粉。

为了提高农用车的散热效果，同时为了提高制动系统维护的简便性，将制动器改为外束式（如图2），将制动蹄承压板靠近半轴壳的一侧加工出直径Φ250～300mm，宽度为100mm的凸缘，凸缘的外表面有定位凸台。将制动底板固定在半轴壳上，摩擦片铆接在制动蹄的内侧，两个制动蹄在拉伸弹簧的作用下，将制动蹄拉伸到一定的位置，并保持制动蹄与制

图2 机械式外束式制动系统

2.3 防抱死制动系统

为提高制动性能，可根据ABS的工作原理，改进农用车的制动系统。根据前面分析，农用车完全抱死时，其滑移率为100％，这大大增加了制动距离和制动时间，降低了制动性能。如果将滑移率控制在一定的范围内，就可以缩短制动距离和制动时间，提高制动性能。只要能控制轮胎的滑移率，就可模仿ABS的工作模式。

改进方法如图3所示，在原液压鼓式制动器的基础上，在制动鼓内部加工出一道宽6mm、深3mm的凹槽（见图3），相应的在制动蹄的一侧，加工出一道宽5mm、高2mm的凸缘（见图3），凹槽的内表面和凸缘的外表面加工出如图3所示的齿形结构。这样，制动时凸缘上齿的顶端与凹槽上齿的顶端相接触，制动蹄压缩制动轮缸的活塞，使其向里运动，制动蹄上的摩擦片便与制动鼓分离，轮胎处于滚动状态。随着轮胎的旋转，两齿的顶端开始分离。制动轮缸的活塞，将制动蹄推向制动鼓，制动器的摩擦力增大，滑移率随之增加。随着轮胎的旋转，另外两齿又开始接触，制动器的摩擦力开始减小，滑移率又开始升高。如此往复循环，直到农用车停驶时为止。

图3 改进的液压鼓式制动器

这种制动方式，可以克服轮胎抱死时制动力降低的缺点，还可以减少轮胎的磨损。同时横向附着系数保持在一定值，可以克服侧向干扰力的不良影响，对由于制动引起的侧滑，起到很好的作用，提高了制动时的方向稳定性。如图3所示，即使农用车倒车时，制动器也可以如前述一样，控制农用车的滑移率，使其工作在一定的范围内，使路面附着系数最大，从而使制动性能达到最大。无论是前进还是后退，制动器都能把滑移率控制在一定的范围内，使制动性能保持在最大状态。