拖拉机制动器的结构优化设计和制动性能分析

魏国俊 王 堰 肖茂华

(1.江苏省农业机械试验鉴定站，江苏 南京 210017；2.南京农业大学工学院，江苏 南京 210031)

1 拖拉机制动器性能分析计算

1.1 车轮制动力

设制动器制动力为Ff，地面的制动力为FD，地面的附着力为Fφ，角速度为w。Ff与FD方向相反，当车轮还未抱死的时候，两个制动力大小是相等的，小于等于附着力，当制动器制动力和地面制动力到达路面的附着力时，车轮抱死，开始在地面上滑移，制动力会随着踏板力的增大而增大。

(1)

图1 制动力与附着力关系

1.2 整车受力分析

根据公式汽车的总的地面制动力为

(2)

对于极大多数的两轴拖拉机来说，前后车轮制动器的制动力比值是一个定值，可以将前车轮制动器制动力Ff与汽车受到的总的制动力Ff的比值来表示前后车轮的分配系数，用β来表示，又可以称为汽车制动器制动力分配系数，用公式表示为

由于前后车轮抱死，因此可以得到

FD=Fφ=Gβ

Ff1=FD1=φZ1

Ff2=FD2=φZ2

Z1，Z2分别是地面对前后车轴的法向反力，根据公式可得，在附着系数φ是任意值的路面上制动的时候，前后轴的附着力，也就是极限制动力并不是一个定值，而是制动强度q的函数。当拖拉机前后轴车轮制动力足够的时候，制动过程中可能会出现3种情况：

(1)前轮先抱死，然后后轮再抱死。

(2)后轮先抱死，然后前轮再抱死。

(3)前后车轮同时抱死。

其中根据分析可以知道，第3种情况也就是同时抱死的状况附着条件利用率是最高的，根据公式可得在任意φ值的路面上，前后车轮同时抱死的条件是

Ff1+Ff2=FD1+FD2=φG

其中Ff1，Ff2分别是前后车轮的制动器制动力

FD1，FD2分别是前后车轮的地面制动力

L1，L2分别是前后车轴到质心的距离

hg是拖拉机质心的高度

1.3 制动强度

正常情况下的路面附着系数都很难与同步附着系数相等，很难出现同时抱死的情况，因此会出现下面几种情况。

(1)如果路面附着系数比同步附着系数小的时候，制动时受先抱死的车轮是前轮，这种情况下制动虽然比较稳定，但是丧失了转向能力。

(2)如果路面附着系数和同步附着系数相等的时候，前后轮会同时抱死，这时情况也较为稳定，但是同时也失去了转向能力。

(3)如果路面附着系数比同步附着系数大的时候，那么制动时首先抱死的车轮是后轮，这个时候容易发生后轮侧滑，发生安全问题。

1.4 制动力矩

在实际情况中，拖拉机遇到的道路条件会比较差，车速也会比较低，这时选的同步附着系数也比较小，所以为了能保证在φ>φ0的路面上制动时能够使前后轴车轮先抱死后滑移，前后车轮制动器在制动过程中所能产生的最大制动力矩为

re为车轮的有效半径，而对于经常遇到的道路条件比较好，车速相对比较高的车辆，同步附着re系数相对也比较大，这时为了保证拖拉机制动的稳定性，所以相应的极限制动强度q<φ，所以可以求得前后车轴的最大制动力矩如下

2 制动性能仿真

2.1 仿真模型建立

2.2.1 20 km/h初速度仿真

跟据换算可以知道，初速度为20 km/h时，制动盘的初始转速大约为530.94°/s，将初始角速度设置好，就可以开始仿真，通过仿真得到初速度为20 km/h的转速变化以及接触力的变化情况。

图2 20 km/h初速度转速随时间变化关系

图3 20 km/h初速度随接触力变化关系

2.2.2 40 km/h初速度仿真

图4 40 km/h初速度转速随时间变化关系

2.3 分析与优化

跟据以上情况下的仿真，发现制动力到达3000 N的0.5 s内，接触力基本线性变化，转速缓慢减小，当制动力达到3000 N时，接触力开始在3000 N附近做上下不规律的频繁的变化，这种力的频繁变化首先会导致制动盘与制动块之间产生疲劳破坏，但是在变化过程中，所能达到的极限接触力并不会随着制动初速的增大会引起显著地变大，但是当车轮抱死，也就是制动盘的转速降低为0的时候，这时候接触力的变化就会减弱很多，基本可以保持在3000 N。

随着初速度的变化，制动盘转速减小到0的时间也越长，而且接触疲劳的时间也变长，这代表着不仅制动距离会变化，而且制动盘与制动块的损坏也会因此变大，因此在选取制动盘与制动块材料时，不仅要考虑到需用的接触应力要比变化的极限最大应力要大，而且还要保证该材料的疲劳强度也能保证在制动时频发的接触力变化下保持稳定的减速度。如果能够提高材料之间的动摩擦系数，这样可以缩短车轮抱死的时间，也就意味着制动盘与制动块的力的波动时间变短了，也从另一个角度保护了制动盘不受到接触疲劳破坏。

3 结语

本文通过分析，选择了目前大型拖拉机中主流使用的盘式制动器并且分析了优缺点，计算了拖拉机在国家标准下需要的制动力与制动力矩以及分配系数等，以计算结果为标准，建立了盘式制动器的模型，选取了比较符合计算结果的结果参数，将建模导入，通过Adams仿真软件对制动器进行了基本的制动性能仿真，根据仿真结果提出了优化方案。