第五章 轮式机械的制动性

第五章轮式机械的制动性轮式机械行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向稳定性和下坡时能维持一定车速的能力称为轮式机械的制动性。轮式机械的制动性是轮式机械的重要性能之一。若机械具有良好的动力性而缺乏可靠的制动性，则再优良的动力性也不能发挥，而且制动性直接关系到行车安全和运输生产率，重大行车事故约40%与制动距离长、制动时侧滑等情况有关，只有在轮式机械具有良好的制动性能时，才能在保证安全的前提下提高车速，充分发挥其动力性，获得较高的生产率。第一节制动性的评价指标轮式机械的制动性主要由下列三方面来评价：1、制动效能：包括制动距离、制动减速度与制动力。制动效能是指在良好路面上，机械以一定的初速度制动到停车的制动距离或制动时的减速度。它是制动性能最基本的评价指标。2、制动效能的恒定性：包括抵制制动效能的热衰退性能及水衰退性能；车辆在高速时或下常坡连续制动时制动效能保持的程度，因为制动过程是将机械行驶的动能通过制动器吸收转化为热能，而制动器温度升高后，是否能保持冷状态时的制动效能为其热衰退性能。此外，轮式机械涉水行驶后制动器还存在水衰退问题。3、制动时轮式机械的方向稳定性：制动时机械按照驾驶员给定的方向行驶的能力，即不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力的性能。第二节制动时车轮受力分析轮式机械受到与行驶方向相反的外力时，才能降低车速或停车，这个外力是由地面和空气提供的，但由于空气阻力较小，所以实际上外力是由地面提供的，称之为地面制动力。地面制动力愈大，制动减速度愈大，制动距离也愈短，所以地面制动力对轮式机械制动性具有决定性的作用。一、地面制动力行驶中制动系对机械施加制动力，使其车速降低，直至停车，制动系中重要的部分是制动器，绝大多数采用机械摩擦式，可分为蹄式、盘式和带式三种，轮式机械多采用蹄式制动器作为行车制动。制动时踩下踏板1，活塞3在推杆2的作用下使制动总泵4中产生高压油，经油管5推动分泵6中的两个活塞使制动蹄10绕支承销12旋转而向外张开，将摩擦片9紧压在制动鼓13上产生摩擦力矩，其方向与车轮旋转方向相反，试图“抱死”车轮不让其旋转。由于车轮与地面间有附着作用，车轮对地面产生一个向前的切向力，同时地面给车轮一个反作用力Fxb，正是这个力阻止车轮向前运动，称其为地面制动力，地面制动力Fxb越大则车的减速度也越大。当松开踏板1时，在复位弹簧的作用下，使两制动蹄回位，摩擦力矩消失，地面制动力Fxb也消失，制动解除。显然，地面制动力Fxb并不仅仅取决于制动力矩，还取决用于轮胎与地面的附着条件，即：。车轮对地面的垂直载荷—数；车轮与地面间的附着系—式中：WWFxb下图表示了在良好路面上轮式机械制动时车轮的受力情况。Mμ是车轮制动器产生的摩擦力矩(N·m)；Fxb是地面制动力(N)；W为车轮垂直载荷，Fp是车桥对车轮的推力、Fz为地面对车轮的法向反作用力，它们的单位均为N。由力矩平衡得：车轮半径。—式中：rNrMFxb地面制动力的大小取决于制动器内制动摩擦片与制动鼓或制动盘间的摩擦力，以及轮胎与地面的摩擦力——附着力。二、制动器制动力定义：在轮胎周缘克服制动器摩擦力所需的力称为制动器制动力，以符号Fμ表示，它相当于把车轮悬空，并踩住制动踏板时，在轮胎周缘沿切线方向转动车轮所需的力。车轮半径。—；制动器的制动力矩，—式中：rmNMNrMF制动器的制动力取决于制动器的型式、结构尺寸、制动器摩擦副的摩擦系数、车轮半径以及制动系的液压或气压，当结构参数一定时，它一般与制动踏板力、制动系的液压或气压成正比。三、地面制动力、制动器制动力、附着力之间的关系在制动时，车轮的运动有滚动与抱死拖滑两种情况，当制动踏板力较小时，制动器摩擦力矩不大，地面与轮胎间的摩擦力即地面制动力，足以克服制动器摩擦力。此时地面的制动力等于制动器制动力，是随踏板力的增长成正比地增长(见下图)。但地面制动力是滑动摩擦的约束反力，其数值不能超过附着力。即：WFWFxbxbmax或：当制动器踏板力或制动系压力上升到某一值(上图中为制动系液压力Pa)、地面制动力Fxb达到附着力时，车轮抱死不转而出现拖滑现象。制动系液压力大于Pa时，制动器制动力Fμ由于制动器摩擦力矩的增长而仍按直线关系继续上升。但作用在车轮上的法向载荷为常数，地面制动力Fxb达到附着力的值后就不再增加。由此可见，轮式机械的地面制动力首先取决于制动器制动力，同时又受地面附着条件限制。所以只有足够的制动器制动力，同时地面又能提供大的附着力时才能获得足够的地面制动力。四、硬质路面上的附着系数：1、制动过程分析：上面分析制动力时，曾假设附着系数在制动过程中是常数，但实际上附着系数与车轮的运动状况即其滑动程度有关。仔细观察轮式机械制动过程，发现轮胎留在地面上的印痕从车轮滚动到抱死拖滑是一个渐变的过程，如下图所示，在这个过程中附着系数有很大变化。观察下图，印痕基本上可分三段：第一段内，印痕的形状与轮胎胎面花纹基本上一致，车轮接近于纯滚动：车轮的角速度。—；车轮的滚动半径，—；车轮中心的速度，—式中：wrwwrwmrsmVrV00/第二段内，轮胎花纹的印痕可以辨别出来，但花纹逐渐模糊，车轮不是单纯的滚动。胎面与地面发生一定程度的相对滑动，即车轮处于边滚边滑的状态，此时车轮轮心的速度为：大。加，滑动成分的比例越而且随着制动强度的增wrwrV0第三段形成一条粗黑的印痕，车轮被制动器抱住，在路面上作完全的拖滑。此时ωw＝0。从这三段印痕变化情况可以看出，随着制动强度的增加，车轮滚动成分越来越少，而滑动成分越来越多。一般用滑动率S说明滑动成分的多少：%1000wwrwVrVS。）车轮边滚边滑时：（，滑动率车轮纯拖滑时：，滑动率）车轮纯滚动时：（%01003%;0100)2(;010SSSrVwwrw滑动率S的数值说明了车轮运动中滑动成分所占比例，滑动率越大，滑动成分越多。制动力系数φb：制动过程中，制动力与垂直载荷之比，即制动过程中的附着系数。制动过程中，在不同滑动率时制动力系数φb的数值也不同。下图给出了试验所得的制动力系数曲线。OA段近似于直线，φb随S的增加而迅速增大。过A点后φb上升缓慢，至B点φb达到最大值。此后，滑动率再增加，制动力系数有所下降，直至滑动率为100％。制动力系数的最大值称为峰值附着系数φp。φp一般出现在S＝15％~20％。滑动率S＝100％的制动力系数称为滑动附着系数φs。在干燥路面上φs与φp的差别较小，而在湿路面上差别较大。上图是在轮胎没有受到侧向力条件下测得的，而下图给出了有侧向力作用而发生侧偏时的制动力系数、侧向力系数与滑动率的关系曲线。侧向力系数为侧向力与垂直载荷之比，也称为侧向附着系数。曲线表明，滑动率愈低，同一侧偏角条件下的侧向力系数愈大，即轮胎保持转向、防止侧滑的能力愈大。所以，制动时若能使滑动率保持在较低值，便可获得较大的制动力系数与较高的侧向力系数，此时的制动性能最好，侧向稳定性也很好。一般制动系的轮式机械是无法做到这一点的。车轮自动防抱装置能满足这个要求，它可显著地改善轮式机械的制动效能与方向稳定性。第三节轮式机械的制动效能评定制动效能的指标是制动距离S和制动减速度。一、制动距离1、定义:指轮式机械速度为v0时，从驾驶员踩着制动踏板开始到轮式机械停住为止所驶过的距离。制动距离与制动踏板力以及路面附着条件有关，测试制动距离时应对踏板力或制动系压力以及路面附着系数作出一定规定。制动距离与制动器的状况也有密切的关系，若无特殊说明，一般制动距离是在冷试验条件下测得的，开始制动时制动器的温度在100度以下。由于各种机械的动力性不同，对制动效能的要求也不同：一般轻型运输车行驶车速高，要求制动效能也高；重型运输车行驶车速低，对制动效能的要求就低一点。如我国交通管理部门规定：车速在30km/h时，轻型货车的制动距离为7m以下，中型货车不大于8m，重型货车不大于12m，而轿车应在6m以下。1、制动过程分析：下面是在附着系数φ值不变的条件下，对制动距离作一粗略的定量分析，以研究各种因素对制动距离的影响。为了分析制动距离，需要对制动过程有一全面了解。下图是实际测得的制动踏板力、制动时间的关系曲线。实际测得的制动踏板力、制动时间的关系曲线下图是经过简化后的曲线。（1）τ1：驾驶员接到紧急停车信号时，并没有立即行动，而需要经过时间τ1′后才意识到应用紧急制动，并移动右脚，再经过τ1″时间后才至制动踏板，这段时间称为驾驶员反应时间，其长短约0.6~0.8s，这段时间内车辆以v0的初速度作等速运动；（2）τ2：b点后随着驾驶员踏下制动踏板，踏板力迅速增大，到d点达到最大值，τ2又分为两部分：τ2′：制动系反应时间，用于克服制动系机械传动部分的间隙、克服制动蹄与制动毂的间隙、克服制动蹄回位弹簧的弹力等，τ2′时间内车辆的减速度为0，仍作等速运动；τ2″：制动力由零增加到稳定值，故制动减速度由零增至稳定值所经历的时间。τ2称为制动系协调时间，其大小一方面取决于驾驶员踩踏板的速度，另一方面受制动器结构形式的影响，τ2约0.2~0.9s。（3）τ3：以稳定制动减速度制动的时间。（4）τ4：从开始放松制动踏板的瞬时起，到制动力完全消除，制动减速度为零所经历的时间，称为完全释放时间，一般为0.2~1s。从以上分析可知，制动过程分为（1）驾驶员见到信号后做出的行动反应；（2）制动器起作用时间；（3）持续制动时间；（4）制动解除时间。一般制动距离是指开始踩着踏板到完全停车的距离，它包括制动器起作用时间和持续制动时间两个阶段。２、公式推导kmjVVShkmjjjVVSSSSjVjVSjjVSVVS，，则有：换为项，并将车速的单位变值很小，可略去）总制动距离为：（为零。作匀减速运动，末速度段，机械以时间内，为持续制动阶（３）在运动，时间内，为变减速直线）在（为起始制动车速；，时间内，）在（３max2002222max222maxmax2002222max20max20max22max20202029.5226.31/242422482261213232从上式可以看出，决定轮式机械制动距离的主要因素是：制动器起作用时间、最大制动减速度(附着力或最大制动器制动力)、制动的起始车速等。附着力(或制动器制动力)愈大，起始车速愈低，制动距离则愈短。其中的制动器起作用时间对制动距离的影响较大，制动器的起作用时间与制动系的结构型式有密切关系。当驾驶员急速踩下制动踏板时，液压制动系的制动器起作用时间可短到0.1s；真空助力制动系和气压制动系起作用时间0.3~0.9s。二、制动减速度：制动减速度反映了地面制动力，因此它与制动器制动力(车轮滚动时)及附着力(车轮抱死拖滑时)有关。一般认为，在不同路面上制动时制动到车轮抱死状态时具有最大的地面制动力，因而产生最大的制动减速度，这时车轮在路面上拖滑，留下黑色的拖印。在平直路面上，当所有车轮都抱死时，车辆的地面制动力为：mgGFFzxbmax由于制动时空气阻力相对较小，可忽略不计，有牛顿第二定律得：gjmgmjFxbmaxmaxmax上式表明，若制动器制动力足够大，能使所有的车轮都能抱死，则产生的最大制动减速度与附着系数成正比，与车辆的总质量无关。三、改善制动效能的措施：改善制动效能主要从增大制动器制动力和缩短制动器协调时间入手。１、增大制动器制动力：制动器制动力的大小主要取决于制动系的设计参数，提高制动器制动力要求增加制动器内部摩擦副的摩擦力，如制动蹄与制动毂结合面大且制动蹄两端结合较重，可采用制动蹄摩擦面圆弧半径略大于制动毂内径以及合理调整制动蹄与制动毂的间隙的方法达到此要求；应保持摩擦表面较高的摩擦系数；提高制动系的油压或气压，增大制动蹄对毂的压紧力。２、缩短协调时间：可减少制动系机械部分的质量，适当减少制动踏板的自由行程，保持管路畅