輕型車輛鼓式中央制動(dòng)器研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

楊生建

摘? ?要： 輕卡、微卡等車輛技術(shù)快速發(fā)展，對輕型車輛鼓式中央制動(dòng)器的駐車制動(dòng)性能提出了更高的要求。對現(xiàn)有制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式、安裝特點(diǎn)等進(jìn)行分析，表明其存在三大主要問題：內(nèi)部結(jié)構(gòu)過于緊湊，生產(chǎn)組裝工序繁瑣;結(jié)構(gòu)連接不牢固，制動(dòng)力傳遞受限;剎塊加工工藝落后，特性尚待深入挖掘。據(jù)此，提出針對性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案：簡化制動(dòng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高操作人員安裝便捷性;板材成形一體化，提高系統(tǒng)整體穩(wěn)定性;參照實(shí)際駐車制動(dòng)狀態(tài)對剎塊外圓進(jìn)行加工，提高剎塊與制動(dòng)轂接觸面積。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，制動(dòng)性能提升20%左右，有助于推進(jìn)變速箱制動(dòng)器的智能化、批量化組裝，以及產(chǎn)品性能提升。

關(guān)鍵詞： 輕型車輛;鼓式中央制動(dòng)器;駐車制動(dòng);剎塊;駐車安全;市場競爭力

引言

隨著輕卡、微卡等車輛的優(yōu)勢不斷提升，保有量迅猛增加，輕型車輛鼓式中央制動(dòng)器（以下簡稱“制動(dòng)器”）的市場需求量也在不斷擴(kuò)大[1-2]。然而，在實(shí)際使用中，這些車輛在道路上出現(xiàn)溜車、追尾、刮蹭等現(xiàn)象，使得人身傷害事故時(shí)有發(fā)生，因此良好的車輛駐車制動(dòng)性能顯得尤為重要[3]。

從技術(shù)層面看，制動(dòng)器與變速箱相互連接組裝時(shí)工序繁瑣，制動(dòng)器的關(guān)鍵加工工序還一直沿用傳統(tǒng)的工藝形式，不僅影響生產(chǎn)效率，也難以達(dá)到理想的駐車制動(dòng)性能。為適應(yīng)現(xiàn)代智能制造水平和提高產(chǎn)品競爭力，制動(dòng)器產(chǎn)品需要進(jìn)一步革新改良，以保持自身的專業(yè)化、科學(xué)化和市場化。

本文根據(jù)現(xiàn)有制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式、安裝特點(diǎn)，研究分析了制動(dòng)器的內(nèi)部構(gòu)造、剎塊受力特性和駐車制動(dòng)實(shí)際效果;提出了方便實(shí)際安裝、提高剎塊強(qiáng)度和增加制動(dòng)力矩的優(yōu)化方案，使制動(dòng)器更符合輕型車輛的現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)需求和安全駐車制動(dòng)要求。

1? 現(xiàn)有鼓式中央制動(dòng)器現(xiàn)狀調(diào)研

1.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)過于緊湊，連接安裝工序繁瑣

傳統(tǒng)制動(dòng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)過于緊湊，使得連接安裝工序繁瑣，還容易發(fā)生操作事故，影響生產(chǎn)的快節(jié)奏、高效化。由于安全的需要，當(dāng)前的輕卡、微卡駐車制動(dòng)系統(tǒng)均使用機(jī)械結(jié)構(gòu)的制動(dòng)器。制動(dòng)器為中小型，結(jié)構(gòu)相對簡單，左右剎塊通過兩根剎塊復(fù)位拉簧（以下簡稱“拉簧”）夾裝在一根支撐銷柱和凸輪軸兩邊。剎塊內(nèi)部的空間狹小，在安裝制動(dòng)底板時(shí)，剎塊、拉簧與固定螺桿相互干涉（圖1），不能一次性完成制動(dòng)器的安裝。

實(shí)際安裝需要三步：先將左右剎塊卸下（圖2），再將制動(dòng)底板固定安裝到變速箱上，最后將配套的剎塊安裝到制動(dòng)底板上。安裝過程中，由于剎塊與制動(dòng)底板之間空隙有限，因此拉簧的拉力較大，工人在安裝剎塊時(shí)容易將手指夾在剎塊與制動(dòng)底板之間，造成作業(yè)事故。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于制動(dòng)器安裝的特殊性，為提高生產(chǎn)效率，通常采用獨(dú)立的流水線操作，其中5～10臺(tái)變速箱一組，把組裝過程中卸下的剎塊再安裝到制動(dòng)底板時(shí)會(huì)引起相互混裝，造成制動(dòng)器同心度不良，誤差嚴(yán)重時(shí)還需要現(xiàn)場拆卸返工，這反而影響了生產(chǎn)進(jìn)度，總成組裝后也會(huì)影響到車輛的駐車制動(dòng)效果。隨著自動(dòng)化技術(shù)和智能制造技術(shù)的發(fā)展，這樣的密集型生產(chǎn)方式正在逐步被淘汰，新的、更適合現(xiàn)代化生產(chǎn)方式的制動(dòng)器呼之欲出。

1.2? 結(jié)構(gòu)連接不牢固，制動(dòng)力傳遞受限

制動(dòng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)不合理，使剎塊制動(dòng)力受到損失。由于行業(yè)發(fā)展低迷，金屬澆注業(yè)發(fā)展空間萎縮，再加上鑄鐵一體件在鑄造中存在密度不均勻穩(wěn)定、加工困難等因素，使得制造成本相對較高。為適合市場競爭需要，現(xiàn)有制動(dòng)器的剎塊骨架多數(shù)被由鑄鐵一體件改為板材焊接組合件。如圖3所示的焊接組合件，弧形蓋板和支撐半圓槽沒有與剎塊推板直接連接，整體性差，制動(dòng)時(shí)容易變形和松動(dòng)，降低駐車效果，存在安全隱患。結(jié)合圖2可知，板材焊接組合剎塊骨架由中部襯片連接，固定半圓槽片和剎塊推板，弧形蓋板焊接在中部襯片上，不與兩邊的半圓槽和剎塊推板相連，所有作用力和支撐力都通過中部襯片傳遞給弧形蓋片，蓋片上的摩擦片再實(shí)施駐車制動(dòng)行為。這種板材焊接組合型結(jié)構(gòu)存在缺陷，中部襯片傳遞力的范圍集中于蓋片狹長的中間部位，而蓋板承受的是弧形面上不確定、不平衡的反作用力，穩(wěn)固性差。這種結(jié)構(gòu)技術(shù)不夠成熟，支撐點(diǎn)、推力點(diǎn)和作用點(diǎn)三點(diǎn)沒有牢固連接，不能可靠地、剛性地傳遞制動(dòng)力，制動(dòng)性能無法到充分發(fā)揮。

1.3 剎塊加工工藝落后，特性尚待深入挖掘

剎塊的傳統(tǒng)加工工藝落后，已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)今車輛的高質(zhì)量駐車要求。隨著科技進(jìn)步和輕卡、微卡車輛的廣泛使用[4]，用戶對車輛性能的要求越來越高，行駛時(shí)的舒適性、駐車時(shí)的安全性等，都影響著車輛的市場競爭力。圖4所示是現(xiàn)有制動(dòng)器駐車前后的實(shí)際狀態(tài)，在剎塊加工中，以底板中間定位孔為基準(zhǔn)，將剎塊加工為整圓。理論上，剎塊安裝后自由狀態(tài)下與制動(dòng)轂單邊間隙為0.5～0.7 mm（圖4a），以保障車輛在行駛狀態(tài)下剎塊與制動(dòng)轂互不干涉，不會(huì)發(fā)生磨鼓發(fā)熱現(xiàn)象。駐車制動(dòng)時(shí)，左右剎塊在凸輪軸作用下以支撐銷柱為支點(diǎn)兩邊分開，剎住制動(dòng)轂，實(shí)現(xiàn)駐車制動(dòng)。在駐車狀態(tài)下，剎塊漲開，外圓呈橢圓狀（圖4b），剎塊中間區(qū)域與制動(dòng)轂接觸，四個(gè)角部位不與之接觸，制動(dòng)時(shí)的對偶接觸面積不超過70%，剎塊的摩擦材料沒有得到充分利用，外部施加的拉力也不能充分作用到車輛上，遇到緊急狀況需要駐車制動(dòng)時(shí)，達(dá)不到理想減速或剎車效果。如果存在組裝誤差，將影響同心度，使接觸面積小于50%，這時(shí)駐車制動(dòng)桿拉動(dòng)時(shí)，手感會(huì)變軟，制動(dòng)力損失，也會(huì)存在安全駐車隱患。在現(xiàn)實(shí)維修中，為獲得有效的駐車效果，通常會(huì)調(diào)整駐車制動(dòng)桿提拉的行程，將初始70%行程工作點(diǎn)調(diào)至80%左右[5]，但這又導(dǎo)致磨轂發(fā)熱、制動(dòng)器變形等情況發(fā)生，且剩下的20%有效制動(dòng)行程還是不能充分實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器的駐車性能，車輛的正常行駛狀態(tài)也受到影響。因此，需要求深入挖掘剎塊自身特性，滿足市場需要。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 減少制動(dòng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)干涉，提高安裝便捷性

鑒于制動(dòng)器內(nèi)部空間狹小，需要釋放空間，可通過減少元件和去除部分材料來達(dá)到理想、實(shí)用的效果[6]。圖5所示是釋放內(nèi)部空間后的制動(dòng)器結(jié)構(gòu)，把剎塊的一點(diǎn)支撐（圖1）改為兩點(diǎn)支撐，兩個(gè)支撐銷柱分別固定左右剎塊，通過限位連接板限位保護(hù)支撐銷柱。同時(shí)，省去原來支撐銷柱一邊的拉簧，由剎塊恢復(fù)凸輪軸一邊的拉簧作用即可。部分有干涉的部位在落料成形時(shí)可適當(dāng)去除，確保整體強(qiáng)度，使得中間部分相對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)空曠了許多。限位連接板既穩(wěn)固兩根支撐銷柱，又讓左右剎塊連成一體，加強(qiáng)了剎塊內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。如果在組裝中還存在干涉現(xiàn)象，可采用輔助工裝夾具撐開左右剎塊，騰出更多的空間，以便于操作人員快速安裝和固定制動(dòng)底板[7]。這種結(jié)構(gòu)的制動(dòng)器不需要拆裝剎塊，而是直接將制動(dòng)器安裝到變速箱上，既提高了生產(chǎn)效率，又穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量，也為自動(dòng)化和智能化生產(chǎn)提供了可行性保障。

2.2 板材成形一體化，提高系統(tǒng)整體穩(wěn)定性

由于板材焊接組合剎塊自身剛性強(qiáng)度存在設(shè)計(jì)缺陷，影響駐車性能，本文提出一種優(yōu)化的結(jié)構(gòu)方式。圖6a所示是現(xiàn)有制動(dòng)器的剎塊結(jié)構(gòu)，圖6b所示是優(yōu)化后的剎塊結(jié)構(gòu)。在優(yōu)化方案中，蓋板兩端向兩邊延伸，與支撐襯套和剎塊推板連成整體，延伸相接后，通過焊接固定，也可以通過板材成形做成一體件。蓋板上的摩擦材料通過推壓力實(shí)施制動(dòng)，推壓力是支撐襯套、剎塊推板、中部襯片和蓋板共同作用形成的，這樣的整體結(jié)構(gòu)推力更均勻、更平衡、更穩(wěn)定。連成整體的剎塊結(jié)構(gòu)牢靠，制動(dòng)時(shí)不會(huì)發(fā)生變形，剎塊的支撐更加穩(wěn)固，凸輪軸工作時(shí)產(chǎn)生的推力能夠高效地傳遞給摩擦材料，作用于制動(dòng)轂壁，獲得標(biāo)準(zhǔn)要求的制動(dòng)力矩[8]。由于駐車制動(dòng)有助于上坡起步和保證坡道停車，因此必須隨時(shí)保證其良好的技術(shù)狀況，發(fā)揮它的應(yīng)有效能[9]。這種優(yōu)化結(jié)構(gòu)既穩(wěn)固了剎塊骨架，又延長了制動(dòng)器壽命，還增強(qiáng)了駐車效果，不僅更專業(yè)化，而且提高了市場競爭力。

2.3 加工剎塊外圓，提高剎塊與制動(dòng)轂接觸面積

模擬駐車制動(dòng)狀態(tài)，對剎塊外圓進(jìn)行加工，使剎塊與制動(dòng)轂壁在駐車時(shí)充分接觸，發(fā)揮最大的制動(dòng)效果。圖7所示是一種制動(dòng)器剎塊加工工藝，它運(yùn)用駐車狀態(tài)下剎塊的所在位置來加工外圓尺寸。制動(dòng)器的搖臂位置有初始距離和制動(dòng)距離兩種，圖7中的L為制動(dòng)距離。在此狀態(tài)下，用拉桿固定好搖臂，實(shí)施剎塊外圓的加工，加工直徑接近制動(dòng)轂內(nèi)徑，但不大于相適配的制動(dòng)轂內(nèi)徑。松開搖臂，也即在初始狀態(tài)下，測得剎塊最大半徑與制動(dòng)轂半徑的差在0.5～0.7 mm，可確保組裝后制動(dòng)器在行駛過程中不影響變速器正常工作。如圖8所示，在初始狀態(tài)下，采用新工藝加工的制動(dòng)器剎塊外形呈橢圓狀，外形到中心的最高點(diǎn)與制動(dòng)轂之間的距離不小于0.5 mm，保證了正常的裝配間隙，也確保了正常行駛中的順暢性。當(dāng)實(shí)施駐車時(shí)，拉動(dòng)手剎，使凸輪軸推開左右剎塊，在搖臂位置達(dá)到制動(dòng)距離時(shí)，剎塊外徑與制動(dòng)轂內(nèi)徑吻合，二者充分接觸。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此狀態(tài)下剎塊與制動(dòng)轂的接觸面積達(dá)到了90%以上，制動(dòng)性能提升了20%左右。由于制動(dòng)面積增大，剎塊本身得到了保護(hù)，制動(dòng)器使用壽命得到了延長，手剎剎線也不需要經(jīng)常調(diào)整，提高了駐車的安全性能[10]。經(jīng)驗(yàn)證，在緊急狀況下，手剎制動(dòng)可以達(dá)到理想的減速或剎車效果。

3? 結(jié)束語

當(dāng)前，我國輕卡、微卡等車輛技術(shù)快速發(fā)展，輕型車輛鼓式中央制動(dòng)器市場需求量將不斷增加，降低制造成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品生產(chǎn)率是大勢所趨。本文所提供的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案對當(dāng)前輕型車輛鼓式中央制動(dòng)器市場的發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義，不僅適應(yīng)當(dāng)前市場對車輛制動(dòng)的高質(zhì)量、高效率、可靠性要求，也為制動(dòng)器的智能化、規(guī)模化生產(chǎn)和市場競爭力提升創(chuàng)造了條件。

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