拖拉機(jī)制動器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和制動性能分析

魏國俊 王 堰 肖茂華

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗鑒定站，江蘇 南京 210017；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 210031)

1 拖拉機(jī)制動器性能分析計算

1.1 車輪制動力

設(shè)制動器制動力為Ff，地面的制動力為FD，地面的附著力為Fφ，角速度為w。Ff與FD方向相反，當(dāng)車輪還未抱死的時候，兩個制動力大小是相等的，小于等于附著力，當(dāng)制動器制動力和地面制動力到達(dá)路面的附著力時，車輪抱死，開始在地面上滑移，制動力會隨著踏板力的增大而增大。

(1)

圖1 制動力與附著力關(guān)系

1.2 整車受力分析

根據(jù)公式汽車的總的地面制動力為

(2)

對于極大多數(shù)的兩軸拖拉機(jī)來說，前后車輪制動器的制動力比值是一個定值，可以將前車輪制動器制動力Ff與汽車受到的總的制動力Ff的比值來表示前后車輪的分配系數(shù)，用β來表示，又可以稱為汽車制動器制動力分配系數(shù)，用公式表示為

由于前后車輪抱死，因此可以得到

FD=Fφ=Gβ

Ff1=FD1=φZ1

Ff2=FD2=φZ2

Z1，Z2分別是地面對前后車軸的法向反力，根據(jù)公式可得，在附著系數(shù)φ是任意值的路面上制動的時候，前后軸的附著力，也就是極限制動力并不是一個定值，而是制動強(qiáng)度q的函數(shù)。當(dāng)拖拉機(jī)前后軸車輪制動力足夠的時候，制動過程中可能會出現(xiàn)3種情況：

(1)前輪先抱死，然后后輪再抱死。

(2)后輪先抱死，然后前輪再抱死。

(3)前后車輪同時抱死。

其中根據(jù)分析可以知道，第3種情況也就是同時抱死的狀況附著條件利用率是最高的，根據(jù)公式可得在任意φ值的路面上，前后車輪同時抱死的條件是

Ff1+Ff2=FD1+FD2=φG

其中Ff1，F(xiàn)f2分別是前后車輪的制動器制動力

FD1，F(xiàn)D2分別是前后車輪的地面制動力

L1，L2分別是前后車軸到質(zhì)心的距離

hg是拖拉機(jī)質(zhì)心的高度

1.3 制動強(qiáng)度

正常情況下的路面附著系數(shù)都很難與同步附著系數(shù)相等，很難出現(xiàn)同時抱死的情況，因此會出現(xiàn)下面幾種情況。

(1)如果路面附著系數(shù)比同步附著系數(shù)小的時候，制動時受先抱死的車輪是前輪，這種情況下制動雖然比較穩(wěn)定，但是喪失了轉(zhuǎn)向能力。

(2)如果路面附著系數(shù)和同步附著系數(shù)相等的時候，前后輪會同時抱死，這時情況也較為穩(wěn)定，但是同時也失去了轉(zhuǎn)向能力。

(3)如果路面附著系數(shù)比同步附著系數(shù)大的時候，那么制動時首先抱死的車輪是后輪，這個時候容易發(fā)生后輪側(cè)滑，發(fā)生安全問題。

1.4 制動力矩

在實際情況中，拖拉機(jī)遇到的道路條件會比較差，車速也會比較低，這時選的同步附著系數(shù)也比較小，所以為了能保證在φ>φ0的路面上制動時能夠使前后軸車輪先抱死后滑移，前后車輪制動器在制動過程中所能產(chǎn)生的最大制動力矩為

re為車輪的有效半徑，而對于經(jīng)常遇到的道路條件比較好，車速相對比較高的車輛，同步附著re系數(shù)相對也比較大，這時為了保證拖拉機(jī)制動的穩(wěn)定性，所以相應(yīng)的極限制動強(qiáng)度q<φ，所以可以求得前后車軸的最大制動力矩如下

2 制動性能仿真

2.1 仿真模型建立

2.2.1 20 km/h初速度仿真

跟據(jù)換算可以知道，初速度為20 km/h時，制動盤的初始轉(zhuǎn)速大約為530.94°/s，將初始角速度設(shè)置好，就可以開始仿真，通過仿真得到初速度為20 km/h的轉(zhuǎn)速變化以及接觸力的變化情況。

圖2 20 km/h初速度轉(zhuǎn)速隨時間變化關(guān)系

圖3 20 km/h初速度隨接觸力變化關(guān)系

2.2.2 40 km/h初速度仿真

圖4 40 km/h初速度轉(zhuǎn)速隨時間變化關(guān)系

2.3 分析與優(yōu)化

跟據(jù)以上情況下的仿真，發(fā)現(xiàn)制動力到達(dá)3000 N的0.5 s內(nèi)，接觸力基本線性變化，轉(zhuǎn)速緩慢減小，當(dāng)制動力達(dá)到3000 N時，接觸力開始在3000 N附近做上下不規(guī)律的頻繁的變化，這種力的頻繁變化首先會導(dǎo)致制動盤與制動塊之間產(chǎn)生疲勞破壞，但是在變化過程中，所能達(dá)到的極限接觸力并不會隨著制動初速的增大會引起顯著地變大，但是當(dāng)車輪抱死，也就是制動盤的轉(zhuǎn)速降低為0的時候，這時候接觸力的變化就會減弱很多，基本可以保持在3000 N。

隨著初速度的變化，制動盤轉(zhuǎn)速減小到0的時間也越長，而且接觸疲勞的時間也變長，這代表著不僅制動距離會變化，而且制動盤與制動塊的損壞也會因此變大，因此在選取制動盤與制動塊材料時，不僅要考慮到需用的接觸應(yīng)力要比變化的極限最大應(yīng)力要大，而且還要保證該材料的疲勞強(qiáng)度也能保證在制動時頻發(fā)的接觸力變化下保持穩(wěn)定的減速度。如果能夠提高材料之間的動摩擦系數(shù)，這樣可以縮短車輪抱死的時間，也就意味著制動盤與制動塊的力的波動時間變短了，也從另一個角度保護(hù)了制動盤不受到接觸疲勞破壞。

3 結(jié)語

本文通過分析，選擇了目前大型拖拉機(jī)中主流使用的盤式制動器并且分析了優(yōu)缺點，計算了拖拉機(jī)在國家標(biāo)準(zhǔn)下需要的制動力與制動力矩以及分配系數(shù)等，以計算結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，建立了盤式制動器的模型，選取了比較符合計算結(jié)果的結(jié)果參數(shù)，將建模導(dǎo)入，通過Adams仿真軟件對制動器進(jìn)行了基本的制動性能仿真，根據(jù)仿真結(jié)果提出了優(yōu)化方案。