1 前言
氣壓盤式制動(dòng)器（Air Disc Brake）（以下簡(jiǎn)稱ADB）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能優(yōu)良，尤其是能顯著減少制動(dòng)噪聲，有效解決城市公交車輛及客車制動(dòng)引起的噪聲污染，故歐美國(guó)家自上世紀(jì)90年代初開始已經(jīng)將其作為鼓式制動(dòng)器的替代產(chǎn)品應(yīng)用于各種城市公交車輛，豪華客車，越野車及重型車輛上。[1]由于我國(guó)鼓式制動(dòng)器應(yīng)用仍然很廣，因此出現(xiàn)前橋ADB，后橋鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)匹配形式。但是將ADB與鼓式制動(dòng)器簡(jiǎn)單互換顯然是不行的，因?yàn)锳DB制動(dòng)反應(yīng)比鼓式制動(dòng)器快，存在制動(dòng)作用時(shí)間不一致的情況，同時(shí)在此制動(dòng)匹配形式工況下制動(dòng)力如何分配更是值得深入探討。此外，鼓改盤時(shí)的安裝空間也需要考慮。本文將從以上三個(gè)方面進(jìn)行分析探討。
圖1 ADB示意圖
圖2 鼓式制動(dòng)器示意圖
2制動(dòng)時(shí)間不一致的原因分析及其解決辦法
圖1、圖2分別為典型的ADB和鼓式制動(dòng)器。一般來說，盤式制動(dòng)器反應(yīng)要比鼓式制動(dòng)器快，這是由于二者結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致的。首先，制動(dòng)盤或制動(dòng)鼓與摩擦塊之間的間隙對(duì)制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間有較大影響，ADB制動(dòng)盤和摩擦塊之間的間隙一般為0.3 ~0.5 mm（單邊）鼓式制動(dòng)器為0.4 ~0.6 mm，ADB間隙比鼓式制動(dòng)器小。其次，鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)行程要比盤式制動(dòng)器的長(zhǎng)，制動(dòng)鼓熱膨脹也會(huì)引起制動(dòng)踏板行程損失，使得制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)。還有一點(diǎn)需要說明的是，當(dāng)摩擦塊不斷磨損，與制動(dòng)鼓或制動(dòng)盤之間的間隙會(huì)不斷增大，雖然制動(dòng)器有間隙自調(diào)機(jī)構(gòu)，但磨損達(dá)到一定程度后，間隙自調(diào)機(jī)構(gòu)的不穩(wěn)定性還是會(huì)對(duì)制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間造成一定影響，從而影響制動(dòng)時(shí)間的一致性，尤其是許多大中型客車鼓式制動(dòng)器采用的是領(lǐng)從蹄式，“增勢(shì)”作用較大，偏磨嚴(yán)重，偏磨到一定程度后差異就較為明顯了，這種趨勢(shì)更加劇了制動(dòng)時(shí)間的不一致。
汽車緊急制動(dòng)時(shí)，盤式制動(dòng)器的反應(yīng)比鼓式制動(dòng)器快，所以前輪先制動(dòng)，此時(shí)后輪仍在行進(jìn)中，會(huì)起到驅(qū)動(dòng)輪的作用。由于制動(dòng)時(shí)間滯后，摩擦塊先和制動(dòng)盤進(jìn)行摩擦，兩者之間的相對(duì)速度和摩擦力很高，摩擦程度較之于后橋的制動(dòng)鼓和摩擦襯片要嚴(yán)重。輕微制動(dòng)時(shí)，盤式制動(dòng)器的回位彈簧力比鼓式制動(dòng)器小很多，其回位滯后于鼓式制動(dòng)器，也使得摩擦塊的磨損增加[2]。那是否說這種磨損會(huì)對(duì)前盤后鼓制動(dòng)時(shí)間差異有被動(dòng)補(bǔ)償呢？答案是否定的。ADB摩擦塊磨損厚度可達(dá)20 mm，而鼓式制動(dòng)器摩擦襯片磨損厚度不到10 mm，且ADB的間隙自調(diào)機(jī)構(gòu)比鼓式制動(dòng)器可靠得多，所以由此造成的磨損對(duì)ADB制動(dòng)時(shí)間的影響相對(duì)來說也要比鼓式制動(dòng)器小。解決制動(dòng)時(shí)間差異的辦法如下：
a、與ABS匹配
現(xiàn)代汽車安裝ABS系統(tǒng)已經(jīng)成為大勢(shì)所趨，ABS對(duì)汽車制動(dòng)力的控制需要制動(dòng)器盡可能快地反應(yīng)，而反應(yīng)快正是盤式制動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)之一，盤式制動(dòng)器能更好地與ABS匹配，而使用ABS進(jìn)行控制也更能體現(xiàn)盤式制動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)。
b、縮短后制動(dòng)器的反應(yīng)時(shí)間
儲(chǔ)氣筒和繼動(dòng)閥的后移能減少制動(dòng)管路的長(zhǎng)度，縮短制動(dòng)時(shí)間。大多數(shù)客車后制動(dòng)管路較長(zhǎng)，故安裝繼動(dòng)閥來緩解前后制動(dòng)時(shí)間的差異，但是繼動(dòng)閥的后移并非越多越好，要根據(jù)實(shí)際安裝空間合理安排其位置，而且這種做法不能從根本上解決問題。
根據(jù)制動(dòng)閥工作原理，制動(dòng)閥上下壓力差越大，后制動(dòng)器反應(yīng)時(shí)間就越短，因此增大制動(dòng)閥的壓力差也可以縮短前后制動(dòng)時(shí)間差。
c、延緩前制動(dòng)器的反應(yīng)時(shí)間
在前制動(dòng)管路串聯(lián)一個(gè)氣壓計(jì)量閥，當(dāng)制動(dòng)氣壓達(dá)到一定值時(shí)計(jì)量閥再開啟，延緩ADB反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)根據(jù)需要安裝一個(gè)快放閥，以盡快解除ADB的回位滯后，減少摩擦片的磨損[2]。
3 制動(dòng)力分配系數(shù)的確定
3.1 實(shí)際制動(dòng)力分配系數(shù)的確定
制動(dòng)力分配是汽車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。圖3為汽車制動(dòng)時(shí)的受力示意圖。
圖3 汽車制動(dòng)時(shí)受力示意圖
其中：Z1為汽車制動(dòng)時(shí)水平地面對(duì)前軸車輪的法向反力，N；Z2為汽車制動(dòng)時(shí)水平地面對(duì)后軸車輪的法向反力，N；L為汽車軸距，mm；L1為汽車質(zhì)心到前軸的距離，mm；L2為汽車質(zhì)心到后軸的距離，mm；hg為汽車質(zhì)心高度，mm；G為汽車所受重力，N；m為汽車質(zhì)量，kg；FB1為前輪地面制動(dòng)力，N；FB2為后輪地面制動(dòng)力，N；
經(jīng)典制動(dòng)力分配系數(shù)的計(jì)算過程可參考相關(guān)書籍，故不再贅述，下面只從汽車實(shí)際行駛制動(dòng)過程和相關(guān)的法規(guī)來作以分析。實(shí)際情況是汽車不會(huì)始終行駛于同一路面上，附著系數(shù)會(huì)隨著不同的路面變化，因此汽車往往會(huì)出現(xiàn)某一軸制動(dòng)力不足或后軸提前抱死的狀況。這方面歐洲ECE法規(guī)有明確規(guī)定，中國(guó)也采用了與其大體相同的內(nèi)容。法規(guī)中對(duì)制動(dòng)強(qiáng)度q和地面附著系數(shù)φ的規(guī)定如下：q=0.15~0.61，φ≤(q-0.1)/0.85+0.2，同時(shí)應(yīng)滿足：q=0.15~0.30時(shí)，各軸利用附著系數(shù)滿足q+0.08≥φ≥q-0.08；q≥0.30時(shí)，后軸利用附著系數(shù)φ≤(q-0.3)/0.74+0.38。圖4為制動(dòng)法規(guī)所規(guī)定的限制曲線圖，所求制動(dòng)力分配曲線必須在法規(guī)規(guī)定的限制曲線范圍之內(nèi)。
圖4 制動(dòng)法規(guī)的限制曲線圖
有了上述法規(guī)，可以根據(jù)汽車制動(dòng)法規(guī)并綜合考慮汽車前盤后鼓的制動(dòng)情況確定制動(dòng)力分配系數(shù)。現(xiàn)作分析如下：
β為制動(dòng)力分配系數(shù)，前輪抱死或前后輪同時(shí)要抱死時(shí)，則地面附著力Fφ1=βGq ，
而前輪地面法向反力
Z1=G(L2+qhg)/L （1）
地面利用附著系數(shù)
φf= Fφ1/Z1=βqL/(L2+qhg) （2）
設(shè)后輪或前后輪同時(shí)要抱死時(shí)，后輪地面制動(dòng)力Fφ2=(1-β)Gq ，
地面法向反力 Z2=G(L1-qhg)/L （3）
地面利用附著系數(shù)
φr=Fφ2/Z2=(1-β)qL/(L1-qhg) （4）
將（1），（2）式代入法規(guī)規(guī)定各式，可以得到以下三種情況：
（1）q=0.15~0.30時(shí)，
q+0.08≥βqL/(L2+qhg)≥q-0.08 （5）
q+0.08≥(1-β)qL/(L1-qhg)≥q-0.08 （6）
（2）q≥0.30時(shí)
(1-β)qL/(L1-qhg) ≤(q-0.3)/0.74+0.38 （7）
（3）q=0.15~0.61時(shí)，
βqL/(L2+qhg)≤(q-0.1)/0.85+0.2 （8）
(1-β)qL/(L1-qhg) ≤(q-0.1)/0.85+0.2 （9）
實(shí)際上（1）、（2）兩種情況也符合第三種情況，而第三種情況是汽車在大部分附著系數(shù)下應(yīng)滿足的。由于現(xiàn)代汽車安裝ABS系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)普遍，對(duì)制動(dòng)力控制調(diào)節(jié)越來越好，所以β的選擇也可更大程度上滿足上述三種情況的要求。客車載人較多，安全性（尤其是滿載時(shí)）更是受到人們的關(guān)注，所以滿載時(shí)要滿足（1）、（2）兩種情況的要求，空載時(shí)應(yīng)滿足（3）的要求并盡量滿足（1）、（2）兩種情況的要求，再根據(jù)制動(dòng)強(qiáng)度q值所規(guī)定的范圍，就可以選定β所取值的范圍。與此同時(shí)，也需要綜合考慮車輛的制動(dòng)和承載情況以及車輛經(jīng)常行駛的路況。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，客車同步附著系數(shù)φ0的選定范圍一般在0.5~0.7，而只有在φ=φ0的情況下，地面的附著條件才利用得最好。因此可以利用公式
β/(L2+φ0hg)=(1-β)/ (L1-φ0hg) （10）
推出β，使其滿足φ0在0.5~0.7的要求，如若滿足不了則應(yīng)盡可能使其靠近該值[2]。
3.2 從能量的觀點(diǎn)來確定制動(dòng)力分配系數(shù)
圖5 ADB和鼓式制動(dòng)器摩擦片受熱膨脹圖
圖5為制動(dòng)鼓和制動(dòng)盤熱膨脹現(xiàn)象的對(duì)比，盤式制動(dòng)器的熱膨脹量明顯比鼓式制動(dòng)器小，這是由于熱容量不同所導(dǎo)致的。汽車制動(dòng)過程是將機(jī)械能（動(dòng)能、勢(shì)能）轉(zhuǎn)換為熱能耗散的過程。在制動(dòng)強(qiáng)度很大的緊急制動(dòng)過程中，制動(dòng)器幾乎承擔(dān)了耗散汽車全部動(dòng)能的任務(wù)。由于能量巨大，而制動(dòng)時(shí)間很短，所以致使制動(dòng)器溫度升高，此即所謂制動(dòng)器的能量負(fù)荷。能量負(fù)荷越大，摩擦塊磨損越嚴(yán)重。能量負(fù)荷通常用比能量耗散率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[3]，它表示單位摩擦面積在單位時(shí)間內(nèi)耗散的能量，單位為W/mm2。因此在3.2節(jié)分析的基礎(chǔ)上，也可以從能量的角度來進(jìn)一步確定制動(dòng)力分配系數(shù)。一般相同制動(dòng)器的能量載荷比是1，但是前盤后鼓匹配形式的能量負(fù)荷比可達(dá)到3~4，前后制動(dòng)器摩擦塊制動(dòng)時(shí)的能量負(fù)荷是與制動(dòng)力分配系數(shù)直接相關(guān)的，其比能量耗散率計(jì)算公式如下：
e1=δma(v12-v22) β/(4tA1 ) （11）
e1=δma(v12-v22) (1-β)/ (4tA2) （12）
式中δ為汽車回轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；v1，v2為制動(dòng)初始和終了速度，m/s；計(jì)算時(shí)轎車取v1=100 km/h；總質(zhì)量3.5 t以下的貨車取v1=80 km/h；總質(zhì)量3.5 t以上的貨車取v1=65 km/h；t為制動(dòng)時(shí)間，s；按t=(v1- v2)/j，j為制動(dòng)減速度，計(jì)算時(shí)取j=0.6 g；A1，A2為前后制動(dòng)器摩擦塊面積；ma為汽車總質(zhì)量；
緊急制動(dòng)時(shí)v2為0，鼓式制動(dòng)器的比能量耗散率應(yīng)不大于1.8 W/mm2，當(dāng)制動(dòng)初速度低于上述規(guī)定的初始速度時(shí)，可允許略大于1.8 W/mm2。轎車盤式制動(dòng)器的比能量耗散率應(yīng)不大于6.0 W/mm2，其它車型可酌情增減。比能量耗散率過大會(huì)加速摩擦塊的磨損和引起制動(dòng)盤或鼓的龜裂。故可根據(jù)上述規(guī)定利用（9），（10）兩式計(jì)算出β，與3.2節(jié)中計(jì)算出來的范圍進(jìn)行比較，并盡量使之處于3.2節(jié)計(jì)算出來的范圍之內(nèi)。
最后還應(yīng)該核算一下制動(dòng)器的熱容量和溫升是否滿足下面的條件：
(mdcd+mkck)Δt≥L （13）
式中，md為各制動(dòng)盤（鼓）的總質(zhì)量；mk為與各制動(dòng)盤（鼓）相連的受熱金屬件（如輪轂、輪輻等）的總質(zhì)量；cd為制動(dòng)盤（鼓）材料的比熱容；ck為與各制動(dòng)盤（鼓）相連的受熱金屬件的比熱容；Δt為各制動(dòng)盤（鼓）的溫升（一次由30 km/h的初始速度到完全停車的強(qiáng)烈制動(dòng)，溫升不應(yīng)超過15 ℃。[3]
上述計(jì)算分析都是簡(jiǎn)化了的計(jì)算分析，實(shí)際制動(dòng)情況要復(fù)雜許多，很多未知因素對(duì)制動(dòng)過程都有一定影響。考慮到這些，通過3.1，3.2節(jié)的方法計(jì)算出的β值只能是盡量接近，而不是完全符合。
4 安裝與配合
由于ADB在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的時(shí)間還不長(zhǎng)，專門為匹配ADB的車橋很少。目前主要還是在車橋上進(jìn)行匹配，一般采用連接過渡板。因此，安裝時(shí)最重要的問題就是制動(dòng)器與其周圍部件的干涉問題，在安裝時(shí)要注意以下兩點(diǎn)：
目前采用的ADB多為浮鉗式，當(dāng)摩擦片和制動(dòng)盤發(fā)生磨損后，卡鉗體和制動(dòng)氣室以及連接板會(huì)向車架中心發(fā)生移動(dòng)。移動(dòng)距離d計(jì)算如下：d=ΔD+ΔP 。
其中，ΔD為制動(dòng)盤單側(cè)允許磨損厚度；ΔP為單個(gè)摩擦片允許磨損厚度[4]。
在安裝之前應(yīng)根據(jù)制動(dòng)器相關(guān)參數(shù)和整車參數(shù)進(jìn)行校核，避免制動(dòng)器在前橋轉(zhuǎn)向時(shí)與其各桿件干涉。還應(yīng)考慮汽車在車架上下跳動(dòng)和左右擺動(dòng)時(shí)制動(dòng)器在其極限位置與懸掛系統(tǒng)的干涉問題。對(duì)后橋而言，由于沒有轉(zhuǎn)向節(jié)，故應(yīng)注重考慮與車架懸掛系統(tǒng)的干涉問題。
卡鉗體和支架都采用鑄件，很多非配合面未加工，進(jìn)行校核時(shí)，空間緊張位置的尺寸應(yīng)嚴(yán)加控制。卡鉗體和上蓋壁厚有限，連接螺栓孔大小受到限制，故連接螺栓強(qiáng)度也應(yīng)充分考慮，在空間允許的情況下，選擇既能保證強(qiáng)度又經(jīng)濟(jì)的螺栓。
安裝時(shí)，除應(yīng)注意上述兩點(diǎn)外，為避免泥漿濺入制動(dòng)器內(nèi)部引起摩擦片和制動(dòng)盤的損壞或銹蝕，應(yīng)盡量將制動(dòng)器安裝在車橋的前方。
5 結(jié)束語
ADB在中國(guó)發(fā)展時(shí)間還很短，但優(yōu)異的性能決定了其廣闊的發(fā)展前景，隨著中國(guó)汽車零部件產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，制約其發(fā)展的成本和價(jià)格肯定會(huì)降低，ADB也會(huì)越來越多地應(yīng)用在各種車輛上。
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