农用拖拉机楔式多片湿式制动系统设计研究

严颖波 张毅 杨益

1、陕西法士特齿轮有限责任公司 2、陕西职业技术学院

前言

制动系统作为拖拉机的重要组成部分，对拖拉机的行驶安全性、舒适性极为重要。国内拖拉机制动系统主要以湿式制动器、盘式制动器为主。湿式多片制动器有制动性能稳定、使用寿命长、兼容性高等优点，湿式制动器调整制动性能需要改变摩擦面积，使活塞腔容积增大，导致充油时间变长，影响制动效果。

针对以上问题，本文提出一种结合楔式制动器与湿式制动器的楔式多片湿式制动系统，该制动系统继承了传统的湿式多片制动器优点的同时，制动增压油缸需求油量少、压力低，同时摩擦面的面积、数量，制动器斜面和楔块角度都可以根据车辆工况精确匹配，保证制动性能和舒适性。

1 楔式多片湿式制动系统的结构和制动原理

楔式制动系统由伺服油缸、楔式多片湿式制动器（下文简称制动器）组成。伺服油缸由活塞座、活塞、销钉、拉杆、执行元件等组成。当需要制动时，来自助力泵的压力油进入活塞腔作用在活塞上时，会对活塞产生一个向上的推力作用在销钉上，销钉上的力以一定的杠杆比放大作用在中间的执行元件上，执行元件与制动器拉杆连接，将作用在活塞上的液压力转换为拉杆上的拉力。

图1 伺服油缸结构图

制动器由拉杆、钢球a、楔块、制动盘、钢球b 等组成，两制动盘对称布置，内部分布有六处斜面，钢球b位于两制动盘之间与斜面接触，如A-A，当拉力作用在拉杆上时，拉杆带动楔块向上运动，楔块两侧的斜面与钢球a 接触形成球斜坡，楔块对钢球a 的支撑力分别作用在两个制动盘上产生相反方向的扭矩，该扭矩与钢球b 作用在制动盘斜面上的支撑力产生的扭矩平衡，钢球b 与斜面形成球斜坡，钢球b 作用在制动盘斜面上的支撑力作用在摩擦片上，即摩擦片的压紧力，制动器实现将拉杆上的拉力转换为摩擦片的压紧力[5]。

图2 制动器结构图

制动器安装示意图如图，包含后桥壳体、制动器、半轴、摩擦片、钢片及压盖等部件。摩擦片与后桥半轴花键连接，钢片与后桥桥壳通过挡肩固定，压盖与摩擦片和钢片形成初始间隙，制动器不工作时，摩擦片与钢片可相互运动，当受到制动器压紧力时，摩擦片与钢片贴紧产生摩擦力，摩擦力产生的扭矩即为制动扭矩。

图3 制动器安装示意图

当车辆需要行车制动时，驾驶员踩下制动踏板，助力泵将来自控制回路的压力放大传递至伺服油缸，伺服油缸将液压力转换为拉力作用在制动器上，制动器将拉力转换为摩擦片的压紧力，最终形成制动扭矩传递至车辆轮胎产生减速度。

当车辆需要驻车制动时，驾驶员拉紧制动拉杆，制动力通过软轴和驻车制动装置传递至伺服油缸作用在拉杆上，拉杆力以一定的杠杆比放大作用在制动拉杆上，然后通过制动器转换为张力作用在摩擦片上产生制动扭矩。

2 楔式多片湿式制动器的匹配计算

根据GB18447.1《轮式拖拉机安全要求》中对拖拉机制动性能的规定，拖拉机行车制动和驻车制动的制动效果要求不同，行车制动和驻车制动的制动力源也不同，所以需要分别计算。

楔式多片湿式制动器行车制动匹配计算过程如下：

2.1 行车制动匹配计算

2.1.1 行车制动扭矩计算

制动器产生的制动扭矩经过轮边减速行星排放大传递至轮胎，在轮胎与地面间产生摩擦力使车辆减速，行车制动力的大小由车辆需求的减速度决定，根据GB18447.1《轮式拖拉机安全要求》中对拖拉机制动性能的规定，“拖拉机冷态试验的制动平均减速度应不小于2.5m/s2。[1]”拖拉机后桥一般装备两个制动器，单边制动器需求的制动扭矩：

式中：T 为制动器制动扭矩，Nm；m 为整车总重，kg；a 为需求减速度，m/s2；i 为轮边减速比。

2.1.2 制动器压紧力计算

制动扭矩由摩擦片间的摩擦力产生，受摩擦面大小和数量影响，摩擦力的大小取决于摩擦片受到的压力和摩擦片的摩擦系数，制动扭矩与压紧力的关系：

式中：FB为制动器压紧力，N；μ为摩擦片摩擦系数，由摩擦材料的性能决定；n 为摩擦面的数量；Rm为摩擦片等效半径，mm。

式中：r2为摩擦面外径，mm；r1为摩擦面内径，mm。

摩擦面外径r2可根据经验公式确定：

式中：e 为系数，取值19～25；

式中：C 为常数，考虑到因内外径线速度不同对摩擦片内外温升的影响和对摩擦片面压的影响，C 一般取0.6～0.85[3]。

2.1.3 制动器拉杆力的计算

制动器压紧力取决于拉杆力的大小和制动器本身的结构，拉杆力：

式中：FL为制动器拉杆力，N；FS为制动器弹簧保持力，N；c 为制动器制动系数，由制动器的内部结构决定，主要影响因素为楔块的角度、钢球接触斜面的角度和钢球距离制动器中心的距离，一般由制动器厂家在制动器性能参数给出；ηB为制动器机械效率，不同的制动器略有不同[4]。

2.1.4 制动油压的计算

制动器拉杆力由伺服油缸活塞处的油压决定，计算公式为：

式中：P 为伺服油缸活塞处的油压，MPa；S 为伺服油缸活塞面积，mm2；ic1为行车制动杠杆比；ηc为伺服油缸机械效率。

根据不同的油压就可以计算出相应的制动扭矩、制动力和整车减速度，然后根据整车的需求选取合适的制动力，就可以确定增压油缸的压力和油液体积。

2.2 驻车制动匹配计算

楔式多片湿式制动器驻车制动匹配计算过程与行车制动区别在于：

（1）车辆驻车制动扭矩由车辆悬停坡度决定，根据GB18447.1《轮式拖拉机安全要求》中对拖拉机制动性能的规定，“拖拉机在20%的干硬坡道上，使用驻车制动装置，应能沿上下坡方向可靠停住[1]”。

（2）制动力来源不同，驻车制动来源于驾驶员拉动手刹的机械力，驻车制动扭矩的计算方法与行车制动相同。

驻车制动20%坡道的制动扭矩：

式中：Fp为拉动手刹机械力，N；is为驻车制动系统杠杆比；ic2为伺服油缸驻车制动杠杆比。

根据不同的手刹机械力就可以计算出相应的制动扭矩、制动力和悬停坡度，然后根据整车的需求选取合适的制动力[2]。

确定了制动器和摩擦片相关参数后，需要对制动系统主要是摩擦片的热应力进行校核，制动器制动过程中摩擦片单位面积能量计算：

式中：q 为摩擦片单位面积的能量，J/mm2，建议值≤2J/mm2；v＇为摩擦片与钢片的转速差，r/min；t 为制动摩擦片同步时间，s；SF为单摩擦面面积，mm2。

3 实例验证

以国内一款应用此制动系统的动力换挡拖拉机为例，该拖拉机主要参数和制动性能要求为：

4 结语

楔式多片湿式制动器继承了传统的湿式多片制动器的优点，并且制动增压油缸需求油量少、压力小，同时制动摩擦材料、摩擦片数量、制动器斜面和楔块角度都可以根据车辆的实际工况精确匹配，保证制动性能和制动舒适性。

本文阐述了楔式多片湿式制动器的结构和制动原理，介绍了楔式制动器的匹配计算和摩擦片的校核计算，并通过实例验证该匹配计算的合理性，为工程设计提供设计参考。