盤(pán)式制動(dòng)器在我國(guó)中重卡上應(yīng)用的可行性分析

熊 仆 原順?lè)?高明臣

隨著汽車(chē)技術(shù)的不斷發(fā)展，盤(pán)式制動(dòng)器相較于鼓式制動(dòng)器而言?xún)?yōu)勢(shì)明顯，已在歐洲等市場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用。盡管多年前國(guó)內(nèi)主要中重卡生產(chǎn)企業(yè)就已開(kāi)始對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器的應(yīng)用進(jìn)行探索，做了大量的推廣工作；但是直到2012上半年，除了個(gè)別汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)在前橋上有一些批量使用外，其他主流企業(yè)均未形成有效的批量應(yīng)用。從技術(shù)和市場(chǎng)的角度來(lái)看，盤(pán)式制動(dòng)器取代鼓式制動(dòng)器應(yīng)是必然的趨勢(shì)，歐洲卡車(chē)發(fā)展的歷程已經(jīng)驗(yàn)證了這一點(diǎn)?？紤]到盤(pán)式制動(dòng)器在制動(dòng)安全性方面的優(yōu)勢(shì)明顯，工信部于2011年底下發(fā)了第632號(hào)文，明確要求危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸車(chē)前橋必須安裝盤(pán)式制動(dòng)器。汽車(chē)企業(yè)在國(guó)家強(qiáng)制要求情況下開(kāi)始有了一定規(guī)模的應(yīng)用，但是相對(duì)于巨大的國(guó)內(nèi)卡車(chē)市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，這僅占很少的份額。那么，制約盤(pán)式制動(dòng)器在中重卡上應(yīng)用的因素到底有哪些？筆者根據(jù)多年來(lái)對(duì)卡車(chē)研發(fā)設(shè)計(jì)的工作經(jīng)驗(yàn)，從其結(jié)構(gòu)、性能及使用環(huán)境等方面作一探析。

表1 盤(pán)式與鼓式制動(dòng)器性能對(duì)比

中重卡制動(dòng)器結(jié)構(gòu)及市場(chǎng)分析

1.常用制動(dòng)器分類(lèi)及結(jié)構(gòu)

制動(dòng)器主要根據(jù)摩擦的工作表面分為盤(pán)式制動(dòng)器和鼓式制動(dòng)器2種(圖1)。盤(pán)式制動(dòng)器以平面摩擦為制動(dòng)工作表面，而鼓式制動(dòng)器以圓柱面摩擦為制動(dòng)工作表面。

2.2種制動(dòng)器性能對(duì)比

不同的制動(dòng)器形式，決定著性能會(huì)各不相同。筆者通過(guò)對(duì)20′的盤(pán)式、鼓式制動(dòng)器進(jìn)行試驗(yàn)，獲取了不同溫度和不同制動(dòng)次數(shù)情況下制動(dòng)力矩的變化曲線(xiàn)(圖2)，經(jīng)一一對(duì)比測(cè)試，并在7個(gè)方面進(jìn)行考量、加以比較(表1所示)。結(jié)果證明，盤(pán)式制動(dòng)器優(yōu)勢(shì)明顯，尤其是在控制精度和制動(dòng)穩(wěn)定性上明顯優(yōu)于鼓式制動(dòng)器，如果將制動(dòng)防抱死ABS、電子制動(dòng)系統(tǒng)EBS，以及電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESP與盤(pán)式制動(dòng)器配合使用，其控制精度和效果則會(huì)更佳；然而，盤(pán)式制動(dòng)器熱容量小、溫升快是其結(jié)構(gòu)決定的不容回避的問(wèn)題。用更通俗的話(huà)來(lái)講，盤(pán)式制動(dòng)器更適合高精度控制的“細(xì)活”；而鼓式制動(dòng)器更適合精度要求不高、負(fù)荷相對(duì)較大且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，因此在不規(guī)范的超載使用環(huán)境中適應(yīng)能力更優(yōu)于盤(pán)式制動(dòng)器，且價(jià)格便宜，更適宜于干“粗活”。

從表1可以看到，2種制動(dòng)器在制動(dòng)力矩、穩(wěn)定性、自質(zhì)量和成本等方面相比較，盤(pán)式制動(dòng)器優(yōu)劣對(duì)比為5:2，其優(yōu)勢(shì)十分明顯。

3.應(yīng)用比例分析

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，盤(pán)式制動(dòng)器在歐洲得到了廣泛應(yīng)用，其應(yīng)用比例仍在持續(xù)增加(表2)，在北美和除中國(guó)之外的亞洲其他國(guó)家也有一定的增長(zhǎng)比例，但中國(guó)卡車(chē)仍然以鼓式制動(dòng)器為主，盤(pán)式制動(dòng)器的應(yīng)用明顯低于其他地區(qū)。

4.輔助制動(dòng)對(duì)制動(dòng)器使用的影響

從物理學(xué)角度來(lái)看，車(chē)輛的制動(dòng)過(guò)程是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，即把動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能，而制動(dòng)器就是這樣一個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置，通過(guò)摩擦的方式轉(zhuǎn)換成熱能。隨著裝載量愈來(lái)愈多，單靠制動(dòng)器卻無(wú)法完全承擔(dān)這份“厚重”。以總質(zhì)量55 t的8×4車(chē)輛而言，在6%的坡度勻速下坡時(shí)，需要的制動(dòng)功率約為200 kW，分配到每個(gè)制動(dòng)器，其功率達(dá)到25 kW左右，除去動(dòng)力及傳動(dòng)系阻尼和制動(dòng)器本身散熱，剩余功率對(duì)制動(dòng)盤(pán)(鼓)的加熱能量仍然非常大。隨著摩擦溫度的不斷升高，制動(dòng)器的制動(dòng)效能及其零部件的壽命都會(huì)大幅度降低，為此需要輔助制動(dòng)裝置來(lái)分擔(dān)制動(dòng)功率。輔助制動(dòng)裝置是一種脫離主制動(dòng)系統(tǒng)、通過(guò)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)或傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生阻尼的緩速制動(dòng)技術(shù)。GB 7258《機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條例》規(guī)定，總質(zhì)量不小于12 000 kg的貨車(chē)、所有危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸車(chē)，應(yīng)裝備緩速器或其他輔助制動(dòng)裝置。然而遺憾的是，未對(duì)輔助制動(dòng)的效能做出明確要求。

(1)常用輔助制動(dòng)裝置。

常用輔助制動(dòng)裝置包括排氣制動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)、電渦流緩速器、液力緩速器。筆者對(duì)排氣制動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)等裝置進(jìn)行了實(shí)測(cè)，即以10 L機(jī)在1 500 r/min時(shí)進(jìn)行實(shí)測(cè)制動(dòng)功率，并對(duì)各輔助制動(dòng)裝置進(jìn)行了對(duì)比，如表3所示。

從表3中的對(duì)比數(shù)據(jù)來(lái)看，排氣制動(dòng)由于制動(dòng)功率太低，不能單獨(dú)滿(mǎn)足對(duì)輔助制動(dòng)的要求(即將修訂的GB 7258對(duì)此有相關(guān)要求)，故今后將不會(huì)作為一種主流的輔助制動(dòng)；電渦流緩速器由于熱衰退嚴(yán)重、自質(zhì)量高且不易布置等原因也將會(huì)逐漸淘汰。

圖3為國(guó)外某公司提供的臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù)，普通排氣制動(dòng)是最早的一種制動(dòng)方式，其余3種是不同形式的發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)，其中新型制動(dòng)方式是正在開(kāi)發(fā)的高功率制動(dòng)，良好的低速時(shí)制動(dòng)性高于現(xiàn)有的制動(dòng)方式，既使在高速時(shí)，制動(dòng)性能仍能保持良好。壓縮釋放制動(dòng)為現(xiàn)有主流發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)，其制動(dòng)功率為排氣制動(dòng)的2～2.5倍，但發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)功率偏低。發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)將成為主要輔助制動(dòng)形式，它與液力緩速器配合使用，互為彌補(bǔ)，會(huì)達(dá)到理想的制動(dòng)效果。

表2 國(guó)內(nèi)外中重卡制動(dòng)器應(yīng)用比例對(duì)比

表3 常用輔助制動(dòng)裝置對(duì)比

歐洲卡車(chē)技術(shù)一直處于國(guó)際領(lǐng)先地位，尤其在輔助制動(dòng)器應(yīng)用方面經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的摸索、研究和驗(yàn)證工作，技術(shù)已經(jīng)達(dá)到非常成熟的程度，形成了為用戶(hù)提供標(biāo)配發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)和選裝液力緩速器等系列解決方案。

(2)輔助制動(dòng)對(duì)制動(dòng)器的保護(hù)作用。

車(chē)輛制動(dòng)通常分為2種情況：其一為緊急制動(dòng)，要求車(chē)輛迅速減速甚至停止，此過(guò)程時(shí)間短，要求反應(yīng)迅速，制動(dòng)力穩(wěn)定；另一種為緩行制動(dòng)，如下長(zhǎng)坡道，只需將車(chē)速穩(wěn)定在一定范圍即可，它持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，發(fā)熱量大。上述發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)等形式作為輔助制動(dòng)存在，并不能替代行車(chē)制動(dòng)器的作用，通俗講輔助制動(dòng)只管“慢”不管“站”。緩行制動(dòng)狀態(tài)時(shí)輔助制動(dòng)將消耗大部分制動(dòng)功率，有效減輕制動(dòng)器的負(fù)荷，延長(zhǎng)制動(dòng)蹄片的更換周期，降低因摩擦高溫對(duì)制動(dòng)器帶來(lái)的損害，對(duì)制動(dòng)器的保護(hù)不言而喻，尤其是對(duì)于熱容量較小的盤(pán)式制動(dòng)器。

新修訂的GB 7258對(duì)重型卡車(chē)輔助制動(dòng)性能擬定了新增規(guī)定要求，Ⅱ型A試驗(yàn)要求在6%坡度、6 km路程及禁止使用行車(chē)制動(dòng)條件下，車(chē)速可以保持在30 km/h以下。仍以總質(zhì)量55 t車(chē)輛為例，要求輔助制動(dòng)系統(tǒng)能夠產(chǎn)生約200 kW的制動(dòng)功率，相當(dāng)于輔助制動(dòng)替代主制動(dòng)的作用，使制動(dòng)后的車(chē)速穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。

制約我國(guó)盤(pán)式制動(dòng)器應(yīng)用瓶頸分析

1.國(guó)內(nèi)制動(dòng)器在卡車(chē)上的應(yīng)用現(xiàn)狀

針對(duì)制動(dòng)器的使用關(guān)注點(diǎn)，筆者認(rèn)為國(guó)內(nèi)中重型卡車(chē)使用環(huán)境存在以下特點(diǎn)：一是裝載不規(guī)范，超載情況在部分地區(qū)仍然嚴(yán)重；二是地域廣，路況和工況復(fù)雜；三是法規(guī)雖要求安裝輔助制動(dòng)但對(duì)其效能尚未明確規(guī)定，因此輔助制動(dòng)仍以排氣制動(dòng)為主，制動(dòng)效能很低。

制動(dòng)功率與裝載量和路面坡度成正比。超載下坡時(shí)，若沒(méi)有足夠的輔助制動(dòng)裝置，巨大的制動(dòng)功率主要依靠行車(chē)制動(dòng)器轉(zhuǎn)化，制動(dòng)器則會(huì)不堪重負(fù)。出于無(wú)奈，駕駛員加裝了淋水裝置，當(dāng)車(chē)輛長(zhǎng)距離下坡時(shí)則會(huì)給車(chē)輪制動(dòng)鼓淋水降溫，甚至公路管理部門(mén)也在路邊設(shè)置水槽為下坡車(chē)輛的車(chē)輪降溫，這些措施雖然有效，但對(duì)制動(dòng)器以及行車(chē)安全等都有潛在的不利影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)多年來(lái)在中重型卡車(chē)故障發(fā)生率中，鼓式制動(dòng)器故障一直高居前列。

如前所述，我國(guó)中重卡盤(pán)式制動(dòng)器形成有效市場(chǎng)銷(xiāo)量的應(yīng)用比例不足3%。從車(chē)型上來(lái)講，主要是在水泥攪拌車(chē)和自卸車(chē)上形成了一定銷(xiāo)量，從布置形式來(lái)講，均為前盤(pán)后鼓式。

根據(jù)售后千臺(tái)故障率的統(tǒng)計(jì)，在水泥攪拌車(chē)上采用前盤(pán)后鼓式布置形式，前盤(pán)式制動(dòng)器故障率低于同類(lèi)型全鼓式制動(dòng)器的攪拌車(chē)。經(jīng)分析，這主要受益于水泥攪拌運(yùn)輸車(chē)罐體容積和物料固定，不可能過(guò)度超載，盤(pán)式制動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)得以發(fā)揮，制動(dòng)跑偏和抖動(dòng)故障明顯減少；而與水泥攪拌運(yùn)輸車(chē)類(lèi)不同的自卸車(chē)類(lèi)，同樣是國(guó)內(nèi)某企業(yè)在同型號(hào)底盤(pán)上進(jìn)行前盤(pán)后鼓式布置，盤(pán)式制動(dòng)器故障卻始終居高不下(圖4)，制動(dòng)盤(pán)開(kāi)裂等故障雖經(jīng)過(guò)多次整改仍效果不理想。筆者認(rèn)為這不僅是結(jié)構(gòu)問(wèn)題，更多的是車(chē)型選配沒(méi)有考慮超載等問(wèn)題。

2.制約因素

(1)超載是制約盤(pán)式制動(dòng)器推廣應(yīng)用的首要因素。經(jīng)過(guò)多年的治理，我國(guó)的超載現(xiàn)象雖然得到了有效遏制，但是遠(yuǎn)沒(méi)有杜絕。以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大允許總質(zhì)量為31 t的自卸車(chē)為例，實(shí)際裝載后總質(zhì)量達(dá)到120 t的現(xiàn)象依然存在。在超載情況下，對(duì)于熱容量更小的盤(pán)式制動(dòng)器是無(wú)法承受的，其制動(dòng)能力無(wú)法滿(mǎn)足整車(chē)的需求，在制動(dòng)控制方面的優(yōu)勢(shì)也就無(wú)從體現(xiàn)。據(jù)試驗(yàn)，超載時(shí)盤(pán)式制動(dòng)器摩擦片的壽命不到鼓式制動(dòng)器的1/4，且制動(dòng)盤(pán)的龜裂現(xiàn)象更為嚴(yán)重；而又因盤(pán)式制動(dòng)器工作溫度高于鼓式制動(dòng)器，不能采用淋水降溫，這也是用戶(hù)根本不能接受的。

(2)輔助制動(dòng)效能較低不能為盤(pán)式制動(dòng)器應(yīng)用提供保障。目前我國(guó)卡車(chē)輔助制動(dòng)主要以排氣制動(dòng)為主，平均制動(dòng)功率不足100 kW，無(wú)法滿(mǎn)足整車(chē)需要。為國(guó)內(nèi)某款主流發(fā)動(dòng)機(jī)廠引進(jìn)的EVB(Exhaust Valve Brake，排氣門(mén)制動(dòng))技術(shù)的是一種泄氣型發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)，氣門(mén)的控制依賴(lài)于排氣背壓的穩(wěn)定。由于通過(guò)排氣蝶閥控制排氣背壓，背壓不穩(wěn)定，蝶閥故障率高，其制動(dòng)效果僅僅是略高于普通排氣制動(dòng)，作用有限。

目前西安康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)匹配JACOBS制動(dòng)器(壓縮釋放型)可以達(dá)到150 kW，但在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用還很少，而另一種制動(dòng)功率更高的液力緩速器幾乎沒(méi)有得到應(yīng)用。

(3)成本過(guò)高限制了盤(pán)式制動(dòng)器的推廣。表3為筆者對(duì)國(guó)內(nèi)某單級(jí)減速驅(qū)動(dòng)橋采用鼓式和盤(pán)式制動(dòng)器(20英寸)的采購(gòu)成本對(duì)比。

因一個(gè)單橋便有左右2個(gè)制動(dòng)器，僅單橋成本差異，盤(pán)式比鼓式要高出2 586元，6×4車(chē)型共有3個(gè)車(chē)橋，若全部采用盤(pán)式制動(dòng)器，其整車(chē)成本則增加7 758元。若采用22.5英寸或進(jìn)口盤(pán)式制動(dòng)器，成本增加幅度還將加大。超載時(shí)車(chē)輛用戶(hù)很難感知到盤(pán)式制動(dòng)器的控制優(yōu)勢(shì)，而讓整車(chē)成本增大了約3%，用戶(hù)是很難接受的。

推廣中重卡盤(pán)式制動(dòng)器的建議

針對(duì)國(guó)內(nèi)超載現(xiàn)象的治理還會(huì)有相對(duì)較長(zhǎng)的過(guò)程，在盤(pán)式制動(dòng)器的應(yīng)用上筆者提出以下建議。

1.結(jié)合國(guó)情選擇相對(duì)固定的車(chē)型配裝盤(pán)式制動(dòng)器。盤(pán)式制動(dòng)器對(duì)超載敏感，應(yīng)選擇裝載相對(duì)規(guī)范的車(chē)型，如運(yùn)/加油車(chē)、水泥攪拌運(yùn)輸車(chē)等，而對(duì)于自卸車(chē)、平板運(yùn)輸車(chē)等裝載量難以控制的車(chē)型應(yīng)當(dāng)慎用；牽引車(chē)由于掛車(chē)制動(dòng)器設(shè)計(jì)和選用不在主機(jī)廠，且存在超載情況，也不建議使用。另外，水泥攪拌車(chē)罐體容積也在不斷增大，目前已經(jīng)超過(guò)18 m3，對(duì)于超過(guò)14 m3的水泥攪拌運(yùn)輸車(chē)車(chē)型也應(yīng)慎用盤(pán)式制動(dòng)器。

表4 單個(gè)制動(dòng)器成本對(duì)比

2.優(yōu)先使用前盤(pán)后鼓的匹配形式。制動(dòng)控制過(guò)程中，前橋的控制精度更為重要。筆者曾經(jīng)在試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)4×2牽引車(chē)空車(chē)不帶掛車(chē)進(jìn)行ABS低附路面對(duì)比試驗(yàn)，前盤(pán)后鼓式比全鼓式制動(dòng)器性能更優(yōu)。

從用戶(hù)使用的結(jié)果來(lái)看，某型8×4平板車(chē)匹配全盤(pán)制動(dòng)器在山區(qū)路面行駛，后橋摩擦片的磨損速度為前橋的6倍，且遠(yuǎn)高于鼓式制動(dòng)器，用戶(hù)抱怨很大。經(jīng)分析認(rèn)為：由于整車(chē)質(zhì)量大部分由后橋承擔(dān)，制動(dòng)過(guò)程中后橋摩擦片與盤(pán)的滑移率高于前橋，造成后橋制動(dòng)盤(pán)溫度高于前橋，摩擦片的磨損更嚴(yán)重。

前盤(pán)后鼓布置形式可揚(yáng)長(zhǎng)避短，能充分發(fā)揮盤(pán)式制動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)，如前所述水泥攪拌運(yùn)輸車(chē)采用前盤(pán)后鼓布置形式所取得的效果便驗(yàn)證了此觀點(diǎn)。

需要提醒的是，由前期對(duì)水泥攪拌運(yùn)輸車(chē)盤(pán)式制動(dòng)器故障分析發(fā)現(xiàn)，超過(guò)12個(gè)月之后，其故障率會(huì)異常升高，主要原因是摩擦片磨損到極限時(shí)，駕駛員未及時(shí)更換。為此建議整車(chē)匹配時(shí)應(yīng)增加摩擦片磨損報(bào)警裝置。

3.重視匹配高效輔助制動(dòng)裝置。輔助制動(dòng)器不僅保護(hù)盤(pán)式制動(dòng)器，對(duì)所有類(lèi)型制動(dòng)器都能起到保護(hù)的作用，對(duì)行車(chē)安全的意義非常重大，不過(guò)對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器更為重要。經(jīng)比較，參照歐洲成功經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)優(yōu)先考慮發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)并輔以液力緩速器。應(yīng)優(yōu)先選用制動(dòng)功率更大的壓縮釋放型發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)。對(duì)于國(guó)內(nèi)應(yīng)用較廣的EVB泄氣制動(dòng)，建議放棄故障較高且壓力不穩(wěn)定的扭桿式排氣蝶閥，采用其他恒壓設(shè)計(jì)。