汽車制動(dòng)儲(chǔ)液罐最低容積設(shè)計(jì)

蔣大偉

（安徽江淮汽車股份有限公司，合肥 230601）

1 影響儲(chǔ)液罐最低容積的因素

采用液壓制動(dòng)系統(tǒng)的車輛需要在車輛上設(shè)計(jì)存儲(chǔ)制動(dòng)液的容器——制動(dòng)儲(chǔ)液罐，以便在需要時(shí)為回路補(bǔ)充制動(dòng)液[1-2]。按照法規(guī)要求，儲(chǔ)液罐中應(yīng)有報(bào)警裝置，在液面下降到可能導(dǎo)致制動(dòng)系統(tǒng)失效時(shí)，報(bào)警裝置發(fā)出聲、光等信號(hào)，提醒駕駛者檢查并及時(shí)向儲(chǔ)液罐中補(bǔ)充制動(dòng)液。報(bào)警裝置工作時(shí)的液面稱為儲(chǔ)液罐的報(bào)警液面，即儲(chǔ)液罐最低液面，對(duì)應(yīng)的容積就是儲(chǔ)液罐的最低容積。由于儲(chǔ)液罐的最低容積與行車安全直接相關(guān)，所以儲(chǔ)液罐最低容積設(shè)計(jì)是整車制動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)中的一項(xiàng)重要工作，其主要影響因素有：

1）磨損因素。制動(dòng)器的摩擦襯片/襯塊從全新狀態(tài)使用到完全磨損狀態(tài)，以及制動(dòng)盤/鼓使用到最大許可磨損尺寸時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)回路中液體的體積將增加[3]。圖1為液壓回路在摩擦襯片/襯塊出現(xiàn)磨損后（如圖中虛線所示）導(dǎo)致回路容積增加，從而儲(chǔ)液罐液面下降的示意圖。

2）變形因素。實(shí)際應(yīng)用中，除了要考慮摩擦襯片/襯塊與制動(dòng)盤/鼓的磨損因素外，儲(chǔ)液罐最低容積設(shè)計(jì)還要考慮以下變形因素的影響：

①制動(dòng)器（鉗）工作變形[4]：制動(dòng)過程中，回路中的液壓使制動(dòng)器（鉗）總成發(fā)生一定變形，這種變形會(huì)導(dǎo)致回路容積有一定增加。

②摩擦襯片/襯塊壓縮變形[5]：制動(dòng)過程中，回路中的液壓使摩擦襯片/襯塊發(fā)生一定壓縮變形，這種變形也會(huì)導(dǎo)致回路容積有一定增加。

③制動(dòng)軟管膨脹變形[6-7]：制動(dòng)過程中，回路中的液壓使制動(dòng)軟管發(fā)生一定膨脹變形，這種變形對(duì)導(dǎo)致回路容積增加也有貢獻(xiàn)。

2 水平路面儲(chǔ)液罐最低容積

下面以某車型為例，對(duì)其儲(chǔ)液罐最低容積進(jìn)行計(jì)算。該車型采用X型[8]液壓回路布置（即左前制動(dòng)器與右后制動(dòng)器組成一個(gè)回路，右前制動(dòng)器與左后制動(dòng)器組成一個(gè)回路），前、后制動(dòng)器均采用盤式制動(dòng)器[9]。主要參數(shù)如表1所示。

表1 某車型主要參數(shù)

1）摩擦塊完全磨損、制動(dòng)盤達(dá)到最大許可磨損時(shí)，導(dǎo)致回路中增加的容積V1。對(duì)于單個(gè)制動(dòng)器，出現(xiàn)摩擦塊完全磨損、制動(dòng)盤達(dá)到最大許可磨損時(shí)，回路中增加的容積V1為

式中，△為摩擦塊與制動(dòng)盤的單側(cè)間隙；t1為摩擦塊單側(cè)完全磨損厚度；t2為制動(dòng)盤單側(cè)最大許可磨損量。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該車型前、后制動(dòng)器的摩擦塊與制動(dòng)盤單側(cè)間隙均為0.2 mm；前摩擦塊單側(cè)極限磨損厚度為8.5 mm，前制動(dòng)盤單側(cè)最大許可磨損量為1.8 mm；后摩擦塊單側(cè)極限磨損厚度為7.5 mm，后制動(dòng)盤單側(cè)最大許可磨損量為0.8 mm[10]。將以上數(shù)據(jù)代入式（1），則對(duì)于第一回路:

由于左、右制動(dòng)器為對(duì)稱設(shè)計(jì)，因此，對(duì)于第二回路：

2）制動(dòng)器（鉗）所需液量導(dǎo)致回路中增加的容積V2。由于制動(dòng)器（鉗）總成變形、摩擦塊壓縮變形、制動(dòng)軟管膨脹變形等均與回路中的液壓大小有關(guān)，為了計(jì)算其最大值，首先需要確定回路中的最大有效液壓（所謂有效液壓指地面制動(dòng)力達(dá)到附著力時(shí)的臨界液壓），即要對(duì)汽車獲得最大減速度時(shí)的工況進(jìn)行分析計(jì)算。具體如下：

單軸制動(dòng)器制動(dòng)力F為

式中，p為回路液壓。

式中，F(xiàn)μf為前軸制動(dòng)器制動(dòng)力；Fμr為后軸制動(dòng)器制動(dòng)力。將表 1 數(shù)據(jù)代入式（2）、（3）得 β=0.625。

式中，L為軸距等于a+b，將表1數(shù)據(jù)和β值代入式（4）得 φ0=0.48。

根據(jù)文獻(xiàn)[11]，地面制動(dòng)力受路面附著條件的限制，只有路面能提供高的附著力時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生足夠的地面制動(dòng)力。因此，假設(shè)汽車在附著系數(shù)φ為1.0的路面上制動(dòng)，由于φ＞φ0，因此，后輪將先抱死。隨著回路液壓繼續(xù)增加，當(dāng)前軸達(dá)到抱死所需的地面制動(dòng)力Fxbf時(shí)，前、后輪均抱死，汽車獲得最大制動(dòng)減速度為 1.0 g[10]，此時(shí) Fxbf=Fμf，即

式中，p為汽車獲得1.0 g最大減速度所需的回路液壓，將表1數(shù)據(jù)代入式（5）得p=13.96 MPa。

顯然，p=13.96 MPa就是回路中的最大有效液壓，也符合“儲(chǔ)液罐最低容積”定義中關(guān)于制動(dòng)系統(tǒng)“完全作用”的表述。為了增加安全系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[4]中所需液量試驗(yàn)條件，將制動(dòng)器（鉗）總成變形、摩擦塊壓縮變形、制動(dòng)軟管膨脹變形的測(cè)試液壓提高到16 MPa。

對(duì)于第一回路：

V2=V2左前+V2右后=3.96+1.37=5.33 ml

由于左、右制動(dòng)器為對(duì)稱設(shè)計(jì)，因此，對(duì)于第二回路：V2=V2右前+V2左后=5.33 ml。

3）摩擦塊壓縮變形導(dǎo)致回路中增加的容積V3。表2為該車型制動(dòng)器（鉗）所需液量和前后摩擦塊壓縮變形量測(cè)試數(shù)據(jù)。

表2 制動(dòng)器（鉗）總成所需液量及摩擦塊壓縮變形量

對(duì)于單個(gè)制動(dòng)器，摩擦塊發(fā)生壓縮變形時(shí)，回路中增加的容積V3為

將表2中的0.12代入式（6），對(duì)于第一回路：

由于左、右制動(dòng)器為對(duì)稱設(shè)計(jì)，因此，對(duì)于第二回路：V3=V3右前+V3左后=1.56 ml

4）制動(dòng)軟管膨脹導(dǎo)致回路中增加的容積V4。該車型第一回路中使用的制動(dòng)軟管長(zhǎng)度為0.851 m，第二回路中使用的制動(dòng)管軟長(zhǎng)度為0.582 m。

該車型使用軟管為同一規(guī)格產(chǎn)品，在16 MPa時(shí)測(cè)試的軟管膨脹率為0.89 ml/m，因此，對(duì)于第一回路：V4=0.851×0.89=0.76 ml;對(duì)于第二回路：V4=0.582×0.89=0.52 ml

綜上，汽車在水平路面上行駛時(shí)，第一回路所需的儲(chǔ)液罐最低容積為

第二回路所需的儲(chǔ)液罐最低容積為

3 最大爬坡度路面儲(chǔ)液罐最低容積

圖2為汽車在水平路面上和最大爬坡度路面上行駛時(shí)儲(chǔ)液罐液面高度示意圖。假設(shè)儲(chǔ)液罐的最低容積為Vmin，儲(chǔ)液罐截面積為S，則最低液面高度h1為h1=Vmin/S。

顯然過儲(chǔ)液罐出油口中心點(diǎn)的虛線以下部分的容積V′在坡度上無法被利用，V′稱作無效利用容積；為了保證汽車在最大爬坡度路面上行駛時(shí)可利用的制動(dòng)液容積滿足最低容積要求，則要求虛線以上部分的容積V″等于汽車在水平路面上行駛時(shí)所需的儲(chǔ)液罐最低容積Vmin，V″稱作有效利用容積，此時(shí)，儲(chǔ)液罐中的總?cè)莘eV為V=V′+V″

換算成水平路面上的液面高度h2為

因此，h2才是儲(chǔ)液罐最終設(shè)計(jì)的最低液面，對(duì)應(yīng)的容積就是儲(chǔ)液罐應(yīng)有的最低容積。

4 結(jié)論

本文對(duì)影響制動(dòng)儲(chǔ)液罐最低容積的因素進(jìn)行了分析，并通過實(shí)例對(duì)最低容積進(jìn)行了計(jì)算，得到以下結(jié)論：

1）摩擦襯片/襯塊和制動(dòng)盤/鼓的磨損量是影響儲(chǔ)液罐最低容積的主要因素。

2）儲(chǔ)液罐的最低容積應(yīng)等于車輛在最大爬坡度路面上行駛時(shí)的有效利用容積和無效利用容積之和。

[1]吉林大學(xué)汽車工程系.汽車構(gòu)造（第5版）[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2]《汽車工程手冊(cè)》編輯委員會(huì).汽車工程手冊(cè)：設(shè)計(jì)篇[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]GB 21670-2008，乘用車制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[4]QC/T 592-1999，轎車制動(dòng)鉗總成性能要求及臺(tái)架試驗(yàn)方法[S].

[5]GB 5763-2008，汽車用制動(dòng)器襯片[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[6]GB 16897-2010，制動(dòng)軟管的結(jié)構(gòu)、性能要求及試驗(yàn)方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[7]馬少民，蔡曉娟.城市客車制動(dòng)管路結(jié)冰問題的研究[J].客車技術(shù)與研究，2011，（1）：18-20.

[8]劉惟信.汽車設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[9]劉田.汽車制動(dòng)器性能控制方法[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2010，（4）：64-68.

[10]童成前.汽車抽動(dòng)器與整車匹配設(shè)計(jì)方法研究[J].公路與汽運(yùn)，2010，（6）

[11]余志生.汽車?yán)碚摚ǖ?版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.