8×8輪式車輛氣液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

杜志岐， 唐 鏡

(中國北方車輛研究所，北京100072)

隨著輪式特種車輛的行駛速度越來越高，制動(dòng)系統(tǒng)的效能提升及特性匹配要求就越來越重要.

輪式車輛制動(dòng)系統(tǒng)由行車制動(dòng)和駐車制動(dòng)構(gòu)成.行車制動(dòng)系統(tǒng)主要由供能裝置、控制裝置、傳動(dòng)裝置和制動(dòng)器4個(gè)部分組成，現(xiàn)代制動(dòng)系統(tǒng)還包含壓力報(bào)警裝置、壓力調(diào)節(jié)裝置等.

行車制動(dòng)采用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)或助氣驅(qū)動(dòng)方式.動(dòng)力制動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能源由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的油泵或氣泵提供，駕駛員動(dòng)作作為控制輸入.根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同，可分為液壓制動(dòng)、氣壓制動(dòng)和氣頂液制動(dòng)[1]；根據(jù)制動(dòng)器型式的不同，可分為盤式制動(dòng)和鼓式制動(dòng).根據(jù)整車的總體布置及噸位級(jí)別的不同，駐車制動(dòng)和行車制動(dòng)可以共用制動(dòng)器，也可以有單獨(dú)的中央駐車制動(dòng)器.

重型商用車輛行車制動(dòng)系統(tǒng)的常見型式是雙管路全氣制動(dòng)；駐車制動(dòng)也采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，駐車制動(dòng)器為非轉(zhuǎn)向輪的行車制動(dòng)器.輕型輪式車輛行車制動(dòng)通常為液壓鉗盤式制動(dòng)，駐車制動(dòng)器為單獨(dú)的中央駐車制動(dòng)器，采取機(jī)械或氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式.

為了有效提高某8×8輪式車輛的綜合效能，充分考慮國內(nèi)商用車輛領(lǐng)域的產(chǎn)品能力，按照“選型、集成、優(yōu)化”的輪式特種車輛開發(fā)途徑，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行深層次的解碼與重構(gòu).

1 3種行車制動(dòng)系統(tǒng)的原理及優(yōu)缺點(diǎn)

1.1 氣壓制動(dòng)

輪式特種車輛均采用雙管路全氣壓制動(dòng)系統(tǒng)，其原理框圖如1所示.以雙軸車輛的全氣制動(dòng)系統(tǒng)為例，其制動(dòng)過程為：由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的空氣壓縮機(jī)排出的壓縮空氣經(jīng)干燥器和四管路保護(hù)閥后向前、后儲(chǔ)氣瓶及停車備用儲(chǔ)氣瓶充氣，從前、后蓄氣瓶出來的氣體分別通過雙回路制動(dòng)閥(制動(dòng)踏板)的兩個(gè)進(jìn)氣口進(jìn)入I腔和II腔.制動(dòng)時(shí)，踩下制動(dòng)踏板，由雙回路制動(dòng)閥出來的兩路氣體分別通往前后制動(dòng)膜片氣室，產(chǎn)生增壓后作用在制動(dòng)器上實(shí)施制動(dòng)；當(dāng)需要駐車時(shí)，操縱駐車制動(dòng)閥，停車備用氣瓶的氣體通過駐車制動(dòng)閥進(jìn)入使彈簧制動(dòng)氣室放氣從而使制動(dòng)器制動(dòng).

其主要優(yōu)點(diǎn)為：

1)商用車輛全氣制動(dòng)元件成熟、可靠，輪式特種車輛可直接選型采用；

2)整車共用氣源，氣動(dòng)操縱系統(tǒng)簡(jiǎn)單有效；

3)制動(dòng)力大，操作輕便；

4)雙回路氣壓制動(dòng)布置型式安全，可靠；

5)駐車制動(dòng)可以通過彈簧制動(dòng)氣室作用在行車制動(dòng)器上實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠；

其式主要缺點(diǎn)為：

1)蓄氣瓶體積大，占用車內(nèi)空間大.

2)制動(dòng)響應(yīng)相對(duì)液壓制動(dòng)較慢.

圖1 全氣制動(dòng)原理簡(jiǎn)圖

1.2 液壓制動(dòng)

輕型輪式車輛的雙管路液壓制動(dòng)系統(tǒng)，由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)向泵向液壓助力制動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力,與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)共用油源，制動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以液壓油作為制動(dòng)操縱的傳遞介質(zhì).

商用工程車輛的雙管路全動(dòng)力液壓制動(dòng)系統(tǒng)，通常會(huì)采用獨(dú)立的油源系統(tǒng)(如齒輪泵等)，其原理見圖2.依據(jù)充液閥[2]等保障蓄壓器回路的壓力，在一定范圍內(nèi)，駕駛員只需根據(jù)不同的制動(dòng)要求，通過踏板制動(dòng)閥控制工作油路到4個(gè)盤式制動(dòng)器液壓缸使制動(dòng)鉗抱緊制動(dòng)盤來實(shí)現(xiàn)制動(dòng).

其主要優(yōu)點(diǎn)為：

圖2 液壓制動(dòng)原理簡(jiǎn)圖

1)全液壓制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間快；

2)車內(nèi)布置簡(jiǎn)單，占用空間小；

其主要缺點(diǎn)為：

1)較大噸位級(jí)別的液壓盤式制動(dòng)器沒有帶成熟駐車制動(dòng)器油缸的結(jié)構(gòu)型式，故需要增加駐車制動(dòng)器解決駐車問題；

2)雖然輪式特種車輛承載能力強(qiáng)，需要給其他性能預(yù)留較多，故整車總空間及重量有限，一般不能為液壓制動(dòng)系統(tǒng)單獨(dú)提供一套專門的液壓助力系統(tǒng).

1.3 氣頂液制動(dòng)

由于液壓制動(dòng)相對(duì)氣壓制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間比較快，車內(nèi)空間占用體積小，所以現(xiàn)在國外先進(jìn)的輪式特種車輛采用的制動(dòng)系統(tǒng)主要為液壓制動(dòng).而國內(nèi)的輪式特種車輛領(lǐng)域，受國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)能力的限制，與中、重型輪式特種車輛相匹配的液壓制動(dòng)元器件沒有成熟可靠的產(chǎn)品可供直接選用.

為了保障整車重量、車內(nèi)空間，縮短制動(dòng)距離，某輪式特種車輛采用氣頂液制動(dòng)系統(tǒng)，使用車內(nèi)壓縮空氣作為動(dòng)力源，通過干燥器和四管路保護(hù)閥向蓄氣瓶進(jìn)行充氣.當(dāng)駕駛員需要制動(dòng)時(shí)，作用雙回路制動(dòng)閥使壓縮氣體分別作用到前、后增壓器中的氣室，增壓器把氣體壓力轉(zhuǎn)化為制動(dòng)液壓力，使盤式制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng).由于設(shè)計(jì)時(shí)氣動(dòng)管路較短，作用滯后時(shí)間短，制動(dòng)響應(yīng)快，因此它既有液壓制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，又有氣壓制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn).氣頂液制動(dòng)系統(tǒng)主要由蓄氣瓶、雙回路制動(dòng)閥、增壓器、鉗盤式制動(dòng)器及制動(dòng)管路組成.其工作原理見圖3.

圖3 氣頂液制動(dòng)原理簡(jiǎn)圖

采用氣頂液鉗盤式制動(dòng)后，由于該噸位級(jí)別匹配的盤式制動(dòng)器上沒有成熟的駐車制動(dòng)油缸可以直接選用，故該制動(dòng)系統(tǒng)需增加中央駐車制動(dòng)器保證駐車制動(dòng).

其主要優(yōu)點(diǎn)為：

1)使用氣頂液制動(dòng)，減少了制動(dòng)用氣，使車內(nèi)蓄氣瓶體積減小2/3；

2)行車制動(dòng)器采用盤式制動(dòng)器，制動(dòng)效能高，制動(dòng)性能穩(wěn)定.

其主要缺點(diǎn)為：

1)需要增加駐車制動(dòng)器解決駐車問題；

2)沒有相配套的ABS系統(tǒng)供直接選用；

3)增壓缸等裝置需要注意保養(yǎng)，否則易出現(xiàn)管路氣阻；

4)制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間輕微延長；

5)氣頂液系統(tǒng)關(guān)鍵部件增壓器主要選用工程機(jī)械裝備，需要采取措施保證高強(qiáng)度越野行駛的適用性.

2 多軸氣液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)動(dòng)力艙前置以及整車布置的要求考慮，一、二軸為轉(zhuǎn)向輪，轉(zhuǎn)向回轉(zhuǎn)占用輪艙空間較大，難以布置制動(dòng)氣室，重型車輛很難有合適的中央駐車制動(dòng)器供選用，且中央駐車制動(dòng)器布置在車內(nèi)也不利于保養(yǎng)維修，因此三、四軸采用彈簧制動(dòng)氣室、全氣制動(dòng)驅(qū)動(dòng)，構(gòu)成行車制動(dòng)和駐車制動(dòng).

由于液壓制動(dòng)和全氣制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間差別較大，液壓制動(dòng)比氣壓制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間快3倍以上，一般設(shè)計(jì)時(shí)不建議進(jìn)行多軸混合使用.如圖4[3]所示.

圖4 氣頂液制動(dòng)和全液制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間對(duì)比

由于上述約束條件，一、二軸不能采用氣壓制動(dòng)，而車內(nèi)也沒有布置中央駐車制動(dòng)器的空間.故在設(shè)計(jì)時(shí)，一、二軸采用氣頂液鉗盤式制動(dòng)器制動(dòng)模式，三、四軸采用全氣鉗盤式制動(dòng)器制動(dòng)模式的混合搭配設(shè)計(jì).該多軸氣液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)原理見圖5.

圖5 多軸氣液復(fù)合制動(dòng)原理圖

2.2 合理匹配兩種驅(qū)動(dòng)型式的制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間差

由于一、二軸采用氣頂液制動(dòng)，三、四軸采用全氣制動(dòng)，在制動(dòng)響應(yīng)上一、二軸比三、四軸快，所以該制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是盡量提高三、四軸的制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間.采取的措施主要是：

1)在三、四軸制動(dòng)氣路前增加繼動(dòng)閥，縮短制動(dòng)氣路，提高響應(yīng)時(shí)間；

2)在一、二軸和三、四軸制動(dòng)閥前增加減壓閥(壓力調(diào)節(jié)閥)，調(diào)整前、后氣路壓力，匹配前、后制動(dòng)響應(yīng)；

3)增大三、四軸氣路管路直徑，從φ8 mm增加到φ12 mm，提高響應(yīng)時(shí)間；

4)優(yōu)化三、四軸蓄氣瓶到制動(dòng)閥、繼動(dòng)閥之間的管路距離，最好保證該繼動(dòng)閥進(jìn)氣口采用直通接頭，使制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間達(dá)到最優(yōu)；

5) 優(yōu)化設(shè)計(jì)制動(dòng)氣瓶體積大小，與制動(dòng)氣室進(jìn)行優(yōu)化匹配.

采取以上優(yōu)化措施，提高響應(yīng)時(shí)間結(jié)果見表1.

表1 優(yōu)化措施表

一般商用工程車采用常規(guī)的全氣壓制動(dòng)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間(不包括駕駛員的反應(yīng)時(shí)間)大多為0.5～0.9 s[4]，采用多項(xiàng)優(yōu)化措施后，可實(shí)現(xiàn)響應(yīng)時(shí)間平均降低0.3～0.5 s.

該車采用以上多項(xiàng)措施，提高三、四軸全氣制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間.通過臺(tái)架測(cè)試，響應(yīng)時(shí)間小于0.3 s，使其盡量與一、二軸氣頂液制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間一致.

通過試驗(yàn)測(cè)試，前一、二軸的制動(dòng)器摩擦片更換的周期為10 000 km行駛里程(包含6 000 km的起伏路面)，三、四軸的制動(dòng)器摩擦片更換的周期為20 000 km行駛里程，能夠滿足輪式特種車輛的正常使用要求.

2.3 ABS匹配設(shè)計(jì)

由于氣頂液制動(dòng)系統(tǒng)和全氣制動(dòng)系統(tǒng)存在著制動(dòng)響應(yīng)不一致的問題，也為制動(dòng)安全性帶來一些問題.而ABS系統(tǒng)的安裝是確保多軸氣液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)安全性的必要手段.

鑒于商用ABS系統(tǒng)的選型約束，該車采用了8S/6M的氣壓ABS裝置.在一、二軸進(jìn)入增壓器之前安裝ABS調(diào)壓閥，在三、四軸的左右輪之間皆裝有ABS調(diào)壓電磁閥，同時(shí)在各輪安裝有輪速傳感器，見圖5.

電控單元通過連續(xù)監(jiān)測(cè)一、二、三、四軸輪速傳感器速度脈沖電信號(hào)，并將它們處理、轉(zhuǎn)換成和輪速成正比的數(shù)值.一旦判斷出車輪將要抱死，立刻就進(jìn)入防抱死控制狀態(tài)，向ABS調(diào)壓電磁閥輸出幅值為24 V的脈沖控制電壓，以控制氣路的增壓、保壓、減壓等，間接調(diào)節(jié)了車輪上的制動(dòng)力.

3 結(jié)束語

通過8×8輪式車輛多軸氣液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化匹配，統(tǒng)籌兼顧了整車系統(tǒng)集成、車內(nèi)空間布局、制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間等設(shè)計(jì)要求，有效縮短氣路制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間,表明氣液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)合理可行.

氣液驅(qū)動(dòng)的多軸制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間不一致問題的徹底解決，需要對(duì)其一些氣壓制動(dòng)系統(tǒng)功能元件繼動(dòng)閥、差動(dòng)閥等進(jìn)行深入研究，如加入電氣比例控制閥對(duì)多軸制動(dòng)氣量進(jìn)行優(yōu)化分配.但其效費(fèi)比是否更高，需要進(jìn)一步深化研究.