四輪制動(dòng)拖拉機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的討論

董文華，慕海鋒，翟 營(yíng)，鞠超

（拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，洛陽(yáng)拖拉機(jī)研究所有限公司，河南洛陽(yáng) 471003）

0 引言

制動(dòng)性能是拖拉機(jī)使用性能體系中的一個(gè)重要安全指標(biāo)，制動(dòng)性能不但影響拖拉機(jī)動(dòng)力性能的發(fā)揮還直接關(guān)系到駕駛員和車輛的安全[1]。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有拖拉機(jī)產(chǎn)品中，行車制動(dòng)多采用后輪制動(dòng)，隨著2021年歐五排放在歐洲全面實(shí)施，歐五排放的切換使中國(guó)拖拉機(jī)企業(yè)與歐洲先進(jìn)拖拉機(jī)企業(yè)站在了同一起跑線上，這為中國(guó)拖拉機(jī)產(chǎn)品進(jìn)入歐洲市場(chǎng)提供了機(jī)會(huì)。但是，歐盟法規(guī)規(guī)定車速在30～40 km/h的拖拉機(jī)，行車制動(dòng)結(jié)構(gòu)需采用四輪制動(dòng)，制動(dòng)減速度a≥5 m/s2，目前國(guó)內(nèi)拖拉機(jī)大都采用后輪制動(dòng)，且國(guó)內(nèi)對(duì)四輪制動(dòng)拖拉機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)研究較少，未見(jiàn)四輪制動(dòng)拖拉機(jī)前、后軸附著力分配相關(guān)研究，但是，四輪制動(dòng)拖拉機(jī)前、后軸附著力分配對(duì)于四輪制動(dòng)拖拉機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)意義重大。為此，筆者對(duì)四輪制動(dòng)拖拉機(jī)前、后軸附著力分配的相關(guān)理論計(jì)算和應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行簡(jiǎn)單的討論，并對(duì)四輪制動(dòng)拖拉機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用注意事項(xiàng)進(jìn)行探討。

1 拖拉機(jī)前后軸附著力分配研究

1.1 前后軸附著力分配意義

四輪制動(dòng)拖拉機(jī)制動(dòng)力受制動(dòng)器制動(dòng)力與地面附著力的共同影響，對(duì)于四輪制動(dòng)拖拉機(jī)而言，當(dāng)制動(dòng)器制動(dòng)力小于地面附著力時(shí)，拖拉機(jī)制動(dòng)力大小等于制動(dòng)器制動(dòng)力的值，此時(shí)通過(guò)增加制動(dòng)踏板操縱力和增加制動(dòng)器摩擦片個(gè)數(shù)，可以顯著提升拖拉機(jī)制動(dòng)力。但當(dāng)制動(dòng)器制動(dòng)力足夠大時(shí)，制動(dòng)器制動(dòng)力大于地面附著力時(shí)，四輪制動(dòng)拖拉機(jī)制動(dòng)力主要取決于前、后軸地面附著力分配。

根據(jù)前、后軸地面附著力分配情況不同，四輪制動(dòng)拖拉機(jī)制動(dòng)過(guò)程存在三種制動(dòng)工況，工況一：前輪抱死時(shí)后輪滾動(dòng)，然后四輪全部抱死滑動(dòng)；該工況屬于穩(wěn)定工況，但制動(dòng)過(guò)程中拖拉機(jī)失去轉(zhuǎn)向能力，地面附著條件利用不充分。工況二：后輪抱死時(shí)前輪滾動(dòng)，然后四輪全部抱死滑動(dòng)；該工況后軸可能出現(xiàn)側(cè)滑，屬于不穩(wěn)定工況，地面附著利用率低。工況三：前、后軸同時(shí)抱死拖滑；可以避免后軸側(cè)滑，附著條件利用較好，是理想工況[2]。前、后軸制動(dòng)器制動(dòng)力的分配與地面前、后附著力匹配應(yīng)用情況，直接影響制動(dòng)時(shí)前、后軸的抱死順序，從而影響拖拉機(jī)制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性和附著條件利用程度，是四輪制動(dòng)拖拉機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須認(rèn)真分析的問(wèn)題。

1.2 四輪制動(dòng)拖拉機(jī)前、后軸附著力分配理論計(jì)算

拖拉機(jī)直線行駛制動(dòng)時(shí)，由于慣性力作用，拖拉機(jī)的前、后軸地面附著力會(huì)在拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程發(fā)生轉(zhuǎn)移，如果制動(dòng)器前、后軸制動(dòng)力保持不變，轉(zhuǎn)移的載荷會(huì)影響拖拉機(jī)制動(dòng)時(shí)前、后軸抱死順序。為便于研究拖拉機(jī)直線行駛前、后軸附著力分配規(guī)律，需要對(duì)拖拉機(jī)制動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行受力分析。選取一臺(tái)四輪制動(dòng)拖拉機(jī)為研究對(duì)象，假設(shè)同軸左右車輪載荷相同，拖拉機(jī)在水平路面上制動(dòng)時(shí)的受力情況簡(jiǎn)化為圖1所示，忽略空氣阻力、拖拉機(jī)的滾動(dòng)阻力偶矩以及旋轉(zhuǎn)質(zhì)量減速時(shí)產(chǎn)生的慣性力偶矩的作用，忽略拖拉機(jī)制動(dòng)時(shí)邊滾邊滑的復(fù)合過(guò)程。對(duì)四輪制動(dòng)拖拉機(jī)簡(jiǎn)化模型受力分析可得，將拖拉機(jī)雙側(cè)輪簡(jiǎn)化為單個(gè)輪，拖拉機(jī)質(zhì)心為O點(diǎn)，對(duì)拖拉機(jī)整體進(jìn)行受力分析：

圖1 制動(dòng)時(shí)拖拉機(jī)受力分析示意圖

拖拉機(jī)前輪接地點(diǎn)取矩計(jì)算：

拖拉機(jī)后輪接地點(diǎn)取矩計(jì)算：

將式（1～5）結(jié)合，消去后整理得地面前、后附著力關(guān)系，得：

將式（1～6）結(jié)合，得：

由式（6）可見(jiàn)，只要給出拖拉機(jī)質(zhì)心位置、拖拉機(jī)重量與路面附著系數(shù)，就能得出前、后軸地面附著力分配情況，確定四輪同時(shí)制動(dòng)時(shí)前、后制動(dòng)器制動(dòng)力的大小。若設(shè)計(jì)的拖拉機(jī)質(zhì)心偏后側(cè)時(shí)，后輪附著增加，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮增大后軸制動(dòng)器的制動(dòng)力；質(zhì)心偏前側(cè)時(shí)，前輪附著增加，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮增大前軸制動(dòng)器的制動(dòng)力。

由式（1）和（2）可知，拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，前、后軸附著力是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，拖拉機(jī)加速行駛時(shí)，加速度增加，前軸附著力增加，后軸附著力減小，需要提高前軸制動(dòng)器制動(dòng)力，降低后軸制動(dòng)器制動(dòng)力。拖拉機(jī)減速行駛時(shí)，減速度增加，前軸附著力減小，后軸附著增加，需要提高后軸制動(dòng)器制動(dòng)力，降低前軸制動(dòng)器制動(dòng)力。因此，對(duì)于四輪制動(dòng)的拖拉機(jī)制動(dòng)器設(shè)計(jì)需要注意前、后軸地面附著力變化過(guò)程，需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整前、后軸制動(dòng)器制動(dòng)力分配，不斷適應(yīng)前、后軸地面附著力變化，該過(guò)程是個(gè)極其復(fù)雜的變化適應(yīng)過(guò)程。

1.3 四輪制動(dòng)拖拉機(jī)滑移率選擇

拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，拖拉機(jī)輪胎包含滾動(dòng)和滑動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，仔細(xì)觀察拖拉機(jī)制動(dòng)過(guò)程輪胎運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)整個(gè)制動(dòng)過(guò)程輪胎有三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：制動(dòng)器發(fā)揮作用之前，輪胎與地面之間純滾動(dòng)，地面制動(dòng)印痕與輪胎花紋基本一致；制動(dòng)器剛開(kāi)始起作用，輪胎既有滾動(dòng)狀態(tài)又有滑動(dòng)狀態(tài)，隨著制動(dòng)力的增加，滾動(dòng)比例越來(lái)越小，地面制動(dòng)印痕花紋寬度明顯粗于輪胎實(shí)際胎面花紋；制動(dòng)器完全抱死車輪，輪胎只有滑動(dòng)狀態(tài)，車輪被制動(dòng)器抱死拖滑。為了對(duì)制動(dòng)這三個(gè)過(guò)程進(jìn)行定量研究，引入滑移率S的概念，滑移率是指滑動(dòng)速度占整個(gè)速度的比例。

通過(guò)大量的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在道路材料、路面的狀況、輪胎結(jié)構(gòu)、胎面花紋、輪胎材料及拖拉機(jī)速度一致的情況下，滑移率為15%～20%時(shí)，附著系數(shù)最大[2]，利于發(fā)揮拖拉機(jī)的最大制動(dòng)能力。對(duì)于四輪制動(dòng)拖拉機(jī)研究發(fā)現(xiàn)，滑移率保證15%～20%范圍時(shí)，拖拉機(jī)制動(dòng)力比車輪抱死時(shí)制動(dòng)力增加5%～25%，并且此時(shí)可以使拖拉機(jī)獲得一個(gè)較高的側(cè)向制動(dòng)力系數(shù)，拖拉機(jī)在該狀態(tài)下直線行駛的穩(wěn)定性較高。要保證滑移率在15%～20%之間，前、后制動(dòng)器的制動(dòng)力應(yīng)略小于前、后軸地面附著力值。對(duì)于目前傳統(tǒng)的拖拉機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)，無(wú)法精準(zhǔn)控制制動(dòng)器的制動(dòng)力使拖拉機(jī)滑移率保證在15%～20%的范圍內(nèi)，因此，對(duì)于高速（大于40 km/h）拖拉機(jī)的發(fā)展，需要采用制動(dòng)防抱死裝置滿足最優(yōu)滑移率要求，從而使四輪制動(dòng)拖拉機(jī)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)制動(dòng)狀態(tài)，保證拖拉機(jī)行駛安全。

1.4 四輪制動(dòng)拖拉機(jī)附著系數(shù)

由式（4）和（5）可知，提高地面附著系數(shù)是提高拖拉機(jī)前、后軸制動(dòng)力的一個(gè)重要途徑。通過(guò)大量的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，地面附著系數(shù)主要受地面的材質(zhì)及地面狀態(tài)、輪胎表面結(jié)構(gòu)和拖拉機(jī)行駛速度影響，拖拉機(jī)在干燥的瀝青路面行駛時(shí)，地面附著系數(shù)一般為0.75左右，而拖拉機(jī)在濕潤(rùn)的瀝青路面行駛時(shí)，地面附著系數(shù)僅在在0.45～0.6之間；拖拉機(jī)在干燥的土路面行駛時(shí)，地面附著系數(shù)一般在0.65左右，而拖拉機(jī)在濕潤(rùn)的土路面行駛時(shí)，地面附著系數(shù)僅在0.4～0.5之間；拖拉機(jī)在冰雪路面的地面附著系數(shù)僅為0.1左右。由此可見(jiàn)，拖拉機(jī)在冰雪或濕潤(rùn)的路面行駛時(shí)，地面附著系數(shù)較低，為了保證行駛安全，盡量保證一個(gè)較低的安全行駛速度。

此外，無(wú)胎面花紋的輪胎附著系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有胎面花紋的輪胎附著系數(shù)，且隨著胎面花紋的不斷磨損，胎面花紋高度不斷降低，地面附著系數(shù)顯著下降。增加輪胎與地面的接觸面積，可以顯著提升地面附著系數(shù)，因此，輪胎在磨損到一定程度需要及時(shí)更換輪胎，并根據(jù)拖拉機(jī)作業(yè)需求，采用低氣壓、寬斷面的輪胎滿足高附著系數(shù)的作業(yè)要求。

1.5 某款四輪制動(dòng)拖拉機(jī)應(yīng)用實(shí)例

以某公司四輪制動(dòng)拖拉機(jī)產(chǎn)品為例，已知拖拉機(jī)采用后輪輪邊制動(dòng)，分動(dòng)箱采用濕式離合器結(jié)構(gòu)，使用質(zhì)量為M=4 000 kg，后輪動(dòng)力半徑Rd2=780，前輪動(dòng)力半徑Rd1=580，輪胎附著系數(shù)φ=0.7，拖拉機(jī)組質(zhì)心高度h=1 000，拖拉機(jī)軸距L=2 400，拖拉機(jī)組質(zhì)心縱坐標(biāo)a=980。

地面對(duì)前軸產(chǎn)生的附著力Ff：

地面對(duì)后軸產(chǎn)生的附著力Fr：

由計(jì)算可知，a>5 m/s2，該機(jī)型四輪制動(dòng)加速度可以滿足歐盟法規(guī)要求，且地面對(duì)前軸附著力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后軸附著力，設(shè)計(jì)制動(dòng)器時(shí)，考慮前軸制動(dòng)器制動(dòng)力要大于后軸制動(dòng)器制動(dòng)力。由于該機(jī)型采用后輪輪邊制動(dòng)，分動(dòng)箱采用濕式離合器結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，原機(jī)型的制動(dòng)力大小能夠滿足四輪制動(dòng)拖拉機(jī)的設(shè)計(jì)需求，鑒于該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮制動(dòng)時(shí)自動(dòng)結(jié)合前、后軸，使后軸制動(dòng)器制動(dòng)力根據(jù)前、后軸地面附著力需求傳遞到前軸，這樣可以保證隨著前、后軸附著力的動(dòng)態(tài)變化，后軸制動(dòng)器制動(dòng)力最優(yōu)的分配到前、后軸上，保證四輪同時(shí)抱死。因此，改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)在制動(dòng)踏板位置安裝角度傳感器，保證踩下制動(dòng)踏板后分動(dòng)箱濕式離合器自動(dòng)結(jié)合，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)四輪制動(dòng)。

2 四輪制動(dòng)拖拉機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用注意事項(xiàng)

目前國(guó)產(chǎn)拖拉機(jī)多采用后輪制動(dòng)，考慮在原拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)四輪制動(dòng)，通常有兩種改進(jìn)方案。方案一：更換帶有制動(dòng)器的前橋，采用不同制動(dòng)器同時(shí)對(duì)前、后軸制動(dòng)，該制動(dòng)方式前、后軸制動(dòng)器相互獨(dú)立，互不影響，該結(jié)構(gòu)前、后制動(dòng)器比值為一固定值，因此需要精確計(jì)算前、后軸地面附著分配情況，然后對(duì)前、后制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)力分配。該方案前橋新增了制動(dòng)器，需要對(duì)制動(dòng)泵的容量重新校核，新增的流量分配器需要按照地面前、后附著力確定前、后制動(dòng)器的制動(dòng)壓力，由于拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不斷變化，前、后軸地面附著力動(dòng)態(tài)變化，前、后制動(dòng)器一般采用定比例設(shè)計(jì)，比較難以達(dá)到理想的制動(dòng)狀態(tài)。方案二：采用濕式離合器控制分動(dòng)箱，踩下制動(dòng)踏板時(shí)，分動(dòng)箱自動(dòng)結(jié)合，前、后軸剛性連接，后軸制動(dòng)器制動(dòng)力可以通過(guò)分動(dòng)箱傳遞到前軸，前、后軸制動(dòng)力的分配可以根據(jù)前、后地面附著變化最優(yōu)的分配到前、后軸上，保證前、后軸同時(shí)抱死。上述兩種方案均可在現(xiàn)有后輪制動(dòng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)四輪制動(dòng)，考慮到成本因素，對(duì)于分動(dòng)箱為濕式離合器控制的拖拉機(jī)，采用制動(dòng)時(shí)通過(guò)控制分動(dòng)箱結(jié)合實(shí)現(xiàn)四輪制動(dòng)，成本較低；對(duì)于分動(dòng)箱非濕式離合器控制的拖拉機(jī)，可以考慮制動(dòng)前橋的方式實(shí)現(xiàn)四輪制動(dòng)，但該方案前、后軸制動(dòng)器制動(dòng)力大小一般為一個(gè)固定比例，不利于實(shí)現(xiàn)前、后軸同時(shí)抱死。

設(shè)計(jì)四輪制動(dòng)拖拉機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，考慮到制動(dòng)系統(tǒng)操縱舒適性，雙制動(dòng)踏板操縱力不應(yīng)大于600 N，踏板操縱力方向一般應(yīng)與水平方向成30°左右?jiàn)A角為宜，踏板操縱行程不宜超過(guò)250 mm，考慮到為后期改進(jìn)設(shè)計(jì)留有余地，一般操縱行程在60～100 mm之間選擇，考慮到操縱舒適性，雙制動(dòng)踏板操縱力不應(yīng)大于400 N。當(dāng)踏板操縱力和操縱行程不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，一般考慮在制動(dòng)系統(tǒng)增加助力器降低制動(dòng)系統(tǒng)踏板操縱力，或增加制動(dòng)器摩擦片數(shù)量降低離合器壓盤(pán)壓緊力。但制動(dòng)踏板操縱力也不應(yīng)過(guò)小，過(guò)小的制動(dòng)踏板操縱力使駕駛員失去踏板操縱感覺(jué)而難以控制制動(dòng)操縱力[1]。拖拉機(jī)制動(dòng)力應(yīng)隨著制動(dòng)踏板的操縱力增加平穩(wěn)增加，放松制動(dòng)踏板時(shí)，拖拉機(jī)制動(dòng)力應(yīng)迅速消失，不存在自剎現(xiàn)象。左右側(cè)制動(dòng)力不一致會(huì)影響拖拉機(jī)制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性，左右制動(dòng)器制動(dòng)壓力要一致，因此，設(shè)計(jì)時(shí)盡量保證左右制動(dòng)管路形狀相似，制動(dòng)壓力損耗一致，使左右制動(dòng)器制動(dòng)間隙相等，且設(shè)計(jì)可靠的制動(dòng)間隙調(diào)整裝置，確保每次踩下制動(dòng)踏板左右制動(dòng)器制動(dòng)力大小和踏板行程相等。考慮到制動(dòng)系統(tǒng)可靠性，拖拉機(jī)在長(zhǎng)坡道行駛制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)器需要長(zhǎng)時(shí)間工作，制動(dòng)器壓盤(pán)應(yīng)具有良好的吸熱和散熱能力，制動(dòng)器摩擦片摩擦材料應(yīng)具有良好的抗熱衰退性和恢復(fù)性，保證長(zhǎng)時(shí)間的制動(dòng)后，制動(dòng)系統(tǒng)可以保證一個(gè)穩(wěn)定的制動(dòng)效能。

用戶在使用四輪制動(dòng)拖拉機(jī)時(shí)，拖拉機(jī)長(zhǎng)時(shí)間停放或制動(dòng)器檢修后，再次使用前要檢查管路是否泄漏，并進(jìn)行排氣操作。對(duì)于行車制動(dòng)器兼顧駐車制動(dòng)功能的拖拉機(jī)，駐車制動(dòng)結(jié)構(gòu)必須有一套機(jī)械鎖死結(jié)構(gòu)，保證長(zhǎng)時(shí)間駐車的制動(dòng)穩(wěn)定性，每次行車制動(dòng)器調(diào)整之后都必須調(diào)整駐車制動(dòng)操縱桿件，保證駐車制動(dòng)的可靠性。

3 結(jié)語(yǔ)

作者根據(jù)多年積累的工作經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)四輪制動(dòng)拖拉機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，詳細(xì)推導(dǎo)了前、后軸附著力計(jì)算公式，介紹了前、后軸附著力轉(zhuǎn)移規(guī)律，給出了具體四輪制動(dòng)拖拉機(jī)前、后軸附著力計(jì)算實(shí)例；從現(xiàn)有拖拉機(jī)改進(jìn)四輪制動(dòng)系統(tǒng)出發(fā)，給設(shè)計(jì)者提供了兩種思路，并對(duì)四輪制動(dòng)拖拉機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)維修及用戶日常使用等給出相關(guān)建議，為設(shè)計(jì)者和維修人員提供參考。