拖拉機制動器的結構優化設計和制動性能分析

魏國俊 王 堰 肖茂華

(1.江蘇省農業機械試驗鑒定站，江蘇 南京 210017；2.南京農業大學工學院，江蘇 南京 210031)

1 拖拉機制動器性能分析計算

1.1 車輪制動力

設制動器制動力為Ff，地面的制動力為FD，地面的附著力為Fφ，角速度為w。Ff與FD方向相反，當車輪還未抱死的時候，兩個制動力大小是相等的，小于等于附著力，當制動器制動力和地面制動力到達路面的附著力時，車輪抱死，開始在地面上滑移，制動力會隨著踏板力的增大而增大。

(1)

圖1 制動力與附著力關系

1.2 整車受力分析

根據公式汽車的總的地面制動力為

(2)

對于極大多數的兩軸拖拉機來說，前后車輪制動器的制動力比值是一個定值，可以將前車輪制動器制動力Ff與汽車受到的總的制動力Ff的比值來表示前后車輪的分配系數，用β來表示，又可以稱為汽車制動器制動力分配系數，用公式表示為

由于前后車輪抱死，因此可以得到

FD=Fφ=Gβ

Ff1=FD1=φZ1

Ff2=FD2=φZ2

Z1，Z2分別是地面對前后車軸的法向反力，根據公式可得，在附著系數φ是任意值的路面上制動的時候，前后軸的附著力，也就是極限制動力并不是一個定值，而是制動強度q的函數。當拖拉機前后軸車輪制動力足夠的時候，制動過程中可能會出現3種情況：

(1)前輪先抱死，然后后輪再抱死。

(2)后輪先抱死，然后前輪再抱死。

(3)前后車輪同時抱死。

其中根據分析可以知道，第3種情況也就是同時抱死的狀況附著條件利用率是最高的，根據公式可得在任意φ值的路面上，前后車輪同時抱死的條件是

Ff1+Ff2=FD1+FD2=φG

其中Ff1，Ff2分別是前后車輪的制動器制動力

FD1，FD2分別是前后車輪的地面制動力

L1，L2分別是前后車軸到質心的距離

hg是拖拉機質心的高度

1.3 制動強度

正常情況下的路面附著系數都很難與同步附著系數相等，很難出現同時抱死的情況，因此會出現下面幾種情況。

(1)如果路面附著系數比同步附著系數小的時候，制動時受先抱死的車輪是前輪，這種情況下制動雖然比較穩定，但是喪失了轉向能力。

(2)如果路面附著系數和同步附著系數相等的時候，前后輪會同時抱死，這時情況也較為穩定，但是同時也失去了轉向能力。

(3)如果路面附著系數比同步附著系數大的時候，那么制動時首先抱死的車輪是后輪，這個時候容易發生后輪側滑，發生安全問題。

1.4 制動力矩

在實際情況中，拖拉機遇到的道路條件會比較差，車速也會比較低，這時選的同步附著系數也比較小，所以為了能保證在φ>φ0的路面上制動時能夠使前后軸車輪先抱死后滑移，前后車輪制動器在制動過程中所能產生的最大制動力矩為

re為車輪的有效半徑，而對于經常遇到的道路條件比較好，車速相對比較高的車輛，同步附著re系數相對也比較大，這時為了保證拖拉機制動的穩定性，所以相應的極限制動強度q<φ，所以可以求得前后車軸的最大制動力矩如下

2 制動性能仿真

2.1 仿真模型建立

2.2.1 20 km/h初速度仿真

跟據換算可以知道，初速度為20 km/h時，制動盤的初始轉速大約為530.94°/s，將初始角速度設置好，就可以開始仿真，通過仿真得到初速度為20 km/h的轉速變化以及接觸力的變化情況。

圖2 20 km/h初速度轉速隨時間變化關系

圖3 20 km/h初速度隨接觸力變化關系

2.2.2 40 km/h初速度仿真

圖4 40 km/h初速度轉速隨時間變化關系

2.3 分析與優化

跟據以上情況下的仿真，發現制動力到達3000 N的0.5 s內，接觸力基本線性變化，轉速緩慢減小，當制動力達到3000 N時，接觸力開始在3000 N附近做上下不規律的頻繁的變化，這種力的頻繁變化首先會導致制動盤與制動塊之間產生疲勞破壞，但是在變化過程中，所能達到的極限接觸力并不會隨著制動初速的增大會引起顯著地變大，但是當車輪抱死，也就是制動盤的轉速降低為0的時候，這時候接觸力的變化就會減弱很多，基本可以保持在3000 N。

隨著初速度的變化，制動盤轉速減小到0的時間也越長，而且接觸疲勞的時間也變長，這代表著不僅制動距離會變化，而且制動盤與制動塊的損壞也會因此變大，因此在選取制動盤與制動塊材料時，不僅要考慮到需用的接觸應力要比變化的極限最大應力要大，而且還要保證該材料的疲勞強度也能保證在制動時頻發的接觸力變化下保持穩定的減速度。如果能夠提高材料之間的動摩擦系數，這樣可以縮短車輪抱死的時間，也就意味著制動盤與制動塊的力的波動時間變短了，也從另一個角度保護了制動盤不受到接觸疲勞破壞。

3 結語

本文通過分析，選擇了目前大型拖拉機中主流使用的盤式制動器并且分析了優缺點，計算了拖拉機在國家標準下需要的制動力與制動力矩以及分配系數等，以計算結果為標準，建立了盤式制動器的模型，選取了比較符合計算結果的結果參數，將建模導入，通過Adams仿真軟件對制動器進行了基本的制動性能仿真，根據仿真結果提出了優化方案。