汽車制動儲液罐最低容積設計

蔣大偉

（安徽江淮汽車股份有限公司，合肥 230601）

1 影響儲液罐最低容積的因素

采用液壓制動系統的車輛需要在車輛上設計存儲制動液的容器——制動儲液罐，以便在需要時為回路補充制動液[1-2]。按照法規要求，儲液罐中應有報警裝置，在液面下降到可能導致制動系統失效時，報警裝置發出聲、光等信號，提醒駕駛者檢查并及時向儲液罐中補充制動液。報警裝置工作時的液面稱為儲液罐的報警液面，即儲液罐最低液面，對應的容積就是儲液罐的最低容積。由于儲液罐的最低容積與行車安全直接相關，所以儲液罐最低容積設計是整車制動系統開發中的一項重要工作，其主要影響因素有：

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

2）變形因素。實際應用中，除了要考慮摩擦襯片/襯塊與制動盤/鼓的磨損因素外，儲液罐最低容積設計還要考慮以下變形因素的影響：

①制動器（鉗）工作變形[4]：制動過程中，回路中的液壓使制動器（鉗）總成發生一定變形，這種變形會導致回路容積有一定增加。

②摩擦襯片/襯塊壓縮變形[5]：制動過程中，回路中的液壓使摩擦襯片/襯塊發生一定壓縮變形，這種變形也會導致回路容積有一定增加。

③制動軟管膨脹變形[6-7]：制動過程中，回路中的液壓使制動軟管發生一定膨脹變形，這種變形對導致回路容積增加也有貢獻。

2 水平路面儲液罐最低容積

下面以某車型為例，對其儲液罐最低容積進行計算。該車型采用X型[8]液壓回路布置（即左前制動器與右后制動器組成一個回路，右前制動器與左后制動器組成一個回路），前、后制動器均采用盤式制動器[9]。主要參數如表1所示。

表1 某車型主要參數

1）摩擦塊完全磨損、制動盤達到最大許可磨損時，導致回路中增加的容積V1。對于單個制動器，出現摩擦塊完全磨損、制動盤達到最大許可磨損時，回路中增加的容積V1為

式中，△為摩擦塊與制動盤的單側間隙；t1為摩擦塊單側完全磨損厚度；t2為制動盤單側最大許可磨損量。

根據設計要求，該車型前、后制動器的摩擦塊與制動盤單側間隙均為0.2 mm；前摩擦塊單側極限磨損厚度為8.5 mm，前制動盤單側最大許可磨損量為1.8 mm；后摩擦塊單側極限磨損厚度為7.5 mm，后制動盤單側最大許可磨損量為0.8 mm[10]。將以上數據代入式（1），則對于第一回路:

由于左、右制動器為對稱設計，因此，對于第二回路：

2）制動器（鉗）所需液量導致回路中增加的容積V2。由于制動器（鉗）總成變形、摩擦塊壓縮變形、制動軟管膨脹變形等均與回路中的液壓大小有關，為了計算其最大值，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力達到附著力時的臨界液壓），即要對汽車獲得最大減速度時的工況進行分析計算。具體如下：

單軸制動器制動力F為

式中，p為回路液壓。

式中，Fμf為前軸制動器制動力；Fμr為后軸制動器制動力。將表 1 數據代入式（2）、（3）得 β=0.625。

式中，L為軸距等于a+b，將表1數據和β值代入式（4）得 φ0=0.48。

根據文獻[11]，地面制動力受路面附著條件的限制，只有路面能提供高的附著力時，才會產生足夠的地面制動力。因此，假設汽車在附著系數φ為1.0的路面上制動，由于φ＞φ0，因此，后輪將先抱死。隨著回路液壓繼續增加，當前軸達到抱死所需的地面制動力Fxbf時，前、后輪均抱死，汽車獲得最大制動減速度為 1.0 g[10]，此時 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數據代入式（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“儲液罐最低容積”定義中關于制動系統“完全作用”的表述。為了增加安全系數，根據文獻[4]中所需液量試驗條件，將制動器（鉗）總成變形、摩擦塊壓縮變形、制動軟管膨脹變形的測試液壓提高到16 MPa。

對于第一回路：

V2=V2左前+V2右后=3.96+1.37=5.33 ml

由于左、右制動器為對稱設計，因此，對于第二回路：V2=V2右前+V2左后=5.33 ml。

3）摩擦塊壓縮變形導致回路中增加的容積V3。表2為該車型制動器（鉗）所需液量和前后摩擦塊壓縮變形量測試數據。

表2 制動器（鉗）總成所需液量及摩擦塊壓縮變形量

對于單個制動器，摩擦塊發生壓縮變形時，回路中增加的容積V3為

將表2中的0.12代入式（6），對于第一回路：

由于左、右制動器為對稱設計，因此，對于第二回路：V3=V3右前+V3左后=1.56 ml

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

該車型使用軟管為同一規格產品，在16 MPa時測試的軟管膨脹率為0.89 ml/m，因此，對于第一回路：V4=0.851×0.89=0.76 ml;對于第二回路：V4=0.582×0.89=0.52 ml

綜上，汽車在水平路面上行駛時，第一回路所需的儲液罐最低容積為

第二回路所需的儲液罐最低容積為

3 最大爬坡度路面儲液罐最低容積

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

顯然過儲液罐出油口中心點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可利用的制動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所需的儲液罐最低容積Vmin，V″稱作有效利用容積，此時，儲液罐中的總容積V為V=V′+V″

換算成水平路面上的液面高度h2為

因此，h2才是儲液罐最終設計的最低液面，對應的容積就是儲液罐應有的最低容積。

4 結論

本文對影響制動儲液罐最低容積的因素進行了分析，并通過實例對最低容積進行了計算，得到以下結論：

1）摩擦襯片/襯塊和制動盤/鼓的磨損量是影響儲液罐最低容積的主要因素。

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

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

[2]《汽車工程手冊》編輯委員會.汽車工程手冊：設計篇[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]GB 21670-2008，乘用車制動系統技術要求及試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2008.

[4]QC/T 592-1999，轎車制動鉗總成性能要求及臺架試驗方法[S].

[5]GB 5763-2008，汽車用制動器襯片[S].北京：中國標準出版社，2008.

[6]GB 16897-2010，制動軟管的結構、性能要求及試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2010.

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

[8]劉惟信.汽車設計[M].北京：清華大學出版社，2001.

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

[10]童成前.汽車抽動器與整車匹配設計方法研究[J].公路與汽運，2010，（6）

[11]余志生.汽車理論（第5版）[M].北京：機械工業出版社，2010.