緊急剎車輔助系統結構設計

吳小雨,顏 浩,金成功,孫舒豪

(北華大學 工程訓練中心，吉林 吉林 132021)

生活中，卡車發生交通事故的新聞屢見不鮮[1]，針對卡車發生交通事故的原因，進行調查得知，卡車交通事故的發生有75.3%的原因是制動距離過長，剎車更是重大事故的首因[2].剎車是司機行駛過程中保證車輛安全的一個重要部分，對于剎車故障，大部分人只有在制動異響或者制動力出現急劇下降的時候才會發現[3]，而且，由于卡車的重量極大，零部件質量達標率等原因，常常為時已晚，存在潛在的安全隱患[4].

目前，卡車制動無論是盤式還是鼓式，都是將制動力作用在剎車片上，間接控制車輪與地面的摩擦力，所提供的制動力有限，雖然崔德祥等在提升制動蹄鐵的產品質量方面已取得顯著的實際效果[5],但在車輛長時間運行的過程中，剎車片溫度升高會導致剎車效果下降[6].緊急剎車輔助系統的設計原理是通過增加卡車的外部摩擦組，利用大摩擦因數材料，增大與地面的摩擦提供制動力.本文主要對裝置的控制原理及摩擦組等結構設計進行分析.

1 車輛緊急剎車輔助裝置的設計

1.1 裝置設計方案

1.1.1 裝置主體設計

目前，市面上的卡車制動系統主要是通過氣壓傳動控制的鼓剎機構.鼓剎機構是從輪胎內部提供摩擦力來進行減速制動，而該“緊急制動輔助裝置”則是作用于卡車外部，通過擠壓廢舊普通汽車輪胎所組成的摩擦組來進行制動.根據不同車型，該裝置可安裝在車廂底盤的中部或后方的空余部位，如圖1所示.

圖1 裝置安裝位置(以中部為例)

輔助裝置的主體位于車廂底盤的下方，貼合底盤設計，裝置上部分連有液壓傳動機構.為增大對地面的摩擦效率，設計一種折疊廢舊輪胎的方式，通過擠壓來改變與地面接觸的摩擦面形狀.由于摩擦力受到摩擦系數的影響，經過討論與力學分析，得出多個向下凸起的弧形摩擦面能比一個普通平面更能提高摩擦效率，所以，采用將輪胎擠壓為弧形凸起的摩擦組，安裝于輔助裝置，上如圖2所示.

圖2 主體結構

1.1.2 控制原理設計

如圖3所示，該輔助機構為液壓傳動和機械傳動.由一個活塞桿對裝置進行限制作用.設置感應器，當剎車過程滿足緊急制動操作時，觸發緊急制動輔助裝置，解除彈簧限位，彈簧由于先前處于壓縮狀態，失去限制后將迅速彈出并下壓摩擦組，使摩擦組充分與地面接觸，配合卡車輪胎內自帶的鼓剎系統進行緊急制動.當制動結束時，再通過液壓桿將輔助裝置上抬復位.

圖3 工作原理示意圖

1.2 系統整體結構設計

1.2.1 輔助裝置設計

為增大卡車的摩擦效率，該輔助機構由多個折疊普通汽車輪胎為主體.該機構將采用下壓的方式通過與地面的擠壓來產生摩擦力從而提高摩擦效率.折疊擠壓的輪胎形成向下突起的摩擦組(如圖4所示).

圖4 摩擦組結構圖

提高了因車胎磨損而降低的摩擦系數，并且增大了整個廢舊輪胎的表面利用率.由于該裝置與地面直接進行摩擦，在啟動時會產生大量的熱，并且受到巨大的力作用，對摩擦面產生巨大的摩擦損耗.考慮到該輔助機構用于突發情況而不是正常制動，因此，摩擦組采用折疊擠壓的廢舊普通汽車輪胎的設計，在突發的緊急剎車之后可以視需要而及時更換摩擦面，可以回收廢舊輪胎進行再利用.

1.2.2 摩擦組

該輔助裝置是通過增加卡車外部的摩擦力組從而起到輔助制動的效果.為了增大卡車的摩擦效率，該輔助機構由折疊普通汽車輪胎為主體.該機構將采用下壓的方式通過與地面的擠壓來產生摩擦力，從而提高摩擦效率，如圖5所示.

圖5 廢舊輪胎的擠壓方式示意圖

折疊擠壓的輪胎形成向下突起，在不影響剎車性能的前提下增加了摩擦面，并且增大了整個舊輪胎的表面利用率.由于該裝置與地面直接進行摩擦作用，在觸發時會產生大量的熱并減少與地面之間的摩擦力,如圖6所示.

T/℃

1.2.3 彈簧

YⅠ型圓柱螺旋壓縮彈簧如圖7所示.

圖7 YⅠ型圓柱螺旋壓縮彈簧

如圖7所示，根據彈簧設計要求，以及該輔助裝置所需力的大小，設單個彈簧安裝載荷F1=1 600 N,工作載荷為4 200 N,安裝高度H=300 mm，工作行程h=80 mm，選用剛度k=32.5 N/mm，選用載荷類型為Ⅱ類，材料選用“油淬火回火硅錳合金彈簧鋼絲(GB4361)A類”.根據材料特性切模量G=7.9×105，彈性模量E=2.06×106,平均抗拉強度為1 471 MPa，平均許用切應力為647 MPa.選用彈簧端部形式為YⅠ型,繞旋比為7.4，根據以下公式進行推導：

(1)

(2)

(3)

(4)

彈簧特性校核：

疲勞強度校核：

τmax/δb

穩定性校核：

b=He/D

故，符合條件，彈簧穩定不易失穩，滿足穩定性要求.

1.2.4 推桿

由于該輔助裝置在回收時需要足夠大的拉力，氣動桿與電動桿所提供的拉力無法滿足裝置的回收.所以，為了滿足回收即固定功能，綜合考慮選用電動液壓推桿，其可以帶負荷啟動，并且具有超負荷保護能力，不會損壞電機和機件，動作靈敏、運行平穩，能有效緩沖外來的沖擊力.

1.3 力學校核

如圖10所示，通過分析摩擦組折疊車胎對地面的摩擦因數F1=0.6～0.8，卡車鼓剎摩擦片的摩擦系數F2=0.2～0.7，因為車胎面與地面直接進行摩擦不發生滾動，則已知車重約為8 t，則裝置所提供的摩擦力大小：

圖10 受力分析

FS1=F1×G=4.8～6.4 kN ,

(5)

鼓剎剎車片所受摩擦力：

FS2=F2×G=1.6～5.6 kN，

(6)

則在鼓剎夾緊到一定程度時，卡車輪胎與地面的摩擦力Fs≈FS1,但是，鼓剎剎車片的剎車力會隨著剎車時間增加、溫度的升高而減弱.

∴Fs1>Fs

所以，該剎車輔助裝置能起到輔助剎車的作用.

對主要受力部件進行SolidWorks的simulation仿真，分析其所受應力和形變量(見圖11).

圖11 主要構件受力應力變化圖及形變變化圖

根據以上仿真分析圖，得出機構所受的最大應力：σs1=2.493×106N/m，σs2=2.493×106N/m，所采用的合金鋼材料的屈服應力為[σ]=6.204×108N/m，所以，安全因數：

(7)

由于兩主要部件結構受力不相同，最大形變量也不同，由仿真結果可知：Δl1=1.446×10-2=0.014 46 mm，Δl2=6.739×10-3=0.006 739 mm，因此，取二者最大值Δl=1.446×10-2=0.014 46 mm.

故，材料滿足強度條件，可實現裝置的折疊輪胎摩擦組與地面之間的摩擦降速.

2 結 論

該裝置作為適用于卡車的輔助制動裝置，結構簡單、可靠，達到降速的效果.主要創新點有以下兩方面：

(1)可更換摩擦組：采用折疊擠壓的廢舊普通汽車輪胎，在增加摩擦效果的同時，又利用可回收資源，減少材料損失，低碳環保，并且，更換方便.

(2)弧形摩擦面：采用折疊輪胎的弧形突起作為摩擦面，起到新輪胎胎花的作用，減小卡車輪胎損耗，降低運營成本.

總之，該裝置的設計為卡車的剎車制動提供了另外一種可能，設計了一種新型的以改變廢舊輪胎形狀為特征的制動摩擦組，對制動原理進行了詳細的闡述，對結構進行了設計與校核，并利用現代設計軟件進行設計與仿真，結果表明：基本可以達到設計要求.