拖拉机汽车制动系统的制动过程

解振羽+安龙哲

摘要论述了拖拉机汽车制动系的功用、组成、原理及其制动过程的受力分析、评价指标和影响制动效率的因素等。

关键词制动系统制动过程指标因素

1制动系的功用

1.1制动系的功用

根据需要使拖拉机、汽车减速或在最短距离内停车；下坡行驶时限制车速；协助或实现转向；使拖拉机、汽车可靠地停放原地，保持不动。

1.2制动系类型

（1）按制动器的工作原理可分为：机械摩擦式——制动力的获得靠接触副的摩擦来产生；液力式——利用阻滞由被制动件所搅动的液流达到制动作用；电力式——利用制动件旋转的动能转变为电能而产生制动作用；气力式——利用发动机排气阻力进行制动。

（2）按传动机构的型式可分为：机械式——利用各种传动杆件将操纵者的作用力传给制动器；液压式——以油液为介质将操纵者的作用力传给制动器；气压式——利用空气压缩机产生的压缩空气的能量来制动旋转元件。

2制动系的组成和工作原理

2.1制动系组成

拖拉机汽车制动系有两个装置，即行车制动装置和驻车制动装置，且都是由产生制动作用的制动器和操纵制动器的传动机构组成。现代拖拉机、汽车的制动装置广泛采用机械摩擦来产生制动作用，其中用来直接产生摩擦力矩迫使车轮减速或停转的部分，称为制动器；通过驾驶员的操纵或将其他能源的作用传给制动器，迫使制动器产生摩擦作用的部分，称为制动器传动机构。

2.2制动系的工作原理

以车轮制动器为例进行简述，车轮制动器由旋转部件、固定部件各张开部件组成。旋转部件是制动鼓，它固定在轮毂上并随车一起旋转。固定部件主要包括制动蹄各制动底板等。制动蹄上铆有摩擦片，制动蹄下端连接相应的操纵部件。制动蹄靠液压轮缸使其张开。不制动时，制动鼓的内圆柱面与摩擦片之间保留一定的间隙，使制动鼓可以随车轮一起旋转。

制动时，驾驶员踩下制动踏板通过传动杆件消除制动蹄与制动鼓之间的间隙后压紧在制动鼓上。这样不旋转的摩擦片对旋转的制动鼓产生一个摩擦力矩，该力矩传给车轮后，由于车轮与路面的附着作用，车轮即对路面作用一个向前的周缘力。同时，路面也会给车轮一个向后的反作用力，此力即是车轮受到的制动力。在制动力的作用下使拖拉机汽车减速或停车。

驾驶员松开制动踏板时，通过传动机构，制动蹄与制动鼓的间隙恢复原位，即可解除制动。

3制动过程

此部分内容是本文论述的重点，主要从车辆在制动过程中的工作情况、受力分析、制动性能的评价指标和影响制动效率的因素等几方面进行详解。

3.1制动过程中的工作情况

轮式拖拉机和汽车在制动过程中，随着制动踏板向下运动，制动器的摩擦表面相互贴合并相对滑磨，把动能转变为热能。踏板力越大，制动力矩、制动力也越大。但当制动力上升到等于车轮的附着力以后，踏板力如继续增大，只能将制动器抱死而不能使制动力有所增加。制动力的最大值受限于附着力。在硬路面上行驶时，附着力主要是车轮与地面之间的摩擦力。当制动器完全抱死时，车轮将在地面上滑移，轮胎和地面之间的附着系数将由静摩擦系数变为动摩擦系数，不仅数值有所下降（减少5%~25%）而且将使胎面剧烈发热，轮胎强烈磨损。因此为了获得最大的制动力不应该将制动器抱死，制动力矩的大小应该使制动力略小于轮胎开始滑移时的极限值。

在制动过程中，随着制动力的增大，减速度和惯性力随之增大，而后轴上的载荷则逐渐减小，因此附着力的极限值也相应减小。当随制动力增大而附着力减小至两者相等时，制动力就达到最大值，拖拉机、汽车所能得到的最大减速度也取决于这时的制动力。

拖拉机和汽车的重量和速度对制动性能的影响极为显著。一般重量增加一倍，则转化为的热量也增加一倍，因此需要制动器吸收和散失的热量也增大一倍。从这个意义上来说，拖拉机、汽车都规定了不得超载。速度对制动的影响则更大，如果速度增加一倍，则制动所需的能量就是原来的4倍。因此制动器就要吸收和消耗四倍于原来的热量。由此可见，如果载荷和速度都增加一倍，则制动能量将是原来的8倍，制动器要吸收和消耗8倍于原来的热量。

3.2制动过程受力分析

3.2.1车辆在纵垂面方向的受力

车辆制动过程在纵垂面方向的受力如图所示。 此时平衡的方程式为：

Pzc+Pzq+Pfc+Pfq-Pj+Pw±Gssinα=0(1)

式中Pzc、Pfq—前、后车轮所受地面制动力；

Pfc、Pfq—前、后车轮滚动阻力；

Pj—车辆惯性阻力；

Pw—空气阻力；

Gssinα—坡道阻力，上坡取“+”，下坡取“－”（Gs

为使用重量，α为路面坡度角）。

令Pz=Pzc+Pzq；Pf=Pfc+Pfq，则式（1）化简移向后得

Pz+Pf=Pj-Pw±Gssinα（2）

此式中Gssinα项上坡取“－”，下坡取“+”。

图车辆制动受力图示3.2.2制动时，前、后车轮垂直载荷的变化

车辆制动时，由于惯性力Pj的影响，前、后车轮所受垂直载荷与车辆静态或匀速直线行驶时比较是不同的，现以路面对车辆前、后轴上车轮的法向反作用力来表征。

静态时：

Yco=1L(aGscosα±hGssinα)（3）

Yqo=1L［(L-a)Gscosα±hGssinα］（4）

式中L—车辆的轴距；

a—车辆质心距后轮轴心的纵向距离；

h—质心距路面高度。

等速行驶时：

Y′co=1L［aGscosα-h(Pw±Gssinα)］（5）

Y′qo=1L［(l-a)Gscosα+h(Pw±Gssinα)］（6)

由上式可以看出，空气阻力Pw使路面对前轮的法向反力减小，对后轮的法向反力增大。上坡时，车重的分力Gssina与空气阻力Pw的作用相同；下坡时Gssina力使路面对前轮的法向反力增大，而对后轮的法向反力减小。

对行驶中的车辆紧急制动时：

Yc=1L［aGscosα+h(Pj-Pw±Gssinα)］（7）

Yq=1L［(L-a)Gscosα-h(Pj-Pw±Gssinα)］（8）

由上式可知：在制动时产生的惯性力Pj可使路面对前轮的法向作用力增大，而对后轮的法相作用力（支撑力）的重新分配影响也越大。在制动过程中，空气阻力Pw的作用逐渐变小的。将式（1）带入式（7）和式（8），得

Yc=1L［aGscosα+h(Pz+Pf)］（9）

Yq=1L［(L-a)Gscosα-h(Pz+Pf)］（10）

假定车辆在水平路面（α=0）上行驶制动,当前轮和后轮同时制动而接近“抱死”状态,即车轮在被制动到不旋转且要做纯滑移之前的时候,可得到地面最大制动力Pzcmax和Pzqmax,并且地面最大制动力还取决于轮胎接地面上作用的垂直载荷大小和轮地间的附着系数（φ），设各轮与地面间的附着系数均为（φ），则：

Pzcmax=Ycφ=GsφL［a+h(φ+f)］（11）

Pzqmax=Yqφ=GsφL［(L-a)-h(φ+f)］（12）

式中f—车轮滚动阻力系数。

制动力的最大值出现在制动器接近“抱死”车轮,而车轮要做纯滑移之前。此时,如果再增加踏板力,制动器将会抱死车轮,车轮作纯滑移,则其制动效果反而更差。

3.2.3前轮和后轮制动力的合理分配

当地面对车轮的制动力没有达到最大值之前,Pzc与Pzq和制动踏板用力F的大小成正比。而前后轮制动力的最大值,则取决于车轮与地面之间的附着力。如果附着系数（φ）是一常数，则Pacmax和Pzqmax之间的比例关系应按制动时前后车轮法向载荷之间的比例而定。即：

PzcmaxPzqmax=YcYq=a+h(φ+f)(l-a)-h(φ+f)（13）

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可见前后轮最大制动力的合理配比，与车辆重心位置（a、h）,轴距（L）,附着系数(φ)和滚动阻力系数(f)有关。如果前后轮制动器控制液压或气压相同，且各轮制动器，制动分泵或制动气室结构参数也相同，那么前后车轮制动力的比值将是1∶1。这样前后车轮的制动力就不能根据车辆制动时工况而有合理的配比关系。前后轮不能得到同步制动，而是非此即彼地会出现先有车轮“抱死”现象。

为了在一定程度上满足运输时由于前后轮负荷不同而需要不同制动力的要求，对于气压传动制动系一般在设计制造时，将前后车轮制动气室、制动蹄片和摩擦片等选取不同的尺寸。对于液压传动的制动系已采用比例阀，可自动按一定比例调节车辆前、后车轮制动工作液压，从而使前、后车轮的制动力配比较为合理。

3.3制动性能的评价指标

3.3.1制动效能

制动效能是指拖拉机，汽车在一定行驶速度时，当换入空挡后，从开始踩着制动踏板，到停车为止所驶过的距离。

制动减速反映了地面制动力的大小，因此它于制动器制动力及附着力有关。在不同路面上由于最大地面制动力为附着系数和车轮垂直载荷的乘积，故车辆能达到的最大制动减速度为附着系数和重力加速度的乘积。

3.3.2制动效能恒定性

制动效能恒定性是指制动器抗热衰退性能。拖拉机、汽车长时间地连续进行强度较大的制动，会使制动器的温度升高，使制动器的摩擦力矩显著下降,这种现象称为制动器的热衰退。抗热衰退性能一般用一系列连续制动时,制动效能的保持程度来衡量。

3.3.3制动时的方向稳定性

在制动过程中维持车辆直线行驶的能力称为制动时方向稳定性。试验中常规定一个15倍于车宽的试验通道、制动时不允许产生不可控制的效应使它偏离这条通道。凡是出现超越通道的现象称为制动跑偏。制动跑偏包括跑偏和侧滑两种情况。跑偏多是由于左右两制动器的制动力不等引起的，经调整后可以解决；侧滑是指车轮发生横向滑移，多数是由于后轴比前轴先抱死产生拖滑现象时，在轻微侧向力作用下就会发生侧滑。因此汽车在制动时不希望车轮制动到抱死滑移，而是希望车轮制动到边滚边滑的滑动状态。由试验得知，汽车车轮的滑动率在15%~20%，轮胎与路面之间有最大的附着系数。所以为了充分发挥轮胎与路面间的这种潜在附着能力，目前在许多汽车上装备了防抱死制动系统，简称ABS。

34影响制动效率的因素

3.4.1制动装置的结构因素

结构因素有制动衬片的面积、制动鼓的半径、轮胎的半径、制动器的摩擦系数、施加在制动器上的压力。对于采用半径较大的轮胎和半径较小的制动鼓，较之采用半径较小的轮胎和半径较大的制动鼓，则需要更大的摩擦面积或更高的压力。制动衬片的面积直接影响摩擦扭矩的大小以及散热效果。为了获得制动所必须的最大制动力矩，根据摩擦材料允许单位压力的要求，则必须具有足够的衬片面积，也只有这样才能使摩擦所产生的热量及时散发，以保持制动零件的正常工作温度。制动器的摩擦系数决定于制动衬片的材料和制动鼓接触表面的加工精度。石棉衬片的摩擦系数较粉末冶金衬片的摩擦系数要低得多，且石棉材料的摩擦特性也不稳定，所以采用粉末冶金摩擦材料正日益增多。对制动器施加足够的压力，对制动器制动效率的影响尤为重要，因此，在保证踏板操纵力要求的同时，还要通过增大杠杆比，以满足制动器压紧力的要求。许多汽车上还有制动加力装置。

3.4.2制动装置的使用因素

制动装置如使用不当可引起制动效率下降。制动器摩擦面受到油脂的污染，摩擦系数会大大减小；频繁使用制动器，其温度会急剧升高，破坏了摩擦衬片和制动鼓正常工作的程度，使制动效率大大降低。因此，制动装置只能在必要时使用，以保证一定的制动间隔时间，使制动器温度处于正常范围。另外，制动鼓与制动衬片贴合不密切，将使动能与热量的转换只在点上完成，温度会急增。因此必须及时调整制动器间隙和更换磨偏的制动衬片。

4结语

撰写此文的目的之一是能为拖拉机、汽车爱好者在制动系的设计及改进方面提供一点理论依据；其二是让驾驶员全面了解拖拉机、汽车制动系统的功用、组成、原理及制动过程等，确保安全可靠的驾驶，提高拖拉机汽车的工作效率和生产率。(05)

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可见前后轮最大制动力的合理配比，与车辆重心位置（a、h）,轴距（L）,附着系数(φ)和滚动阻力系数(f)有关。如果前后轮制动器控制液压或气压相同，且各轮制动器，制动分泵或制动气室结构参数也相同，那么前后车轮制动力的比值将是1∶1。这样前后车轮的制动力就不能根据车辆制动时工况而有合理的配比关系。前后轮不能得到同步制动，而是非此即彼地会出现先有车轮“抱死”现象。

为了在一定程度上满足运输时由于前后轮负荷不同而需要不同制动力的要求，对于气压传动制动系一般在设计制造时，将前后车轮制动气室、制动蹄片和摩擦片等选取不同的尺寸。对于液压传动的制动系已采用比例阀，可自动按一定比例调节车辆前、后车轮制动工作液压，从而使前、后车轮的制动力配比较为合理。

3.3制动性能的评价指标

3.3.1制动效能

制动效能是指拖拉机，汽车在一定行驶速度时，当换入空挡后，从开始踩着制动踏板，到停车为止所驶过的距离。

制动减速反映了地面制动力的大小，因此它于制动器制动力及附着力有关。在不同路面上由于最大地面制动力为附着系数和车轮垂直载荷的乘积，故车辆能达到的最大制动减速度为附着系数和重力加速度的乘积。

3.3.2制动效能恒定性

制动效能恒定性是指制动器抗热衰退性能。拖拉机、汽车长时间地连续进行强度较大的制动，会使制动器的温度升高，使制动器的摩擦力矩显著下降,这种现象称为制动器的热衰退。抗热衰退性能一般用一系列连续制动时,制动效能的保持程度来衡量。

3.3.3制动时的方向稳定性

在制动过程中维持车辆直线行驶的能力称为制动时方向稳定性。试验中常规定一个15倍于车宽的试验通道、制动时不允许产生不可控制的效应使它偏离这条通道。凡是出现超越通道的现象称为制动跑偏。制动跑偏包括跑偏和侧滑两种情况。跑偏多是由于左右两制动器的制动力不等引起的，经调整后可以解决；侧滑是指车轮发生横向滑移，多数是由于后轴比前轴先抱死产生拖滑现象时，在轻微侧向力作用下就会发生侧滑。因此汽车在制动时不希望车轮制动到抱死滑移，而是希望车轮制动到边滚边滑的滑动状态。由试验得知，汽车车轮的滑动率在15%~20%，轮胎与路面之间有最大的附着系数。所以为了充分发挥轮胎与路面间的这种潜在附着能力，目前在许多汽车上装备了防抱死制动系统，简称ABS。

34影响制动效率的因素

3.4.1制动装置的结构因素

结构因素有制动衬片的面积、制动鼓的半径、轮胎的半径、制动器的摩擦系数、施加在制动器上的压力。对于采用半径较大的轮胎和半径较小的制动鼓，较之采用半径较小的轮胎和半径较大的制动鼓，则需要更大的摩擦面积或更高的压力。制动衬片的面积直接影响摩擦扭矩的大小以及散热效果。为了获得制动所必须的最大制动力矩，根据摩擦材料允许单位压力的要求，则必须具有足够的衬片面积，也只有这样才能使摩擦所产生的热量及时散发，以保持制动零件的正常工作温度。制动器的摩擦系数决定于制动衬片的材料和制动鼓接触表面的加工精度。石棉衬片的摩擦系数较粉末冶金衬片的摩擦系数要低得多，且石棉材料的摩擦特性也不稳定，所以采用粉末冶金摩擦材料正日益增多。对制动器施加足够的压力，对制动器制动效率的影响尤为重要，因此，在保证踏板操纵力要求的同时，还要通过增大杠杆比，以满足制动器压紧力的要求。许多汽车上还有制动加力装置。

3.4.2制动装置的使用因素

制动装置如使用不当可引起制动效率下降。制动器摩擦面受到油脂的污染，摩擦系数会大大减小；频繁使用制动器，其温度会急剧升高，破坏了摩擦衬片和制动鼓正常工作的程度，使制动效率大大降低。因此，制动装置只能在必要时使用，以保证一定的制动间隔时间，使制动器温度处于正常范围。另外，制动鼓与制动衬片贴合不密切，将使动能与热量的转换只在点上完成，温度会急增。因此必须及时调整制动器间隙和更换磨偏的制动衬片。

4结语

撰写此文的目的之一是能为拖拉机、汽车爱好者在制动系的设计及改进方面提供一点理论依据；其二是让驾驶员全面了解拖拉机、汽车制动系统的功用、组成、原理及制动过程等，确保安全可靠的驾驶，提高拖拉机汽车的工作效率和生产率。(05)

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可见前后轮最大制动力的合理配比，与车辆重心位置（a、h）,轴距（L）,附着系数(φ)和滚动阻力系数(f)有关。如果前后轮制动器控制液压或气压相同，且各轮制动器，制动分泵或制动气室结构参数也相同，那么前后车轮制动力的比值将是1∶1。这样前后车轮的制动力就不能根据车辆制动时工况而有合理的配比关系。前后轮不能得到同步制动，而是非此即彼地会出现先有车轮“抱死”现象。

为了在一定程度上满足运输时由于前后轮负荷不同而需要不同制动力的要求，对于气压传动制动系一般在设计制造时，将前后车轮制动气室、制动蹄片和摩擦片等选取不同的尺寸。对于液压传动的制动系已采用比例阀，可自动按一定比例调节车辆前、后车轮制动工作液压，从而使前、后车轮的制动力配比较为合理。

3.3制动性能的评价指标

3.3.1制动效能

制动效能是指拖拉机，汽车在一定行驶速度时，当换入空挡后，从开始踩着制动踏板，到停车为止所驶过的距离。

制动减速反映了地面制动力的大小，因此它于制动器制动力及附着力有关。在不同路面上由于最大地面制动力为附着系数和车轮垂直载荷的乘积，故车辆能达到的最大制动减速度为附着系数和重力加速度的乘积。

3.3.2制动效能恒定性

制动效能恒定性是指制动器抗热衰退性能。拖拉机、汽车长时间地连续进行强度较大的制动，会使制动器的温度升高，使制动器的摩擦力矩显著下降,这种现象称为制动器的热衰退。抗热衰退性能一般用一系列连续制动时,制动效能的保持程度来衡量。

3.3.3制动时的方向稳定性

在制动过程中维持车辆直线行驶的能力称为制动时方向稳定性。试验中常规定一个15倍于车宽的试验通道、制动时不允许产生不可控制的效应使它偏离这条通道。凡是出现超越通道的现象称为制动跑偏。制动跑偏包括跑偏和侧滑两种情况。跑偏多是由于左右两制动器的制动力不等引起的，经调整后可以解决；侧滑是指车轮发生横向滑移，多数是由于后轴比前轴先抱死产生拖滑现象时，在轻微侧向力作用下就会发生侧滑。因此汽车在制动时不希望车轮制动到抱死滑移，而是希望车轮制动到边滚边滑的滑动状态。由试验得知，汽车车轮的滑动率在15%~20%，轮胎与路面之间有最大的附着系数。所以为了充分发挥轮胎与路面间的这种潜在附着能力，目前在许多汽车上装备了防抱死制动系统，简称ABS。

34影响制动效率的因素

3.4.1制动装置的结构因素

结构因素有制动衬片的面积、制动鼓的半径、轮胎的半径、制动器的摩擦系数、施加在制动器上的压力。对于采用半径较大的轮胎和半径较小的制动鼓，较之采用半径较小的轮胎和半径较大的制动鼓，则需要更大的摩擦面积或更高的压力。制动衬片的面积直接影响摩擦扭矩的大小以及散热效果。为了获得制动所必须的最大制动力矩，根据摩擦材料允许单位压力的要求，则必须具有足够的衬片面积，也只有这样才能使摩擦所产生的热量及时散发，以保持制动零件的正常工作温度。制动器的摩擦系数决定于制动衬片的材料和制动鼓接触表面的加工精度。石棉衬片的摩擦系数较粉末冶金衬片的摩擦系数要低得多，且石棉材料的摩擦特性也不稳定，所以采用粉末冶金摩擦材料正日益增多。对制动器施加足够的压力，对制动器制动效率的影响尤为重要，因此，在保证踏板操纵力要求的同时，还要通过增大杠杆比，以满足制动器压紧力的要求。许多汽车上还有制动加力装置。

3.4.2制动装置的使用因素

制动装置如使用不当可引起制动效率下降。制动器摩擦面受到油脂的污染，摩擦系数会大大减小；频繁使用制动器，其温度会急剧升高，破坏了摩擦衬片和制动鼓正常工作的程度，使制动效率大大降低。因此，制动装置只能在必要时使用，以保证一定的制动间隔时间，使制动器温度处于正常范围。另外，制动鼓与制动衬片贴合不密切，将使动能与热量的转换只在点上完成，温度会急增。因此必须及时调整制动器间隙和更换磨偏的制动衬片。

4结语

撰写此文的目的之一是能为拖拉机、汽车爱好者在制动系的设计及改进方面提供一点理论依据；其二是让驾驶员全面了解拖拉机、汽车制动系统的功用、组成、原理及制动过程等，确保安全可靠的驾驶，提高拖拉机汽车的工作效率和生产率。(05)

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