制动气室有效承压面积的探讨

第ｌ２期　２０１１年ｌ２月　文章编号：１００ｌ一３９９７（２０１　１）１２—０２０９—０３　机械设计与制造　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　制动气室有效承压面积的探讨　马恩　（南阳理工学院机电工程系，南阳４７３０６６）　Ｓｔｕｄｙ　０１３　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｂｅａｒｉｎｇ　ａｒｅａ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｎｅｕｍａｔｉｃ　ｂｒａｋｅ　ｃｈａｍｂｅｒ　ＭＡ　Ｅｎ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｙａｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｙａｎｇ　４７３０６６，Ｃｈｉｎａ）　；　【摘要】我国拖拉机挂车气４，１动系统执行机构主要采用膜片式制动气室，对拖拉机挂车机组气４，１；　｝动系的制动性能完全满足强制性国家标准ＧＢ１６１５１—２００８《农业机械运行安全技术条件》和ＧＢ７２５８一｛　ｌ　２００４￣机动车运行安全技术条件》中规定要求的膜片式制动气室有效承压面积进行理论分析和试验研ｉ　｝究后，得出膜片式制动气室有效承压面积不仅与几何尺寸和气压有关，还与３．－作行程有关。试验按照国｛　ｌ家行业标准ＪＢ／Ｔ９８４０．１—１９９８（拖拉机挂车气制动系统制动气室技术务件》进行，找到了膜片式制动气；　；室有效承压面积的变化规律。膜片式制动气室有效承压面积不是一个固定不变的数值。指出了不同型｛　；式的膜片式制动气室推杆有效工作行程范围。　ｌ　；　｝　关键词：气动制动系；拖拉机一挂车；制动气室；有效承压面积　２　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｍａｄｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｂｅａｒ一｛　；　凡ｇ　ｒａｅａ　ｏｆｄｉａｇｒａｐｈ　ｂｒａｋｅ　ｃｈａｍｂｅｒ　ｔｈａｔ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆｔｈｅ　ｍａｉｎ　ａｃｔｕａｔｉｎｇ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ｔｒｃｔａｒ－ｔａｒｉａｌｅｒ　ｂｒｋｅａ　ｉ　｝ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｂｒｋｅａ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｄｉａｇｒａｐｈ　ｂｒｋｅａ　ｃｈａｍｂｅｒ　ｏｆ　ｔｒｃａｔｏｒ　ｔｒｉａｌｅｒ　ｂｒｋｉａｎｇ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｃａｎ　ｍｅｅｔ《　ｌ　ＧＢ１６１５１—２００８　Ｓａｆｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ａｎｄ　ＧＢ７２５８—２００４　Ｓａｆｅｔｙ　ｌ　；ｓｐｅｃｉｉｆｃｔａｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｐｏｗｅｒ－ｄｒｉｖｅｎ　ｖｅｈｉｃｌｅｓ　ｏｐｅｒｔａｉｎｇ　ｏｎ　ｒｏａｄｓ．　ｅ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ　ｉｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｅｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ｛　ｌ；　ｂｅｒａｉｎｇ　ｒａｅａ　ｉｓ　ａｆｅｃｔｅｄ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ　ｄｉｅｍｎｓｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｆｄｉａｇｒａｐｈ　ｂｒｋａｅ　ｃｈｍａｂｅｒ，６　；　ａｌｓ。ｂｙ　ｔｈｅ　ｐｕｓｈｉｎｇ　ｒｏｄ　ｓｔｒｏｋｅ∞ｗｅｌＬ　Ｔｅ５ｔｓ　ｗｅｒｅ　ｃｒａｒｉｅｄ。以　∞ｃ。ｒｄａｎｃｅ　ＪＢ／Ｔ９８４０．１一ｌ９９８　Ｂｒｋａｅ｛　ｌ　ｃｈａｍｂｅｒｆｏｒ　ｐｎｅｕｍａｔｉｃ　ｂｒｋｉａｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｔｏｒｃａｔｏｒ　ｔｒｉａｌｅｒ－Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｅａｍｎｔｉｍｅ，ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅ｛　ｌ　ｒｕｌｅ　ｆｔｏｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｒａｅａ　ｆｔｏｈｅ　ｄｉａｇｒａｐｈ　ｂｒｋｅａ　ｃｈａｍｂｅｒ　ＷａＳ　ｆｏｕｎｄ．Ｔｈａｔ　ｉｓ　ｔｏ　ｓａｙ　：　｝ｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｒａｅａ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉａｇｒａｐｈ　ｂｒｋｅａ　ｃｈａｍｂｅｒ　ｉｓ　ｖａｒｉａｂｌｅ．Ａ　ｎｄ　ｔｈｅ　ｅｆｅｃｔｉｖｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ｛　ｌ　ｓｔｒｏｋｅ　ｏｆｐｕｓｈｉｎｇ　ｒｏｄｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｙｐｅｓ　ｏｆｄｉａｇｒａｐｈ　ｂｒｋａｅ　ｃｈａｍｂｅｒｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｓｔａｔｅｄ．　ｉ　；　●　ｉ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ　ｂｒａｋｅ　Ｓｙｓｔｅｍ；Ｔｒａｃｔｏｒ－ｔｒａｉｌｅｒ；Ｂｒａｋｅ　ｃｈａｍｂｅｒ；Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｂｅａｒｉｎｇ《　，　１＾　＇、　－１Ｐ　１ｎ－　ｆ　ｒ　－　、ｈ　■　１ｈ　＇、　，●　，　，　・１ｒ　ｔ、●’１ｈ　■、　±ａｒｅａ　中图分类号：ＴＨ１６，Ｕ４６３．５文献标识码：Ａ　．—　—　＾——１一　ｌ刚舌　我国的拖拉机挂车制动系统的形式繁多，采用动力气压制　型前、后膜片式制动气室。其中，ＴＹ型膜片式制动气室适于小功　率拖拉机挂车机组使用。ＣＡ型和ＥＱ型前膜片式制动气室适于　动系统的机组占大多数。气压制动系统中的执行机构，即压缩空　中等功率拖拉机挂车机组使用，而ＣＡ型和ＥＱ型后膜片式制动　气的消耗装置制动气室有膜片式和活塞式两种。两者相比较，膜　气室适于大功率拖拉机挂车机组使用。采用该类制动气室的拖拉　片式制动气室的优点在于结构简单，对制动气室壁的加工要求不　机挂车机组气制动系的制动性能完全满足强制性国家标准　－２００８《农业机械运行安全技术条件》【。ｌ和ＧＢ７２５８—２００４　高，但所允许的行程较小。制动气室输出的推杆推力应保证制动　ＧＢ１６１５１器所需的制动蹄张开力，才能保证制动效果。目前，我国的拖拉机　《机动车运行安全技术条件　中规定的要求。对制动气室的有效　挂车气制动系统主要采用ＴＹ型膜片式制动气室及ｃＡ型和ＥＱ　承压面积进行了理论计算和试验研究，分析并找出了影响其有效　ｋ来稿日期：２０１１－０２—０６★基金项目：河南省教育厅自然科学研究项目资助（２ｏｏ７４６００１９）　－３］石庚辰引信ＭＥＭＳ机构结构特点研究［ｊ］探测与控制学报，２００７，２９（５）．　但由于条件及时间等限制，此方法目前尚处在理论研究阶　【段，有待于今后在实验中进一步验证和修证。　［４］陆文广，芮筱亭，等．无返回力矩钟表机构动力学研究［Ｊ］．兵工学报，　２００５，２６（３）．　参考文献　［１］马宝华引信构造与作用［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９８４（１２）．　［２］王士伟．基于ＭＥＭＳ的引信保险机构综合分析［Ｊ］．探测与控制学报，　２００６。２８（６）．　［５］冯鹏洲，朱继南，等．美国典型ＭＥＭＳ引信安全保险装置分析［Ｊ］．探测　与控制学报，２００７，２９（５）．　［６］石博强，申焱华，宁晓斌，等．ＡＤＡＭＳ基础与工程范例教程［Ｍ］．北京：　中国铁道出版社，２００７（１　１）．　２１Ｏ　承压面积变化的因素。　马恩：制动气室有效承压面积的探讨　第１２期　程在（０～１５）ＩＢｍ之间，有效承压面积处于余弦曲线的前半周期，　因此，在这个范围内，ＴＹ型膜片式制动气室有效承压面积随彳了程　２制动气室有效承压面积的理论计算分析　活塞式制动气室有效承　面积的理论计算公式为：　２　九的增大而减小，正好和使用要求相反。在实际使用中应尽量避开　这个行程范围。　（１）　Ａ：！！　一　４　ＴＹ型膜片式制动气室推杆行程在（１５—３５）ｍｉｌｌ之间，有效承　压面积处于余弦曲线的后半周期，制动气室有效承压面积随行程　的增大而增大，正好符合实际使用要求。这样不但可获得较大的　式中：　一制动气室活塞直径，　Ａ一制动气室有效承压面积，ｍ　。　从式（１）中不难看出，活塞式制动气室有效承压面积　只与　推杆推力，同时制动器促动机构也可获得较大传动比，制动器能　制动气室的几何尺寸Ｄ有关，与行程无关。并且理论计算值与实　够产生较大的制动力。　测值基本一致。而传统的膜片式制动气室有效承压面积的近似理　论计算公式　ｌ为：　：　３．２　ＣＡ型前膜片式韦　动气室有效承压面积　ＣＡ型前膜片式制动气室有效承压面积的理论曲线与实测　ｌ２　（２）　曲线，如图２所示。　式中：　一制动气室壳体在夹持膜片处的内径，ｍ；　ｄ一制动气室膜片夹盘直径，ｍ；　Ａ一制动气室有效承压面积，ｒｎ　。　由图２可见，实测曲线与图ｌ形状类似，进一步证实了膜片　式制动气室有效承压面积与行程和气压有很大的关系。ＣＡ型前　膜片式制动气室推杆行程在（０—４０）ｍｍ范围内，它的推杆推力均　，Ｔ９８４０．１—１９９８（拖拉机挂车气制动系统制动气室技术　从式（２）中不难看出膜片式制动气室有效承压面积　只与　能满足ＪＢ，制动气室的几何尺寸Ｄ、ｄ有关，与关键参数推杆行程Ｓ无关，但　条件》中规定的要求。ＣＡ型前膜片式制动气室推杆的　作行程范　由式（２）计算的数值与实测数据出入较大。为了探讨其影响因素，　我们对ＴＹ型、ｃＡ型和ＥＱ型膜片式制动气室进行试验研究。　围在（】５－３５）ａｒｍ之间，在此范围内，膜片式制动气室可获得较大　的有效承压面积。　３实测制动气室有效承压面积数据分析　３－１　ＴＹ型膜片式制动气室有效承压面积　ＴＹ型膜片式制动气室有效承乐面积的理论曲线与实测曲　线，如图１所示。　８０　革　量　值　饕　７０　６０　５０　髫　。　崮　３０　２０　１０　图２　ＣＡ型前膜片式制动气室有效承压面秋曲线罔　１．ｐ＝１００ｋＰａ　２￣＝２００ｋＰａ　３４￣＝３００ｋＰａ　４．ｐ－＝．４００ｋＰａ　５．ｐ＝５００ｋＰａ　６￣＝６３０ｋＰａ　Ａ一有效承压面积ｓ一推杆行程序号１—６一实测曲线７一理论曲线　５　１０　１５　２０　２５　３０　３５　４０　４５　５０　０　推杆行程ｓ（ｘｌ　ｍ）　３．３　ＥＱ型前膜片式制动气室有效承压面积　ＥＱ型前膜片式制动气室有效承压而积的理论曲线与实测　曲线，如图３所示。　图１　ＴＹ型膜片式制动气室有效承压面积曲线图　１．ｐ＝１０ＯｋＰａ　２￣＝２００ｋＰａ　３￣＝３００ｋＰａ　４．ｐ＝４００ｋＰａ　５．ｐ＝５００ｋＰａ　６．ｐ＝６３０ｋＰａ　Ａ一有效承压面积ｓ一推杆行程序号ｌ一６一实测曲线７—理论曲线　　由图１可见，’　ｒＹ　型膜片式制动气室有效承压面积的理论曲　昌　线与实测曲线之间的差别很大。理论曲线为一条水平直线，实测　曲线类似余弦曲线。膜片式制动气室的有效承压面积不仅取决于　制动气室的几何尺寸，还与行程及压力有很大的关系。尤其是在　等压力曲线Ｅ，制动气室的有效承压面积随行程的变化是相当大　的，　这说明制动气室的有效承压面积不是一个固定不变的数值，　而是随行程和压力的变化而变化。因此，在设计制动系时必须充　暄　Ｈ曼　博　啦　分考虑这一特点。　ｒＹ型膜片式制动气室推杆行程在（０～４０）ｍｍ范围内，它的　图３　ＥＱ型前膜片式制动气室有效承压面积曲线图　１．ｐ＝ｌＯＯｋＰａ　２￣＝２００ｋＰａ　３．ｐ＝３ＯＯｋＰａ　４￣＝４００ｋＰａ　５．ｐ＝５００ｋＰａ　６￣＝６３０ｋＰａ　推杆推力均能满足ＪＢｆｆ９８４０．１—１９９８（拖拉机挂车气制动系统制　动气室技术条件》旧中规定的要求。ＴＹ型膜片式制动气室推杆行　Ａ一有效承压面积ｓ一推杆行程序号１—６一实测曲线７—理论曲线　Ｎｏ．１２　Ｄｅｃ．２０ｌｌ　机械设计与制造　一　Ｈ　ｘ）　２ｌ１　障出瞄耧忙　图３虽然也呈现出类似余弦曲线的图形，但与图１、图２相　上述试验，充分揭示了膜片式制动气室有效承压面积变化　比有较大的不同，即它的曲线走势比较平稳，变化率较小，没有出　规律，证明其有效承压面积不仅与几何尺寸和气压有关，还与工　现大起大落的现象。ＥＱ型前膜片式制动气室推杆行程在（Ｏ４５）　作行程有关。　ｍｍ范围内，它的推杆推力均能满足ＪＢ／Ｔ９８４０．１～１９９８（（拖拉机挂　车气制动系统制动气室技术条件》中规定的要求。ＥＱ型前膜片式　制动气室推杆的工作行程范围在（２０－４５）ｍｍ之间，在此范围内，　制动气室可获得较大的有效承压面积。由此可见，ＥＱ型前膜片式　制动气室推杆的工作行程范围是比较大的。在选型时应充分考虑　到这一点。　３．４　ＣＡ型后膜片式制动气室有效承压面积　ＣＡ型后膜片式制动气室有效承压面积的理论曲线与实测　曲线，如图４所示。ＣＡ型后膜片式制动气室有效承压面积随着行　程的增大而逐渐衰减，与前３种制动气室的实测曲线走势不同，　呈现出衰减、平稳、再衰减的趋势。ＣＡ型后膜片式制动气室推杆　行程在（０－－４５）ｍｍ范围内，它的推杆推力均能满足ＪＢ／Ｉ９８４０．１～　一推杆行程Ｓ（ｘｌ０４ｍ）　图５　ＥＱ型后膜片式制动气室有效承压面积曲线图　１．ｐ＝１００ｋＰａ　２．ｐ＝２０ＯｋＰａ　３．ｐ＝３０ＯｋＰａ　４．ｐ－４０ＯｋＰａ　５．ｐ＝５０ＯｋＰａ　６＃＝６３０ｋＰａ　有效承压面积ｓ—推杆行程序号１－６一实测曲线７—理论曲线　１９９８（（拖拉机挂车气制动系统制动气室技术条件》中规定的要求。　ＣＡ型后膜片式制动气室推杆行程范围在（０　１５）　一　＿【】ｌ×）　恒出憾较　ｍｍ和（３５～５２）这两个区域内时，其有效承压面积的实测曲线比较陡，衰减程度　４结论　（１）活塞式制动气室有效承压面积，在几何尺寸一定时，不　是定值。膜片式制动气室有效承压　比较大；而行程在（１５～３５）ｍｍ之间时，其有效承压面积的实测曲　随气压和行程的变化而变化，面积，在几何尺寸一定时，不仅随气压的变化而变化，还与行程的　线比较平稳。　试验表明，通常在中等行程区段，实测值约低于　在实际使用中，为了使膜片式制动气室输出比较稳定的推　变化有很大关系，并且理论曲线与实测曲线差异较大，因此膜片　杆推力，应尽量不采用有效承压面积衰减程度大的区域，而使用　最大值（２０—３０　，比较平稳的区域。　式制动气室有效承压面积不是一个固定不变的数值，在系统设计　计算时，应充分考虑到这一点。　（２）由于膜片式制动气室有效承压面积随气压和行程的变　化而变化，因此在分析前后轮制动力矩的分配时，应注意其有效　承压面积的变化对制动器的制动力分配会有一定的影响。　（３）膜片式制动气室在实际使用时，其推杆行程应尽量选在　其有效承压面积比较大、且比较平稳的区域内，压力范围为（４００—　６３０）ｋＰａ。在此条件下，制动器促动机构也可获得较大的传动比，　制动器可获得较大的制动力，以保证制动效果。根据试验结果给　出５种膜片式制动气室推杆的有效工作行程范围：　①ＴＹ型、ＣＡ型前和后膜片式制动气室推杆的工作行程范　图４　ＣＡ型后膜片式制动气室有效承压面积曲线图　１．ｐ＝１００ｋＰａ　２．ｐ＝２０ＯｋＰａ　３．ｐ＝３００ｋＰａ　４￣ｏ－－４００ｋＰａ　５．ｐ＝５０ＯｋＰａ　６．ｐ＝６３０ｋＰａ　围在（１５～３５）ｍｍ之间。　②ＥＱ　之间。　工作行程范围在（２０－４５）ｍｍ　作行程范围在（２０－４０）ｍｍ　Ａ—有效承压面积ｓ一推杆行程序号１—６一实测曲线７—理论曲线　３．５　ＥＱ型后膜片式制动气室有效承压面积　曲线，如图５所示。　＠ＥＱ　　ＥＱ型后膜片式制动气室有效承压面积的理论曲线与实测　之间。参考文献　国标准出版社，２００８．　等．ＧＢ１６１５１—２００８《农业机械运行安全技术条件》［ｓ］．北京：中　图５与图４走势有些相似，只是ＥＱ型后膜片式制动气室推　［１］宣益年，杆行程在（０～２０）ａｒｍ和（４０～５０）ｍｍ范围内的有效承压面积衰减　［２］应朝阳，等．ＧＢ７２５８—２００＜机动车运行安全技术条件》［ｓ］．北京：中国　标准化出版社，２００４．　程度比ＣＡ型后膜片式制动气室小。但它仍然受推杆行程和气压　制约。ＥＱ型后膜片式制动气室推杆行程在（Ｏ　５）ｍｍ范围内，它　［３］马恩．液压与气压传动［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００７：２５４—２９７．　４］郑洪生．气压传动及控制［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９４：ｌ　ｌ一１４．　的推杆推力均能满足ＪＢ／Ｔ９８４０．１—１９９８（拖拉机挂车气制动系统　［［５］马恩，李素敏．液压与气压传动［Ｍ】．北京：高等教育出版社，２０１０：３７４—　４３９．　制动气室技术条件》中规定的要求。ＥＱ型后膜片式制动气室推杆　行程范围在（２０－４０）ｍｍ之间，在此范围内，膜片式制动气室有效　［６］马恩ＪＢｆｆ９８４０．１—１９９８《拖拉机挂车气制动系统制动气室技术条件》　承压面积比较稳定，也比较实用。　［ｓ］．北京：机械工业部机械标准化研究所，１９９８。