公司：卡莱制动及摩擦材料
摘要：本文介绍了卡莱液压制动油缸的种类、工作原理和性能特点，对各种不同原理的液压油缸及应用做了分类论述 。
我国的农机行业在国内需求、政策扶持和出口增长的带动下，在世界上也进入了农机生产大国行列。 而拖拉机是整个农业机械的主力机型，其性能直接影响到农业的生产效率。拖拉机自重较大，实际使用工况多为泥泞松软的农田，车轮对地面的附着系数低，对制动执行部件的效率要求较高。拖拉机制动按执行方式分类：主要有机械制动和液压制动两种。目前市场上仍有大量纯机械制动的拖拉机在生产和销售，主要原因是其成本较低，主要缺点是踏板力较大，操作员在驾驶拖拉机一段时间后容易疲劳。纯机械制动另外一个缺点就是在使用较长时间后容易磨损，影响制动安全性。液压制动由于其制动响应时间短，踏板力较小，极大的提高了驾驶操控舒适性，因为液压制动通过液压油来实施，能避免机械制动引起的相关零部件磨损，提高制动的可靠性。在对采用液压制动的拖拉机实施制动时，驾驶员踩下制动踏板，通过液压泵（制动油缸）输出制动压力到从动油缸，从动油缸的活塞再推动涨紧刹车片和制动鼓实现制动。拖拉机的制动性能要求主要依据的国家标准是GB 16151.1-2008农业机械运行安全技术条件。
国外拖拉机主要生产企业有约翰迪尔(John Deere)、爱科(AGCO)、纽荷兰（New Holland）及克拉斯（CLAAS）等，国内企业有一拖、东风、雷沃、悦达等。美国卡莱公司生产的制动产品以其优越的性能、良好的质量和可靠性在国外和国内拖拉机生产商中使用最为广泛。下面将按照卡莱制动油缸的不同种类进行详述 。
1. 制动主缸
制动主缸由于成本较低，广泛的应用在马力较小（约80~120马力左右）的拖拉机上。制动主缸的基本结构如下图1所示：
图1 制动主缸结构
推杆1与制动踏板相连，油口1与油箱（油壶）相连，油口2与从动缸的进油口相连。实施制动时，踩下制动踏板，推杆1推动活塞2向左移动，缸体4中的液压油通过油口2输出到从动油缸中实施制动。在实施制动时，单项阀3关闭，保证缸体内的液压油充分输出到从动油缸；在制动解除时（尤其是在快速释放制动时），单项阀会打开避免在缸内发生吸空现象。
卡莱公司生产的制动主缸有单腔主缸和双腔主缸，单腔主缸主要用在叉车制动上。输出油量在7mL~27mL（如油量超过此范围，请联系卡莱）
图2 单腔主缸（1） 图3 单腔主缸（2）
双腔主缸主要用在拖拉机制动系统上，单侧常用输出油量在7mL~27mL（如油量超过此范围，也请联系卡莱）。按制动功能分，主要由两种形式：
（1） 如图4 所示，普通型双腔主油缸，在单独踩下左侧或后侧踏板时，能够实现左侧或右侧单侧制动，在左右侧踏板同时踩下时，能够实现压力均衡，避免发生左侧和右侧制动力不同的现象。
（2）如图5所示，双腔型制动主缸，除了能够实现普通双侧制动，它还内部集成逻辑阀。在后轮制动的同时，能够实现拖车制动。
图4 普通双腔制动主缸 图5 用于带拖车的双腔制动主缸
制动主缸的选型：
制动压力（忽略内部复位弹簧力）：
其中，F为作用在推杆上的力；D为缸体内活塞的直径
制动油量满足实际要求即可。
2. 助力器
与普通制动主缸相比，助力器由于引入了液压助力，能够显著降低踏板力，提高驾驶舒适性。
卡莱公司生产的助力器有单腔助力器和双腔助力器，单腔助力器主要用在叉车制动和拖拉机离合器助力系统上。双腔助力器用于拖拉机制动系统。卡莱提供多种助力比（4：1、5：1、6：1以及8：1等）和多种缸径（22.2mm、25.4mm、27mm以及31.75mm等）的助力器，来满足客户对制动性能的要求。
图6 单腔助力器 图7 双腔助力器
典型的助力器结构如下图所示：
图8 助力器结构图
当制动时，推杆1向左移动，次级活塞3连同推杆1向左移动，液压油进入主油腔（绿色部分）并推动主活塞2向左移动，单向阀关闭，主活塞2带动柱塞6推动制动腔（黄色部分）的油液进入制动器。
当制动解除时，推杆1向右移动，主活塞2和次级活塞3向右移动，返回到初始位置，主油腔（黄色部分）释压，制动腔连接油箱，制动压力降为零。
选择助力器，就是为了能够降低踏板力，提供驾驶舒适性。助力器所产生的制动压力（忽略内部复位弹簧力），如下式所示：
其中，F为作用在推杆上的力；A1为主活塞外圆面积；A2为主活塞内圆面积；A3为制动腔的内圆面积;助力比(Boost_Ratio)为
。
例如：助力器的助力比为6：1。如作用在推杆上的力为1000N，则通过助力器作用在制动腔的力放到了6倍，也就是6000N。
3. 双级主油缸
双级主油缸主要是在标准的制动主油缸上添加了主活塞。系统制动时有两个阶段：第一个阶段为制动油推动制动活塞，使制动活塞与摩擦片接触，在此阶段所需的制动压力很小；第二阶段为制动活塞与摩擦片接触后，制动压力逐渐建立，实施制动。
卡莱公司利用制动系统制动时的特点，研究开发出双级主油缸。该双级主油缸目前已经广泛用在东风农机DF904/DF104/DF1804以及雷沃M2404等车型上。典型的双级主油缸结构如下图所示：
图9 双级主油缸结构图
双级主油缸由推杆1、活塞2、单向阀3、缸体4以及切换阀芯5等组成。与单极制动主缸和助力器相比，最主要的区别就是双级主油缸增加了切换阀芯5。制动时，在制动第一阶段时即制动活塞开始运动到与摩擦片接触，在此阶段切换活塞处于原位，进入制动器的油液主要由主级油腔提供；在制动第二阶段即从制动活塞与摩擦片接触到制动结束，切换阀芯切换位置，进入制动器的油液完全由次级油腔提供。由于制动第一阶段有大腔的油液进入制动器，能够增加输出的制动油量 ; 次级油腔的直径小于主级油腔的直径，能够增加输出的压力。所以双级主油缸在增加输出油量的同时，又降低踏板力。
选择双级主油缸，就是为了能够在降低踏板力同时提高输出油量。由于双级主油缸输出油量跟切换阀芯在何时切换有关，因此在实际中，双级主油缸的实际最大输出油量可按下式进行估算：
为实际输出油量， D为主级油腔的直径，L为活塞行程，为效率，可取0.8。
4. 双级助力器
为更好地改善制动性能，卡莱公司开发出结合助力器和双级主油缸优点的双级助力器。其外形如下图10所示。 双级助力器能够具有助力器的特点，即放大作用在推杆上的力，提高输出油压；同时又具有双级主油缸的特点，内部包含主级油腔和次级油腔，增大输出油量。
图10 双级助力器外形图
制动主缸(Master Cylinder)、双级主油缸(Quick Fill Master Cylinder)、助力器（Booster）、以及双级助力器（Quick Fill Booster）的功能进行定性对比分析，如图11和12:
在推杆力一定的时候，助力器和双级助力器比双级主缸和单极主油缸输出压力大。
双级主缸较单极制动主缸输出压力大。
在推杆行程一定的时候， 双级主缸和双级助力器较制动主缸的输出油量大。
图11 推杆力与输出压力曲线 图12 推杆行程与输出油量
结论：拖拉机作为农机中主要机型，液压制动油缸在拖拉机上得到了广泛的应用，制动系统的合理选型和配置对拖拉机整体性能非常重要。本文对拖拉机制动系统进行了介绍，可以为拖拉机制造者和用户提供基本的参考。