大型货运车辆辅助制动性能试验研究.pdf

第37 卷第6 期2023年11月文章编号：16 7 1-3559(2 0 2 3)0 6-0 7 58-0 8济南大学学报（自然科学版）Journal of University of Jinan(Science and Technology)Vol.37 No.6Nov.2023D0I:10.13349/ki.jdxbn.20230627.001大型货运车辆辅助制动性能试验研究李臣，李发家，王程1（1.交通运输部公路科学研究院运输车辆运行安全技术交通运输行业重点实验室，北京10 0 0 8 8；2.济南大学机械工程学院，山东济南2 50 0 2 2）摘要：为了解决大型货运车辆在下长坡路段行驶时，长时间制动会造成主制动器的热衰退，容易引发道路交通事故的问题，合理利用车辆辅助制动，从而缓解主制动器的热衰退现象，通过车辆辅助制动滑行理论分析和实车试验，探究大型货运车辆的辅助制动性能。结果表明：在相同车速条件下，变速器挡位越低，发动机制动力和排气制动力均越大；在相同挡位条件下，随着车速的增大，发动机制动力和排气制动力逐渐增大，并且挡位越低，制动力随车速变化越快；在相同车速、挡位条件下，排气制动效能更高，制动力大于发动机制动力。关键词：汽车工程；大型货运车辆；辅助制动；理论分析；实车试验中图分类号：U461.2文献标志码：A开放科学识别码（OSID码）：可Test Research on Auxiliary Braking Performances ofLarge Freight VehiclesLI Chen,LI Fajia,WANG Cheng(1.Key Laboratory of Operation Safety Technology on Transport Vehicles,Ministry of Transport,Research Institute of HighwayMinistry of Transport,Bejing 100088,China;2.School of Mechanical Engineering,University of Jinan,Jinan 250022,Shandong,China)Abstract:To solve the problem that heat fade of main brakes caused by long-term braking was likely to cause road trafficaccidents when large freight vehicles were driving on sections of long slope roads,auxiliary braking performances of largefreight vehicles were explored through theoretical analysis and real vehicle tests of vehicle auxiliary braking coasting so asto reasonably use vehicle auxiliary braking to release the heat fade phenomenon of main brakes.The results show that atthe same vehicle speed,the lower the transmission gear is,the greater the engine and exhaust braking force are.At thesame gear,with the increase of vehicle speed,the engine and exhaust braking force gradually increase,and the lower thegear is,the faster the braking force changes with the vehicle speed.At the same vehicle speed and gear,the exhaust bra-king efficiency is higher,and the braking force is greater than the engine braking force.Keywords:automotive engineering;large freight vehicle;auxiliary braking;theoretical analysis;real vehicle test大型货运车辆在下长坡路段行驶时，长时间制动容易导致主制动器热衰退，严重时制动器制动能力完全丧失，从而引发严重的道路交通事故发生。为了减少制动器制动性能热衰退现象的发生，大型货运车辆均设有不同形式的辅助制动装置，在车辆下长坡连续制动时辅助制动作用尤为重要。有效利用车辆的辅助制动对保护主制动器和改善行驶安全性具有重要意义C收稿日期：2 0 2 2-0 7-18基金项目：国家重点研发计划项目（2 0 19 YFC1511505，2 0 2 0 YFC15119 0 4）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(2016-9022)第一作者简介：李臣（19 8 1一），男，山东寿光人。副研究员，博士，研究方向为营运车辆性能与安全、多式联运。E-mail：c.l i r i o h.c n。通信作者简介：李发家（19 8 0 一），男，山东泰安人。讲师，博士，研究方向为机械传动、机械振动。E-mail：me _l i f j u j n.e d u.c n。网络首发地址：https:/ 0 2 3-0 6-2 7 T17:04:41第6 期从整车角度来看，车辆辅助制动包括发动机制动、排气制动、缓速器制动等。发动机制动即发动机不喷油，车轮通过传动系统倒拖发动机转动，从而实现辅助制动的效果。由于排气歧管处是否安装排气蝶阀以及发动机型号不同，因此排气制动的制动形式多样,根据制动原理的不同,大致可分为排气蝶阀制动、泄气式制动和压缩释放式制动3类。现阶段对车辆制动器热衰退性能的研究主要通过建立单一车型制动鼓温升数学模型或利用仿真软件建立有限元模型，并结合台架试验或实车道路试验对模型进行验证，进而对制动鼓温升规律以及影响因素等问题进行探讨2。研究3-6 认为发动机辅助制动所占比例较小,并且发动机是不规则体,对发动机制动力的计算极其复杂，因此常忽略发动机制动和排气制动这2 种辅助制动，仅研究长下坡路段车辆采用主制动器制动时制动鼓温升变化规律。为了有效利用大型货运车辆的辅助制动,本文中通过对车辆辅助制动滑行理论分析和实车试验，探究大型货运车辆的辅助制动性能。1车辆辅助制动滑行理论分析车辆在空挡平路滑行过程中，在滑行方向上只受到滚动阻力、空气阻力和加速阻力的作用。采用辅助制动滑行时，车辆还受到辅助制动力的作用。车辆以一定的车速滑行,在阻力的作用下,车速逐渐减小。通过求解车辆滑行加速度，可以求得车辆滑行时阻力的变化。车辆行驶时所受阻力如图1所示。GG一车辆重力；F一坡度阻力；Fw一车辆行驶时所受空气阻力；U一车速；一道路的坡度角。图1车辆行驶时所受阻力滚动阻力F,与车轮负荷近似成正比7,即F,=Gfcos,式中：G为车辆重力；f为车辆轮胎滚动阻力系数；为道路的坡度角。f与车速u接近于直线关系，可利用经验公式进行估算7，即f=0.007 6+0.000 202v 李臣，等：大型货运车辆辅助制动性能试验研究坡度阻力为F,=Gsin,加速阻力为duF,=Sm-dt式中：8 为车辆旋转质量换算系数；m为车辆总质量；t为车辆行驶时间。根据汽车行驶方程式计算总的行驶阻力F7,F=F,+Fu+F,+F;。(6)车辆在平路滑行时,道路的坡度角为0。试验中车辆脱挡滑行，忽略车轮以及发动机飞轮转动惯量,即8=1,车辆只受到空气阻力与滚动阻力作用，则空气阻力与滚动阻力为F,+F=ma,式中为车辆加速度。大型货运车辆辅助制动一般采用发动机制动或排气制动。在使用辅助制动时,应选择合适的挡位，以避免发动机超速。辅助制动的性能与发动机额定功率、额定转速、活塞平均速度、冲程、工作容积、发动机的磨合程度等诸多因素相关8。在平路滑行试验中，当变速器挂人某挡位采用发动机制动或排气制动滑行时，车辆受到的滑行阻力F为F,=ma=F,+Ff+Fu,式中F.为发动机阻力矩换算到驱动轮上的制动力。忽略发动机、变速器、离合器等的转动惯量，车辆旋转质量换算系数为8=1+mm式中：Iw为单个车轮的转动惯量；r为车辆轮胎的半(1)径；I，为飞轮的转动惯量；为主减速器的速比；i为变速器的速比；m为传动系效率。I、ZI 的计算极为繁琐，并且计算误差较大。本文中在进行动力性能计算时,参考文献7(2)中汽车旋转质量换算系数图和挡位与总传动比确定759车辆行驶时所受空气阻力为Fw=0.0473CaAu2,式中：Ca为空气阻力系数；A为车辆行驶方向的投影面积。(4)(5)(7)(8)1:22tiont(3)(9)7608的取值。在车辆平路滑行试验中，空挡滑行时忽略车轮以及发动机飞轮的转动惯量,车辆空挡滑行阻力F为Fk=ma=Fw+Fr。(10)在车辆平路滑行试验中，变速器挂人某挡位，车辆辅助制动力即发动机制动力或排气制动力随车速变化的函数关系为Fu=Fa-Fk在车辆平路滑行试验中，每隔0.5s记录一次车速，可直接得到车速随时间t的变化值。根据=du_Au可得加速度随车速的变化关系,绘制-v曲dt线,利用最小二乘法对-曲线进行拟合。令 X，=u,Y,=a,其中i=1,2,q，q 为所用时间序列的个数，则拟合后的曲线方程为Y,=AX,+BX,+C,式中：Y,为试验测定值；A、B、为待定系数。试验测定值Y,与模型计算值Y,的残差为Y=Y-Y，利用最小二乘法使残差平方和最小，A=AY=ZY-2(AX+BX,+C)Y,+(AX,+BX,+C)。当关于A、B、C的偏导数为O时，取得最小值，即(2X;A-2Y,X)+2X,B+2X,C)=0,aA(2X,A-2Y,X,+2X,B+2X,C)=0,(14)aB(2X,A-2Y,+2X,B+2C)=0。LaC由此可得方程A(Xt,X,X)T+B(X,X,X)T+C(X2,X,1)T=(Y,X),Y,X,Y)T。(15)解方程（15）可得A=i=1济南大学学报（自然科学版）(11)根据式（15）可得车辆滑行时辅助制动力（包括发动机制动力和排气制动力）随车速的变化关系。2试验2.1试验车辆(12)选用CA4250P66K24T1A1EX型解放牌驱动形式为6 4的平头柴油半挂牵引车为试验车辆，挂车品牌不作要求，试验车辆如图2 所示，试验车辆技术参数如表1所示。(13)丰图2 CA4250P66K24T1A1EX型解放牌驱动形式为6x4的平头柴油半挂牵引车试验车辆2.2试验场地试验车辆平路滑行试验场地选在交通运输部公路交通试验场长直线试验路段，如图3所示。该长直线试验路段长度为3330 m，坡度为0,加速道宽度为9 m,水泥混凝土路面，中部为蝙蝠型广场，长边长度为6 0 0 m,短边长度为2 45m，宽度为8 0 m。试验场地可进行汽车一般动力性、燃油经济性、制动性、操纵稳定性等试验研究。2.3试验仪器主要试验仪器包括：CTM-2006F型车速仪，用于采集实时速度、行驶距离等；十六通道无纸记录2X-(2x)仪,用于记录试验中测量的各类数据；地磅，用于测i1量试验车辆的质量；坡度仪,用于检测试验路段的坡第37 卷XY,X;xX-(2x.)1根据式(11)可得Fu=Sma-(Fw+F.)(16)第6 期最大车速/轮胎后桥整备最大总牵引总长度/宽度/高度/(km/h)规格速比质量/kg质量/kg质量/kgmmm锡柴CA6DM2-12511.00R204.11(a）长直线试验路段位置（b）长直线试验路段图3试验车辆平路滑行试验场地度；驾驶员操作检测仪，用于记录驾驶员操作状态。除此以外，在试验车辆上安装驾驶员操作检测仪，用于记录制动踏板力和油门踏板力，测量数据可与其他测量设备所测数据相结合进行深入分析。2.4车辆挡位在试验车辆采用辅助制动过程中，变速器挡位越低，车速越大，则辅助制动力越大，辅助制动效能越高，但是当车速越大，变速器速比越大即挡位越低时，车轮通过传动系统倒拖发动机转速越大，发动机存在超速运转的风险越大。同时,考虑到车辆在实际道路行驶过程中，车速过小会降低道路运输效率，因此在试验过程中应根据发动机的合理转速范围，并参考车辆的实际道路行驶状况，确定合理的变速器挡位以及车速范围。试验车辆发动机转速范围为8 0 0 19 0 0 r/min，主减速器的速比为4.11,挡位个数为11(12 挡为超速挡，不予考虑）。根据发动机转速n与车速的关系u=0.377rm/（i g i o）,其中车辆轮胎半径r=0.5334m，主减速器的速比i=4.11,试验车辆各挡位变速器的速比与车速范围如表2 所示。李臣，等：大型货运车辆辅助制动性能试验研究表1试验车辆技术参数发动机最大输出额定功率急速转速/变速箱型号功率/kW转速/(r/min)88002500040.0007.172.493.06表2 试验车辆各挡位变速器的速比与车速范围挡位编号变速器的速比63.4872.7182.1191.64101.28111.00在下长坡路段，驾驶员多使用辅助制动并间断使用主制动的制动形式，以保证车辆安全稳定行驶。变速器挂入低挡位时，辅助制动力较大，下长坡路段仅采用辅助制动即可达到较小的安全稳定车速，但是速度过小不仅降低道路运输效率，而且不符合驾驶员的驾驶习惯。经过调查统计，下长坡路段车速多限制为小于6 0 km/h，货车行驶速度通常大于30 km/h,因此本文中选择变速器挡位编号为7、8、9、10 进行车辆平路滑行试验，测量车辆辅助制动力。3丝结果与分析3.1滚动阻力和空气阻力随车速的变化由于试验车辆车型确定，车辆外形与总质量不变因此在试验过程中，相同车速条件下的车辆滚动阻力与空气阻力不变。选取变速器挡位编号为10,对应的最大车速约为7 2 km/h,因此试验前设定非接触式多功能速度仪滑行速度为7 0 km/h。车辆从试验场长直线路段端点处以1挡起步，并逐步增加挡位至10 挡，逐渐增大油门开度。当车速仪发出响声时，将变速器接入空挡，松开油门踏板。控制方向盘，保持试验车辆沿直线方向自由滑行，直至车辆停止。记录车辆滑行速度随时间变化的数据。重复上述试验步骤，进行第2 次空挡滑行试验。在试验过程中，车速仪每0.5s记录一次车速信息，去除波动较大的速度点后，得到车辆滑行过程中车速-时间关系，如图4所示。通过数据处理，得到试验车辆滑行加速度、空挡滑行阻力即滚动阻力和空气阻力随车速变化关系拟合曲线，如图5所示。761(r/min)型号法士特270190035E3800车速/(km/h)11.17 26.5414.3534.0818.43 43.7723.71 56.3230.38 72.1638.8992.3712JS160762(u/ux)/支40200图4试验车辆滑行过程中车速-时间关系0.200.16(s/m)/率0.120.080.040400030002.00010000图5试验车辆滑行加速度、空挡滑行阻力随车速变化关系拟合曲线当车速范围为0 7 0 km/h时，车辆空挡滑行阻力随车速变化的函数关系为F,=0.394 4u+0.684 2v+1 104.4。3.27挡辅助制动选取变速器挡位编号为7,对应的车速范围为1434km/h，设定非接触式多功能速度仪滑行初速度为30 km/h。车辆从试验场长直线路段端点处以1挡起步，并逐步增加挡位至7 挡，逐渐增大油门开度。车速仪发出响声表明车速已超过30 km/h，车速仪开始对车速进行测量，此时松开油门踏板，打开排气制动阀。控制方向盘，保持试验车辆沿直线方向自由滑行，直至车速保持不变。记录车辆滑行速度随时间变化数据。重复上述试验步骤，进行第2 次7 挡辅助制动试验。第3、4次试验步骤济南大学学报（自然科学版）80与上述试验步骤相同，但是在松开油门踏板时不开启排气制动阀，测得发动机制动力随车速的变化。607挡发动机制动、排气制动时车速-时间关系如图6所示。403530(y/w)/单李50100时间/s1020 3040 506070车速/(km/h)(a)加速度10203040506070车速/(km/h)(b)空挡滑行阻力第37 卷150200250(17)2520151050403530(y/w)/1050图6 7 挡发动机制动、排气制动时车速-时间关系7挡滑行时，总减速比ii=11.14,车辆总质量为17 7 0 0 kg时，8 约为1.0 2 5。7 挡发动机制动、排气制动时制动力-车速关系如图7 所示。3.38挡辅助制动变速器挂入8 挡时的车速范围为18 43km/h，因此设定非接触式多功能速度仪滑行初速度为40km/h。试验步骤及过程与7 挡辅助制动试验的相同。8 挡发动机制动、排气制动时车速-时间关系如图8 所示。当试验车辆变速器挡位编号为8 时，总减速比itio=8.67,车辆总质量为17 7 0 0 kg时,8 约为1.0 2。8挡发动机制动、排气制动时制动力-车速关系如图9所示。3.49挡辅助制动变速器挂人9 挡时的车速范围为2 3 56 km/h，因此设定非接触式多功能速度仪滑行初速度为55km/h。试验步骤及过程与7 挡辅助制动试验的相同。9 挡发动机制动、排气制动时车速-时间关系如图10 所示。5(a)发动机制动510时间/s(b)排气制动10时间/s152015第6 期90006 00030001013000F,=-11v2+841v-4 135PR20.999 8100007000400010v一车速,范围为 14 34 km/h;Fn、Fp,一7挡发动机制动力、排气制动力；R一决定系数。图7 7 挡发动机制动、排气制动时制动力-车速关系4540(g/x)/取李353025201504540(g/u)/李383李臣，等：大型货运车辆辅助制动性能试验研究70006000N/收5000F,=2.961 5v2+307.44v+989.444.000R20.999530002030车速/(km/h)(a)发动机制动2030车速/(km/h)(b)排气制动510时间/s(a)发动机制动763F=-1.8917v2+211.32v+465.88R2=0.999 3401512000F,=-3.714 3v2+436.86v-2 117.1p810.000R2=0.998 68000600040004015v一车速,范围为 18 43 km/h;Fs、Fp s8挡发动机制动力、排气制动力；R一决定系数。图9 8 挡发动机制动、排气制动时制动力-车速关系605550(g/wx)/支45443825201505101520253035152025车速/(km/h)(a)发动机制动2535车速/(km/h)(b)排气制动25时间/s(a)发动机制动605550(g/w)/单李844388354545252020151505(b)排气制动图8 8 挡发动机制动、排气制动时车速-时间关系10时间/s15200图109挡发动机制动、排气制动时车速-时间关系510时间/s(b)排气制动15202530764当试验车辆变速器挡位编号为9 时，总减速比io=6.74,车辆总质量为17 7 0 0 kg时，8 约为1.0 1。9挡发动机制动、排气制动时制动力-车速关系如图11所示。600050004000300020002090007000N/聘5000300020u车速,范围为2 3 56 km/h；Fg、Fp g 9挡发动机制动力、排气制动力；R一决定系数。图119 挡发动机制动、排气制动时制动力-车速关系3.510挡辅助制动变速器挂人10 挡对应的车速范围为30 72km/h，因此设定非接触式多功能速度仪滑行初速度为7 0 km/h。试验步骤及过程与7 挡辅助制动试验的相同。10 挡发动机制动、排气制动时车速-时间关系如图12 所示。当试验车辆变速器挡位编号为10 时，总减速比i.io=5.26,车辆总质量为17 7 0 0 kg时,8 约为1。10挡发动机制动、排气制动时制动力-车速关系如图13所示。3.6不同挡位发动机制动力不同挡位发动机制动、排气制动时制动力随车速变化拟合曲线如图14所示。从图中可以看出，在相同车速条件下，变速器挡位越低，发动机制动力和排气制动力均越大；在相同挡位条件下，随着车速的增大，发动机制动力和排气制动力逐渐增大，济南大学学报（自然科学版）(g/ux)/单554535Ff=-1.2857v2+199.29v1542.925R2=0.999815075653040车速/(km/h)(a)发动机制动F=-2.5238v2+329.76v-2500PyR2-0.999 330车速/(km/h)(b)排气制动第37 卷75655060405010(a)发动机制动(g/w)/李55453525150图12 10 发动机制动、排气制动时车速-时间关系550060450035002.50015002580007 000N/牛6 0005 00040003.00025u一车速，范围为30 7 0 km/h;Fno、Fp 1o 一10挡发动机制动力、排气制动力；R一决定系数。图1310 挡发动机制动、排气制动时制动力-车速关系20时间/s1020时间/s(b)排气制动Fa-2g+270v-4 00R2-0.99883545车速/(km/h)(a)发动机制动Fplo=-1.5v2+241.55v2337.5R2=0.998 43545车速/(km/h)(b)排气制动3030556555654050407575第6 期9000r7000500030001000010203040506070车速/(km/h)(a)发动机制动12.000变速器挡位编号为10变速器挡位编号为910000N/8000600040002 00001020304050车速/(km/h)(b)排气制动图14不同挡位发动机制动、排气制动时制动力随车速变化拟合曲线并且挡位越低，制动力随车速变化越快；在相同车速、挡位条件下，排气制动效能更高，制动力大于发动机制动力。4结论本文中通过对大型货运车辆辅助制动滑行理论(上接第7 57 页）10 FECKE W,DANNE M,MUSSHOFF O.E-commerce in agricul-ture:the case of crop protection product 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