反力滾筒式汽車制動試驗臺改進

何大軍，龔國彬，陳德兵，樊海龍

（重慶車輛檢測研究院國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，重慶 401122）

制動性能是汽車行駛安全性最重要的指標，直接關系到汽車的行駛安全性，同時也關系到汽車動力性的充分發(fā)揮。汽車的動力性越好，對其制動性能要求也越高[1]。因此，汽車制動性能的檢測準確性十分重要。文獻[2]規(guī)定制動性能試驗方法有兩種，即道路試驗方法和臺架試驗方法。兩種試驗方法的性能指標要求不同，例如，對乘用車，道路試驗要求行車制動是空載、50 km/h的速度下制動距離≤19 m，或者制動平均減速度≥6.2 m/s2；臺架試驗的要求制動力總和與整車重力的百分比空載≥60%，前軸制動力與軸荷之比≥60%，后制動與軸荷之比≥20%。在臺架試驗方法中，反力式滾筒制動試驗臺以其測試受外在環(huán)境影響小、占地少、結(jié)構(gòu)簡單、操作安全、快捷等優(yōu)點被普遍使用。但是臺架測試中發(fā)現(xiàn)，檢測時車輛有時會向后移動，檢測結(jié)果重復性較差，有時還會出現(xiàn)臺架檢測結(jié)果與道路檢測結(jié)果不一致的現(xiàn)象；在臺架上檢測合格的車輛，在道路試驗時，有時會不合格；在臺架檢測不合格的車輛，在道路試驗時，有時會合格。按照常理，不同檢測方法的試驗結(jié)果應盡量一致，出現(xiàn)矛盾自然不合理。因此，本文通過對反力式滾筒制動試驗臺的結(jié)構(gòu)及測試時的受力分析，找出影響檢測結(jié)果的原因，提出改進的措施，使兩種方法的檢測結(jié)果趨于一致。

1 反力滾筒式試驗臺工作原理及受力分析

反力式滾筒制動試驗臺（以下簡稱為制動試驗臺）是由結(jié)構(gòu)完全相同的左右兩套車輪制動力測試單元和一套指示、控制裝置組成。每一套車輪制動力測試單元由框架、驅(qū)動裝置、滾筒組、舉升裝置、測量裝置等構(gòu)成[3]。

進行車輪制動力檢測時，被檢汽車駛上制動試驗臺，車輪置于主、從動滾筒之間，放下舉升器（或壓下第三滾筒，裝在第三滾筒支架下的行程開關被接通）。通過延時電路啟動電動機，經(jīng)減速器、鏈傳動和主/從動滾筒帶動車輪低速旋轉(zhuǎn)，待車輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后駕駛員踩下制動踏板。車輪在車輪制動器的摩擦力矩作用下開始減速旋轉(zhuǎn)。此時電動機驅(qū)動的滾筒對車輪輪胎的摩擦力克服制動器的摩擦力矩，維持車輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。同時在輪胎對滾筒表面切線方向的摩擦力作用下，減速器殼體與測力杠桿一起朝滾筒轉(zhuǎn)動相反方向擺動，測力杠桿一端的力由傳感器測出。從傳感器送來的電信號經(jīng)放大濾波后，送往A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應數(shù)字量。經(jīng)計算機采集、存儲和處理后，檢測結(jié)果由打印機打印出來。

某一款制動試驗臺的結(jié)構(gòu)參數(shù)為滾筒直徑185 mm;滾筒距離430 mm。在制動力測試時，輪胎的受力如圖1所示。圖1中G為被測車輪的輪荷；N1、N2分別為前后滾筒對被測車輪的法向反力；F1、F2分別為前后滾筒與車輪間的切向力，即制動力；F為車橋?qū)囕嗇S的水平推力；Mμ為車輪所受制動力矩；α為安置角；D為被檢車輪直徑；d為滾筒直徑；L為滾筒中心距。

根據(jù)力學平衡原理，可以列出下列關系式：

假如被測車輪與滾筒間的附著條件得以充分利用，并且兩滾筒附著系數(shù)φ相同，則F1、F2的最大值應為

將（3）式代入（1）、（2）式并解方程得

當車輪制動時，制動試驗臺可能測得的制動力為

從式（6）中可以看出，制動試驗臺所測得制動力受水平推力F、安置角α、滾筒表面的附著系數(shù)φ等因素的影響。附著系數(shù)增大，制動力增大；安裝角增大，制動力增大；水平推力增大，制動力增大。在實際檢測過程中，水平推力是由非被檢測車輪自動產(chǎn)生的，水平推力如何確定，在公式里很難看出。

為了直觀體現(xiàn)制動力的變化，采用圖解方法對制動力做進一步分析[4]。在分析前，需對滾輪、輪胎附著系數(shù)、輪胎直徑作設定。在文獻[5]中規(guī)定，滾筒反力式制動試驗臺檢定技術條件中要求制動試驗臺的當量附著系數(shù)φ≥0.65；為此設定制動試驗臺的附著系數(shù)為0.65。輪胎直徑設定為600 mm。這樣制動力F1（F2）和正壓力N1（N2）的合力方向則確定；與正壓力的夾角為 tg（β）=0.65，β=33°。輪胎的受力如圖2所示。

圖2中，N1和F1的合力為 F3。N2和F2的合力為F4。F3和F4的合力為F5。F5的水平分力為F6，垂直分力為F7。

根據(jù)力學平衡原理，F(xiàn)7始終保持與重力G平衡，F(xiàn)7為 F5的垂直分量，F(xiàn)5為 F3、F4的合力，只要 F7等于 G，系統(tǒng)在垂直方向就能保持平衡。從圖2中可以看出，系統(tǒng)在垂直方向平衡時，F(xiàn)3、F4是可以變化的，F(xiàn)3、F4大小取決于系統(tǒng)水平推力。當推力F減小時，車輪重量逐漸向滾輪2轉(zhuǎn)移。當重量全部轉(zhuǎn)移到滾輪2時，其受力如圖3所示。當拉力增大時，假如將重量全部轉(zhuǎn)移到滾輪1上，其受力如圖4所示。但將重量全部轉(zhuǎn)移到滾輪1上，需要提供很大的向前推力，在實際檢測過程中是不可能的，除非在檢測時施加向前的拉力。

在測試開始時，軸重在兩滾輪上平均分配，測試過程中，隨著制動踏板力逐漸增加，制動器制動力增加，輪胎與滾筒的摩擦力增加，F(xiàn)6增加。在沒有F力或F力小于F6的情況下，軸荷逐漸向滾輪2轉(zhuǎn)移，車輛將向后移動，直到離開滾筒。在軸荷向滾筒2轉(zhuǎn)移的過程中，F(xiàn)6逐漸減小。當F等于F6時，系統(tǒng)達到平衡。該過程說明，軸荷在兩輪上的分配還決定于F的大小。在檢測時，F(xiàn)是由非檢測輪通過地面的摩擦力提供，也是隨著制動踏板力的增加而增加。測試時，系統(tǒng)何時處于平衡，取決于檢測輪對滾筒的摩擦力、非檢測輪與試驗臺臺面滾筒摩擦力的增長情況。輪胎與滾筒的摩擦力還與制動器的制動力有關：制動器制動力小于輪胎滾筒的最大摩擦力時，輪胎與滾筒的摩擦力的大小取決于制動器制動力的大??；制動器的制動力達到了輪胎與地面或滾筒的最大摩擦力時，制動器的制動力被限定于輪胎與滾筒的最大摩擦力。在測試中發(fā)現(xiàn)，在同一制動力下，前、后輪制動力的增長并非線性一致的增長，具有一定的變動，引起了F和F6的平衡點發(fā)生變化，從而引起測試的制動力的變化，所以測試時的重復性較差。

通過以上圖解得出，圖2時，制動力為軸荷的69%，需要提供的推力F為軸荷重的65%；圖3時，制動力為軸荷的56%，需要提供的推力F為軸重的23%。制動力是在F與F6達到平衡時解出。F與非檢測輪軸重和臺面附著系數(shù)有關。經(jīng)檢測得知，試驗車輛輪胎對地面的摩擦系數(shù)為0.4。一車輛的前軸荷為728 kg，后軸荷為455 kg，通過圖5解得前輪最大制動力為4 352 N，為前軸荷的61%；后輪最大制動力為2 765 N，為后軸荷的62%；總的最大制動力為7 117 N，為總重量的61%，滿足文獻[2]臺架試驗要求。該車在該制動下，根據(jù)牛頓第二定律F=ma，對應的最大制動減速度為6.0 m/s2，低于文獻[2]道路試驗的性能要求6.2 m/s2，道路試驗為不合格。對于同一車輛，兩種試驗方法出現(xiàn)了兩種相反的試驗結(jié)果。

2 改進措施及驗證

分析以上問題原因，文獻[2]要求，在道路試驗時，試驗路面的附著系數(shù)要大于0.75，輪胎不能抱死，即要求地面對輪胎的摩擦力大于制動器的制動力。這說明制動性能道路試驗，實際上是檢測制動器的制動性能。而在臺架試驗時，當制動器動力大于輪胎與滾輪的摩擦力時，輪胎會打滑，這時測試出的制動力為最大摩擦力；當制動力小于最大摩擦力時，這時測出的制動力為制動器的制動力。按照道路試驗要求，減速度6.2 m/s2時，由牛頓第二定律F=ma可得，制動力應為總重量的63%，上述臺架試驗測得的制動力只能達到軸荷的61%。這說明對于滿足道路制動性能要求的車輛，該臺架不能檢測出制動器的最大制動性能，所以出現(xiàn)了臺架檢測結(jié)果與道路檢測結(jié)果的不一致的現(xiàn)象[6]。

因此，要提高臺架試驗方法的準確性，就必須保證輪胎與滾筒的摩擦力要大于制動器的制動力，以測出制動器真實的制動能力，才能實現(xiàn)臺架試驗結(jié)果和道路試驗結(jié)果的一致。從公式（6）可以得出，提高滾輪和輪胎的附著力方法有：測試時人為增加軸荷；增大向前的推力F；增大滾輪與輪胎的附著系數(shù)；增大滾輪距離，即增大安置角α。增加軸荷能增大附著力，但加載方法麻煩。在批量檢測時，此方法不可取。檢測時的推力F由車輛的非檢測輪提供[7]。增加車輪胎接觸的地面的摩擦系數(shù)可增大推力。現(xiàn)有制動試驗臺的地面做得都很漂亮、光潔。輪胎與地面的摩擦系數(shù)都很低，一般只有0.4～0.6。只要地面做得粗糙就能夠?qū)崿F(xiàn)摩擦系數(shù)在0.8左右。

增加滾筒與輪胎的摩擦系數(shù)是有效的方法。文獻[5]要求的附著系數(shù)為0.65以上，一般的試驗臺都能滿足要求。將摩擦系數(shù)提高到0.8以上是可以達到的[8]。這樣制動力的檢測能力就能提高15%以上。增大安置角α也是有效的方法之一[9]。當安置角α為45°、滾輪與輪胎的附著系數(shù)為0.8時，制動力能達到軸荷110%。該結(jié)構(gòu)能達到摩擦力大于制動器制動力的要求。測試時，由于輪胎直徑大小不同，安裝角也不同。為了保證相同的安裝角，可以通過調(diào)整滾輪距離來保證安置角α不變。但是安裝角太大，會帶來兩個問題：一是輪胎會陷入槽內(nèi)，不能自拔，甚至不能正常運轉(zhuǎn)，需設置舉升機構(gòu)；二是可能導致滾輪與非運動件接觸?？梢詫⒖傎|(zhì)量、軸距、重心位置、地面附著系數(shù)等參數(shù)輸入試驗臺，試驗臺根據(jù)檢測到的制動力用牛頓定律計算制動減速度和制動距離。該結(jié)果可用文獻[2]道路試驗方法的性能要求進行判定。

為了提高輪胎和滾輪的摩擦力，采取了施加F力、增加軸荷等措施，測試時使輪胎不打滑，保證了測試出的制動力為制動器的制動力[10]；通過對踏板進行限位，保證在臺架試驗和道路試驗獲得相同的制動力，通過對一輛鼓式制動器的普通桑塔納轎車試驗，試驗結(jié)果見表1。

表1 制動試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

從測得的制動力，根據(jù)牛頓第二定律計算出的加速度和道路試驗得到的速度（FMDD）比較，前兩次很接近，誤差達到5%以內(nèi)。第三次試驗偏差較大，達到了12%。原因是在第三次試驗時，在慣性力的作用下，后輪部分軸荷向前輪轉(zhuǎn)移，后輪與地面摩擦力小于制動器的制動力，后輪出現(xiàn)了打滑，導致制動減速度減小。

3 結(jié)束語

通過對我國普遍使用的反力滾筒式汽車制動試驗臺的結(jié)構(gòu)和測試時的受力分析，找出了試驗設備存在的固有問題，并提出了改進措施。這樣便使文獻[2]兩種檢測方法的試驗結(jié)果趨于一致。

[1]《汽車工程手冊》編輯委員會.汽車工程手冊：基礎篇[K].北京：人民交通出版社，2001.

[2]GB 7258-2012，機動車安全運行技術條件[S].北京：中國標準出版社，2012.

[3]黃木強.對影響反力式滾筒制動試驗臺檢測汽車制動力結(jié)果因素的分析[J].車輛檢測，2008，（4）

[4]哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室.理論力學[M].北京：高等教育出版社，2009.

[5]GB/T 11798.2-2001，機動車安全檢測設備檢定技術條件（第2部分）[S].北京：中國標準出版社，2001.

[6]徐禮超.汽車制動試驗臺存在的問題及其改進[J].公路與汽運，2003，（4）

[7]葛在.反力式制動試驗臺的性能測試[J].中國公路學報，1997，（2）

[8]蔡鍵.關于反力式滾筒制動試驗臺檢測制動力的探討[J].交通標準化，2004，（1）

[9]夏均忠，王太勇，李樹珉.汽車制動試驗臺測試性能分析與應用[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2005，（12）

[10]李葉.磨砂滾筒反力式制動檢驗臺檢定方法的改進[J].公路與汽運，2002，（5）