基于ECE法規(guī)的輕型載貨汽車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

冷　彪，柳　帥

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，吉林　長春　130011）

Leng Biao，Liu Shuai

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基于ECE法規(guī)的輕型載貨汽車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

冷彪，柳帥

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，吉林長春130011）

Leng Biao，Liu Shuai

摘要：以國內(nèi)某輕型載貨汽車出口車型為研究對象，分析了國內(nèi)與國外制動(dòng)法規(guī)的差異性，開展了針對出口車制動(dòng)系統(tǒng)法規(guī)適應(yīng)性設(shè)計(jì)方面的研究，提出了針對出口輕卡制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，歸納了出口車制動(dòng)系統(tǒng)認(rèn)證流程，對今后國產(chǎn)出口車新產(chǎn)品的開發(fā)和認(rèn)證具有積極的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：出口車；制動(dòng)系統(tǒng)；ECE；適應(yīng)性

0　引　言

目前，在世界各國和地區(qū)的汽車技術(shù)法規(guī)體系中，以歐洲（UN/ECE）和歐盟（EEC）的汽車技術(shù)法規(guī)體系最具代表性。相比之下，我國現(xiàn)行的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB12676-2014主要依據(jù)ECER13-10系列法規(guī)制定，要比現(xiàn)行UN/ECER13-11法規(guī)寬松。從2014年11月起，所有歐盟成員國成員進(jìn)行N2類車型認(rèn)證時(shí)，必須裝備車輛穩(wěn)定性系統(tǒng)。在歐盟貿(mào)易區(qū)，我國當(dāng)前N2類整車生產(chǎn)水平仍存在一定的技術(shù)瓶頸，從以往數(shù)據(jù)來看，N2類車型海外市場主要集中在俄羅斯、印度、南非、巴西和東南亞等汽車產(chǎn)業(yè)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，多采用CKD或海外建廠方式。這些地區(qū)的制動(dòng)法規(guī)都可接受（或等效）ECE法規(guī)認(rèn)證，文中以ECER13-11Supplement9版本法規(guī)為例（不包括車輛穩(wěn)定性控制裝置部分），研究非歐盟成員國地區(qū)出口車制動(dòng)系統(tǒng)的法規(guī)適應(yīng)性設(shè)計(jì)[1-2]。

1　制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段UN/ECER13法規(guī)，除了正文的12項(xiàng)內(nèi)容外，還包括21個(gè)附件，而部分附件又包含了多個(gè)對不同具體車型的附錄要求。針對N2類車型制動(dòng)認(rèn)證試驗(yàn)，除檢查項(xiàng)外，需動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測量的項(xiàng)目就包含9大項(xiàng)，29小項(xiàng)的內(nèi)容，認(rèn)證項(xiàng)目復(fù)雜、耗時(shí)長是制動(dòng)系統(tǒng)認(rèn)證的主要特點(diǎn)。因此，針對出口車制動(dòng)法規(guī)的研究和制動(dòng)系統(tǒng)的法規(guī)適應(yīng)性設(shè)計(jì)，不僅能提高車輛制動(dòng)性能，有效控制成本，還有助于保證認(rèn)證工作的順利完成。為了降低成本，提高零部件通用性，應(yīng)盡可能利用現(xiàn)有平臺，文中以某輕型載貨汽車為例，研究出口車制動(dòng)法規(guī)適應(yīng)性設(shè)計(jì)[3-5]，主要涉及以下幾個(gè)方面。

1）廠定壓力P2的確定方法

在整個(gè)認(rèn)證試驗(yàn)和認(rèn)證文件編制過程中，需涉及廠定壓力的取值，該參數(shù)是生產(chǎn)廠對車輛制動(dòng)系統(tǒng)提供的關(guān)鍵參數(shù)之一。

依據(jù)ECE法規(guī)附件7中第1.2.2.1條規(guī)定，儲(chǔ)能裝置的初始壓力由生產(chǎn)商定義并且需將該值記錄到認(rèn)證文件中，該壓力值應(yīng)能達(dá)到保證行車制動(dòng)系統(tǒng)所要求的性能。廠定壓力P2的數(shù)值定義過高，將不利于制動(dòng)供能試驗(yàn)性能；數(shù)值過小，則會(huì)影響儲(chǔ)能裝置容積試驗(yàn)的效果。因此，廠定壓力的取值，應(yīng)以空氣處理單元（APU）的壓力參數(shù)為依據(jù)，定義在合理范圍內(nèi)，即以不大于最低供氣壓力Pcut-in作為廠定壓力P2的取值。

表1為計(jì)算空氣處理單元卸荷閥壓力參數(shù)，得到APU卸荷閥的切斷壓力最小值PcutoutMIN=830kPa，而卸荷閥工作范圍最大值為dPMAX=120kPa，P2=PcutoutMIN-dPMAX= 710 kPa。

表1　卸荷閥壓力數(shù)值kPa

依據(jù)法規(guī)規(guī)定，要求系統(tǒng)充氣達(dá)到P1所需的時(shí)間t1應(yīng)小于3min，系統(tǒng)充氣達(dá)到P2所需的時(shí)間t2應(yīng)小于6min，需對已確定的廠定壓力校核供能充氣時(shí)間。

行車制動(dòng)貯氣筒容積。前后行車筒容積均為25L，駐車筒容積10L，系統(tǒng)中無輔助用氣，制動(dòng)系統(tǒng)總?cè)莘e為V=60L，空氣壓縮機(jī)型號65/38，排氣量Vh=140L/min。在空氣壓縮機(jī)供氣時(shí)，貯氣筒溫度基本不變，因此可將該過程近似為等溫過程，充氣效率η取值75％，忽略管束中的壓縮氣體容積，依據(jù)理想氣體狀態(tài)方程

PV=P′V′=RgT

P1=65％P2

P1V≤η×P0×Vh×t1

P2V≤η×P0×Vh×t2

（1）

因此，計(jì)算得到P2≤808kPa，可保證充氣時(shí)間要求。

為校核貯氣筒容量，以P2為初始壓力，前、后氣室規(guī)格相同，單次制動(dòng)時(shí)左右氣室耗氣量Vf=Vr=2V1=1.652L，前行車管路長5.32m，容積Vgf=0.339L；后行車供能管路長2.89m，控制管路長6.61m，容積Vgr=0.371L。計(jì)算第9次全行程制動(dòng)時(shí)，前、后制動(dòng)氣室壓力

依據(jù)以往3t平臺試驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)前、后剩余管路壓力達(dá)到300kPa以上時(shí)，完全能夠達(dá)到法規(guī)對應(yīng)急制動(dòng)性能的要求。因此，實(shí)際P2取值710kPa可滿足貯氣筒容積試驗(yàn)要求。

2）制動(dòng)系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)

在N2類車型制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，行車制動(dòng)部分的要求與我國法規(guī)基本一致，但ECER13附件8中對駐車回路規(guī)定了特殊要求：彈簧制動(dòng)系空氣壓縮腔的供能回路必須裝備專用的儲(chǔ)能裝置，或由2個(gè)以上獨(dú)立的儲(chǔ)能裝置供能。同時(shí)，對機(jī)動(dòng)車輛，在彈簧壓縮腔的初始壓力等于最大設(shè)計(jì)壓力的情況下，彈簧制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)保證至少能夠進(jìn)行3次“制動(dòng)-解除制動(dòng)”操作，而且在檢查該項(xiàng)性能之前，應(yīng)解除緊急制動(dòng)，并在各制動(dòng)器的間隙調(diào)到盡可能小時(shí)仍滿足這些條件。

因此，需要在駐車制動(dòng)回路設(shè)計(jì)中增加駐車貯氣筒（圖1中部件4），駐車貯氣筒由空氣處理單元（圖1中的部件2）的23口供氣，氣體經(jīng)手制動(dòng)閥向氣室彈簧缸的駐車腔12口充氣。為保證該項(xiàng)法規(guī)，需依據(jù)氣室彈簧缸參數(shù)對駐車貯氣筒容積進(jìn)行匹配計(jì)算。

圖1　氣制動(dòng)管路原理圖

以空氣處理單元卸荷后穩(wěn)定壓力作為氣室彈簧缸駐車腔最大壓力Pmax=800kPa，氣室彈簧缸規(guī)格20#/20#，氣室推桿最大行程64mm。從手制動(dòng)閥2口至氣室彈簧缸駐車腔12口的管束長度約為7.4m，從手制動(dòng)閥1口至空氣處理單元23口的管束長度為6.16m。

單個(gè)氣室彈簧缸一次解除制動(dòng)最大耗氣量

V1=0.826L

（4）

單次解除駐車制動(dòng)時(shí)，管束內(nèi)的耗氣量

V2=0.327L

（5）

車輛每次解除制動(dòng)的耗氣量

V0=2×V1+V2=1.98L

（6）

駐車制動(dòng)回路供氣部分管路容積Vg=0.27L。

以駐車筒容積為V=10L試算，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，忽略系統(tǒng)壓力高于靜態(tài)關(guān)閉壓力的情況下，行車制動(dòng)回路高壓氣體對駐車制動(dòng)回路的回流補(bǔ)充效應(yīng)，經(jīng)3次施加和解除駐車后，氣室彈簧缸駐車腔內(nèi)壓力

由氣室彈簧缸駐車腔中推桿行程與力的特性曲線可知（如圖2），推桿完全退回，駐車腔完全解除所需的制動(dòng)壓力：Punlock=450kPa

圖2　氣室彈簧缸推桿行程與力的特性曲線

滿足駐車制動(dòng)法規(guī)要求，因此確定駐車貯氣筒容積為10L。

3）改進(jìn)四回路結(jié)構(gòu)特性

當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)中需要為輔助用氣裝置和駐車貯氣筒供氣時(shí)，應(yīng)采用空氣處理單元總成。ECE法規(guī)對空氣處理單元中的4回路保護(hù)閥有特殊規(guī)定：在任何情況下，在制動(dòng)系統(tǒng)壓力從0開始補(bǔ)充能量，直至行車制動(dòng)系統(tǒng)的壓力足以保證操縱行車制動(dòng)控制裝置至少能達(dá)到滿載車輛的應(yīng)急制動(dòng)效能為止期間，不應(yīng)解除彈簧制動(dòng)系統(tǒng)。同樣，除非行車制動(dòng)系統(tǒng)中的壓力足以保證操縱行車制動(dòng)控制裝置至少能達(dá)到滿載車輛的剩余制動(dòng)效能，否則，彈簧制動(dòng)作用后將無法解除。

也就是說，貯氣筒壓力從0開始充氣的過程中，應(yīng)先保證行車制動(dòng)回路的壓力達(dá)到應(yīng)急制動(dòng)性能所需的最小壓力，然后才能向駐車回路充氣，直至達(dá)到駐車制動(dòng)解除所需的最小壓力，才能起步行駛。若車輛處于駐車狀態(tài)，當(dāng)行車制動(dòng)能力無法達(dá)到剩余制動(dòng)性能時(shí)，駐車回路內(nèi)的過高氣壓應(yīng)自動(dòng)喪失，不得使駐車解除。

因此，目前市場上已有的串聯(lián)結(jié)構(gòu)、并聯(lián)結(jié)構(gòu)和旁通結(jié)構(gòu)等型式的4回路保護(hù)閥均無法滿足ECE法規(guī)的特殊要求，需采用具有回流功能結(jié)構(gòu)的4回路保護(hù)閥（如表2和圖3），使4回路保護(hù)閥23口的開啟壓力高于其他3個(gè)出氣口，這樣就能保證當(dāng)氣壓從0開始，對制動(dòng)系統(tǒng)充氣時(shí)，駐車制動(dòng)回路的充氣順序?yàn)樽詈?。同時(shí)，在回路21口和23口之間增加了單向閥和節(jié)流孔，當(dāng)21口泄漏時(shí)，駐車制動(dòng)回路中的高壓氣體能緩慢地由21口排出，確保車輛在行車制動(dòng)性能不滿足剩余制動(dòng)要求時(shí)，無法啟動(dòng)。4回路保護(hù)閥性能經(jīng)試驗(yàn)臺架測得，當(dāng)21口泄漏時(shí)，23口壓力下降為311.3 kPa，未超過測得的駐車制動(dòng)解除壓力Punlock=400kPa。

表2　4回路保護(hù)閥參數(shù)值kPa

圖3　具有回流功能的4回路閥結(jié)構(gòu)圖

4）在零部件配置上，應(yīng)盡量選擇出口國當(dāng)?shù)氐墓?yīng)商，以降低關(guān)稅成本并保證售后維修的方便性。

在結(jié)構(gòu)方面還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）依據(jù)ECER13第5.1.4.2.1中的規(guī)定，在前、后制動(dòng)氣室進(jìn)氣口和后氣室彈簧缸駐車腔進(jìn)氣口處，增加符合ISO3583—1984中第4條規(guī)定的氣壓試驗(yàn)連接器。

（2）對進(jìn)入非歐盟成員國的N2類車輛，需標(biāo)配防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）。

（3）對于進(jìn)入歐盟成員國的N2類車輛，若車輛采用氣壓制動(dòng)系統(tǒng)，自2014年7月11日起（采用液壓制動(dòng)時(shí)自2015年7月11日起）必須裝備車輛穩(wěn)定性裝置。

2　制動(dòng)系統(tǒng)認(rèn)證主要開發(fā)流程

從汽車制造廠提交出口車申請文件到獲得出口國承認(rèn)的出口車認(rèn)證證書，整車制動(dòng)系統(tǒng)主要認(rèn)證流程如圖4所示，其中，制動(dòng)系統(tǒng)認(rèn)證工作主要包含3個(gè)方面：

1）編寫認(rèn)證申請文件，主要包括整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置、原理和主要參數(shù)；

2）制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及樣車零部件試制裝車配合；

3）道路試驗(yàn)摸底及正式認(rèn)證試驗(yàn)配合。

圖4　制動(dòng)系統(tǒng)認(rèn)證流程

首先，依據(jù)出口國現(xiàn)行法規(guī)和附加的特殊要求，確定適應(yīng)性設(shè)計(jì)方向（例如南非當(dāng)?shù)匦枰猄ABS認(rèn)證，但該認(rèn)證可等效ECE相關(guān)法規(guī)；歐盟認(rèn)證體系以E-mark證書為主，而俄羅斯聯(lián)邦則需要附加GOST認(rèn)證；對海灣地區(qū)需要GCC認(rèn)證等）。同時(shí)，還應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)氐能囕v使用工況，包括氣候條件（如熱帶、寒帶、內(nèi)陸、沿海等）和道路狀況（如平原、山區(qū)）等。

其次，在確定設(shè)計(jì)條件后，對原有制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，其中包括結(jié)構(gòu)上的適應(yīng)性設(shè)計(jì)和系統(tǒng)性能參數(shù)的確定。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮改動(dòng)部分對其他系統(tǒng)可能造成的影響，包括制動(dòng)系統(tǒng)其他性能的影響以及對其他專業(yè)可能造成的影響，并在確認(rèn)設(shè)計(jì)方案后，建立CAD數(shù)據(jù)，同時(shí)依據(jù)國外認(rèn)證檢測機(jī)構(gòu)的要求，提交出口車的認(rèn)證申請材料。

再次，對于采用CKD方式生產(chǎn)的出口車型，在樣車試制階段，應(yīng)詳細(xì)記錄零部件的質(zhì)量問題和裝車控制要點(diǎn)，以便為后續(xù)海外裝車提供參考和依據(jù)，保證車輛滿足設(shè)計(jì)要求。

最后，為了保證認(rèn)證過程順利通過，在正式認(rèn)證前應(yīng)對樣車進(jìn)行制動(dòng)磨合且對設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注的試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行摸底試驗(yàn)，尤其是現(xiàn)行ECE法規(guī)的試驗(yàn)方法與國標(biāo)試驗(yàn)方法不同的項(xiàng)目以及附加項(xiàng)目的試驗(yàn)內(nèi)容，避免認(rèn)證過程出現(xiàn)不合格項(xiàng)目，保證認(rèn)證試驗(yàn)順利通過。

3　結(jié)束語

圍繞ECE-R13制動(dòng)法規(guī)N2類出口車的特殊要求，以某輕型載貨汽車出口車型為例，開展了針對制動(dòng)系統(tǒng)的法規(guī)適應(yīng)性設(shè)計(jì)，歸納了制動(dòng)系統(tǒng)出口車型適應(yīng)性設(shè)計(jì)主要流程，對今后開展相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)具有較好的參考價(jià)值和借鑒意義。

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[5]ECE Regulation No.13 Rev.8，Uniform provisions concerning the approval of vehicles of categories M，N and O with regard to braking[S].

收稿日期：2015?09?21

文章編號：1002-4581（2016）01-0021-04

中圖分類號：U463.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2016.01.006