商用車輔助制動系統(tǒng)的聯(lián)合制動控制的探討

張佳琛　趙鵬昌　錢治富　路遙　肖磊

摘 要：當前重型商用車輛應用多種輔助制動裝置成為提高行駛安全的主流方案，但是對于駕駛員提出了很高要求，同時也存在一些使用不當可能造成的風險。文章對采用發(fā)動機缸內(nèi)制動和液力緩速器兩種輔助制動裝置的聯(lián)合制動控制系統(tǒng)進行分析和探討，結合車輛動力學理論和實際使用工況等內(nèi)容找到一種合理的控制方案。關鍵詞：商用車;發(fā)動機缸內(nèi)制動;液力緩速器;聯(lián)合制動中圖分類號：U463.53 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）08-105-03

Abstract： At present， the application of a variety of auxiliary braking devices in heavy-duty commercial vehicles has become the mainstream scheme to improve driving safety， but it puts forward high requirements for drivers， and there are also some risks caused by improper use. This paper analyzes and discusses the combined brake control system with two kinds of auxiliary brake devices， engine in cylinder brake and hydraulic retarder， and finds a reasonable control scheme based on the vehicle dynamics theory and practical application conditions.Keywords： Commercial vehicle; Engine in cylinder brake; Hydraulic retarder; Combined brakingCLC NO.：?U463.53 ?Document Code： A ??Article ID： 1671-7988（2020）08-105-03

引言

隨著近幾年交通和物流運輸?shù)目焖侔l(fā)展，商用車的保有量高速上升，極大的推動了汽車行業(yè)和市場各行業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展。然而，大量商用車輛交通事故的發(fā)生，造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失，商用車的制動安全問題越來受到人們的關注和擔憂。這些年，商用車廠商逐漸在中、重型貨車和客車上采用發(fā)動機缸內(nèi)制動、發(fā)動機排氣制動、緩速器緩速制動等輔助制動技術方案，更有者在高配置車型上配置了電子制動系統(tǒng)（EBS）、電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）以及自動緊急剎車系統(tǒng)（AEBS）等先進的主動安全系統(tǒng)。

1?配輔助制動裝置車輛的聯(lián)合制動控制的必要性

不論是發(fā)動機缸內(nèi)制動、發(fā)動機排氣制動還是緩速器緩速制動，制動力矩均通過傳動系統(tǒng)傳至驅(qū)動輪，利用地面附著條件產(chǎn)生制動力實現(xiàn)車輛減速。對于配置輔助制動的車輛，如果僅僅設置獨立的開關由駕駛員控制是否使用輔助制動，駕駛員在使用輔助制動系統(tǒng)進行車輛緩速制動的時候，若使用行車制動器進行緊急制動容易導致車輛發(fā)生側滑和甩尾。因為使用輔助制動的同時進行行車制動器制動，前后軸的制動力分配系數(shù)β'小于制動器制動力分配系數(shù)β。這樣在車輛進行制動時，由于驅(qū)動輪地面制動力更快達到地面附著力的極限，后輪更容易抱死從而導致車輛發(fā)生側傾甚至側翻。此外，完全由駕駛員操作是否使用輔助制動，很難合理利用輔助制動達到理想的車速和減速效果，這樣就會導致行車制動器使用次數(shù)的增加，無法充分發(fā)揮輔助制動的制動效能來最大限度減輕對行車制動器的依賴。

所以，在配置輔助制動系統(tǒng)的車輛上，需要根據(jù)車輛行駛工況以及制動需求對輔助制動與制動器制動的聯(lián)合制動控制策略進行開發(fā)，以保證在充分發(fā)揮輔助制動的作用前提下保證車輛行車安全。

2?輔助制動裝置介紹

目前，行業(yè)內(nèi)大都采用排氣制動或發(fā)動機缸內(nèi)制動和緩速器制動的輔助制動方案。下面，對這幾種輔助制動機構作簡單介紹。

發(fā)動機缸內(nèi)制動是當前柴油機主流的發(fā)動機制動技術，它的原理是：柴油機在壓縮行程終了時將排氣門打開使高壓氣體從排氣系統(tǒng)釋放能量，這樣發(fā)動機一個工作循環(huán)中壓縮行程對曲軸的制動力矩成為主要力矩，對車輛傳動系統(tǒng)輸出制動力矩。發(fā)動機缸內(nèi)制動比排氣制動的制動功率更大，而且可以通過調(diào)節(jié)發(fā)動機參與缸內(nèi)制動的氣缸數(shù)改變當前的發(fā)動機制動力矩，更便于實現(xiàn)不同坡度和車速狀態(tài)時下長坡的持續(xù)制動。由于發(fā)動機缸內(nèi)制動的制動力矩要經(jīng)過變速器和后橋主減速器增扭后作用到輪胎上，因此在中低車速發(fā)動機高轉速下，效果較好，而在高車速時，由于變速器檔位高速比小，其制動力矩略顯不足。

發(fā)動機排氣制動是在排氣管路中設置一個蝶閥，打開排氣制動開關后蝶閥關閉，這樣就會增大發(fā)動機排氣行程的排氣阻力，發(fā)動機排氣制動力矩通過傳動系傳至車輪對車輛進行減速。發(fā)動機排氣制動裝置的結構簡單，成本低，易布置，但制動功率很低，且發(fā)動機轉速越低制動功率越低，很難單獨靠排氣制動實現(xiàn)較大坡度的持續(xù)下坡制動。

液力緩速器是一種依靠液體沖擊產(chǎn)生阻力矩的機械結構，定子與緩速器殼體固聯(lián)，轉子與空心軸、傳動軸相連接。緩速器工作時，通過氣壓將一定量的專用油液充入腔體，油液在轉子帶動下沖擊定子，對轉子產(chǎn)生阻力矩，通過傳動系傳至車輪對車輛進行緩速，油液的熱量通過發(fā)動機的水循環(huán)冷卻系統(tǒng)帶走。液力緩速器可長時間工作，無熱衰退，制動功率大，恒速檔可以實現(xiàn)下坡定速巡航;但其體積較大，響應和退出有明顯延遲，低轉速時制動力矩不足，對于整車的散熱系統(tǒng)提出了更高的要求。

電渦流緩速器利用電磁感應原理，定子采用非磁性材料，其上均勻分布了多個鐵芯線圈，轉子采用磁性材料，工作時對線圈通電，產(chǎn)生磁場，轉子的旋轉運動切割磁感線從而在內(nèi)部產(chǎn)生渦旋狀的感應電流，感應電流產(chǎn)生的電磁力與轉子旋轉的方向相反，因此，產(chǎn)生制動力矩通過傳動系傳至車輪對車輛進行緩速。電渦流緩速器制動力矩大、線性可調(diào)且制動力矩范圍廣、響應時間短，但長時間工作時制動熱量無法及時散發(fā)導致溫度升高，勵磁線圈出現(xiàn)大幅退磁，因此制動力矩大幅降低。

永磁緩速器與電渦流緩速器利用物理原理相同，但是結構有很大不同。永磁緩速器由定子和轉子等部件組成，定子由定子鑄體，磁鐵外保持架、永磁體、固定磁鐵支架、活動磁鐵支架和氣缸組件組成，轉子由轉子鼓、轉子臂和支撐架組成。當駕駛員打開緩速器開關或推動手柄后，氣缸通過活塞推動永久磁鐵進入工作位置，在定子磁極、轉子鼓和支架之間形成閉合磁場，轉子鼓的旋轉運動在轉子內(nèi)部產(chǎn)生方向相反的兩種渦電流，磁場對轉子鼓產(chǎn)生阻止其運動方向的力，這種制動力矩通過傳動系傳至車輪對車輛進行減速。永磁緩速器結構緊湊、免維護但價格高昂，制動力矩小，存在漏磁現(xiàn)象。

3 發(fā)動機缸內(nèi)制動和緩速器輔助制動的聯(lián)合制動控制分析

與發(fā)動機排氣制動相比，發(fā)動機缸內(nèi)制動的制動功率高，力矩可調(diào)，更利于持續(xù)下坡時進行車輛減速，液力緩速器相比其他類型緩速器，更適用于高速、大功率車輛的長時間的連續(xù)制動。而且發(fā)動機缸內(nèi)制動適用于中低速發(fā)動機高轉速的特性與液力緩速器適用于高車速的特性互相補充，使得車輛的持續(xù)下坡的車速和坡度范圍越廣泛，是一種比較理想的輔助制動解決方案。接下來對采取發(fā)動機缸內(nèi)制動和液力緩速器的輔助制動方案進行聯(lián)合制動控制分析。

發(fā)動機缸內(nèi)制動根據(jù)參與缸內(nèi)制動的氣缸數(shù)組合成不同的檔位，以八缸柴油發(fā)動機為例，1檔時有兩個氣缸在壓縮行程終了前打開排氣門進行壓力釋放，2檔時有4個氣缸在壓縮行程終了前打開排氣門進行壓力釋放，以此類推，4檔時所有氣缸參與缸內(nèi)制動。這樣使用發(fā)動機缸內(nèi)制動對車輛進行緩速時，選擇不同檔位下，制動功率不同，可以根據(jù)坡度和車速控制需求合理選擇檔位。液力緩速器一般分為5個檔位，1檔為恒速檔，2、3、4、5檔的緩速器工作腔的充液量不同，制動功率不同，可以根據(jù)坡度和車速控制需求合理選擇檔位。

顯然，如果給車輛設計發(fā)動機缸內(nèi)制動和液力緩速器的檔位切換開關，并完全由駕駛員操作，聯(lián)合制動時的檔位選擇對駕駛員來說堪稱是一種挑戰(zhàn)。因此，可以將發(fā)動機缸內(nèi)制動和液力緩速器制動進行檔位匹配，利用聯(lián)合制動自動控制系統(tǒng)進行自動控制，降低對駕駛員的操作要求，提高車輛持續(xù)下坡時的緩速和制動能力，合理分配制動功率還可以控制液力緩速器工作溫度在合理范圍內(nèi)。

通常，在持續(xù)下長坡的工況下，駕駛員會根據(jù)坡度和路況條件，選擇不同的變速箱檔位。

在變速箱低檔位時，變速箱輸出軸轉速低，液力緩速器在此轉速下幾乎無法利用液體沖擊定子產(chǎn)生阻力矩作用從而輸出制動力矩。而低檔位時發(fā)動機轉速較高，發(fā)動機缸內(nèi)制動單位時間內(nèi)泵氣損失大，因此制動功率大。所以，低檔位狀態(tài)，自動控制系統(tǒng)使用發(fā)動機缸內(nèi)制動進行車輛緩速，根據(jù)駕駛員需求切換發(fā)動機缸內(nèi)制動的工作檔位。

在變速箱中檔位時，將發(fā)動機缸內(nèi)制動的制動功率圖轉換成輸出到傳動軸的轉速和制動力矩曲線圖，與緩速器的制動力矩圖進行比較，根據(jù)制動力矩大小排列發(fā)動機缸內(nèi)制動和緩速器各檔位的順序，然后將兩者檔位進行組合。對于八缸發(fā)動機和5檔緩速器（恒速檔不計），理論上可以組合出16種檔位組合，制動力矩大小接近的可以先以緩速器高檔的組合方案為選擇，與另一組合方案作為緩速器升溫后該組合方案的備選方案。將制動力矩差值較大的檔位組合劃分為變速箱中檔時輔助制動聯(lián)合制動控制系統(tǒng)的檔位。

在變速箱高檔位時，發(fā)動機轉速降低，發(fā)動機缸內(nèi)制動功率降低，經(jīng)變速箱增扭后制動力矩降低，因此，不再使用發(fā)動機缸內(nèi)制動參與車輛緩速。在高轉速下，使用緩速器制動可以充分發(fā)揮緩速器的大功率制動效果。自動控制系統(tǒng)根據(jù)駕駛員需求選擇緩速器檔位。

在輔助制動聯(lián)合控制系統(tǒng)中，提供給駕駛員一個機械開關即可，由駕駛員選擇是否啟動輔助制動。當駕駛員打開輔助制動開關后，輔助制動的聯(lián)合制動自動控制系統(tǒng)可以根據(jù)坡度信號、變速箱信號、車速信號、緩速器油溫信號等，對發(fā)動機缸內(nèi)制動的控制模塊和緩速器的控制單元發(fā)送控制指令，車輛開始緩速制動，同時，自動控制系統(tǒng)會根據(jù)車輛狀態(tài)的變化實時修正控制檔位，使車輛車速穩(wěn)定。

另外，在高附著路面，由于輔助制動系統(tǒng)工作時對于車輛驅(qū)動輪地面附著力的利用，駕駛員進行制動踏板進行制動器制動時，易觸發(fā)后輪抱死，車輛ABS功能可以避免車輛后輪抱死，防止發(fā)生后軸側滑甚至引起車輛側翻。但在車輛行駛在低附著路面時，尤其是濕滑路面、冰雪路面時，由于輔助制動的制動力矩可能超出地面附著條件可支持的最大制動力矩，導致后輪抱死拖滑，ABS控制將完全失效，車輛發(fā)生極端危險的側滑或側翻情況。

4?結論

本文首先分析了當前商用車輔助制動系統(tǒng)的聯(lián)合制動的自動控制需求，然后對常見輔助制動系統(tǒng)進行了一一介紹。最后，從理論上詳細分析了對發(fā)動機缸內(nèi)制動和液力緩速器的聯(lián)合控制自動控制系統(tǒng)的開發(fā)流程。由于本人知識和能力的有限，尚不能完成對輔助制動聯(lián)合控制系統(tǒng)的控制模塊進行開發(fā)，后續(xù)將深入對聯(lián)合制動控制系統(tǒng)進行研究和設計開發(fā)。

參考文獻

[1]?趙迎生.輔助制動和汽車主制動裝置聯(lián)合控制理論和方法的研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學， 2008.

[2]?余強，陳萌三等.發(fā)動機制動、排氣制動與緩速器聯(lián)合作用的模糊控制系統(tǒng)研究[J].汽車工程，2004， 26（4）： 476-480.

[3]?張小明，李睿.緩速器和排氣制動聯(lián)合作用恒速仿真模型研究[J]. 汽車實用技術， 2015，6：42-44.

[4]?王鵬.重型車輛持續(xù)制動性研究[J].汽車實用技術， 2014，7： 64-66.