影響兩軸客車(chē)制動(dòng)性能檢測(cè)的因素分析

鄧希凡， 顧治平， 顧 杰， 徐長(zhǎng)飛

(1.金龍聯(lián)合汽車(chē)工業(yè)(蘇州)有限公司， 江蘇 蘇州 215000； 2.同濟(jì)大學(xué)， 上海 200092)

目前，汽車(chē)制動(dòng)性能檢測(cè)臺(tái)主要分為平板式和滾筒式兩種，而大型客車(chē)過(guò)檢測(cè)線目前均采用反力式滾筒制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)[1-2]。汽車(chē)制動(dòng)性能檢測(cè)參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 21861—2014[3]和GB 7258—2017[4]的要求檢測(cè)各軸的制動(dòng)率和左右車(chē)輪制動(dòng)力的不平衡率。從測(cè)試結(jié)果看，同一輛車(chē)在不同檢測(cè)臺(tái)的上制動(dòng)率測(cè)量值差異很大，有時(shí)可達(dá)到20%[5]。本文通過(guò)對(duì)制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、滾筒布置、大型客車(chē)輪胎、懸架結(jié)構(gòu)、制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)速度和軸荷分配等因素對(duì)制動(dòng)檢測(cè)結(jié)果的影響進(jìn)行分析和討論。

1 相關(guān)影響因素分析

反力式滾筒制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)的特點(diǎn)是集成度高、成本低，具備升降功能，能提高多軸車(chē)輛的制動(dòng)力檢測(cè)精度。但對(duì)于兩軸車(chē)，由于制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)從固定在地面上的結(jié)構(gòu)更改成可調(diào)式，在檢測(cè)時(shí)會(huì)因?yàn)榍昂蠓较虻膭偠冉档投鴮?dǎo)致其測(cè)試結(jié)果相對(duì)于固定式的制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)低。

1.1 檢驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

該制動(dòng)臺(tái)由左右對(duì)稱(chēng)的部件結(jié)構(gòu)組成，主要包括主滾筒、副滾筒、第三滾筒、滾筒驅(qū)動(dòng)電機(jī)和舉升裝置組成[6]。由于本文只討論兩軸客車(chē)的檢測(cè)，所以不考慮檢測(cè)線的舉升。滾筒的布置如圖1所示。GB 21861—2014中要求[3]：滾筒中心距為460 mm、主副滾筒高差為30 mm時(shí)，副滾筒上母線與地面水平面的高度差為+40 mm。當(dāng)滾筒中心距增大或減小10 mm，副滾筒上母線與地面水平面的高度差相應(yīng)增大或減小2 mm；當(dāng)主副滾筒高差減小10 mm，副滾筒上母線與地面水平面的高度差相應(yīng)增大4 mm。

圖1 滾筒布置和車(chē)輪受力圖

1.2 滾筒布置的影響

對(duì)不同檢測(cè)線進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)滾筒布置的主要不同在前后滾筒的高度差。在制動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)足夠大、車(chē)輛制動(dòng)力足夠大的前提下，通過(guò)對(duì)圖1的受力分析，可以列出以下力平衡方程[7]：

N1sinα1+F1cosα1-N2sinα2+F2cosα2=Fxf
N1cosα1-F1sinα1+N2cosα2+F2sinα2=Gf

式中：Gf為車(chē)輛測(cè)試軸軸荷；Fxf為測(cè)試車(chē)軸對(duì)車(chē)輪的水平推力。

定義安置角α為車(chē)輪中心與兩個(gè)滾筒中心連線之間夾角的1/2。當(dāng)前后滾筒高度變化時(shí)，通過(guò)三角形的角度關(guān)系可以得

α1=α-θ，α2=α+θ

同時(shí)滾筒對(duì)輪胎的法向反力N和最大摩擦力F可以表示為

F1=N1φ，F(xiàn)2=N2φ

根據(jù)制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試原理，可以認(rèn)為所測(cè)得的最大制動(dòng)力

Fmax=F1+F2

聯(lián)立解上列相關(guān)式子，可以解得

(1)

由于Fxf的大小受到非測(cè)試軸的地面摩擦力的影響，當(dāng)非測(cè)試軸的地面摩擦力小于Fxf時(shí)，測(cè)試車(chē)軸對(duì)車(chē)輪的水平推力應(yīng)等于非測(cè)試軸的地面摩擦力；反之，則應(yīng)等于測(cè)試軸受力全部轉(zhuǎn)移到后滾筒時(shí)所需要的水平推力[8]。為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，假設(shè)非測(cè)試軸的地面摩擦力足夠大，故

Fxf=φGf-Gftanα

(2)

將式(2)帶入式(1)得：

假設(shè)，當(dāng)h=0時(shí)，安置角α=α0。此時(shí)θ=0，最大制動(dòng)力

可以得出，當(dāng)高度h不為0(為Δh)時(shí)與高度h=0時(shí)的最大制動(dòng)力差值為

此時(shí)因Δh增加的制動(dòng)率

(3)

式(3)中θ、α的相關(guān)三角函數(shù)都可以表示為關(guān)于高度h、輪胎半徑R和滾筒半徑r的函數(shù)。以11 m客車(chē)過(guò)檢測(cè)線為例，令R=505 mm，r=120 mm，L=475 mm，φ=0.9，代入式(3)，可以繪制出增加的制動(dòng)率δ與提升高度Δh的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 增加的制動(dòng)率δ與高度Δh的關(guān)系曲線

從圖2可看出，若后滾筒提高100 mm，所測(cè)得的最大制動(dòng)率理論上增大3.1%。可以認(rèn)為，當(dāng)非測(cè)試軸的地面摩擦力足夠大時(shí)，前后滾筒的高度差對(duì)測(cè)試結(jié)果有一定的影響。地面摩擦力不足時(shí)，制動(dòng)率主要受軸荷分配影響，具體分析見(jiàn)2.2。

1.3 制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)電機(jī)性能的影響

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 38900—2020[9]，制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)停機(jī)控制的滑移率應(yīng)該是0.25～0.35。事實(shí)上，當(dāng)滑移率在0.25～0.35之間時(shí)，制動(dòng)力測(cè)試通常影響不大，問(wèn)題出在如何確定滑移率上，或者說(shuō)在停機(jī)控制的方法上。因?yàn)橹苿?dòng)檢驗(yàn)臺(tái)滾筒的摩擦系數(shù)一般都比較大，有時(shí)相對(duì)于輪胎，摩擦系數(shù)可大于1.0，導(dǎo)致在實(shí)際的檢驗(yàn)過(guò)程中輪胎很難抱死。所以，大多數(shù)停機(jī)控制方法都不能確定確切的滑移率。

根據(jù)調(diào)研，一般制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)以空載時(shí)滾筒的線速度作為基準(zhǔn)。當(dāng)該速度下降30%時(shí)，控制電路即控制停機(jī)[10]。對(duì)于重載的商用車(chē)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力矩增大時(shí)，異步電機(jī)轉(zhuǎn)速下降值(圖3)可能會(huì)超過(guò)空載時(shí)轉(zhuǎn)速的30%，此時(shí)制動(dòng)力還未達(dá)到最大值，會(huì)導(dǎo)致測(cè)試的結(jié)果偏小。下面量化說(shuō)明電機(jī)性能對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

圖3 電機(jī)特性曲線

首先，計(jì)算車(chē)輪自由滾動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速。由滾筒驅(qū)動(dòng)力與輪胎的滾動(dòng)摩擦力平衡，得

Gffg=T1i/r

(4)

式中：Gf為檢測(cè)軸軸荷；fg為檢測(cè)軸滾動(dòng)摩擦系數(shù)；T1為檢測(cè)軸車(chē)輪自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)滾筒的驅(qū)動(dòng)力矩；i為電機(jī)轉(zhuǎn)速比上滾筒轉(zhuǎn)速；r為滾筒半徑。

由式(4)可以解得T1。在制動(dòng)檢測(cè)過(guò)程中，未踩制動(dòng)時(shí)，車(chē)輪必定是可以轉(zhuǎn)動(dòng)的，故可以認(rèn)為T(mén)1<電機(jī)最大扭矩Tmax。由圖3可知，車(chē)輪自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的電機(jī)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速n1>電機(jī)剛達(dá)到最大功率時(shí)的轉(zhuǎn)速n0，即可通過(guò)扭矩與功率關(guān)系式Pmax=T1n1/9 550得出電機(jī)轉(zhuǎn)速n1，再代入(3)式得：

n1=9 550iPmax/(Gffgr)

(5)

由式(5)可以看出，整車(chē)的軸荷越重，制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)的電機(jī)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速n1就越低，則制動(dòng)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降30%的轉(zhuǎn)速值也就越低。根據(jù)制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)的控制策略可以發(fā)現(xiàn)，檢驗(yàn)的過(guò)程就是輪胎轉(zhuǎn)速下降30%的過(guò)程。忽略制動(dòng)過(guò)程中相關(guān)部件的彈性變形，并假設(shè)制動(dòng)力線性提升，則可以認(rèn)為檢驗(yàn)的制動(dòng)力就是輪胎轉(zhuǎn)速下降30%時(shí)，該瞬間輪胎與滾筒之間的摩擦力。

設(shè)輪胎轉(zhuǎn)速下降30%所需要的時(shí)間為t1，為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)速始終大于n0，即0.7n1>n0，根據(jù)能量守恒定律得：

(6)

解得

t1不可能為負(fù)值，則在t1時(shí)刻的制動(dòng)力

F1=t1MS/R=

(7)

式中:Pmax為電機(jī)最大功率；η為電機(jī)傳動(dòng)效率；J為檢測(cè)車(chē)輪及其半軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωc1為檢驗(yàn)車(chē)輪的轉(zhuǎn)速；MS為制動(dòng)力矩上升速率。

由式(7)可以看出，電機(jī)最大功率Pmax越大，所測(cè)得的最大制動(dòng)力就越大。同時(shí)還能看出制動(dòng)力矩上升速率MS越大，所測(cè)得的最大制動(dòng)力也越大，這也可以解釋在部分檢測(cè)線檢測(cè)過(guò)程中，駕駛員踩踏板速度越快，所測(cè)得的制動(dòng)力也就越大。

2 整車(chē)相關(guān)影響因素分析

因?yàn)樵趯?shí)際檢測(cè)中，無(wú)法更改檢測(cè)機(jī)構(gòu)的參數(shù)和部件，所以當(dāng)制動(dòng)力檢測(cè)不合格時(shí)，需要針對(duì)整車(chē)相關(guān)影響因素進(jìn)行分析。

2.1 輪胎氣壓的影響

由于輪胎氣壓降低時(shí)，滾動(dòng)阻力會(huì)增加，半徑會(huì)減小[11-12]。由式(5)、(7)可以看出，當(dāng)滾動(dòng)阻力fg增加時(shí)，電機(jī)的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速n1下降，同樣輪胎的轉(zhuǎn)速ωc也會(huì)下降，則會(huì)導(dǎo)致所能測(cè)得的制動(dòng)力減小。另一方面，輪胎半徑減小時(shí)，由式(7)可以看出，輪胎半徑R越小，則所能測(cè)得的制動(dòng)力越大。

為驗(yàn)證輪胎氣壓對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，選用3輛不同型號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)胎壓均為8 bar的車(chē)進(jìn)行試驗(yàn)。每輛車(chē)分別進(jìn)行輪胎氣壓在6 bar、7 bar、8 bar、9 bar時(shí)的制動(dòng)力檢測(cè)。在測(cè)試時(shí)，為提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每次測(cè)試為同一駕駛員，并確保測(cè)試當(dāng)天輪胎表面干燥。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 車(chē)型1/車(chē)型2/車(chē)型3試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由測(cè)試結(jié)果可以看出，隨著輪胎胎壓的變化，制動(dòng)率也變化，但變化值較小，說(shuō)明輪胎胎壓對(duì)整車(chē)制動(dòng)率的影響很小。

2.2 軸荷分配的影響

由式(2)可知，當(dāng)非測(cè)試軸的地面摩擦力足夠大時(shí)，F(xiàn)xf=φGf-Gftanα。但實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)非測(cè)試軸的地面摩擦力不足的問(wèn)題，此時(shí)的Fxf應(yīng)等于非測(cè)試軸的地面摩擦力，即

Fxf=fGr

式中：Gr為非測(cè)試軸的軸荷；f為非測(cè)試軸的地面摩擦系數(shù)。

為量化軸荷分配對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，設(shè)定兩軸客車(chē)后軸軸荷G1與前軸軸荷G2的比值G1/G2為λ。

檢測(cè)前軸制動(dòng)力時(shí)，若要非測(cè)試軸的地面摩擦力足夠大，需要滿足Fxf=φG2-G2tanα

檢測(cè)后軸制動(dòng)力時(shí)，若要非測(cè)試軸的地面摩擦力足夠大，需要滿足Fxf=φG1-G1tanα

根據(jù)實(shí)際情況代入實(shí)例進(jìn)行分析，令φ=0.9，f=0.5，同時(shí)根據(jù)輪胎半徑R=505，滾筒半徑r=120，解得tanα=0.41。代入計(jì)算，得：當(dāng)λ>0.98時(shí)，檢測(cè)前軸制動(dòng)力，非測(cè)試軸的地面摩擦力足夠；當(dāng)λ<1.02時(shí)，檢測(cè)后軸制動(dòng)力，非測(cè)試軸的地面摩擦力足夠。

以上說(shuō)明，當(dāng)前后軸荷基本一致時(shí)，前后軸的制動(dòng)力在檢測(cè)時(shí)均能達(dá)到最大值；當(dāng)前軸比后軸重較多時(shí)，測(cè)試前軸制動(dòng)力不能達(dá)到最大值；當(dāng)后軸比前軸重較多時(shí)，測(cè)試后軸制動(dòng)力不能達(dá)到最大值。對(duì)于一般的重載兩軸客車(chē)而言，λ≈2，故一般前軸所檢測(cè)到的制動(dòng)率要大于后軸。其實(shí)例說(shuō)明驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 車(chē)型檢測(cè)制動(dòng)率

由實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，都是軸重大的那一軸所測(cè)得的制動(dòng)率高，前后軸荷接近時(shí)，所測(cè)得的制動(dòng)率也趨于一致。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于客運(yùn)公司，客車(chē)檢測(cè)的一次過(guò)線率很重要。本文通過(guò)對(duì)滾筒式制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)的滾筒布置、電機(jī)參數(shù)和整車(chē)軸荷分配、輪胎氣壓的理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，找出了部分影響制動(dòng)率檢測(cè)的因素，為提升制動(dòng)系統(tǒng)過(guò)線率提供參考。