改善汽車列車制動穩(wěn)定性的方法研究

代新鵬，趙浩浩，賀小波

改善汽車列車制動穩(wěn)定性的方法研究

代新鵬，趙浩浩，賀小波

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

設(shè)計(jì)列車制動穩(wěn)定性（牽引車與掛車之間的制動協(xié)調(diào)性）是列車設(shè)計(jì)時必須要考慮的重要問題。制動穩(wěn)定性差的汽車易出現(xiàn)交通事故，從而對人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。汽車列車制動穩(wěn)定性與各軸制動響應(yīng)順序及各軸間制動力分配的合理性密切相關(guān)，文章探討了兩種機(jī)械氣壓調(diào)整裝置在改善汽車列車制動穩(wěn)定性方面的作用，通過實(shí)例驗(yàn)證了該方案的有效性及可行性。

汽車列車制動穩(wěn)定性；氣壓獨(dú)立調(diào)整；制動響應(yīng)時間

引言

從近年發(fā)生的多起交通事故來看，汽車列車的大部分事故（整個列車出現(xiàn)折疊、掛車橫向擺動或側(cè)翻）均與其緊急制動時的穩(wěn)定性有關(guān)。而影響列車制動穩(wěn)定性的因素很多，最主要的因素有列車軸間制動力的分配是否合理及制動響應(yīng)是否協(xié)調(diào)。近年來發(fā)展起來的ABS（剎車防抱死系統(tǒng)）及EBD（電子制動力分配裝置）能有效改善汽車列車的制動穩(wěn)定性，但同時也存在一些缺陷，如在車輛空載或低速行駛時控制效果不佳、可靠性不高，為解決此問題，本文引入兩種機(jī)械氣壓調(diào)整裝置來改善汽車列車的制動穩(wěn)定性，并通過某牽引桿式掛車列車驗(yàn)證了此種控制方案的有效性及可行性。

1 氣壓調(diào)整裝置的介紹

由汽車列車制動穩(wěn)定性的理論可知，采用氣壓制動的牽引桿式掛車列車在制動穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性不僅和各軸的制動強(qiáng)度（制動氣壓）有關(guān)，還與各軸的制動響應(yīng)順序以及牽引車與掛車的載荷分布有著密切的關(guān)系，傳統(tǒng)的氣壓制動管路并沒有將汽車各軸的制動氣壓分別調(diào)整，造成在某些路況及車速下汽車制動出現(xiàn)各種不穩(wěn)定現(xiàn)象如側(cè)偏、甩尾等[1]，甚至某些汽車列車在制動時出現(xiàn)折疊、跳起等危險(xiǎn)工況，所以有時需單獨(dú)調(diào)整某軸的制動強(qiáng)度（制動氣壓）及制動響應(yīng)時刻，以使列車達(dá)到最優(yōu)的車輪抱死順序，獲得良好的制動穩(wěn)定性。

本文提供的氣壓調(diào)整裝置是將兩種簡單的調(diào)整裝置組合使用，以解決汽車制動時出現(xiàn)的一些不穩(wěn)定現(xiàn)象，其中裝置一能單獨(dú)調(diào)整各軸的制動強(qiáng)度（制動氣壓），裝置二能調(diào)整各軸的制動響應(yīng)時刻，在不同車輛參數(shù)和不同路況的汽車列車制動中可根據(jù)實(shí)際情況作相應(yīng)的調(diào)整，以下章節(jié)將分別介紹這種機(jī)械調(diào)整裝置的功能及操作方法。

1.1 裝置一

本裝置由Z型支架1、氣壓調(diào)整閥2、六角鎖緊螺母3、六角法蘭面螺母4、調(diào)整螺桿5、板6所組成。其中Z型支架1可安裝在需調(diào)整氣壓的某車軸附近車架橫梁或縱梁上，氣壓調(diào)整閥2安裝在U型支架1上，其自帶擺桿穿入板6孔內(nèi)，板6焊接于調(diào)整螺桿5上，如圖1所示。

1-Z型支架；2-氣壓調(diào)整閥；3-六角鎖緊螺母；4-六角法蘭面螺母；5-調(diào)整螺桿；6-板。

在本裝置中，順時針旋轉(zhuǎn)六角法蘭面螺母4，調(diào)整螺桿5向上移動，氣壓調(diào)整閥2擺桿向上擺動，其輸出氣壓隨之提高。反之，逆時針旋轉(zhuǎn)六角法蘭面螺母4，調(diào)整螺桿5向下移動，制動氣壓降低。當(dāng)調(diào)整輸出氣壓到合適大小后，用六角鎖緊螺母3鎖緊調(diào)整螺桿5位置以固化輸出的制動氣壓數(shù)值。

在調(diào)整輸出制動氣壓時，還需在對應(yīng)車輪制動氣室上接上氣壓表，然后按圖5操作方法旋轉(zhuǎn)六角法蘭面螺母4，直至輸出氣壓滿足設(shè)計(jì)需求為止。

1.2 裝置二

本裝置是為縮短制動反應(yīng)時間而開發(fā)的一種超前繼動閥，和普通繼動閥相比，其輸出氣壓（2口氣壓）和控制氣壓（4口氣壓）的比例關(guān)系可根據(jù)設(shè)計(jì)需求由廠家開發(fā)。普通繼動閥輸出氣壓和控制氣壓的比例一般為1:1（輸出曲線斜率為45°），而本裝置的輸出氣壓和控制氣壓比例為1:1.5（輸出曲線斜率為60°）。

由于在相同時間內(nèi)輸出氣壓比控制氣壓升高的快，所以在制動過程中，越前繼動閥的輸出氣壓比普通繼動閥的要快，即此裝置的制動響應(yīng)更敏捷迅速。假設(shè)制動氣壓從零升高到最大所需時間約為0.7 s，安裝此裝置后制動力增長時間可縮短至0.5 s。

加裝本裝置的汽車列車在制動時能達(dá)到制動反應(yīng)迅速的效果，解除制動時，又能起到快放閥的作用，制動氣室的壓縮空氣能從此閥排出到大氣層中，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 裝置二結(jié)構(gòu)原理圖

2 氣壓調(diào)整裝置組合應(yīng)用的實(shí)例

2.1 故障現(xiàn)象

本試驗(yàn)樣車由滿載四軸牽引車和空載三軸掛車組成，牽引車上安裝有掛車控制閥，掛車上安裝有掛車緊急繼動閥，牽引車和掛車分別配備8S/8M ABS系統(tǒng)和6S/6M系統(tǒng)。樣車在平坦、干燥的瀝青路面上行駛，當(dāng)速度為40～50 km/h時緊急踩下制動踏板后，ABS基本會起作用，制動側(cè)向及縱向穩(wěn)定性都較好，但偶爾也出現(xiàn)失效情況，此時掛車出現(xiàn)后軸跳起離地現(xiàn)象，跳離高度20～30 cm（縱向穩(wěn)定性很差）以及輕微橫向擺動現(xiàn)象，但在列車剛起步時（時速5～10 km/h）時，ABS則完全不起作用，此時列車縱向穩(wěn)定性很差，基本都會出現(xiàn)后軸跳離地面現(xiàn)象，跳離高度最大時可達(dá)40 cm左右。

2.2 原因分析

2.2.1各車軸抱死順序?qū)χ苿臃€(wěn)定性的影響

全掛列車制動力建立的時間順序?qū)θ珤炝熊嚨闹苿臃€(wěn)定性會產(chǎn)生一定的影響，其原理如下[2]：

全掛列車，若牽引架（桿）在制動時受拉力，則可使制動協(xié)調(diào)性及穩(wěn)定性得以提高。牽引桿掛車列車直線制動時的方向穩(wěn)定性，總是與軸的抱死順序有關(guān)。如果牽引車的前軸首先制動抱死，如圖3(a)，只要駕駛員正確地操縱車輛，則列車基本上是穩(wěn)定的；如果牽引車后軸先制動抱死，如圖3(b)，則產(chǎn)生折疊現(xiàn)象，出現(xiàn)嚴(yán)重的不穩(wěn)定，此時牽引車?yán)@轉(zhuǎn)向架主銷轉(zhuǎn)動，而掛車則轉(zhuǎn)過一個較小的角度；掛車前軸首先制動抱死時，見圖3(c)，牽引架橫向擺動，是一種不穩(wěn)定的狀態(tài)；若掛車后軸首先制動抱死時，見圖3(d)，掛車出現(xiàn)甩尾，但列車仍處于“拉直”狀態(tài)，在掛車甩尾不大時，放松制動，還可能恢復(fù)穩(wěn)定。

圖中涂黑車軸為首先抱死車軸，其他狀態(tài)的穩(wěn)定性見圖3及說明。

由以上分析可知，制動力出現(xiàn)或“建立”的時間順序最好是：掛車前軸—掛車后軸—牽引車前軸—牽引車后軸。

通常使用掛車制動作用時間“提前”，制動解除“滯后”，在整個制動過程中使?fàn)恳龡U一直處于受拉狀態(tài)，以此來保持列車的制動穩(wěn)定性。

2.2.2牽引車與掛車制動強(qiáng)度對制動穩(wěn)定性的影響

牽引桿掛車列車車軸的制動抱死順序主要取決于各車軸的制動力分配，也與牽引車與掛車的制動強(qiáng)度有關(guān)。若1與2分別代表牽引車與掛車的制動強(qiáng)度，則：

2=1?F/ (2) （1）

由式（4）可知，若1>2，則F>0，牽引車受到壓力，列車會發(fā)生折疊現(xiàn)象。若1<2，則F<0，牽引車受到拉力，列車穩(wěn)定情況較好。因此在牽引桿式列車設(shè)計(jì)時，最好使掛車的制動強(qiáng)度大于牽引車的制動強(qiáng)度。

以上理論分析表明，改善全掛列車制動穩(wěn)定性方面主要途徑是列車設(shè)計(jì)時，應(yīng)使?fàn)恳嚭蛼燔嚫鬈囕S間具有合理的抱死順序，通常使用掛車制動作用時間“提前”，制動解除“滯后”，在整個制動過程中使?fàn)恳龡U一直處于受拉狀態(tài)，以此來保持列車的制動穩(wěn)定性；在載荷分配時，盡量滿足理想的載荷分配公式和選擇合適的制動力分配系數(shù)，最好使掛車的制動強(qiáng)度大于牽引車的制動強(qiáng)度。

2.3 解決方案

圖4 組合制動調(diào)整裝置氣路改裝示意圖

注：實(shí)線部分表示新增加的閥類及管路，雙點(diǎn)劃線部分表示原車現(xiàn)有管路。

由以上理論可知，調(diào)小掛車的制動氣壓以及使掛車制動早于牽引車制動可改善樣車的制動穩(wěn)定性，因此我們在樣車掛車上同時加裝了兩種機(jī)械氣壓調(diào)整裝置，裝置一主要功能是調(diào)小掛車的制動氣壓和制動力，裝置二主要功能是調(diào)整掛車的制動反應(yīng)時間，使掛車早于牽引車制動。然后按照裝置一的調(diào)整方法調(diào)整了掛車各軸的制動氣壓（制動強(qiáng)度）。調(diào)整裝置二中的彈簧剛度調(diào)整掛車各軸的制動反應(yīng)時間。

以掛車氣路原理圖為例，介紹在掛車上加裝此調(diào)整裝置的氣路改裝方法如圖4所示。

2.4 效果對比

加裝制動調(diào)整裝置前后制動強(qiáng)度及制動反應(yīng)時間見表1。

表1 制動強(qiáng)度及響應(yīng)時間對比表

各軸制動強(qiáng)度 調(diào)整前狀態(tài)調(diào)整后狀態(tài) 掛車一軸0.7g0.4g 掛車二軸0.7g0.3g 掛車三軸0.7g0.3g 各軸制動響應(yīng)時間/s 掛車一軸0.700.50 掛車二軸0.740.54 掛車三軸0.740.51

本樣車在加裝調(diào)整裝置前，因?yàn)閽燔囍苿勇跔恳囍苿?，牽引架所受到壓力極大，表現(xiàn)為掛車頂撞牽引車，嚴(yán)重時掛車出現(xiàn)后軸跳起離地，制動協(xié)調(diào)性很差。在安裝本組合調(diào)整裝置后，掛車各軸的制動強(qiáng)度和制動反應(yīng)時間可根據(jù)需求手動調(diào)整，調(diào)整后的列車制動協(xié)調(diào)性得到極大改善，掛車和牽引車基本同步制動，各軸制動強(qiáng)度分配合理，制動平穩(wěn)，未出現(xiàn)過掛車跳離地面的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

安裝純機(jī)械調(diào)整裝置能有效改善列車制動協(xié)調(diào)性及穩(wěn)定性，對比ABS、EBS[3]等電子控制氣操縱裝置，此調(diào)整裝置能有效彌補(bǔ)電子控制裝置的不足，使車輛不論在高速行駛或低速行駛時都能發(fā)揮出最佳的制動性能，且具有可靠性高、操作簡單、環(huán)境適應(yīng)性好、造價(jià)低、易于推廣等優(yōu)點(diǎn)，所以可將這種機(jī)械控制技術(shù)作為目前主流電子控制技術(shù)的一種補(bǔ)充及完善，其缺點(diǎn)及不足是控制精度不如電子控制裝置，但因其造價(jià)低和高可靠性，所以可以在普通的重型掛車列車上應(yīng)用。

[1] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[2] 郭正康.現(xiàn)代汽車列車設(shè)計(jì)與使用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2006.

[3] 黃銳,王森,喬華,等.淺析汽車制動防抱死系統(tǒng)(ABS)[J].時代汽車,2018(07):133-134.

Mechanical Adjustment Applied to Truck Combination Stability

DAI Xinpeng, ZHAO Haohao, HE Xiaobo

( Shaanxi Heavy Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

Brake stability is very important in truck combination design. A bad brake stability can lead to serious accident threatening the safety of driver and causes economic losses. There are many factors that can cause bad brake stability such as brake force distribution and build-up time of braking force. This article first introduces the general working principle of the braking system, secondly introduces the principle of the ABS system and the EBD system, then introduces two mechanical adjustment on truck combination brake stability. Then validated the feasibility and effectiveness of the scheme by instance.

Truck combination brake stability; Pressure regulate; Build-up time of braking force

U462

A

1671-7988(2021)24-105-04

U462

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.024.024

代新鵬，男，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，研究領(lǐng)域?yàn)槠嚨妆P設(shè)計(jì)。