大型貨運車輛輔助制動性能試驗研究

李臣 李發(fā)家 王程

文章編號：1671-3559（2023）06-0758-08DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20230627.001

摘要： 為了解決大型貨運車輛在下長坡路段行駛時，長時間制動會造成主制動器的熱衰退，容易引發(fā)道路交通事故的問題，合理利用車輛輔助制動，從而緩解主制動器的熱衰退現(xiàn)象，通過車輛輔助制動滑行理論分析和實車試驗，探究大型貨運車輛的輔助制動性能。結(jié)果表明：在相同車速條件下，變速器擋位越低，發(fā)動機制動力和排氣制動力均越大；在相同擋位條件下，隨著車速的增大，發(fā)動機制動力和排氣制動力逐漸增大，并且擋位越低，制動力隨車速變化越快；在相同車速、擋位條件下，排氣制動效能更高，制動力大于發(fā)動機制動力。

關鍵詞： 汽車工程；大型貨運車輛；輔助制動；理論分析；實車試驗

中圖分類號： U461.2

文獻標志碼： A

Test Research on Auxiliary Braking Performances of Large Freight Vehicles

LI Chen1，LI Fajia2，WANG Cheng1

（1.Key Laboratory of Operation Safety Technology on Transport Vehicles，Ministry of Transport，Research Institute of Highway，

Ministry of Transport，Beijing 100088，China;2.School of Mechanical Engineering，University of Jinan，Jinan 250022，Shandong，China）

Abstract：To solve the problem that heat fade of main brakes caused by long-term braking was likely to cause road traffic accidents when large freight vehicles were driving on sections of long slope roads，auxiliary braking performances of large freight vehicles were explored through theoretical analysis and real vehicle tests of vehicle auxiliary braking coasting so as to reasonably use vehicle auxiliary braking to release the heat fade phenomenon of main brakes.The results show that at the same vehicle speed，the lower the transmission gear is，the greater the engine and exhaust braking force are.At the same gear，with the increase of vehicle speed，the engine and exhaust braking force gradually increase，and the lower the gear is，the faster the braking force changes with the vehicle speed.At the same vehicle speed and gear，the exhaust braking efficiency is higher，and the braking force is greater than the engine braking force.

Keywords：automotive engineering;large freight vehicle;auxiliary braking;theoretical analysis;real vehicle test

大型貨運車輛在下長坡路段行駛時，長時間制動容易導致主制動器熱衰退，嚴重時制動器制動能力完全喪失，從而引發(fā)嚴重的道路交通事故發(fā)生。為了減少制動器制動性能熱衰退現(xiàn)象的發(fā)生，大型貨運車輛均設有不同形式的輔助制動裝置，在車輛下長坡連續(xù)制動時輔助制動作用尤為重要。有效利用車輛的輔助制動對保護主制動器和改善行駛安全性具有重要意義［1］。

收稿日期： 2022-07-18??????? 網(wǎng)絡首發(fā)時間：2023-06-27T17∶04∶41

基金項目： 國家重點研發(fā)計劃項目（2019YFC1511505，2020YFC1511904）；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金項目

（2016-9022）

第一作者簡介： 李臣（1981—），男，山東壽光人。副研究員，博士，研究方向為營運車輛性能與安全、多式聯(lián)運。E-mail：c.li@rioh.cn。

通信作者簡介： 李發(fā)家（1980—），男，山東泰安人。講師，博士，研究方向為機械傳動、機械振動。E-mail：me_lifj@ujn.edu.cn。

網(wǎng)絡首發(fā)地址： https：//link.cnki.net/urlid/37.1378.N.20230627.1407.002

從整車角度來看，車輛輔助制動包括發(fā)動機制動、排氣制動、緩速器制動等。發(fā)動機制動即發(fā)動機不噴油，車輪通過傳動系統(tǒng)倒拖發(fā)動機轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)輔助制動的效果。由于排氣歧管處是否安裝排氣蝶閥以及發(fā)動機型號不同，因此排氣制動的制動形式多樣，根據(jù)制動原理的不同，大致可分為排氣蝶閥制動、泄氣式制動和壓縮釋放式制動3類。

現(xiàn)階段對車輛制動器熱衰退性能的研究主要通過建立單一車型制動鼓溫升數(shù)學模型或利用仿真軟件建立有限元模型，并結(jié)合臺架試驗或?qū)嵻嚨缆吩囼瀸δＰ瓦M行驗證，進而對制動鼓溫升規(guī)律以及影響因素等問題進行探討［2］。研究［3-6］認為發(fā)動機輔助制動所占比例較小，并且發(fā)動機是不規(guī)則體，對發(fā)動機制動力的計算極其復雜，因此常忽略發(fā)動機制動和排氣制動這2種輔助制動，僅研究長下坡路段車輛采用主制動器制動時制動鼓溫升變化規(guī)律。

為了有效利用大型貨運車輛的輔助制動，本文中通過對車輛輔助制動滑行理論分析和實車試驗，探究大型貨運車輛的輔助制動性能。

1? 車輛輔助制動滑行理論分析

車輛在空擋平路滑行過程中，在滑行方向上只受到滾動阻力、空氣阻力和加速阻力的作用。 采用輔助制動滑行時，車輛還受到輔助制動力的作用。車輛以一定的車速滑行，在阻力的作用下，車速逐漸減小。通過求解車輛滑行加速度，可以求得車輛滑行時阻力的變化。車輛行駛時所受阻力如圖1所示。

滾動阻力Ff與車輪負荷近似成正比［7］，即

Ff=Gfcos α ，（1）

式中： G為車輛重力；f為車輛輪胎滾動阻力系數(shù)；α為道路的坡度角。 f與車速v接近于直線關系，可利用經(jīng)驗公式進行估算［7］，即

f=0.007 6+0.000 202v 。（2）

車輛行駛時所受空氣阻力為

Fw=0.047 3CdAv2 ，（3）

式中： Cd為空氣阻力系數(shù)；A為車輛行駛方向的投影面積。

坡度阻力為

Fi=Gsin α ，（4）

加速阻力為

Fj=δmdvdt ，（5）

式中： δ為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；m為車輛總質(zhì)量；t為車輛行駛時間。

根據(jù)汽車行駛方程式計算總的行駛阻力F［7］，

F=Ff+Fw+Fi+Fj 。（6）

車輛在平路滑行時，道路的坡度角為0。試驗中車輛脫擋滑行，忽略車輪以及發(fā)動機飛輪轉(zhuǎn)動慣量，即δ=1，車輛只受到空氣阻力與滾動阻力作用，則空氣阻力與滾動阻力為

Ff+Fw=ma ，（7）

式中a為車輛加速度。

大型貨運車輛輔助制動一般采用發(fā)動機制動或排氣制動。在使用輔助制動時，應選擇合適的擋位，以避免發(fā)動機超速。輔助制動的性能與發(fā)動機額定功率、額定轉(zhuǎn)速、活塞平均速度、沖程、工作容積、發(fā)動機的磨合程度等諸多因素相關［8］。

在平路滑行試驗中，當變速器掛入某擋位采用發(fā)動機制動或排氣制動滑行時，車輛受到的滑行阻力Fd為

Fd=δma=Fw+Ff+Fu

，（8）

式中Fu為發(fā)動機阻力矩換算到驅(qū)動輪上的制動力。

忽略發(fā)動機、變速器、離合器等的轉(zhuǎn)動慣量，車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)為

δ=1+1m∑Iwr2+1mIfi2gi20ηtr ，（9）

式中： Iw為單個車輪的轉(zhuǎn)動慣量；r為車輛輪胎的半徑；If為飛輪的轉(zhuǎn)動慣量；i0為主減速器的速比；ig為變速器的速比；ηt為傳動系效率。

If、∑Iw的計算極為繁瑣，并且計算誤差較大。本文中在進行動力性能計算時，參考文獻［7］中汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)圖和擋位與總傳動比確定δ的取值。

在車輛平路滑行試驗中，空擋滑行時忽略車輪以及發(fā)動機飛輪的轉(zhuǎn)動慣量，車輛空擋滑行阻力Fk為

Fk=ma=Fw+Ff 。（10）

在車輛平路滑行試驗中，變速器掛入某擋位，車輛輔助制動力即發(fā)動機制動力或排氣制動力隨車速變化的函數(shù)關系為

Fu=Fd-Fk 。（11）

在車輛平路滑行試驗中，每隔0.5 s記錄一次車速，可直接得到車速v隨時間t的變化值。根據(jù)a=dvdt=ΔvΔt，可得加速度隨車速的變化關系，繪制a-v曲線，利用最小二乘法對a-v曲線進行擬合。令Xi=v，Yi=a，其中i=1，2，…，q，q為所用時間序列的個數(shù)，則擬合后的曲線方程為

Yi=AX2i+BXi+C ，（12）

式中： Yi為試驗測定值；A、B、C為待定系數(shù)。試驗測定值Yi與模型計算值Y′i的殘差為ΔYi=Yi-Y′i，利用最小二乘法使殘差平方和Δ最小，

Δ=∑qi=1ΔY2i=∑qi=1［Y2i-2（AX2i+BXi+C）Yi+

（AX2i+BXi+C）2］ 。（13）

當Δ關于A、B、C的偏導數(shù)為0時，Δ取得最小值，即

ΔA=∑qi=1（2X4iA-2YiX2i+2X3iB+2X2iC）=0 ，

ΔB=∑qi=1（2X3iA-2YiXi+2X2iB+2XiC）=0 ，

ΔC=∑qi=1（2X2iA-2Yi+2XiB+2C）=0 。

（14）

由此可得方程

A（X4i，X3i，X2i）T+B（X3i，X2i，Xi）T+C（X2i，Xi，1）T=

（YiX2i，YiXi，Yi）T 。 （15）

解方程（15）可得

A=∑qi=1YiX2i∑qi=1X4i-

∑qi=1X2i∑qi=1X4i

∑qi=1X2i∑qi=1Yi-∑qi=1Xi∑qi=1YiXi∑qi=1X2i-（∑qi=1Xi）2-

∑qi=1X3i∑qi=1X4i∑qi=1X2i

∑qi=1YiXi-

∑qi=1Xi

∑qi=1X2i∑qi=1Yi-

∑qi=1Xi∑qi=1YiXi∑qi=1X2i-（∑qi=1Xi）2

。

根據(jù)式（11）可得

Fu=δma-（Fw+Ff） 。（16）

根據(jù)式（15）可得車輛滑行時輔助制動力（包括發(fā)動機制動力和排氣制動力）隨車速的變化關系。

2? 試驗

2.1? 試驗車輛

選用CA4250P66K24T1A1EX型解放牌驅(qū)動形式為6×4的平頭柴油半掛牽引車為試驗車輛，掛車品牌不作要求，試驗車輛如圖2所示，試驗車輛技術參數(shù)如表1所示。

2.2? 試驗場地

試驗車輛平路滑行試驗場地選在交通運輸部公路交通試驗場長直線試驗路段，如圖3所示。該長直線試驗路段長度為3 330 m，坡度為0，加速道寬度為9 m，水泥混凝土路面，中部為蝙蝠型廣場，長邊長度為600 m，短邊長度為245 m，寬度為80 m。試驗場地可進行汽車一般動力性、燃油經(jīng)濟性、制動性、操縱穩(wěn)定性等試驗研究。

2.3? 試驗儀器

主要試驗儀器包括：CTM-2006F型車速儀，用于采集實時速度、行駛距離等；十六通道無紙記錄儀，用于記錄試驗中測量的各類數(shù)據(jù)；地磅，用于測量試驗車輛的質(zhì)量；坡度儀，用于檢測試驗路段的坡度；駕駛員操作檢測儀，用于記錄駕駛員操作狀態(tài)。除此以外，在試驗車輛上安裝駕駛員操作檢測儀，用于記錄制動踏板力和油門踏板力，測量數(shù)據(jù)可與其他測量設備所測數(shù)據(jù)相結(jié)合進行深入分析。

2.4? 車輛擋位

在試驗車輛采用輔助制動過程中，變速器擋位越低，車速越大，則輔助制動力越大，輔助制動效能越高，但是當車速越大，變速器速比越大即擋位越低時，車輪通過傳動系統(tǒng)倒拖發(fā)動機轉(zhuǎn)速越大，發(fā)動機存在超速運轉(zhuǎn)的風險越大。同時，考慮到車輛在實際道路行駛過程中，車速過小會降低道路運輸效率，因此在試驗過程中應根據(jù)發(fā)動機的合理轉(zhuǎn)速范圍，并參考車輛的實際道路行駛狀況，確定合理的變速器擋位以及車速范圍。

試驗車輛發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍為800～1 900 r/min，主減速器的速比為4.11，擋位個數(shù)為11（12擋為超速擋，不予考慮）。根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速n與車速v的關系v=0.377rn/（igi0），其中車輛輪胎半徑r=0.533 4 m，主減速器的速比i0=4.11，試驗車輛各擋位變速器的速比與車速范圍如表2所示。

在下長坡路段，駕駛員多使用輔助制動并間斷使用主制動的制動形式，以保證車輛安全穩(wěn)定行駛。變速器掛入低擋位時，輔助制動力較大，下長坡路段僅采用輔助制動即可達到較小的安全穩(wěn)定車速，但是速度過小不僅降低道路運輸效率，而且不符合駕駛員的駕駛習慣。經(jīng)過調(diào)查統(tǒng)計，下長坡路段車速多限制為小于60 km/h，貨車行駛速度通常大于30 km/h，因此本文中選擇變速器擋位編號為7、8、9、10進行車輛平路滑行試驗，測量車輛輔助制動力。

3? 結(jié)果與分析

3.1? 滾動阻力和空氣阻力隨車速的變化

由于試驗車輛車型確定，車輛外形與總質(zhì)量不變，因此在試驗過程中，相同車速條件下的車輛滾動阻力與空氣阻力不變。選取變速器擋位編號為10，對應的最大車速約為72 km/h，因此試驗前設定非接觸式多功能速度儀滑行速度為70 km/h。

車輛從試驗場長直線路段端點處以1擋起步，并逐步增加擋位至10擋，逐漸增大油門開度。 當車速儀發(fā)出響聲時，將變速器接入空擋，松開油門踏板。 控制方向盤，保持試驗車輛沿直線方向自由滑行，直至車輛停止。 記錄車輛滑行速度隨時間變化的數(shù)據(jù)。 重復上述試驗步驟，進行第2次空擋滑行試驗。在試驗過程中，車速儀每0.5 s記錄一次車速信息，去除波動較大的速度點后，得到車輛滑行過程中車速-時間關系，如圖4所示。 通過數(shù)據(jù)處理，得到試驗車輛滑行加速度、空擋滑行阻力即滾動阻力和空氣阻力隨車速變化關系擬合曲線，如圖5所示。

當車速范圍為0～70 km/h時，車輛空擋滑行阻力隨車速變化的函數(shù)關系為

Fk=0.394 4v2+0.684 2v+1 104.4。（17）

3.2? 7擋輔助制動

選取變速器擋位編號為7，對應的車速范圍為14～34 km/h，設定非接觸式多功能速度儀滑行初速度為30 km/h。 車輛從試驗場長直線路段端點處以1擋起步，并逐步增加擋位至7擋，逐漸增大油門開度。 車速儀發(fā)出響聲表明車速已超過30 km/h，車速儀開始對車速進行測量，此時松開油門踏板，打開排氣制動閥。 控制方向盤，保持試驗車輛沿直線方向自由滑行，直至車速保持不變。 記錄車輛滑行速度隨時間變化數(shù)據(jù)。 重復上述試驗步驟，進行第2次7擋輔助制動試驗。 第3、4次試驗步驟與上述試驗步驟相同，但是在松開油門踏板時不開啟排氣制動閥，測得發(fā)動機制動力隨車速的變化。7擋發(fā)動機制動、排氣制動時車速-時間關系如圖6所示。

7擋滑行時，總減速比igi0=11.14，車輛總質(zhì)量為17 700 kg時，δ約為1.025。7擋發(fā)動機制動、排氣制動時制動力-車速關系如圖7所示。

3.3? 8擋輔助制動

變速器掛入8擋時的車速范圍為18～43 km/h，因此設定非接觸式多功能速度儀滑行初速度為40 km/h。 試驗步驟及過程與7擋輔助制動試驗的相同。8擋發(fā)動機制動、排氣制動時車速-時間關系如圖8所示。

當試驗車輛變速器擋位編號為8時，總減速比igi0=8.67，車輛總質(zhì)量為17 700 kg時，δ約為1.02。8擋發(fā)動機制動、排氣制動時制動力-車速關系如圖9所示。

3.4? 9擋輔助制動

變速器掛入9擋時的車速范圍為23～56 km/h，因此設定非接觸式多功能速度儀滑行初速度為55 km/h。 試驗步驟及過程與7擋輔助制動試驗的相同。9擋發(fā)動機制動、排氣制動時車速-時間關系如圖10所示。

當試驗車輛變速器擋位編號為9時，總減速比igi0=6.74，車輛總質(zhì)量為17 700 kg時，δ約為1.01。9擋發(fā)動機制動、排氣制動時制動力-車速關系如圖11所示。

（a）發(fā)動機制動

（b）排氣制動

v—車速，范圍為23～56 km/h；Ff9、Fp9—

9擋發(fā)動機制動力、排氣制動力；R2—決定系數(shù)。

圖11? 9擋發(fā)動機制動、排氣制動時制動力-車速關系

3.5? 10擋輔助制動

變速器掛入10擋對應的車速范圍為30～72 km/h，因此設定非接觸式多功能速度儀滑行初速度為70 km/h。試驗步驟及過程與7擋輔助制動試驗的相同。10擋發(fā)動機制動、排氣制動時車速-時間關系如圖12所示。

當試驗車輛變速器擋位編號為10時，總減速比igi0=5.26，車輛總質(zhì)量為17 700 kg時，δ約為1。10擋發(fā)動機制動、排氣制動時制動力-車速關系如圖13所示。

3.6? 不同擋位發(fā)動機制動力

不同擋位發(fā)動機制動、排氣制動時制動力隨車速變化擬合曲線如圖14所示。 從圖中可以看出，在相同車速條件下，變速器擋位越低，發(fā)動機制動力和排氣制動力均越大；在相同擋位條件下，隨著車速的增大，發(fā)動機制動力和排氣制動力逐漸增大，并且擋位越低，制動力隨車速變化越快；在相同車速、擋位條件下，排氣制動效能更高，制動力大于發(fā)動機制動力。

4? 結(jié)論

本文中通過對大型貨運車輛輔助制動滑行理論

分析和實車試驗，研究了不同擋位時的輔助制動性能，得到以下主要結(jié)論：

1）在駕駛員下長坡駕駛常用的擋位條件下，當擋位相同時，隨著車速的增大，發(fā)動機制動力和排氣制動力逐漸增大，并且擋位越低，制動力隨車速變化越快。

2）在相同車速、不同擋位條件下，變速器擋位越低，發(fā)動機制動力和排氣制動力均越大。

3）在相同車速、擋位條件下，排氣制動效能更高，制動力大于發(fā)動機制動力。

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（責任編輯：王? 耘）