鄭 峰，陳富堅(jiān)，鄧偉建

（桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林541004）

我國(guó)地形復(fù)雜多樣，山區(qū)面積約占全國(guó)土地總面積的2／3，在山嶺重丘區(qū)修建公路時(shí)，從公路的造價(jià)方面考慮，在設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)長(zhǎng)大下坡路段是很常見(jiàn)的現(xiàn)象。車輛在長(zhǎng)大下坡路段行駛時(shí)，因坡長(zhǎng)且陡，勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，車速越來(lái)越快。為控制車速司機(jī)頻繁“點(diǎn)剎”，容易引發(fā)制動(dòng)器出現(xiàn)“熱衰退”現(xiàn)象，特別是貨車?！盁崴ネ恕爆F(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)器的制動(dòng)效能下降，嚴(yán)重時(shí)完全消失，即制動(dòng)失靈，制動(dòng)失靈是長(zhǎng)大下坡惡性交通事故頻發(fā)的主要原因。在解決長(zhǎng)大下坡公路交通安全問(wèn)題的時(shí)候，對(duì)車輛制動(dòng)鼓溫升模型的研究顯得尤為重要。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外車輛連續(xù)制動(dòng)溫升模型的研究進(jìn)行綜述。

1 長(zhǎng)大下坡的概念界定

目前，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及指南對(duì)長(zhǎng)大下坡并沒(méi)有明確的定義。《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01－2014）指出:“長(zhǎng)大縱坡對(duì)載重汽車行駛很不利，下坡會(huì)使剎車過(guò)熱，制動(dòng)效能減弱，更易發(fā)生交通事故，因此，各級(jí)公路必須對(duì)連續(xù)上坡和連續(xù)下坡路段按平均縱坡進(jìn)行控制?！薄豆仿肪€設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD20－2006）指出:“公路縱斷面設(shè)計(jì)即使完全符合最大縱坡、坡長(zhǎng)限制及緩和坡段的規(guī)定，也不能保證使用質(zhì)量。不少路段雖然單一陡坡并不大，甚至也有緩和坡段，但由于平均縱坡較大，上坡使用低速擋較久，易致車輛水箱開(kāi)鍋，下坡則因剎車發(fā)熱、失效而導(dǎo)致事故發(fā)生，因此，有必要控制平均縱坡?！庇纱丝梢?jiàn)，要研究長(zhǎng)大下坡安全問(wèn)題，應(yīng)對(duì)長(zhǎng)大下坡進(jìn)行明確的界定或定義。

根據(jù)文獻(xiàn)所述:“長(zhǎng)大下坡路段一般是指在線形設(shè)計(jì)上出現(xiàn)的容易造成車輛長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)或空擋滑行的長(zhǎng)距離、大坡度的坡段，通常伴隨長(zhǎng)上坡和連續(xù)彎道?！?/p>

2 車輛連續(xù)制動(dòng)引起制動(dòng)器熱衰退的機(jī)理

當(dāng)車輛下長(zhǎng)坡且連續(xù)制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)器的工作溫度升高，引起制動(dòng)片的成分發(fā)生熱分解，致使制動(dòng)器的摩擦系數(shù)變小，造成摩擦力矩顯著降低，導(dǎo)致汽車的制動(dòng)效能明顯下降，這種現(xiàn)象就是制動(dòng)效能的“熱衰退”。

根據(jù)文獻(xiàn)［7］研究:摩擦片是由大量的有機(jī)化合物經(jīng)過(guò)一定的配比加工固化而成，其主要成分為有機(jī)化合物。當(dāng)摩擦片的工作溫度不超過(guò)300℃時(shí)，有機(jī)化合物就處于穩(wěn)定狀態(tài)，制動(dòng)鼓與摩擦片的摩擦系數(shù)保持在0.3～0.4，即為良好的制動(dòng)效能。當(dāng)連續(xù)制動(dòng)器工作溫度超過(guò)300℃后，有機(jī)化合物就會(huì)受熱分解，所產(chǎn)生的氣體和液體存在于摩擦片與制動(dòng)鼓間，起到潤(rùn)滑作用。即使在相同踏板力的作用下，摩擦力矩也會(huì)顯著降低，進(jìn)而導(dǎo)致制動(dòng)效能下降。

3 長(zhǎng)大下坡車輛制動(dòng)過(guò)程分析

在長(zhǎng)大下坡路段連續(xù)制動(dòng)過(guò)程中，引發(fā)車輛制動(dòng)器制動(dòng)效能“熱衰退”現(xiàn)象的主要原因是超過(guò)了制動(dòng)器上摩擦片的工作溫度。為解決長(zhǎng)大下坡車輛制動(dòng)效能“熱衰退”，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列研究。

3.1 對(duì)摩擦熱的早期研究

1937年，Blook是第一個(gè)著手研究摩擦熱問(wèn)題的學(xué)者，自此以后，摩擦熱的研究才相繼開(kāi)展起來(lái)，如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)外早期對(duì)制動(dòng)器摩擦熱的部分研究

早期國(guó)內(nèi)外研究的共同特點(diǎn)是依據(jù)摩擦學(xué)相關(guān)理論，建立較為復(fù)雜的溫升模型，依靠一些假設(shè)或是算法簡(jiǎn)化模型。但也帶來(lái)了一些問(wèn)題，精度不是很高，缺乏有效的實(shí)用性。

3.2 對(duì)車輛制動(dòng)器溫升過(guò)程進(jìn)行的軟件模擬仿真

隨著對(duì)摩擦熱的研究深入，學(xué)者們通過(guò)對(duì)車輛制動(dòng)器溫升過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，建立了溫升模型，如表2所示。

表2 國(guó)內(nèi)部分學(xué)者對(duì)車輛制動(dòng)器溫升過(guò)程的模擬研究

制動(dòng)器是三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)，屬于非線性分析領(lǐng)域。上述成果利用ANSYS軟件將制動(dòng)器近似地劃分為有限個(gè)節(jié)點(diǎn)處相連的單元，對(duì)制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)器的受力及傳熱進(jìn)行了分析，還對(duì)不同工況下制動(dòng)器進(jìn)行了數(shù)值模擬。但模型并沒(méi)有結(jié)合實(shí)際路況下的數(shù)據(jù)，缺乏實(shí)用性。

3.3 結(jié)合室內(nèi)外試驗(yàn)及數(shù)學(xué)方法優(yōu)化溫升模型的各參數(shù)

學(xué)者們通過(guò)對(duì)車輛制動(dòng)器溫升過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，再結(jié)合室內(nèi)外試驗(yàn)及數(shù)學(xué)方法優(yōu)化溫升模型的各參數(shù)，完善了制動(dòng)器的溫升模型。袁偉研究發(fā)現(xiàn)對(duì)流換熱是制動(dòng)器散熱的主要方式，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，求解得到對(duì)流換熱系數(shù)。此外，基于對(duì)流換熱系數(shù)，還對(duì)制動(dòng)器溫升模型進(jìn)行了計(jì)算。顧永田對(duì)實(shí)際道路上行駛車型進(jìn)行調(diào)查，將主要車型作為研究對(duì)象，并針對(duì)該車型采用的鼓式制動(dòng)器進(jìn)行了溫升特性分析；結(jié)合試驗(yàn)車輛制動(dòng)器溫升特性的道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了關(guān)于車輛裝載狀態(tài)、道路坡度、坡長(zhǎng)、行駛速度制動(dòng)器溫升模型。蘇波、方守恩等利用山區(qū)高速公路實(shí)地制動(dòng)鼓測(cè)溫試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，對(duì)美國(guó)的GSRS模型中的制動(dòng)鼓溫度預(yù)測(cè)模型進(jìn)行修正，并以此模型為基礎(chǔ)，推導(dǎo)大貨車下坡時(shí)，其制動(dòng)鼓溫度與坡度、坡長(zhǎng)、車重、車速的關(guān)系。楊宏志、胡慶誼等采用DHS－130XL型紅外觀測(cè)機(jī)測(cè)量車輛制動(dòng)轂溫度，建立了貨車制動(dòng)轂溫度預(yù)測(cè)模型。靳恩勇、杜博英為了研究在道路長(zhǎng)大下坡上載重貨車制動(dòng)器熱衰減的溫度曲線，應(yīng)用能量守恒理論建立了載重貨車在發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)和排氣制動(dòng)時(shí)制動(dòng)器的溫度預(yù)測(cè)模型。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，對(duì)模型中的部分參數(shù)，如初始溫度、環(huán)境溫度等進(jìn)行了修正。李文亮、周煒等提出了一種實(shí)時(shí)的車輛長(zhǎng)下坡路段與制動(dòng)器溫度預(yù)警算法，通過(guò)對(duì)長(zhǎng)大下坡車輛下坡過(guò)程進(jìn)行受力分析，建立整車縱向力平衡方程和能量方程，考慮車速對(duì)制動(dòng)器耗散能量大小的影響，基于制動(dòng)器耗散能量占總能量的比例，采用制動(dòng)器吸收能量占制動(dòng)器耗散能量的比例經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立制動(dòng)器溫升計(jì)算模型。

4 長(zhǎng)大下坡車輛連續(xù)制動(dòng)溫升模型的發(fā)展趨勢(shì)

溫升模型的構(gòu)建應(yīng)基于室內(nèi)的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，采用ANSYS軟件對(duì)制動(dòng)器制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行熱模擬，并結(jié)合實(shí)際道路上采集的車輛制動(dòng)器溫度數(shù)據(jù)。此外，還需考慮車輛不同制動(dòng)方式、制動(dòng)器散熱的不同方式、制動(dòng)器的初始溫度及環(huán)境溫度。依據(jù)該模型及摩擦片的極限溫度可以確定長(zhǎng)大下坡路段避險(xiǎn)車道設(shè)置的位置，還能對(duì)連續(xù)長(zhǎng)大下坡路段平均縱坡進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。

5 結(jié)論與建議

長(zhǎng)大下坡車輛連續(xù)制動(dòng)溫升模型的影響因素包括:制動(dòng)器的初始溫度，環(huán)境溫度，車輛的載重、速度，公路的坡度、坡長(zhǎng)。制動(dòng)器制動(dòng)失靈的直接原因是連續(xù)制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)器的溫度超過(guò)了摩擦片的工作溫度，其根本原因是駕駛員“多拉快跑”的心理因素，以及超載超速；另一個(gè)是公路縱坡設(shè)計(jì)連續(xù)采用極限值。為提高制動(dòng)安全性，應(yīng)提高駕駛員的文明安全駕駛意識(shí)，公路縱坡設(shè)計(jì)中應(yīng)避免極限坡度坡長(zhǎng)，多采用較大縱坡及緩和坡段組合。

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