柳 帥， 冷 彪

(中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春130011)

輕型載貨汽車氣壓制動(dòng)感載閥匹配方法研究

柳 帥， 冷 彪

(中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春130011)

以某輕型載貨汽車為例，對(duì)氣壓感載閥的匹配方法進(jìn)行研究.依據(jù)相關(guān)法規(guī)和整車參數(shù)，定義制動(dòng)力分配特征系數(shù)并以該參數(shù)作為車輛選配感載閥的判據(jù).為確定感載閥擺桿長(zhǎng)度，對(duì)比了載荷計(jì)算法和諾莫列線圖法的差異性.最后，通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)，驗(yàn)證了匹配方法的有效性.

輕型載貨汽車；制動(dòng)系統(tǒng)；氣壓感載閥；匹配方法

空載或半載狀態(tài)下的輕型載貨汽車，在干燥路面上緊急制動(dòng)時(shí)，很容易因后輪過(guò)早抱死發(fā)生“甩尾”現(xiàn)象[1-2]，為提高車輛制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性，通過(guò)裝備氣壓制動(dòng)感載閥(以下簡(jiǎn)稱“感載閥”)，可根據(jù)車輛的載荷變化(包括軸荷轉(zhuǎn)移的部分)，有效調(diào)節(jié)后制動(dòng)氣室壓力，防止后輪過(guò)早抱死[3].雖然其在低附著路面上仍無(wú)法起到ABS系統(tǒng)的效果，但由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、故障率和成本低等優(yōu)點(diǎn)[4]，對(duì)解決N2類車輛甩尾現(xiàn)象具有較好的應(yīng)用價(jià)值.本文主要針對(duì)氣壓感載閥的匹配方法及其對(duì)后橋制動(dòng)力的調(diào)節(jié)作用進(jìn)行分析，對(duì)于某些有可能需要對(duì)前橋制動(dòng)力調(diào)節(jié)的特殊車型在此暫不展開(kāi)討論.

1 特性分析

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

通過(guò)對(duì)比分析車輛使用條件、用戶需求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素，N2類車輛空載甩尾的主要原因包括以下幾個(gè)方面：

(1)空滿載質(zhì)量比.商用車的使用工況決定了整車空滿載質(zhì)量比參數(shù)較大，為保證行車安全，需按最大滿載總質(zhì)量狀態(tài)設(shè)計(jì)制動(dòng)系統(tǒng)，使后制動(dòng)器制動(dòng)力矩的設(shè)計(jì)值較大.但在空載狀態(tài)下，后橋地面附著力矩較低，過(guò)大的制動(dòng)器制動(dòng)力矩極易引起后輪過(guò)早抱死.

(2)較短的軸距.為緩解城市道路交通擁堵問(wèn)題，目前，許多大中城市交通管理部門對(duì)中重型載貨汽車在市內(nèi)運(yùn)輸時(shí)間和區(qū)域進(jìn)行了限制性規(guī)定，因此，市內(nèi)物流運(yùn)輸車輛主要以外形尺寸總長(zhǎng)在6米以內(nèi)、總質(zhì)量在4 500 kg以內(nèi)的小型車輛為主.與中重型貨車相比，軸距較短可降低車輛轉(zhuǎn)彎半徑，提高車輛機(jī)動(dòng)性，但制動(dòng)時(shí)也會(huì)引起較大的軸荷轉(zhuǎn)移，降低了后輪附著力矩，并放大了側(cè)向擾動(dòng)所造成的橫擺力矩，加劇了車輛甩尾.

(3)制動(dòng)管路布置型式.根據(jù)GB 7258和DIN 74000標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)制性要求采用雙回路制動(dòng)系統(tǒng)，并將制動(dòng)管路布置劃分五種方案[5-6]，即II型、X型、HI型、LL型和HH型.其中，HI型、LL型和HH型布置方案，當(dāng)制動(dòng)器過(guò)熱引起回路失效時(shí)，存在整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)失效的風(fēng)險(xiǎn)，因此極少采用；而X型布置的車輛，任一回路失效后，將形成對(duì)角線車輪制動(dòng)，該失效模式下的車輛在轉(zhuǎn)彎制動(dòng)時(shí)存在嚴(yán)重的跑偏隱患，只有在前輪主銷偏距為負(fù)值的乘用車上，才能保證制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性；而載貨汽車正的主銷偏距值和相對(duì)較長(zhǎng)的軸距等特點(diǎn)，決定了其采用II型布置方案，該型式雖然能較好地滿足滿載條件下的制動(dòng)效能，但存在前后橋制動(dòng)器建壓時(shí)間不一致的缺點(diǎn)，這使得空載工況下，后輪易過(guò)早抱死造成甩尾現(xiàn)象.

1.2 制動(dòng)力分配特征系數(shù)

依據(jù)GB 12676中對(duì)后橋制動(dòng)利用附著系數(shù)φr(z)與制動(dòng)強(qiáng)度z的相關(guān)要求[7]，可得到如下約束條件：

.(1)

后輪剛要抱死時(shí)，后橋的利用附著系數(shù)

，(2)

式中:a為質(zhì)心距前軸的距離;hg為整車質(zhì)心高度;L為軸距;β為制動(dòng)器制動(dòng)力分配系數(shù).

對(duì)(2)式求一階和二階導(dǎo)數(shù)得：

由此可知，φr(z)為單調(diào)遞增的凹函數(shù)，方程組(1)中的表達(dá)式均為單調(diào)遞增的直線，為滿足法規(guī)線要求，只需取z在其區(qū)間端點(diǎn)處數(shù)值，并保證式(2)滿足方程組(1)中的約束條件即可，將式(2)代入方程組(1)得到：

.(3)

整理得：

β≥Q(a, h, L)=max{A, B, C}，

(4)

由式(4)可以看出，制動(dòng)力分配特征系數(shù)Q(a, h, L)是車輛固有參數(shù)，該值由整車的軸距、質(zhì)心位置和質(zhì)心高度決定.在任意車輛載荷狀態(tài)下，應(yīng)保證β≥Q；否則，說(shuō)明采用固定比值制動(dòng)力分配系數(shù)的車輛在制動(dòng)時(shí)，其后橋附著系數(shù)利用率存在超出法規(guī)線的工況，并有可能發(fā)生后輪過(guò)早抱死和甩尾現(xiàn)象.因此，Q值既可用于評(píng)價(jià)現(xiàn)有軸間制動(dòng)力分配是否合理，也可作為車輛選配限壓閥、感載閥等制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置的有效判據(jù).

2 感載閥匹配計(jì)算

根據(jù)系統(tǒng)額定壓力及閥類零件的性能曲線確定制動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算壓力.制動(dòng)系統(tǒng)中空氣處理單元的卸荷壓力為850 kPa，卸荷后貯氣筒內(nèi)穩(wěn)定壓力為800 kPa，在氣壓傳遞過(guò)程中，存在沿程損失、制動(dòng)器推出壓耗和閥類零件彈簧和膜片的壓力損失等，同時(shí)考慮到車輛使用中可能出現(xiàn)的超載現(xiàn)象，需留有一定的安全系數(shù)，因此確定系統(tǒng)性能計(jì)算的額定工作壓力為P0=650 kPa.

2.1 空載制動(dòng)性能參數(shù)的確定

根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，同步附著系數(shù)通常設(shè)定在0.45～0.65之間，對(duì)于工程類車輛(如自卸車)應(yīng)取較小值，載貨車可取較大值；考慮到近年來(lái)道路交通條件的改善等因素，設(shè)定車輛空載條件下的目標(biāo)同步附著系數(shù)為Φ0=0.65，計(jì)算該目標(biāo)空載同步附著系數(shù)下的制動(dòng)性能參數(shù).

前軸動(dòng)軸荷：Fzf_ul=W·9.8·(b+Φ0·hg)/L；后橋動(dòng)軸荷：Fzr_ul=W·9.8·(a-Φ0*hg)/L；前軸附著力矩：Mzf_ul=Fzf_ul·Φ0·R；后橋附著力矩：Mzr_ul=Fzr_ul·Φ0·R；產(chǎn)生Mzf_ul所需的氣室壓力：

Pf=Mzf_ul/ (2·BFf·R·η·Af·Lf/e) ，

(5)

產(chǎn)生Mzr_ul所需的氣室壓力：

Pr=Mzr_ul/(2·BFr·R·η·Ar·Lf/e) ，

(6)

式中：W為整車質(zhì)量；b為質(zhì)心距后橋的距離；BFf和BFr分別為前、后單個(gè)制動(dòng)器的效能因數(shù)；R為制動(dòng)鼓半徑；Lf為調(diào)整臂長(zhǎng)度；e為凸輪軸基圓半徑；η為制動(dòng)鼓效率；Af和Ar分別為前、后單個(gè)氣室有效面積.

2.2 感載閥擺桿長(zhǎng)度的確定

車輛裝載后，懸架被壓縮，感載閥利用車架與車橋之間距離的變化量，將載荷參數(shù)轉(zhuǎn)化為距離參數(shù),并以此來(lái)控制閥門開(kāi)度，對(duì)氣室彈簧缸的工作壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，使車輛在任何載荷條件下都能具有近似理想的制動(dòng)力分配特性.車輛正常行駛中，擺桿在控制行程范圍內(nèi)擺動(dòng)(如圖1).同時(shí)，閥體還設(shè)計(jì)有較大的附加行程，這主要是為防止不平路面引起的動(dòng)載荷可能造成車橋與車架相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)大,并損壞感載閥閥體.當(dāng)發(fā)生擺桿折斷或擺桿與彈性臂連接處脫落等失效模式時(shí)，擺桿將在回位彈簧的作用下，自動(dòng)上擺至最高點(diǎn)，并以全輸出狀態(tài)向后制動(dòng)氣室供氣，以優(yōu)先保證行車制動(dòng)效能.

圖1 感載閥結(jié)構(gòu)圖

裝配時(shí)，應(yīng)采用彈性臂或拉線等彈性元件連接擺桿和車橋,并保證在所有行駛工況下,通過(guò)彈性元件總成傳到擺桿上的運(yùn)動(dòng)只能是由車輛垂直載荷變化而產(chǎn)生的位移.感載閥在氣制動(dòng)回路中，進(jìn)氣口(1口)與貯氣筒相連，出氣口(2口)接制動(dòng)氣室，控制口(4口)接制動(dòng)閥21口，當(dāng)車輛對(duì)排氣噪聲有特殊限制性要求時(shí)(如出口車型),可將排氣口(3口)與消音器相連.

在設(shè)計(jì)中,主要研究感載閥擺桿長(zhǎng)度LLSV、車輛空滿載質(zhì)量以及對(duì)應(yīng)懸架弧高變化量3者之間的參數(shù)匹配關(guān)系.對(duì)于某一固定車型,其空滿載質(zhì)量和對(duì)應(yīng)的懸架弧高變化量為固定參數(shù)，因此，擺桿長(zhǎng)度的匹配計(jì)算方法成為研究重點(diǎn).目前，擺桿長(zhǎng)度計(jì)算方法主要有載荷計(jì)算法和列線圖表法(即Nomograph法)兩種.

(1)載荷計(jì)算法

采用載荷計(jì)算法確定擺桿長(zhǎng)度時(shí)，首先由式(5)和式(6)計(jì)算前后橋制動(dòng)壓力比：iP=Pr/Pf，并取額定工作壓力為前制動(dòng)氣室設(shè)計(jì)輸入壓力Pf(即Pf=P0)，計(jì)算后制動(dòng)氣室的設(shè)計(jì)輸入壓力Pr=Pf·iP=P0·iP.其次,結(jié)合感載閥在1口供氣壓力P1≥650 kPa，4口控制壓力P4=650 kPa條件下,對(duì)應(yīng)2口輸出壓力P2隨擺桿角度變化的靜特性曲線(如圖2)，確定空滿載狀態(tài)對(duì)應(yīng)的擺角范圍,其中,圖2中的曲線可通過(guò)試驗(yàn)標(biāo)定或理論曲線換算得到.

圖2 感載閥靜特性曲線

設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選取曲線上A點(diǎn)為滿載(即額定載荷總質(zhì)量或最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量)時(shí)擺桿位置.在實(shí)際工況下，當(dāng)車輛出現(xiàn)超載時(shí)，感載閥不再調(diào)節(jié)輸出壓力，而是以全輸出壓力(即此時(shí)iP=1)向后制動(dòng)氣室供氣，優(yōu)先保證超載工況下的制動(dòng)減速度和制動(dòng)距離.最后,在圖2中的曲線AC段(控制行程)上,采用插值法確定感載閥出氣口壓力P2=Pr時(shí)的擺桿角度θ1，并計(jì)算擺桿控制行程Δθ=θt-θ1.最后，依據(jù)車輛后懸架空/滿載弧高壓縮量Δ，確定感載閥擺桿長(zhǎng)度LLSV=Δf/Δθ.

(2)列線圖法

采用列線圖法確定擺桿長(zhǎng)度時(shí)，首先應(yīng)確定閥體的先導(dǎo)壓力Pd.當(dāng)車輛在不平路面行駛時(shí)，由路面不平度引起的后橋動(dòng)載荷很容易造成擺桿的頻繁小振幅擺動(dòng)，使后制動(dòng)輸出壓力產(chǎn)生波動(dòng)，降低了壓力調(diào)節(jié)精度和整車制動(dòng)感覺(jué)的隨動(dòng)性，尤其是在駕駛員輕踩踏板時(shí)，容易出現(xiàn)后制動(dòng)時(shí)有時(shí)無(wú)的現(xiàn)象，將造成駕駛員緊張和疲勞.感載閥利用先導(dǎo)控制，使制動(dòng)閥輸出氣壓低于先導(dǎo)壓力Pd時(shí)，閥體2口不產(chǎn)生氣壓，有效克服了上述問(wèn)題.其中，Pd一般取值(40～80)kPa，可通過(guò)閥體頂端的調(diào)壓螺釘調(diào)節(jié).

計(jì)算控制比：

iR=(P1-Pd-ΔP)/(P2-Pd).

其中，進(jìn)氣口(1口)壓力P1=Pf，出氣口(2口)壓力P2=Pr，開(kāi)啟壓力ΔP，一般取值(20～30)kPa.

最后，在列線圖中(如圖3)，選取控制比iR和車輛后懸架空/滿載弧高壓縮量Δf在數(shù)軸上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，連接該兩點(diǎn)并延長(zhǎng)至擺桿長(zhǎng)度數(shù)軸相交，則交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)值即為所得到的擺桿長(zhǎng)度LLSV.

圖3 列線圖

由以上兩種計(jì)算方法得到的計(jì)算結(jié)果如表1所示.通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用載荷計(jì)算法得到的擺桿長(zhǎng)度比采用列線圖法計(jì)算得到的擺桿長(zhǎng)度稍大.當(dāng)車輛在顛簸路面行駛時(shí)，雖然感載閥的先導(dǎo)控制結(jié)構(gòu)可大幅降低擺桿小振幅擺動(dòng)對(duì)整車制動(dòng)感覺(jué)的不利影響，但仍會(huì)加劇閥體內(nèi)頂桿和凸輪之間的磨損，并降低感載閥的使用壽命.考慮到以上因素，設(shè)計(jì)

中應(yīng)保證空載車輛在不發(fā)生甩尾的前提下，盡可能加大擺桿長(zhǎng)度并提高感載閥支架的剛度.因此，選擇載荷計(jì)算法作為擺桿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)方法，并確定擺桿長(zhǎng)度為146 mm.

表1 感載閥設(shè)計(jì)參數(shù)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為更有效地驗(yàn)證裝配感載閥后的制動(dòng)性能，對(duì)某輕型載貨汽車分別在空載、半載和滿載3種載荷條件下，對(duì)同一車輛在不裝感載閥(僅有繼動(dòng)閥)和裝備感載閥兩種制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果如表2所示.

表2 車輛制動(dòng)效能試驗(yàn)結(jié)果

由結(jié)果發(fā)現(xiàn)，車輛匹配感載閥后，其空載0型試驗(yàn)的減速度值(即MFDD)顯著提高，且有效縮短了制動(dòng)距離.通過(guò)觀察輪胎抱死印痕發(fā)現(xiàn)，采用繼動(dòng)閥方案時(shí)，車輛在空載和半載狀態(tài)出現(xiàn)甩尾現(xiàn)象；采用感載閥方案時(shí)，其前輪相對(duì)于后輪的抱死印痕更加清晰，且前輪先于后輪發(fā)生抱死，車輛在各種載荷狀態(tài)下制動(dòng)時(shí)，均未發(fā)生甩尾現(xiàn)象.依據(jù)測(cè)量結(jié)果，計(jì)算車輛在空載和滿載條件下附著系數(shù)利用率與制動(dòng)強(qiáng)度的特性關(guān)系曲線(如圖4).對(duì)采用感載閥的車輛，空載狀態(tài)下的后橋附著系數(shù)利用率的曲線得到顯著降低，并保持在法規(guī)要求的區(qū)域內(nèi)，提高了制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性.

圖4 附著系數(shù)利用率特性曲線

4 結(jié) 論

對(duì)于未裝備制動(dòng)力調(diào)節(jié)裝置的車輛，利用制動(dòng)力分配特征系數(shù)，可有效判定車輛軸間制動(dòng)力分配的合理性，并評(píng)估車輛在不同載荷狀態(tài)下發(fā)生制動(dòng)甩尾的風(fēng)險(xiǎn).實(shí)車道路試驗(yàn)表明，采用載荷計(jì)算法對(duì)感載閥匹配設(shè)計(jì)，能滿足制動(dòng)法規(guī)的相關(guān)要求，并有效防止空載車輛發(fā)生制動(dòng)甩尾現(xiàn)象.

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Research on Matching Method of Load Sensing Valve forPneumatic Brake in Light Duty Trucks

LIU Shuai， LENG Biao

(China FAW Group Corporation R&D Center, Changchun 130011, China)

A matching method of the pneumatic load sensing valves (LSV) is studied for light duty trucks. Based on the relavant regulations and the vehicle parameters, a characteristic coefficient of the braking force distribution is defined as the criterion for selecting the LSVs. In order to determine the length of the LSV lever, the difference from the results is compared between the load-calculation method and the nomograph method. The effectiveness of the matching method is verified by the testing data of the vehicles.

light duty trucks; braking system; pneumatic load sensing valve; matching method

1009-4687(2016)04-0008-05

2016-7-15

柳 帥(1985-), 男, 工程師, 碩士研究生, 研究方向?yàn)樯逃密囍苿?dòng)系統(tǒng).

U463.55

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