張軍，陳宇超，楊長(zhǎng)偉，郭冬妮，馬明武

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

0 引言

重型半掛車的牽引車和掛車之間存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，具有后部放大的特點(diǎn)，導(dǎo)致行駛過(guò)程中極易發(fā)生側(cè)翻、蛇形擺振和折疊等危險(xiǎn)事故。所以制動(dòng)主掛協(xié)調(diào)性對(duì)汽車列車制動(dòng)安全性影響巨大，是汽車安全的重要保證，汽車列車制動(dòng)時(shí)一旦出現(xiàn)失穩(wěn)或者制動(dòng)力不足會(huì)造成重大事故。國(guó)內(nèi)卡車普遍存在空載時(shí)制動(dòng)主掛協(xié)調(diào)性差的問(wèn)題，這是由于半掛牽引車和半掛車分別由不同的生產(chǎn)廠家制造，形成汽車列車后，這就存在制動(dòng)時(shí)序和制動(dòng)強(qiáng)度的匹配問(wèn)題。而且由于掛車的生產(chǎn)廠家眾多，用戶選擇掛車存在很大地域性和隨機(jī)性，因此很難控制掛車制動(dòng)性能。某重卡道路試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)空載時(shí)制動(dòng)主掛協(xié)調(diào)性差的問(wèn)題，存在掛車推主車的現(xiàn)象。這是由于大部分半掛牽引車缺乏感載閥等空滿載制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置，導(dǎo)致空載時(shí)，很小的制動(dòng)踏板行程會(huì)產(chǎn)生很大的制動(dòng)強(qiáng)度，主掛協(xié)調(diào)性曲線不滿足法規(guī)要求，空載時(shí)半掛牽引車制動(dòng)強(qiáng)度偏大。

1 制動(dòng)主掛協(xié)調(diào)性差問(wèn)題

制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間和制動(dòng)力分配是汽車列車制動(dòng)性能的重要指標(biāo)，分別影響半掛牽引車的制動(dòng)時(shí)序的好壞和制動(dòng)強(qiáng)度的大小。只有當(dāng)汽車列車在制動(dòng)延遲時(shí)間和相應(yīng)制動(dòng)壓力非常接近的情況下，才能保持良好的平衡，否則，制動(dòng)力會(huì)根據(jù)各橋載荷不同產(chǎn)生差異。

半掛牽引車前輪距離掛車后輪大約12 m，中間制動(dòng)管路氣壓建立和傳輸需要一定的時(shí)間，同時(shí)經(jīng)過(guò)掛車閥、掛車緊急繼動(dòng)閥、掛車ABS等閥總成，也有一定的延遲，一般通過(guò)掛車閥的越前量和緊急繼動(dòng)閥的比例輸出能解決主掛車的響應(yīng)時(shí)間差。但是由于掛車的隨機(jī)性，不同廠家掛車的制動(dòng)性能差異較大，因此文中僅針對(duì)半掛牽引車的主掛協(xié)調(diào)性進(jìn)行研究。

1.1 問(wèn)題描述

某半掛牽引車按照GB12676-2014《商用車輛和掛車制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》進(jìn)行制動(dòng)性能試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)空載時(shí)主掛協(xié)調(diào)性曲線偏出法規(guī)曲線范圍，如圖1所示。

由圖1可以看出：滿載滿足法規(guī)要求，而空載時(shí)很小的制動(dòng)氣壓就會(huì)導(dǎo)致整車很高的制動(dòng)強(qiáng)度，主掛協(xié)調(diào)性曲線超出法規(guī)范圍，主觀評(píng)價(jià)存在掛車推主車的現(xiàn)象。

圖1 某半掛牽引車制動(dòng)主掛協(xié)調(diào)性曲線

1.2 問(wèn)題分析

從制動(dòng)時(shí)序和制動(dòng)強(qiáng)度的匹配兩個(gè)方面來(lái)分析主掛車制動(dòng)協(xié)調(diào)性差的原因。

1.2.1 制動(dòng)時(shí)序分析

按GB12676-2014進(jìn)行半掛牽引車制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 半掛牽引車制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間

GB12676-2014對(duì)掛車控制管路壓力響應(yīng)時(shí)間有明確的要求，如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果表明半掛牽引車滿足制動(dòng)時(shí)序要求。

表1 掛車控制管路壓力響應(yīng)時(shí)間

1.2.2 制動(dòng)強(qiáng)度分析

半掛牽引車受力示意圖如圖3所示。通常將6×4車型也等效為4×2分析。

根據(jù)GB12676-2014，對(duì)于空載汽車列車，半掛車施于牽引車的動(dòng)載荷可用一個(gè)等于鞍座最大承載力15%的靜止力作用于牽引銷上代替。

圖3 半掛牽引車受力分析示意圖

Ps=15%Pmax

(1)

式中：Pmax為半掛牽引車鞍座最大承載力(N)。

對(duì)于滿載汽車列車，半掛車施于牽引車的動(dòng)載荷可用一個(gè)作用在牽引銷座上的靜止力Ps代替，Ps由下式計(jì)算：

Ps=Ps0(1+0.45×z)

(2)

式中：Ps0為牽引車滿載時(shí)最大總重力與空載時(shí)最大總重力之差(N)。

等效質(zhì)心高度h由下式計(jì)算：

(3)

式中：h0為牽引車的重心高度(m)；hs為鞍座高度(m)；P0為牽引車單車空載重力(N)。

P=P0+Ps

(4)

式中：P為半掛牽引車總重力(N)。

根據(jù)半掛牽引車受力分析情況，等效前軸載荷Pfs由下式計(jì)算：

(5)

式中：Pf為半掛牽引車前軸靜態(tài)載荷(N)。

考慮制動(dòng)強(qiáng)度為z時(shí)的軸荷轉(zhuǎn)移，前軸附著力矩Mf由下式計(jì)算：

Mf=(Pfs+P×z×h/L)×φ×R×g

(6)

式中：L為半掛牽引車整車軸距(m)；φ為路面附著系數(shù)，一般取0.7；R為輪胎滾動(dòng)半徑(m)。

后橋附著力矩Mr由下式計(jì)算：

Mr=(P-Pfs-P×z×h/L)×φ×R×g

(7)

對(duì)于裝配鼓式制動(dòng)器的半掛牽引車，前軸制動(dòng)力矩M1由下式計(jì)算：

M1=2×Bef1×p1×A1×l1×η1

(8)

式中：Bef1為前軸制動(dòng)器制動(dòng)效能因數(shù)；p1為半掛牽引車前軸制動(dòng)氣室壓力(kPa)；A1為半掛牽引車前軸制動(dòng)氣室有效面積(m2)；l1為前軸制動(dòng)調(diào)整臂長(zhǎng)度(m)；η1為前軸制動(dòng)器效率。

后橋制動(dòng)力矩M2由下式計(jì)算：

M2=2×Bef2×p2×A2×l2×η2

(9)

式中：Bef2為后橋制動(dòng)器制動(dòng)效能因數(shù)；p2為半掛牽引車后橋制動(dòng)氣室壓力(kPa)；A2為半掛牽引車后橋制動(dòng)氣室有效面積(m2)；l2為后橋制動(dòng)調(diào)整臂長(zhǎng)度(m)；η2為后橋制動(dòng)器效率。

其中Bef1、Bef2、A1、A2、l1、l2、η1、η2均由制動(dòng)器本身結(jié)構(gòu)決定，Bef1、Bef2的計(jì)算方法在文獻(xiàn)[1]中有詳細(xì)的說(shuō)明；η1、η2由多次試驗(yàn)確定，一般取0.75～0.85；p1、p2一般由制動(dòng)閥和繼動(dòng)閥的輸出氣壓確定，且存在壓差關(guān)系，這里取p2=p1+50。

掛車閥控制管路壓力是由制動(dòng)閥21口的輸出壓力與掛車閥曲線決定的，即掛車閥的越前量。某重卡掛車制動(dòng)控制管路接頭處壓力p4由下式計(jì)算：

p4=1.06×p2+20

(10)

根據(jù)GB12676-2014，整車制動(dòng)強(qiáng)度z可由下式計(jì)算：

z=Tm/Pm=[(M1+M2)/R]/P

(11)

考慮前軸或后橋抱死情況，前軸和后橋的附著力矩分別等于它們的制動(dòng)力矩時(shí)，可計(jì)算前軸和后橋的抱死氣壓pf、pr，分別由下式計(jì)算：

pf=Mf/(2×Bef1×A1×l1×η1)

(12)

pr=Mr/(2×Bef2×A2×l2×η2)

(13)

前軸先抱死時(shí)制動(dòng)強(qiáng)度zf為

zf=Tm/Pm=[(Mf+M2)/R]/P

(14)

后橋先抱死時(shí)制動(dòng)強(qiáng)度zr為

zr=Tm/Pm=[(M1+Mr)/R]/P

(15)

前軸和后橋都抱死時(shí)制動(dòng)強(qiáng)度zm為

zm=Tm/Pm=[(Mf+Mr)/R]/P

(16)

根據(jù)以上公式，可得制動(dòng)強(qiáng)度z與掛車制動(dòng)管接頭處壓力p4分別在z≤min (zf,zr)、min (zf,zr)≤z≤zm、zm≤z三種情況時(shí)的關(guān)系，從而可以得到制動(dòng)強(qiáng)度z與掛車制動(dòng)管接頭處壓力p4曲線，即主掛制動(dòng)協(xié)調(diào)性曲線。

某重卡主掛制動(dòng)協(xié)調(diào)性理論計(jì)算及道路試驗(yàn)曲線如圖4所示。可以看出：滿載時(shí)，曲線滿足法規(guī)要求；空載時(shí)，曲線超出了法規(guī)規(guī)定的范圍。

圖4 某重卡主掛制動(dòng)協(xié)調(diào)性曲線

2 主掛制動(dòng)協(xié)調(diào)性優(yōu)化

經(jīng)以上計(jì)算分析結(jié)合道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：某重卡空載時(shí)主掛制動(dòng)協(xié)調(diào)性差是由于整車空、滿載制動(dòng)強(qiáng)度匹配不能調(diào)節(jié)引起的。設(shè)計(jì)半掛牽引車制動(dòng)力分配時(shí)通常按照滿載計(jì)算整車制動(dòng)性能，在沒(méi)有空、滿載調(diào)節(jié)裝置的半掛牽引車上，空載幾乎不可能滿足要求。 因此，改善空載時(shí)主掛制動(dòng)協(xié)調(diào)性可考慮在前制動(dòng)回路增加適配閥和后制動(dòng)回路采用感載閥兩種方案。

2.1 前制動(dòng)回路增加適配閥方案

如圖5所示，在制動(dòng)閥22口到前軸ABS之間增加適配閥(原理圖中元件23)，減小空、滿載小行程制動(dòng)時(shí)前制動(dòng)回路輸出壓力，從而減小整車制動(dòng)力矩，減少掛車對(duì)牽引車的沖擊，提高空載時(shí)牽引車與掛車的同步性。適配閥靜特性曲線如圖6所示。

圖6 適配閥及靜特性曲線

如圖7所示，前制動(dòng)回路增加適配閥方案主掛制動(dòng)協(xié)調(diào)性理論計(jì)算曲線滿足法規(guī)要求。此時(shí)，空、滿載小行程制動(dòng)時(shí)制動(dòng)強(qiáng)度降低，但整車制動(dòng)減速度和制動(dòng)距離均滿足法規(guī)要求。

圖7 適配閥方案主掛制動(dòng)協(xié)調(diào)性理論計(jì)算曲線

2.2 后制動(dòng)回路采用感載閥方案

如圖8所示，將后橋繼動(dòng)閥改為氣壓式感載閥(原理圖中元件10，實(shí)物見(jiàn)圖9)，空載時(shí)減小制動(dòng)時(shí)后制動(dòng)回路輸出壓力，從而減小整車制動(dòng)力矩，減少掛車對(duì)牽引車的沖擊，提高空載時(shí)牽引車與掛車的同步性。感載閥靜特性曲線如圖10所示。其中p41=p42=4.9×105Pa為滿載制動(dòng)時(shí)曲線；p41=p42=0.6×105Pa為空載制動(dòng)時(shí)曲線；p41=p42=0為失效制動(dòng)時(shí)曲線。

圖8 后制動(dòng)回路采用感載閥方案原理圖

圖9 氣壓式感載閥

如圖11所示，后制動(dòng)回路采用感載閥方案主掛制動(dòng)協(xié)調(diào)性曲線滿足法規(guī)要求。滿載制動(dòng)時(shí)曲線與原后橋繼動(dòng)閥時(shí)相同；空載制動(dòng)時(shí)制動(dòng)強(qiáng)度降低，但整車制動(dòng)減速度和制動(dòng)距離均滿足法規(guī)要求。

兩種方案的主掛制動(dòng)協(xié)調(diào)性曲線，空、滿載均滿足法規(guī)要求，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。感載閥方案的效果明顯更好一些，但是成本稍高一些。

圖11 感載閥方案主掛制動(dòng)協(xié)調(diào)性理論計(jì)算曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)半掛牽引車空載時(shí)主掛制動(dòng)協(xié)調(diào)性差、主掛協(xié)調(diào)性曲線超出了法規(guī)要求范圍的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)問(wèn)題產(chǎn)生的原因進(jìn)行理論計(jì)算與分析，結(jié)合道路試驗(yàn)及主觀評(píng)價(jià),提出了兩種優(yōu)化方案。通過(guò)采用可改變輸出壓力的裝置，改善了牽引車空載主掛制動(dòng)協(xié)調(diào)性，為半掛牽引車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn):

[1]余志生等.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]于俊峰,李廣庭,劉明杰,等.半掛牽引列車制動(dòng)協(xié)調(diào)性探討[J].重型汽車，2013(4)：12-15.

[3]全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).商用車輛和掛車制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法:GB 12676-2014[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015.