單紅梅，張立斌，張亞男

(1.吉林大學(xué)交通學(xué)院， 吉林 長春 130025) (2.吉林大學(xué)工程訓(xùn)練中心， 吉林 長春 130025)

多軸重型車輛制動(dòng)失靈引發(fā)的交通事故時(shí)有發(fā)生，給社會(huì)帶來了巨大的危害。多軸車是指有三軸及以上軸數(shù)的載貨汽車[1]。作為預(yù)防制動(dòng)失靈的一個(gè)重要舉措，用于汽車制動(dòng)力檢測(cè)的傳統(tǒng)裝置分為兩種：平板制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)與反力式滾筒制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)。

目前我國多軸車輛制動(dòng)性能檢測(cè)方法主要包括平板測(cè)試法和增加自由滾筒法等[2-3]。平板測(cè)試法采用平板制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)，能夠較好地模擬汽車道路運(yùn)行條件, 對(duì)車輛制動(dòng)力檢測(cè)的同時(shí)還可以對(duì)軸重進(jìn)行檢測(cè)，具有較高的檢測(cè)效率[4-5]；增加自由滾筒法主要采用反力式滾筒制動(dòng)臺(tái)，利用臺(tái)架試驗(yàn)檢測(cè)車輛的制動(dòng)性能[6-7]。國外關(guān)于多軸車輛加載制動(dòng)檢驗(yàn)的研究較為成熟[8],加載方式主要有4種：上壓底板式、下拉車架式、下拉檢測(cè)軸式和舉升滾筒式。

汽車檢測(cè)企業(yè)采用的檢測(cè)設(shè)備多為具有舉升功能的加載制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，利用臺(tái)架檢測(cè)法對(duì)多軸車每根軸進(jìn)行制動(dòng)力檢測(cè)并獲取制動(dòng)力數(shù)值[9-10]。舉升式加載制動(dòng)臺(tái)對(duì)每根軸的舉升高度大約為100 mm,因此對(duì)所有車輛舉升到同一高度進(jìn)行制動(dòng)力檢測(cè)使得檢測(cè)數(shù)據(jù)不具有針對(duì)性。因此，研究舉升高度與加載軸荷之間的關(guān)系，可為多軸車輛加載檢測(cè)舉升高度的設(shè)置提供重要的參考依據(jù)。

1 加載制動(dòng)臺(tái)舉升過程及原理

1.1 工作原理

單軸反力式滾筒制動(dòng)臺(tái)主要由3部分組成：滾筒裝置、驅(qū)動(dòng)裝置及測(cè)量裝置[11]，如圖1所示。

1—電動(dòng)機(jī)；2—減速機(jī)；3—測(cè)量裝置；4—滾筒裝置；5—第三滾筒；6—測(cè)量指示裝置；7—鏈傳動(dòng)；8—轉(zhuǎn)速傳感器

舉升式加載制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)的詳細(xì)工作原理如下：

1)車輛中間軸緩慢行駛至加載制動(dòng)臺(tái)前、后滾筒之間的舉升器上，觸發(fā)行程開關(guān)，氣囊舉升器落下，隨后4個(gè)液壓油缸同時(shí)動(dòng)作，通過油缸活塞桿托起制動(dòng)臺(tái)四角的傳感器，制動(dòng)臺(tái)緩慢垂直地向上舉升。

2)當(dāng)舉升式制動(dòng)臺(tái)副滾筒上母線距地高度為100 mm時(shí)，舉升動(dòng)作停止，讀取該軸加載狀態(tài)下的軸荷。然后計(jì)算車輪最大制動(dòng)力、車輪制動(dòng)率及車軸制動(dòng)不平衡率。

3)制動(dòng)液壓缸油壓卸載，臺(tái)體下降至原位，氣囊舉升，其余各軸按照以上步驟依次進(jìn)行測(cè)量。加載舉升檢測(cè)制動(dòng)力示意圖如圖2所示。

圖2 加載舉升檢測(cè)制動(dòng)力示意圖

1.2 加載舉升過程

本文以四軸車為例，詳細(xì)介紹其加載舉升過程：首先車輛緩慢駛上軸重臺(tái)，依次測(cè)量每根軸的軸荷，然后車輛進(jìn)入加載制動(dòng)臺(tái)進(jìn)行加載舉升測(cè)試。舉升式加載制動(dòng)臺(tái)對(duì)四軸車輛的第一根軸不進(jìn)行舉升測(cè)試，只檢測(cè)第一根軸的制動(dòng)性能，檢測(cè)結(jié)束后第一根軸駛出制動(dòng)臺(tái)。接著，第二根軸緩慢駛?cè)爰虞d制動(dòng)臺(tái)開始舉升，當(dāng)制動(dòng)臺(tái)副滾筒母線距地面100 mm時(shí)，舉升動(dòng)作停止，滾筒開始轉(zhuǎn)動(dòng)并進(jìn)行制動(dòng)性能的檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)束后，制動(dòng)臺(tái)回位，第二根軸駛出加載制動(dòng)臺(tái)。第三根軸的測(cè)試過程與第二根軸保持一致，第四根軸的測(cè)試過程與第一軸保持一致。

2 車輪制動(dòng)力模型分析

圖3為加載制動(dòng)臺(tái)輪胎受力分析圖。圖中，N1,N2為滾筒對(duì)車輪的支撐力；F1,F2為車輪對(duì)滾筒的作用力；FXR為車輪受到的水平推力；G1為被測(cè)軸的軸荷；Mu1為車輪的制動(dòng)力矩；α1與α2為滾筒安置角；r為滾筒半徑；R為車輪半徑。

圖3 加載制動(dòng)臺(tái)輪胎受力分析圖

將作用力F1，F(xiàn)2按照垂直、水平兩個(gè)方向分解得：

(1)

進(jìn)一步整理可得：

(2)

假設(shè)滾筒安置角相等，即α1=α2=α，則安置角α可表示為：

(3)

式中：L為滾筒的中心距。

將式(3)代入式(2)中可得：

(4)

此時(shí)F1與F2的峰值F1max，F(xiàn)2max為：

(5)

式中：φ為附著系數(shù)。

最后將式(4)與式(5)聯(lián)合求解，所得的車輪抱死時(shí)的制動(dòng)力即為車輪最大制動(dòng)力Fmax：

(6)

當(dāng)前狀態(tài)下，水平方向約束力FXR為：

(7)

假設(shè)兩滾筒對(duì)車輪的支撐力是相等的，則水平方向約束力FXR為：

FXR=φG1

因此車輪最大制動(dòng)力Fmax可簡(jiǎn)化為：

(8)

從式(8)可知，車輪最大制動(dòng)力與3個(gè)因素密切相關(guān)：附著系數(shù)、軸荷、滾筒安置角。由于制動(dòng)臺(tái)為固定結(jié)構(gòu)，因此其安置角保持不變。而天氣原因會(huì)對(duì)附著系數(shù)產(chǎn)生一定的影響，但變化量不大。因此，對(duì)車輪制動(dòng)力影響最大的因素是軸荷。

3 加載制動(dòng)臺(tái)舉升試驗(yàn)系統(tǒng)配置

3.1 試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)

如圖4所示，舉升式加載制動(dòng)臺(tái)主要由3部分組成：舉升裝置、滾筒試驗(yàn)臺(tái)、液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)主要由液壓缸、液壓站、進(jìn)油管、回油管及電磁控制裝置組成，其主要功能是為臺(tái)體的舉升提供動(dòng)力；舉升裝置由臺(tái)架、滾筒、力傳感器、底座組成，主要用于承載車軸所施加的載荷；滾筒試驗(yàn)臺(tái)由數(shù)字采集系統(tǒng)、電機(jī)控制柜、工業(yè)計(jì)算機(jī)組成，主要用于控制整個(gè)舉升過程及數(shù)據(jù)的采集。

圖4 加載制動(dòng)臺(tái)實(shí)物圖

3.2 液壓系統(tǒng)部分

作為給液壓系統(tǒng)提供油壓的裝置，液壓站主要包括油箱、三相電機(jī)、電磁繼電器控制裝置和上、下腔同步馬達(dá)等[12-13]。從液壓原理的角度來看，其主要由液壓缸-舉升系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、帶閥液壓同步馬達(dá)、防止油液逆流的單向閥、保證安全壓力的溢流閥組成[14]。液壓系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

3.3 電控系統(tǒng)部分

電控系統(tǒng)主要包括主電路與控制電路兩部分。

1—液壓缸；2—液壓缸同步馬達(dá)；3—三位四通電磁閥；4—壓力表；5—換向閥；6—電動(dòng)機(jī)；7—油箱；8—液壓泵；9—溢流閥

主電路主要指強(qiáng)電部分，主要為電機(jī)等大功率用電設(shè)備供電?？刂齐娐分饕溉蹼姴糠?，用于信號(hào)的輸入輸出、電磁閥的吸合控制[14]?？刂齐娐分饕糜诓杉瘮?shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)。本試驗(yàn)臺(tái)需要采集處理的模擬信號(hào)有力信號(hào)、開關(guān)信號(hào)、位移信號(hào)等。這些模擬信號(hào)會(huì)被濾波、放大等信號(hào)調(diào)理模塊處理[15]。其中力信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換采用集成板卡IPC5484，該板卡具有32路通道，可實(shí)現(xiàn)16路的差分信號(hào)輸入處理。加載制動(dòng)臺(tái)控制原理圖如圖6所示。

圖6 加載制動(dòng)臺(tái)控制原理圖

控制說明：(1)過程為上位機(jī)輸出控制信號(hào)使集成板卡IPC5375的繼電器閉合。(2)過程為繼電器閉合后使交流接觸器的線圈導(dǎo)通，加載制動(dòng)臺(tái)電機(jī)啟動(dòng)。在(1)過程的基礎(chǔ)上，(2)過程也為控制舉升電磁閥閉合過程。(3)過程為集成板卡IPC5375接收來自制動(dòng)臺(tái)接近開關(guān)的數(shù)字量信號(hào)，然后經(jīng)由(4)過程傳輸給上位機(jī)電腦并進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。(5)過程為集成板卡IPC5484接收來自制動(dòng)臺(tái)力傳感器的模擬電信號(hào)。(6)過程為力信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化為上位機(jī)可接收的數(shù)字信號(hào)。

4 實(shí)車試驗(yàn)

為了得到加載制動(dòng)臺(tái)舉升高度和軸荷之間的關(guān)系，本文分別選用兩輛不同型號(hào)的前四后八車輛進(jìn)行了試驗(yàn)。一輛為歐曼ETX6，簡(jiǎn)稱A車；另一輛為德龍X3000，簡(jiǎn)稱B車。試驗(yàn)時(shí)選擇經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛員，以最大限度減少人為因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。檢驗(yàn)流程如1.2節(jié)所述，依次進(jìn)行舉升，并測(cè)試加載軸荷的大小。另外，為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，本文選取車輛為空載狀態(tài)且胎壓在合理范圍之內(nèi)，并清理輪胎花紋中的碎石子以保證試驗(yàn)人員的安全，最后檢查車輛外觀的改造情況。

為了進(jìn)一步避免試驗(yàn)誤差，在同一舉升高度做3次試驗(yàn)，分別記錄3組軸荷數(shù)據(jù)并取平均值作為此高度位置的加載軸荷數(shù)據(jù)。表1與表2分別給出了A車第二根軸與第三根軸的舉升高度和加載軸荷的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖7繪制了A車第二根軸和第三根軸的舉升高度和加載軸荷關(guān)系曲線。

表1 A車第二根軸試驗(yàn)結(jié)果

表2 A車第三根軸試驗(yàn)結(jié)果

圖7 A車舉升高度和加載軸荷關(guān)系曲線

表3與表4分別為B車第二根軸與第三根軸的舉升高度和加載軸荷的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖8為A車第二根軸和第三根軸的舉升高度和加載軸荷關(guān)系曲線。

表3 B車第二根軸試驗(yàn)結(jié)果

表4 B車第三根軸試驗(yàn)結(jié)果

圖8 B車舉升高度和加載軸荷關(guān)系曲線

從表1～表4可知，A車與B車同一舉升高度每組試驗(yàn)的重復(fù)性良好，可靠性較高。由曲線擬合得到舉升高度和加載軸荷關(guān)系，見表5。

表5 舉升高度和加載軸軸荷關(guān)系統(tǒng)計(jì)表

從表5可知，A車與B車的加載舉升高度與軸荷之間的關(guān)系是線性的，且不同的四軸車輛達(dá)到滿載時(shí)舉升高度也是不同的。同時(shí)，也證明了通過加載舉升高度的方法使多軸車達(dá)到滿載狀態(tài)的方法是可行的。

5 結(jié)束語

本文分析了制動(dòng)力產(chǎn)生機(jī)理，確定了制動(dòng)性能直接影響因素為軸荷,為檢測(cè)多軸車輛的制動(dòng)性能提供了依據(jù)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。但本文研究的四軸車輛相對(duì)局限，并沒有覆蓋其他種類的多軸車輛，比如三軸車輛加載軸荷和舉升高度之間的關(guān)系與四軸車輛不同，此工作需要進(jìn)一步完善。另外，車輛的折損情況和使用時(shí)間對(duì)試驗(yàn)也有一定影響，這些問題都需要進(jìn)一步研究。