黃大星

(韶關(guān)學(xué)院 智能工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005)

0 引 言

隨著汽車工業(yè)技術(shù)和汽車消費(fèi)需求的快速發(fā)展，人們對(duì)汽車性能的要求也不斷提高，作為當(dāng)今社會(huì)重要交通工具的汽車，給人們帶來出行便捷的同時(shí)，也給人類帶來了諸如交通事故、環(huán)境污染等危害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2018年發(fā)生交通事故達(dá)24.5萬起，導(dǎo)致6.3萬人死亡，造成直接財(cái)產(chǎn)損失13.8億元。由此可見，人類享受運(yùn)用汽車所帶來便利快捷的同時(shí)，卻要面臨生命財(cái)產(chǎn)威脅和生活環(huán)境惡化的代價(jià)，這充分表明了汽車制動(dòng)性能的重要性。

通過對(duì)交通事故原因的分析發(fā)現(xiàn)，由汽車制動(dòng)失效因素引起的交通事故率占比高達(dá)三成[1]。從本質(zhì)來看，汽車制動(dòng)失效是源于包括頻繁制動(dòng)或長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)造成制動(dòng)裝置的摩擦副過熱、制動(dòng)裝置過度磨損、制動(dòng)介質(zhì)慣性及其復(fù)雜制動(dòng)管路導(dǎo)致制動(dòng)反應(yīng)遲鈍等相關(guān)因素造成的。非接觸式電磁制動(dòng)系統(tǒng)的成功研發(fā)[2]，為降低制動(dòng)失效提供了新的思路。電磁制動(dòng)裝置的出現(xiàn)，掀起了非接觸式制動(dòng)裝置的研發(fā)熱潮[3-6]。然而，由于電磁制動(dòng)器工作時(shí)需要較大的勵(lì)磁電流，當(dāng)單獨(dú)使用電磁制動(dòng)時(shí)缺少失效安全保護(hù)功能，加上較大容量高電壓蓄電池等設(shè)備增加了車輛的負(fù)荷，因此電磁制動(dòng)裝置不能完全替代原有汽車制動(dòng)裝置，從而導(dǎo)致電磁制動(dòng)器在汽車上的單獨(dú)運(yùn)用“受阻”。那么，能否將電磁制動(dòng)與傳統(tǒng)摩擦制動(dòng)進(jìn)行集成，以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)？美國(guó)人S.E.GAY利用矢量磁位法分析了集成系統(tǒng)的三維磁場(chǎng)分布和渦流分布，提出了將電磁制動(dòng)與摩擦制動(dòng)集成的設(shè)想[7]，開辟了電磁制動(dòng)與摩擦制動(dòng)系統(tǒng)集成的研究思路，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)電磁制動(dòng)與摩擦制動(dòng)的集成研究主要涉及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能[8-11]及其制動(dòng)力矩計(jì)算方法[12-13]等方面，文獻(xiàn)[14]針對(duì)研究了將電渦流制動(dòng)力矩加載于車輛后輪的制動(dòng)穩(wěn)定性，從理論上確定了電渦流緩速器的通電電流是車輛前輪制動(dòng)器制動(dòng)力的函數(shù)。由于電磁制動(dòng)與摩擦制動(dòng)的集成方式很多，系統(tǒng)集成后呈現(xiàn)的特性也存在較大差異，文中研究的電磁與摩擦集成制動(dòng)系統(tǒng)是由恒定壓力源的液壓制動(dòng)系統(tǒng)與恒定電壓源的電磁制動(dòng)系統(tǒng)復(fù)合而成。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)獨(dú)特，所涉及的制動(dòng)穩(wěn)定性能也不同，為此筆者對(duì)新型的電磁與摩擦集成制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力分配進(jìn)行分析，以探索集成制動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 電磁與摩擦集成制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 裝備電磁與摩擦集成制動(dòng)系統(tǒng)的轎車結(jié)構(gòu)

如圖1所示裝備電磁與摩擦集成制動(dòng)系統(tǒng)的轎車結(jié)構(gòu)方案，主要由傳動(dòng)裝置和制動(dòng)器等組成。文中研究的電磁與摩擦集成制動(dòng)系統(tǒng)中的電子液壓制動(dòng)器采用定鉗盤式制動(dòng)器，其管路采用雙回路交叉(X)型連接方式。與傳統(tǒng)的摩擦制動(dòng)系統(tǒng)相比，集成制動(dòng)系統(tǒng)增加了踏板信號(hào)傳感器、集成控制器、電磁驅(qū)動(dòng)器、電磁制動(dòng)器及其組件和永磁電機(jī)。

圖1 汽車電磁與摩擦集成制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

集成制動(dòng)控制器根據(jù)制動(dòng)需求，對(duì)ABS電動(dòng)泵、壓力調(diào)節(jié)裝置調(diào)整電子液壓制動(dòng)力大小，前軸摩擦制動(dòng)力大小分配由該壓力調(diào)節(jié)裝置來實(shí)現(xiàn)，壓力調(diào)節(jié)裝置由高速開關(guān)閥和蓄能器組成，同時(shí)通過分析前后輪制動(dòng)力分配及制動(dòng)工況要求，推算出目標(biāo)制動(dòng)力矩及車輛滑移率等狀態(tài)信息傳輸?shù)郊煽刂破鳌?/p>

1.2 電磁與摩擦集成制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了不改變?cè)瓉碥囕v其他零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)了與原有車輛(桑塔納3000)制動(dòng)盤一樣尺寸的雙集成制動(dòng)摩擦盤(安裝于前輪)，外側(cè)盤作為摩擦制動(dòng)盤，內(nèi)側(cè)作為電磁制動(dòng)盤。文中所研究的電磁與摩擦集成制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。汽車在不同工況下行駛時(shí)，對(duì)制動(dòng)力矩的需求也不盡相同。根據(jù)不同制動(dòng)意圖，集成控制器可以選擇開啟純電磁制動(dòng)模式、復(fù)合制動(dòng)模式(電磁-摩擦復(fù)合制動(dòng)模式)和純摩擦制動(dòng)模式(純電子液壓制動(dòng)模式)。

如圖2所示的電磁與摩擦集成制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有：①共用一個(gè)制動(dòng)支架，通過共用的支架對(duì)液壓油路、輪缸活塞、摩擦片進(jìn)行固定。車輪只與復(fù)合制動(dòng)盤相連，有效地減少了車輪旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；②為了保證電磁制動(dòng)力矩的穩(wěn)定性，將復(fù)合制動(dòng)盤進(jìn)行機(jī)械鎖定，以保證復(fù)合制動(dòng)盤之間的距離保持不變，這樣就保證了電磁制動(dòng)間隙不會(huì)改變，進(jìn)一步提升集成制動(dòng)器的工作可靠性；③兩片復(fù)合制動(dòng)盤在制動(dòng)過程中外側(cè)受液壓制動(dòng)力，內(nèi)側(cè)受電磁制動(dòng)力，相同的使用周期內(nèi)電子液壓制動(dòng)工作時(shí)間減少，外側(cè)摩擦制動(dòng)盤使用壽命延長(zhǎng)，降低了摩擦制動(dòng)器的使用成本，減少了摩擦過程中金屬粉塵污染，提高了集成制動(dòng)系統(tǒng)的環(huán)保性能；④復(fù)合制動(dòng)盤熱量導(dǎo)流口設(shè)計(jì)在中間，這種設(shè)計(jì)方案可讓制動(dòng)盤中間散熱，從而可以使其散熱效果有明顯的提升，改善了抗熱衰退性能。

圖2 雙盤式電磁與摩擦集成制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 制動(dòng)模式切換過程穩(wěn)定性

基于文獻(xiàn)[15]對(duì)汽車受力情況的相關(guān)假定，結(jié)合汽車受力圖(見圖3)，對(duì)汽車制動(dòng)穩(wěn)定性分析。忽略了制動(dòng)時(shí)車輪邊滾邊滑的過程，并且附著系數(shù)只取一個(gè)定值φ0。

圖3 汽車在制動(dòng)時(shí)的受力情況

(1)

式中：FZ1、FZ2為地面對(duì)前輪、后輪的法向反力；G為汽車重量；a、b、hg為汽車重心到前、后軸的距離和高度；L為軸距；φ為地面附著系數(shù)。

從電磁與摩擦集成制動(dòng)系統(tǒng)工作過程可知，電磁制動(dòng)與摩擦制動(dòng)同時(shí)或不同時(shí)施加于汽車的前軸。因此，當(dāng)汽車處于純電磁制動(dòng)模式時(shí)，前后制動(dòng)器制動(dòng)力分配策略是前輪采用純電磁制動(dòng)，后輪采用電子液壓制動(dòng)；當(dāng)汽車處于電磁與電子液壓復(fù)合制動(dòng)模式時(shí)，前后制動(dòng)器制動(dòng)力分配是前輪采用電磁制動(dòng)和電子液壓制動(dòng)，后輪采用電子液壓制動(dòng)；當(dāng)汽車處于純電子液壓制動(dòng)模式時(shí)，前后輪均采用電子液壓制動(dòng)。

設(shè)汽車前軸制動(dòng)器制動(dòng)力為Fuε：

(2)

由于純電磁制動(dòng)模式和純電子液壓制動(dòng)模式時(shí)，前軸只有一種制動(dòng)器工作，這時(shí)前后軸制動(dòng)器制動(dòng)力比例關(guān)系與傳統(tǒng)汽車的比例關(guān)系一樣。因此，針對(duì)電磁與摩擦集成制動(dòng)系統(tǒng)的汽車前后軸制動(dòng)器制動(dòng)力分配，關(guān)鍵是集成制動(dòng)系統(tǒng)復(fù)合制動(dòng)模式下電磁制動(dòng)器制動(dòng)力和電子液壓制動(dòng)力的比例分配的研究。

利用文獻(xiàn)[15]所提出的前、后車輪同時(shí)抱死的條件，對(duì)裝備電磁與摩擦集成制動(dòng)系統(tǒng)的汽車進(jìn)行分析。在任何附著系數(shù)φ的路面上，有：

(3)

將式(1)帶入式(3)，得：

(4)

消去變量φ，得：

Fμ2=

(5)

一般情況下兩軸式汽車的前、后制動(dòng)器制動(dòng)力之比為固定值，用β表示，也稱為制動(dòng)器制動(dòng)力固定分配系數(shù)。這時(shí)集成制動(dòng)系統(tǒng)前后軸制動(dòng)器制動(dòng)力可以表示為：

(6)

汽車前輪的復(fù)合制動(dòng)力為：

(7)

聯(lián)合式(1)、式(3)和式(7)可得：

(8)

將式(7)代入式(4)的第二列式，并整理得：

hgGφ2+[bG-βLG]φ-(1-β)LFum=0

(9)

式(9)方程f(φ)的判別式為：

Δ=[(bG-βLG]2+4hgG(1-β)LFum

(10)

汽車本身影響因素基礎(chǔ)上，分析可知電磁制動(dòng)器制動(dòng)力Fum的大小也影響Δ的值，從式(9)求解的同步附著系數(shù)也存在不同的結(jié)果。

當(dāng)Δ>0時(shí)，方程式(9)有兩個(gè)解：

φ01=

(11)

φ02=

(12)

汽車在附著系數(shù)φ<φ01的路面上制動(dòng)時(shí)，前輪先抱死，后輪后抱死；在φ=φ01的路面上制動(dòng)，前、后輪同時(shí)抱死。

同樣，電磁與摩擦集成制動(dòng)系統(tǒng)也需要滿足ECER13法規(guī)的要求。

利用附著系數(shù)定義可具體表示如下：

(13)

式中：FXb為對(duì)應(yīng)于制動(dòng)強(qiáng)度為z的地面制動(dòng)力；FZ為制動(dòng)強(qiáng)度為z時(shí)，地面法向反力；φz為利用附著系數(shù)。

設(shè)汽車前輪剛要抱死或前后輪同時(shí)剛要抱死時(shí)產(chǎn)生的減速度為du/dt=zg。

根據(jù)式(1)、(7)和(12)可得到制動(dòng)強(qiáng)度為z時(shí)的前、后軸利用附著系數(shù)φf和φr：

(14)

(15)

而電磁制動(dòng)器不工作時(shí)汽車的利用附著系數(shù)為：

(16)

(17)

由式(14)～(17)可以得到前、后軸利用附著系數(shù)的變化量Δφf、Δφr為：

(18)

(19)

由式(18)和式(19)可看出，這種制動(dòng)模式下，前軸利用附著系數(shù)比原車增加了Δφf，后軸利用附著系數(shù)比原車減少了|Δφr|。Δφf、Δφr大小主要取決于Fum/G。在制動(dòng)過程中，前軸利用附著系數(shù)的增加和后軸的降低，因而后軸先抱死概率顯著降低，而前軸的增加，因而制動(dòng)穩(wěn)定性有所增強(qiáng)，但喪失了轉(zhuǎn)向能力。

3 結(jié) 語

針對(duì)一種雙盤式電磁與摩擦集成制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理進(jìn)行了分析，基于ECE R13制動(dòng)法規(guī)，對(duì)電磁與摩擦集成制動(dòng)系統(tǒng)前后軸制動(dòng)力進(jìn)行了分析，得出裝備集成制動(dòng)系統(tǒng)的車輛相比傳統(tǒng)車輛的制動(dòng)穩(wěn)定性有所提高，為集成制動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)提供理論基礎(chǔ)。