殷祥珍，袁 晶，白志剛，楊利國，馬明武

8×4重型載貨車制動性能研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)

殷祥珍，袁 晶，白志剛，楊利國，馬明武

（一汽解放汽車股份有限公司，吉林 長春 130011）

防抱死制動系統(tǒng)（ABS）和電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（ESC）作為汽車重要的主動安全系統(tǒng)，GB 7258 早已規(guī)定所有汽車均需配備ABS系統(tǒng)，隨著JT-T 1178.1《營運(yùn)貨車安全技術(shù)條件》的實(shí)施，要求總質(zhì)量大于等于12 t 且車速超過90 km/h的載貨汽車需配備ESC系統(tǒng)。論文針對4S/4M配置形式的ABS系統(tǒng)在8×4重型載貨車上的應(yīng)用，建立數(shù)學(xué)模型，基于整車制動性能特性，通過理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，得出對于8×4載貨車ABS輪速傳感器布置于第2軸和4軸的合理性，車輛的制動性能和ESC性能都有很大提升。

8×4載貨車；4S/4M；制動性能；ABS；ESC

隨著打通物流運(yùn)輸最后一公里的國家政策的出臺，居民對新鮮農(nóng)產(chǎn)品的需求更加旺盛，由此帶來的消費(fèi)升級，使市場對載貨車的需求也不斷上升，而8×4（四軸車，前橋?yàn)閷?dǎo)向橋，二軸為隨動導(dǎo)向橋，后雙橋?yàn)轵?qū)動橋）驅(qū)動形式占重型載貨車市場比重約60%。由于8×4重型載貨車載重大慣性也大，行車制動距離長，由此帶來的安全隱患也大。

隨著國家對商用車安全的重視，國家法規(guī)已明確要求，所有車輛必須裝備防抱死制動系統(tǒng)（Antilock Brake System, ABS），總質(zhì)量大于等于12 t 且車速超過90 km/h的重型載貨車應(yīng)裝備電子穩(wěn)定性控制（Electronic Stability Controller, ESC）系統(tǒng)。從成本及性能的角度出發(fā)，主流主機(jī)廠均選擇4S/4M（4 個車輪速度傳感器（Wheel Speed Sensor, WSS）和4 個壓力控制閥（Pressure Control Module, PCM））配置形式來開發(fā)8×4重型載貨車。其中2個輪速傳感器和2個壓力控制閥控制前面2根軸，另外2個輪速傳感器及2個壓力控制閥控制三、四軸[1]。4個輪速傳感器如何在車輪上布置，以及制動性能和輪速傳感器的布置關(guān)系是一個值得研究的問題。

1 理論分析

1.1 整車質(zhì)量參數(shù)計(jì)算

本文以某款8×4載貨車作為研究對象，從理論上進(jìn)行分析。要分析整車的制動性能，首先要計(jì)算車輛的整車重量、質(zhì)心位置及各軸軸荷從而計(jì)算出整個車的重量和質(zhì)心位置[6]。對于8×4載貨車車型，后雙橋?yàn)轵?qū)動橋簡化等效為一根軸，等效軸位于中、后軸中間位置。已知8×4載貨車的基本參數(shù)信息如表1所示。

表1 某8×4載貨車的基本參數(shù)

名稱符號單位數(shù)值 軸距（第一軸到第二軸）L1mm2 000 軸距（第二軸到第三軸）L2mm5 175 軸距（第一軸到第三軸）L3mm7 175 第一軸懸架剛度K1kg/mm54.38 第二軸懸架剛度K2kg/mm54.38 第三軸懸架剛度K3kg/mm300.1 第一軸自由狀態(tài)車輪輪心到車架下表面的距離Z10mm303.8 第二軸自由狀態(tài)車輪輪心到車架下表面的距離Z20mm303.8 第三軸自由狀態(tài)車輪輪心到車架下表面的距離Z30mm256

整車空載和整車滿載（按照整車滿載31 000 kg計(jì)算）兩種狀態(tài)下的各軸非簧載質(zhì)量及整車簧載質(zhì)量信息，如表2所示。

表2 某8×4載貨車的質(zhì)量參數(shù)信息

名稱符號單位空載數(shù)值滿載數(shù)值 第一軸非簧載質(zhì)量M1kg658658 第二軸非簧載質(zhì)量M2kg642642 第三軸非簧載質(zhì)量M3kg2 2762 276 整車總質(zhì)量Mkg13 49031 000 整車簧載質(zhì)量Mskg9 91427 424 整車質(zhì)心到第一軸的距離LS1mm3 803.984 877.00 整車質(zhì)心到第二軸的距離LS2mm1 803.982 877.00 整車質(zhì)心到第三軸的距離LS3mm3 371.022 298.00 整車質(zhì)心距地面高度距離hmm1 2941 989

1.2 軸荷計(jì)算

在建立模型時，輪胎和懸架視作彈性元件，以輪胎輪心連線為基準(zhǔn)線，由于輪胎形變在輪心以下，可忽略輪胎變形對模型的影響。車架由于其形變很小，視作剛體元件。建立模型如圖1所示。

圖1 8×4載貨車軸荷計(jì)算模型

令一、二、三軸軸荷分別為123，制動減速度大小為，其中分別取值[0,0.1,0.2,0.3, 0.4,0.5,0.6,0.7,0.8]。以第三軸為支點(diǎn)，根據(jù)力矩平衡關(guān)系為

31+22=(3-s1)+（1）

化簡后為

31+22=(3-s1)+（2）

各軸軸荷之和等于整車自重：

1+2+3=（3）

第一軸的壓縮變形量：

Δ1=(1-1)/1（4）

第二軸的壓縮變形量：

Δ2=(2-2)/2（5）

第三軸的壓縮變形量：

Δ3=(3-3)/3（6）

根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件：

/=/（7）

式中，=(20-Δ2)-(10-Δ1)，=(30-3)-(10- Δ1)，=1，=3。

代入變形協(xié)調(diào)方程得

化簡得

聯(lián)立式（2）、式（3）、式（9）得矩陣方程為

代入方程中的各整車參數(shù)值即可求得整車在滿載31 000 kg狀態(tài)下，不同減速度時各軸的軸荷123。表3是不同減速度大小情況下計(jì)算所得軸荷。圖2是不同減速度下各軸軸荷曲線。

表3 不同減速度下各軸計(jì)算軸荷

制動減速度N1/kgN2/kgN3/kg 05 6975 86819 436 0.1g6 2856 24318 472 0.2g6 8736 61917 508 0.3g7 4626 99516 544 0.4g8 0507 37015 579 0.5g8 6397 74614 615 0.6g9 2278 12213 651 0.7g9 8158 49712 687 0.8g10 4048 87311 723

對后平衡懸架進(jìn)行受力分析，車體給鋼板彈簧一個向下的力3，第三、第四軸分別給板簧一個向上的支撐力45，第三、第四軸到平衡懸架中間支點(diǎn)的距離分別為45，板簧的弧高為0。根據(jù)平衡懸架結(jié)構(gòu)性質(zhì)4=5，0大于0。建立第三、第四軸的軸荷模型如圖3所示。

圖2 不同減速度下各軸軸荷曲線

圖3 平衡懸架軸荷計(jì)算模型

根據(jù)受力平衡

4+5=3（11）

以第三軸軸心為支點(diǎn)，進(jìn)行受力分析有

43-5-30=0 （12）

將式（11）代入式（12），得

1.3 制動性能分析

由圖2可以看出，無制動時，一軸軸荷和二軸軸荷基本相等，但在進(jìn)行制動時，一軸軸荷大于二軸軸荷，這說明制動時，軸荷轉(zhuǎn)移到一軸比二軸多。設(shè)輪胎與路面的附著系數(shù)為，一、二軸產(chǎn)生的附著力分別為1、2。1=1，2=2，當(dāng)1>2時，1>2。在保證輪胎不被抱死的情況下，一軸所需的最大制動力大于二軸。即當(dāng)ABS輪速傳感器布置在二軸車輪上，ABS起作用時，產(chǎn)生的制動力等于二軸的附著力，此時，一軸、二軸的制動力均小于一軸、二軸的附著力，從而一軸、二軸輪胎均不會被抱死，進(jìn)而提升整車制動性能，增加輪胎使用壽命。同時由于一軸、二軸均處于滾動狀態(tài)，整車的轉(zhuǎn)向性能不受影響，不足轉(zhuǎn)向和過度轉(zhuǎn)向性得以避免，車身穩(wěn)定性也更優(yōu)。后平衡懸架的第三、第四軸同理，在制動時，第三軸荷大于第四軸荷，所以輪速傳感器應(yīng)該布置于第四軸車輪上。綜上所述，對于重型8×4載貨車，采用4S/4M時，ABS輪速傳感器應(yīng)該布置在二、四軸車輪上。

2 試驗(yàn)測試

2.1 軸荷試驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述理論分析的正確性，首先在車廂內(nèi)平鋪裝上載荷，然后在軸荷測量臺上進(jìn)行軸荷測量，試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果比較如表4所示。

表4 實(shí)測軸荷與計(jì)算軸荷比較

項(xiàng)目試驗(yàn)軸荷/kg計(jì)算軸荷/kg計(jì)算誤差/% 一軸5 9205 6973.77 二軸6 0605 8683.17 三、四軸19 04019 4362.08

從表4中很容易看出計(jì)算結(jié)果相對于試驗(yàn)結(jié)果的誤差都是比較小的，能滿足使用要求，此計(jì)算模型是比較成功的。

2.2 制動試驗(yàn)

為了驗(yàn)證制動效果，在輪胎上標(biāo)記上白色標(biāo)記以便觀測各軸輪胎運(yùn)動狀態(tài)。在直線制動場地進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時將車輛加速到80 km/h，然后緊急制動直至停車，觀察各軸輪胎運(yùn)動狀態(tài)。首先將ABS輪速傳感器布置在一、四軸進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)緊急制動時，雖然裝有ABS輪速傳感器的車輪沒有出現(xiàn)抱死，但是可以明顯觀測到二軸輪胎有抱死狀態(tài)，且二軸輪胎與地面摩擦產(chǎn)生大量白煙，如圖4所示。然后將ABS輪速傳感器布置在二、四軸進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)緊急制動時，各軸輪胎均無抱死現(xiàn)象，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖4 高附二軸制動抱死

圖5 高附無抱死輪速與車速關(guān)系

2.3 J轉(zhuǎn)向試驗(yàn)

ESC能夠按照某種控制邏輯[2-4]，通過調(diào)用ABS制動系統(tǒng)[5]，可以對所有車輪單獨(dú)施加制動。以保證車身行駛狀態(tài)在穩(wěn)定的前提下盡量滿足駕駛員的意圖。

為了驗(yàn)證對車輛車身穩(wěn)定性的影響，按照《商用車輛電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)性能要求及試驗(yàn)方法》（GB/T 38185）進(jìn)行J轉(zhuǎn)向試驗(yàn)[7]，試驗(yàn)場地要求及測試場地如圖6所示。首先將ABS輪速傳感器布置在一、四軸進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)車速達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的最低車速48 km/h時，車輛進(jìn)入圓形場地，此時車輛側(cè)傾較大，且反復(fù)糾正方向盤也無法將車輛控制在圓形車道內(nèi)，最終車輛沖出車道，試驗(yàn)失敗，如圖7所示，從圖中可以看到，方向盤轉(zhuǎn)角一直在擺動。然后將ABS輪速傳感器布置在二、四軸進(jìn)行試驗(yàn)，側(cè)翻穩(wěn)定性車速達(dá)到55 km/h，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且車輛能穩(wěn)地行駛在車道內(nèi)[8]，如圖8所示，圖中方向盤轉(zhuǎn)角前段和后段近似平行線，中間平穩(wěn)連接，反映出車輛行駛很平穩(wěn)。

圖6 試驗(yàn)場地

圖7 一三軸布置側(cè)翻試驗(yàn)

圖8 二四軸布置側(cè)翻試驗(yàn)

3 結(jié)束語

1）8×4多軸車輛進(jìn)行制動時，軸荷轉(zhuǎn)移到前軸相對于后軸多。

2）基于4S/4M設(shè)計(jì)的8×4載貨車，其4個輪速傳感器應(yīng)該布置于車輛第二軸和第四軸車輪上。將輪速傳感器布置于此車軸上能極大地提升整車的制動性能和穩(wěn)定性能，從而提升整車的安全性。

[1] 鄭太雄,馬付雷,楊勇.汽車防抱死制動系統(tǒng)方向穩(wěn)定性控制方法[J].西南交通大學(xué)學(xué)報,2014,49(2):276- 282.

[2] 陳海淼.商用車電子穩(wěn)定系統(tǒng)研發(fā)及運(yùn)用研究[J].汽 車實(shí)用技術(shù),2018,43(19):138-140.

[3] 蘇海東,梅曉波.重型車ESC系統(tǒng)性能淺析[J].汽車實(shí)用技術(shù),2014,39(12):39-40.

[4] 劉子輝,趙玉超,郭鵬,等.ESC系統(tǒng)在某款重型汽車上的應(yīng)用[J].重型汽車,2016(2):21-22.

[5] 王樹韜.淺談ABS在重型車橋中的應(yīng)用[J].科技信息(科學(xué)教研),2007(27):82-83.

[6] 柴新偉,楊世文.三軸汽車軸荷計(jì)算及軸距選擇[J].機(jī)械管理開發(fā),2010,25(1):53-54,56.

[7] 國家市場監(jiān)督管理總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.商用車輛電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)性能要求及試驗(yàn)方法:GB∕T 38185—2019[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2019.

[8] 全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.機(jī)動車和掛車防抱制動性能和試驗(yàn)方法:GB∕T 13594—2003[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2003.

Study and Optimization Design of Braking Performance of 8×4 Heavy-duty Cargo Trucks

YIN Xiangzhen, YUAN Jing, BAI Zhigang, YANG Liguo, MA Mingwu

( FAW Jiefang Auto Company Limited, Changchun 130011, China )

Antilock brake system(ABS) and electronic stability controller(ESC) act as important active safety systems on vehicles. GB 7258 already mandates that every vehicle is supposed to be equipped with ABS system. With the implementation of JT-T 1178.1,—1:, cargo trucks with gross mass greater than or equal to 12t and speed over 90 km/h are supposed to be equipped with the ESC systems. Aiming at the application of ABS system with the layout of 4S/4M on 8×4 heavy-duty cargo trucks, this paper establishes a mathematical model.Based on the braking performance characteristics of trucks, through theoretical calculation and experimental verification, it is concluded that the rationality of of the ABS wheel speed sensor for 8×4 cargo trucks arranged on the second and fourth axles,which can significantly increase the braking performance and ESC performance of the trucks.

8×4 cargo trucks; 4S/4M; Braking performance; ABS;ESC

U462.2

A

1671-7988(2023)11-110-06

殷祥珍（1987－），男，工程師，研究方向?yàn)橹悄苷囋O(shè)計(jì)，E-mail:yinxiangzhen@rdc.faw.com.cn。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.020