摘" 要：制動系統(tǒng)相關(guān)故障和行車間距不足是導(dǎo)致載貨汽車追尾和側(cè)翻事故的主要原因，通過制動危險狀態(tài)及其影響因素的分析，搭建車輛在途狀態(tài)檢測裝置，獲取載貨汽車載荷、車速、制動系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)；基于傳感器數(shù)據(jù)進行了制動蹄片磨損程度異常、制動蹄片溫度異常狀態(tài)和制動燈故障等單參數(shù)制動危險狀態(tài)辨識；通過對制動過程中車輛進行動力學(xué)分析，建立了多參數(shù)制動距離計算模型，為標(biāo)定模型參數(shù)，設(shè)計并完成了車輛滑行試驗；通過仿真及實車試驗，對載貨汽車制動距離模型的有效性進行了驗證?；诙鄥?shù)制動距離模型，提出了一種檢測載貨汽車制動過程中的危險狀態(tài)的方法。

關(guān)鍵詞：載貨汽車；狀態(tài)檢測；制動過程；仿真分析；危險辨識

中圖分類號：U467" " " 文獻標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：1005-2550（2023）01-0009-07

Identification for Truck Risk Breaking Status Based on Multi-Parameter Detection

XIE Bao-ming1， YAO Xue-ping1，2，JI Bing-kui1，2，LI Ming-da1，2

（ 1.Guangxi Automobile Group Co.Ltd. Postdoctoral and External Expert Workstations.Liuzhou 545000，China; 2.Changchun Institute of Technology， School of Automotive Engineering， Changchun 130012， China）

Abstract： The main factor of truck rear-end collision and rollover are braking system failure and distance headway deficiency. By analyzing the dangerous status of braking and influencing factors， the detection device for truck in-transit status is built to obtain the truck load， speed and braking system status data. Identification for brake dangerous status such as wear degree of brake shoe anomaly， brake shoe temperature abnormal and brake lamp fault was carried out with single parameter. Braking dynamics analysis was performed for establishing braking distance calculation formula，and model parameters of the truck were calibrated by idling and sliding tests. Simulation and real vehicle test are designed respectively to verify the reliability of vehicle braking distance model. Considering the relationship between driving distance， braking pipeline pressure and braking distance， a multi parameter identification method of vehicle dangerous state in braking process is proposed.

Key Words： Truck; Risk Identification; Stopping Distance; Simulation; Road Test

謝寶明

畢業(yè)于重慶大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系，學(xué)士學(xué)位，北京大學(xué)光華管理學(xué)院MBA研究生進修生?，F(xiàn)任柳州五菱汽車科技有限公司總經(jīng)理、柳州正騰汽車貿(mào)易有限公司董事長。曾榮獲柳州市五小成果二等獎2項、三等獎5項、鼓勵獎9項，獲得“柳州市先進科技工作者”稱號；并獲得5項工作專利；在《汽車周刊》及《汽車測試報告》發(fā)表2篇專業(yè)文稿。

據(jù)統(tǒng)計，由載貨汽車交通事故死亡人數(shù)約占交通事故死亡人數(shù)的30%，其中由于制動系統(tǒng)故障和行車間距不足導(dǎo)致的追尾和側(cè)翻事故占總事故數(shù)的一半以上。導(dǎo)致此類事故的原因復(fù)雜多樣，在車輛使用方面，車輛經(jīng)常超載、偏載行駛，加上行駛時間過長，導(dǎo)致車輛制動性能下降，制動距離過長，引發(fā)重特大交通事故。John Scott，Richard Fay等人研究了載貨汽車在失控狀態(tài)下的制動性能，并研發(fā)了一種硬件平臺，該平臺可以實時的提示駕駛員車輛制動器狀態(tài)[1]；P Delaigue和A Eskandarian等人通過研究輪胎、制動、懸架、駕駛?cè)藢ω涇囍苿泳嚯x的影響，提出制動距離預(yù)測方法[2]；余強等人對長大下坡過程中載貨汽車進行了受力分析，基于制動器升溫模型和汽車行駛方程，建立了長大下坡路段重型貨車速度預(yù)測模型[3]；史培龍等人提出了氣壓制動系統(tǒng)危險狀態(tài)辨識方法，準(zhǔn)確預(yù)測制動系統(tǒng)發(fā)生管路破裂、機械故障或熱衰退等故障[4]；李世武等人通過對車輛運行狀態(tài)的監(jiān)測，實現(xiàn)載荷狀和制動狀態(tài)危險辨識和預(yù)警[5]。

本文基于多傳感器檢測技術(shù)，實現(xiàn)對車輛制動蹄片磨損程度、溫升、制動燈狀態(tài)等制動系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)測，同時基于對制動車速、車輛載荷狀態(tài)的檢測，完成對制動距離和制動管路壓力安全閾值的預(yù)測，對行車間距不足和制動管路壓力異常狀態(tài)進行實時預(yù)警。

1" " 車輛制動安全相關(guān)參數(shù)采集

車輛的制動距離過長是導(dǎo)致追尾事故的直接原因，影響其制動距離的因素有車輛的制動初速度、載荷狀態(tài)、制動力以及路面附著條件。制動距離是制動效能恒定性的重要指標(biāo)，制動蹄片的溫度和磨損程度能反應(yīng)車輛制動效能的恒定性，同時考慮制動燈光故障對車輛制動的潛在危險性，將燈光狀態(tài)也納入制動參數(shù)采集方案。綜合考慮影響汽車制動安全的因素，提出了全面的載貨汽車制動系統(tǒng)參數(shù)采集方法。其采集的參數(shù)及傳感器類型如表1：

2" "基于單參數(shù)的制動危險狀態(tài)辨識

2.1" "制動蹄片磨損程度異常

采用磨損試驗對傳感器進行標(biāo)定，對制動蹄片磨損量和傳感器輸出電壓進行擬合，擬合結(jié)果顯示四次擬合效果最佳如圖2所示，得到輸出電壓與磨損量關(guān)系式為：

據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，得到摩擦片安全厚度需滿足：Lwgt;7mm。帶入公式（1），得到制動蹄片磨損傳感器的輸出電壓：Vwgt;3.26，若輸出電壓值Vwlt;3.26，該電壓將作為判斷制動蹄片磨損異常的參數(shù)。

2.2" "制動蹄片溫度異常狀態(tài)辨識

貨車制動蹄片溫度對其制動效能恒定性影響很大，圖3為通過試驗得出的不同材料的制動蹄片其摩擦系數(shù)與溫度之間的關(guān)系，可以看出，金屬纖維和樹脂橡膠材料在溫度達到200℃時摩擦系數(shù)達到最高，在超過250?C之后，包括耐高溫的陶瓷材料在內(nèi)摩擦系數(shù)均呈明顯下降趨勢，若制動蹄片長時間處于高溫狀態(tài)下，制動失效的概率將大大增加。

為實時準(zhǔn)確的監(jiān)測車輛制動蹄片的溫度變化，對測溫傳感器的布置位置尤為重要。本文選取熱電偶制動蹄片溫度傳感器來監(jiān)測車輛制動蹄片的溫度變化。為找到傳感器的最佳布置位置，對制動過程中車輛制動蹄摩擦襯片的溫度變化進行有限元分析[7]。其測量結(jié)果能夠更好的判斷制動效能恒定性。圖4為得到的制動蹄的溫度場分布情況。

導(dǎo)入試驗車制動蹄三維模型至ANSYS，并劃分網(wǎng)格進行仿真分析，在緊急制動且制動力不變的前提下，仿真結(jié)果顯示，制動蹄摩擦襯片最高溫度位置處于上半側(cè)1/2處，具體位置為豎直方向y軸對應(yīng)寬度范圍為y0=90～105mm，在此高溫度區(qū)域布置熱電偶溫度傳感器，獲取制動器溫升度數(shù)據(jù)。

國家標(biāo)準(zhǔn)和已有研究文獻均指出，重型貨車鼓式制動器摩擦片的最佳工作溫度范圍為100～350℃。美國聯(lián)邦公路局在設(shè)置公路避險車道時，將載貨汽車制動過程中制動鼓溫度是否超過260?C作為重要依據(jù)[8]。綜合考慮以上研究，將制動蹄片溫度危險閾值設(shè)為260?C。

2.3" "制動燈故障辨識

霍爾電流傳感器采用半導(dǎo)體材料制成磁電轉(zhuǎn)換器件，當(dāng)有磁場穿過霍爾器件的感磁面時，則在輸出端輸出霍爾電勢VH。這里采用霍爾電流傳感器檢測車燈工作狀態(tài)，將車燈連接線路穿過傳感器感磁孔，當(dāng)制動燈工作正常時，則線路有電流流過周圍形成磁場，傳感器感磁輸出霍爾電壓U，圖5為制動試驗中左后側(cè)制動燈傳感器輸出電壓信號，可得到，制動燈正常時，傳感器輸出電壓為U=1.9V～2.0V。若制動燈故障，制動過程中傳感器采集不到電壓或輸出電壓不在正常范圍內(nèi)，以此可判斷制動燈故障。

3" " 多參數(shù)制動危險狀態(tài)辨識

通過對試驗車輛的制動力學(xué)分析，構(gòu)建載貨汽車不同制動工況下的多參數(shù)制動距離計算模型。

3.1" "制動力學(xué)分析

為了保證模型和試驗參數(shù)的一致性，以試驗車輛制動器（非平衡凸輪領(lǐng)從蹄式）為模型進行制動力學(xué)分析，如圖6。模型建立前提是摩擦襯片力學(xué)形變遵從胡克定律[9]。

求解可得摩擦片全面積上的等效制動力表達式：

式中LAS，K，DL表達為：

3.2" "制動距離計算模型

針對制動過程中的極限狀態(tài)，即純滾動和抱死拖滑兩種狀況，其制動距離計算公式為：

其中φb為路面附著系數(shù)，G是汽車重力。

式（6）中的空氣阻力FW和滾動阻力Ff的計算公式，可根據(jù)國標(biāo)《GB/T12536—90汽車滑行試驗方法》進行獲取，試驗車輛為解放賽龍CA1169PK2L2EA80載貨汽車。選擇來往車輛少且無干擾的道路環(huán)境下，在10km平坦干燥的瀝青混凝土道路上進行滑行試驗，如圖9試驗過程，通過試驗確定車輛的空氣阻力系數(shù)和滾動阻力系數(shù)，得到平均風(fēng)阻和平均滾阻的表達式如下：

通過公式（6）（7）（8），得到試驗車輛水平路面的停車距離計算公式：

3.3" "停車距離模型試驗分析

3.3.1 仿真試驗

為了方便制動距離模型的計算和驗證，基于實驗車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)，使用MATLAB/Simulink建立制動距離仿真模型，建模參數(shù)如表2。仿真得出貨車載荷狀態(tài)、制動初速度、制動器制動力對停車距離的影響，并得出不同狀態(tài)參數(shù)下制動停車距離。

將制動系統(tǒng)參數(shù)代入制動力計算公式（1），得到制動力Fμ

Pf 為前制動回路氣壓，Pr為后制動回路氣壓。

以點剎純滾動制動模式為例，聯(lián)立停車距離計算公式（9）（10）建立制動仿真模型，故仿真采用Fμlt;F下的的制動距離公式。輸入變量為制動初速度、制動管路壓力、車輛載荷，輸出為停車距離。使用MATALB仿真得到試驗貨車制動距離與前后制動管路總壓力、制動初速度和裝載質(zhì)量之間的關(guān)系曲面圖。

圖7為載荷量確定下，車速、制動壓力與制動距離的關(guān)系曲面圖。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)貨車半載（整車質(zhì)量9750kg）時，制動距離與制動初速成正比；而車速一定時，停車距離與制動管路壓力成反比。

如圖8為70km/h的制動初速度下，載荷、制動壓力與制動距離的關(guān)系曲面圖。可以看出，初速度一定時，停車距離與車輛載重成正比；載重量一定時，停車距離與制動管路壓力成反比。仿真結(jié)果符合制動試驗設(shè)定，進一步使用實車道路試驗驗證制動距離計算模型的準(zhǔn)確定。

3.3.2 實車道路試驗

實車道路制動試驗在無干擾平直路面進行，試驗車輛在不同裝載狀態(tài)下，由制動管路閥門控制管路壓力，分別以不同制動初速度進行定點緊急制動試驗，用測距工具測得制動距離。制動過程中制動管路壓力信號，行駛速度信號，車輛載荷動態(tài)數(shù)據(jù)可通過圖1中試驗車安裝的制動狀態(tài)檢測裝置獲取，試驗條件及試驗參數(shù)如表3，實驗過程如圖9所示。

將以上實車試驗條件作為仿真條件同時進行仿真實驗，基于制動距離計算模型得到仿真結(jié)果與制動試驗結(jié)果差值如圖10，11。

從圖10，11中仿真結(jié)果與試驗結(jié)果差值可以看出，無論車輛是空載還是半載，仿真與道路試驗結(jié)果差值均小于±3.5m。前后兩車行駛安全車距應(yīng)該等于緊急制動時兩車停車距離之差與預(yù)留安全距離之和，根據(jù)以往研究及經(jīng)驗分析，考慮停車距離預(yù)測誤差，將安全距離定為5m。

3.4" "基于安全行駛間距的危險狀態(tài)辨識

考慮兩種情況：

第一，前車緊急制動，載貨汽車隨之采取緊急制動措施，若保證兩車不發(fā)生碰撞，其停止后應(yīng)保持預(yù)留安全間距D，如圖12；前車制動距離為Sf，后車制動距離為Sr、兩車停車后間距為D、制動前行車間距是D0。保證行車安全的條件是Sf+D0＞Sr+D。

第二：前車由于障礙物突然停止，此時需滿足跟隨車輛緊急采取制動到制動停止后，仍能夠保持與障礙物的安全間距D，如圖13所示。此時，前車制動距離Sf =0，保證行車安全的條件則是D0＞Sr+D，D是停車后間距，一般取5米，故根據(jù)第二種情況保守估計安全行車間距為D0≥Sr+5，其中Sr即為當(dāng)前車的制動距離。

在車輛行駛過程中，通過車輛制動系統(tǒng)檢測裝置（圖1）檢測車輛狀態(tài)，用制動距離計算模型計算當(dāng)前制動狀態(tài)下的制動距離Sstop，其制動距離預(yù)測如式（9）?？赏ㄟ^測距傳感器檢測駕駛車與前車間距Ds，當(dāng)行車間距Ds≥Sstop+5時判定為安全行車狀態(tài)。

3.5" "制動管路壓力異常狀態(tài)辨識

試驗所選取的載貨汽車最大總質(zhì)量為15噸，為兩軸六輪重型載貨汽車，按照我國機動車分類方法，該車輛屬于N3類車輛，其制動距離應(yīng)該滿足如下要求[10]：

根據(jù)標(biāo)定試驗得到制動距離計算模型（公式9），將試驗車輛參數(shù)帶入模型得到制動距離s的計算公式，與機動車制動距離要求不等式（11）聯(lián)立得到試驗車的最低制動性能應(yīng)滿足公式如下：

根據(jù)車輛制動系管路壓力異常辨識規(guī)則，如果貨車制動回路氣壓不足，制動距離也會隨之增加。為了明確不同行駛工況下，滿足制動距離要求的制動回路壓力閾值，將公式12簡化為：

其中m整車質(zhì)量，可通過載荷檢測傳感器確定；v0為輛制動初速度，P為傳感器檢測的管路壓力值。

根據(jù)制動管路壓力閾值公式13，使用MATLAB畫出制動管路壓力與貨車整車質(zhì)量和行駛車速之間的關(guān)系曲面圖，如圖14所示，該曲面為制動管路壓力閾值曲面，當(dāng)貨車加載質(zhì)量和行駛車速確定的情況下，若計算出制動管路壓力處于曲面下方，則判定為制動危險狀態(tài)，反之若處于曲面上方，說明制動管路能提供使車輛滿足制動要求的制動壓力，為安全狀態(tài)。

5" " 總結(jié)

（1）通過制動危險狀態(tài)及其影響因素的分析，搭建了車輛在途狀態(tài)檢測系統(tǒng)，獲取載貨汽車載荷、車速、制動系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。

（2）基于傳感器數(shù)據(jù)進行了制動蹄片磨損程度異常、制動蹄片溫度異常狀態(tài)和制動燈故障等單參數(shù)制動危險狀態(tài)辨識。

（3）基于制動過程中的車輛動力學(xué)分析，建立了制動距離計算模型，設(shè)計并進行載貨汽車滑行試驗，標(biāo)定模型中相關(guān)參數(shù)。

（4）分別設(shè)計了仿真試驗和道路制動試驗，對車輛制動距離計算模型的可靠性進行了驗證?？紤]行車間距、制動管路壓力與制動距離的關(guān)系，提出了一種制動過程中車輛危險狀態(tài)的多參數(shù)辨識方法。

參考文獻：

[1]J.Scott，R. Fay，et al. Brake Performance Testing and Truck Runaway Analysis[C]//SAE paper 2003-01-3396.

[2]Delaigue P，Eskandarian A. A comprehensive vehicle braking model for predictions of stopping distances[J]. Journal of Automobile Engineering， 2004（218）：1409-1417.

[3]王志新，余強，趙軒，等.長大下坡路段載貨汽車行駛速度預(yù)測研究[J].公路交通科技.2017，（7）：130-134.

[4]史培龍，余強，趙軒，等.重型載貨汽車氣壓制動系統(tǒng)危險狀態(tài)識別[J].中國公路學(xué)報.2019，（7）：182-190.

[5]姚雪萍. 載貨汽車危險狀態(tài)辨識及監(jiān)測預(yù)警研究[D].長春：吉林大學(xué)，2014.

[6]顧永田．車輛長大下坡持續(xù)制動制動鼓溫升試驗研究[D]．西安：長安大學(xué)，2008．

[7]國儉，載貨汽車制動器溫度監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)研究[D].長春：吉林大學(xué)，2014.

[8]孫景陽. 汽車制動器摩擦性能試驗方法研究[D].吉林大學(xué)，2006.

[9]王宣風(fēng). 鼓式制動器動力學(xué)性能的研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

[10]GB12676-2014商用車輛和掛車制動系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗方法[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

專家推薦語

閆濤衛(wèi)

東風(fēng)汽車集團有限公司技術(shù)中心

架構(gòu)開發(fā)中心" 高級工程師

文章緊扣商用車制動領(lǐng)域研究現(xiàn)狀，通過對商用車輛制動蹄片溫升、制動燈狀態(tài)管路壓力等制動系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)測，估算制動距離和制動管路壓力安全閾值，對行車間距不足和制動管路壓力異常狀態(tài)進行預(yù)警，可以提高行駛安全性，有一定創(chuàng)新性。