帶有空氣懸掛超靜定牽引車異步制動鎖死研究

1、帶有空氣懸掛的超靜定牽引車異步制動鎖死研究摘要：本文旨在解決采用空氣懸架的超靜定牽引車輪胎的異步制動鎖死的實際問題。首先，提出兩種在制動力和垂直力共同作用下的懸架變形計算模型；一個模型考慮安裝在前軸的鋼板彈簧懸架的變形，另一模型研究提升軸和傳動軸空氣彈簧的變形。第二，基于前述模型構(gòu)建多軸牽引機半掛車的一個12自由度超靜定制動力分配。第三,模型中每個軸的理想制動力是同時計算的，而每個軸的實際制動力是通過道路測試衡量的。理想與實際制動力分配曲線在不同制動率的比例已經(jīng)被描述。這個對比的結(jié)果表明，提升軸的過度制動力會導(dǎo)致過早制動鎖死，這是車輪異步鎖死的主要原因。最后，由于理想和實際制動力的分配率分析，

2、本文描述了如何根據(jù)CEC R13，SAE J992b和JASO C514來重新設(shè)計牽引車半掛車的制動力分配。本文提出了一個擬合程度（FD）的定義和計算方法，以及提升軸的擬合程度從61.2%提升至91.8%。與傳統(tǒng)牽引-半掛車相比，不僅是實際的制動力分配更合理，而且制動穩(wěn)定性也得到提高。關(guān)鍵詞： 超靜定牽引-半掛車、提升軸 、空氣懸掛、 制動力分配 、制動穩(wěn)定性 、貨車1 引言作用于車輪的異步制動鎖死是工程師在處理車輛制動安全的基本問題。當一個制動測試被應(yīng)用到ECE規(guī)則第13章中指提出的一輛負載多軸牽引車，過早制動鎖死會發(fā)生在提升軸的車輪上。此時，制動壓力只有0.4MPa，這明顯低于前、后軸的鎖

3、死壓力。因此，車輛制動效率急劇下降，車胎磨損嚴重加劇。為了分析和解決問題，本文構(gòu)造了一個多軸牽引車模型，仔細分析了每根軸的制動力分配。在模型中，如圖1.所示，前軸有一個鋼板彈簧懸架結(jié)構(gòu)，提升軸和傳動軸采用帶有鋼板彈簧縱臂的空氣懸架。多軸牽引車在靜態(tài)和制動過程中遭受來自地面的過大反作用力限制，它是一個超靜定系統(tǒng)。制動過程中牽引-半掛車的質(zhì)量傳遞導(dǎo)致馬鞍承受的軸荷的動態(tài)增加，而且會跟制動率增長一起增長。與此同時，牽引車的總負載質(zhì)量和重心的高度動態(tài)改變。有關(guān)這話題的早期研究報告已經(jīng)由Limpert【2】和Adas et al.【3】提出。Limpert分析了分別帶有活動梁、鋼板彈簧和多葉多杠懸掛的多

4、軸車輛制動時的動態(tài)軸荷，但帶有空氣懸架的多軸車輛的制動力分配的分析卻沒有得到描述。Adas et al. 做了一個在制動過程中關(guān)于前軸、后軸和半掛車的動態(tài)軸荷載的研究，但這種多軸車輛不是超靜定系統(tǒng)。Rossmann【4】計算了每根軸的理想制動力以及不同粘附系數(shù)下SIMPACK提供的戴姆勒、克萊斯勒834重型貨車的制動率。建立在圖1.的車輛制動計算模型對于特定問題更有效，而且它更好地揭示各種變量對制動力分配的影響。帶有空氣懸架的超靜定多軸牽引車被確定為研究對象。這個牽引車模型考慮兩個方面：一是來自地面垂直力的過度車輛限制，另一個是在制動力和垂直力聯(lián)合作用下空氣懸架的變形。本文為了分析每個輪子的異

5、步制動鎖死而建立一個牽引車-半掛車的動態(tài)制動力分配模型。組織如下。第二節(jié)討論應(yīng)用于在制動力和垂直聯(lián)合作用下的車輛的不同懸掛結(jié)構(gòu)的撓度。在第三節(jié)，構(gòu)建了一個超靜定牽引-半掛車的制動力分配計算模型，可以得到所有軸的理想制動力。第四節(jié)側(cè)重于每根軸的實際和理想制動的比較，這確定了異步制動鎖死發(fā)生的原因。首先，第五節(jié)基于若干制動法規(guī)要求改善了牽引-半掛車的制動力分配；其次，本節(jié)對制動性能各種標準測試進行了統(tǒng)計來確定異步鎖死壓力；第三，根據(jù)同步鎖死壓力-理想制動力曲線提出項目的的改進；第四，最后一部分對牽引-半掛車的制動力分配和制動穩(wěn)定性進行調(diào)整核查。第六節(jié)給出了一個結(jié)論和總結(jié)了本文的科學貢獻。圖1.帶有

6、空氣懸掛的超靜定多軸牽引車2 垂直力和制動力作用下懸架系統(tǒng)撓度分析為了計算車輛制動性能，有必要分析制動過程中每根軸的動態(tài)軸荷。對于這樣一個帶有空氣懸掛的超靜定多軸牽引車來說，每根軸的動態(tài)軸荷分析必須通過在垂直力與制動力作用下的懸架撓度研究來完成。在這一節(jié)中，本文將完成安裝在前軸的鋼板彈簧懸架以及安裝在提升軸和傳動軸的空氣懸架的偏差分析，這些都是在制動力和垂直力的聯(lián)合作用下的。2.1 鋼板彈簧懸架這個鋼板彈簧懸架結(jié)構(gòu)簡單以及從維護的觀點來講也是方便的；不僅是作為一個彈性元件或是作為一個指導(dǎo)組件，它現(xiàn)在被廣泛地應(yīng)用于重型車輛。鋼板彈簧的撓度分析已在SAE彈簧設(shè)計手冊【5】中闡述。圖2.表明，在垂直

7、力和發(fā)條扭矩作用下鋼板彈簧的偏移方式應(yīng)該要分析。DFZ是來自于地面作用在鋼板彈簧上垂直力的增加，PA和PB分別表示前、后彈簧孔的反作用力，TS是由地面制動力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，fA和fB分別是鋼板彈簧的前、后彈簧孔的垂直撓度。圖2.在垂直力和制動力作用下鋼板彈簧的變形基于所有這些參數(shù)，計算垂直力與制動力作用下鋼板彈簧懸架撓度f的公式可以這樣表示：當2.2縱臂鋼板彈簧懸架 空氣彈簧只可以承受垂直荷載，鋼板彈簧縱臂和橫向穩(wěn)定桿在空氣懸架中被設(shè)計成支撐縱向力與橫向力，如圖3. (a)所示。當同時考慮鋼板彈簧跟空氣彈簧時，提升軸的硬度是162000N/m，當單獨考慮空氣彈簧時它是162600N/m。在誤差范圍

8、內(nèi)，引導(dǎo)作用的鋼板彈簧的剛度是可以忽略的。圖3.（b）表示在垂直力與制動力同時作用下空氣懸架的撓度計算模型。計算空氣懸掛變形的公式是：當將等式（2b）代入等式（2a），空氣懸掛軸的直角偏轉(zhuǎn)可為：與傳統(tǒng)空氣懸架對比，車輛裝置的電子控制的空氣懸掛系統(tǒng)（ECAS）能確定瞬時轉(zhuǎn)速以致于進行動態(tài)或靜態(tài)荷載的識別。在車輛校正過程中，凹凸不平的道路、轉(zhuǎn)向、制動或者加速都可能導(dǎo)致動態(tài)荷載改變。在這種情況下，承載空氣囊的瞬時放棄或者膨脹都是不被期望的。因此，高度傳感器會在60秒后將信號傳送至ECAS的電子控制單元（ECU），電子控制單元會通過電磁閥給出氣囊充氣或放氣的指示，使氣囊回到預(yù)定的高度。充氣或放氣過程所

9、耗費的實踐叫做延誤時間。由此，制動過程中車輛的負重氣囊被認為是充氣或者放氣的恒定體積。因此，氣囊的剛度是一個固定值【6】。圖3.垂直力和制動力作用下空氣懸掛的變形3.帶有空氣懸架的超靜定半掛-牽引車制動力分配分析制動過程中，當每根軸的車輪利用最大縱向胎-路摩擦時，作用于車軸的理想制動力出現(xiàn)，而每根軸的輪胎縱向摩擦是伴隨胎-路摩擦系數(shù)和動態(tài)軸荷的結(jié)果【7】。假設(shè)空氣阻力和滾動阻力可以忽略不計，本文對牽引車與半掛車進行了力學/機械分析。半掛車與牽引鞍座的連接裝置上的摩擦影響忽略。圖4.描述了12自由度的超靜定牽引-半掛車制動力分配計算模型以及每根軸理想制動力計算公式如下。圖4. 超靜定多軸牽引-半

10、掛車的制動力分配計算模型3.1牽引車的理想制動力根據(jù)作用在牽引車體的力分析【8】，車輛動力學方程可以寫成：前輪的力矩平衡是：由于短尺跟高剛度，牽引車框架被假設(shè)為精確的【8】。因此，框架只有在每個軸懸掛支撐壓縮時才能傾斜而且不能彎曲?；趫D2.中在垂直力和制動力作用下的懸架撓度，框架的傾斜度的方程如下：3.2半掛車的理想制動力在X和Z軸方向的方程以及半掛車的力矩平衡的公式表示為：3.3牽引-半掛車的理想制動力當所有車輪利用最大縱向胎-路摩擦力時車輛處于理想制動條件下，每根軸的動態(tài)理想制動力FXi (i = 1, 2, 3, 4)可由下式獲得：3.4線性系統(tǒng)分析矩陣上述所有公式都是線性的，可以一個

11、適用于線性系統(tǒng)分析的矩陣更簡便地表示它們。聯(lián)立公式（4）和公式（8），每跟軸上的動態(tài)垂直荷載的矩陣公式表示為：每軸的理想動態(tài)制動力FXi (i=1, 2, 3, 4) 可由下式計算：Cj (j = 1, ., 7) 是一個中間變量且由下式給出：在理想制動條件下，道路粘附系數(shù)可由下式定義：許多道路測試已經(jīng)驗證了牽引-半掛車的制動率z不超過0.6【10】，所以z值得范圍可以固定在0到0.6。根據(jù)公式（10）和（11），每根軸的理想制動力FXi（i=1,2,3,4）與制動率z的曲線可以提出，見圖5.。檢查圖5.可得，提升軸的理想制動力緩緩增大，而制動力分配率隨著制動率z增加而逐漸降低。當制動率z達到

12、0.6時，提升軸的制動力分配率只有10%。因此，道路測試是用來測量每根軸的實際制動力分配率。圖5. 每根軸的理想制動力與制動率z的曲線4 衡量每個軸的實際制動力配比的道路測試根據(jù)歐洲經(jīng)濟委員會（ECE）法規(guī)第13版，附錄13，附件2，項目1.1（關(guān)于制動統(tǒng)一規(guī)定的批準車輛類別M,N和O）【1】，道路測試應(yīng)用于確定每個軸的實際制動力。就制動測試網(wǎng)站而言，超靜定多軸牽引-半掛車具有較高的需求，因為地面的長度和寬度應(yīng)滿足要求，以確保測試安全。因為目前只有一種柏油路滿足這種需求，制動力的動態(tài)適應(yīng)只有在一種道路條件下存在。該種測試方法是，制動系統(tǒng)只作用于測試車輛的一個軸，制動力應(yīng)在左、右車輪之間取得平均

13、。初始速度為50千米/小時，車輛制動減速取決于測試數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是根據(jù)車輛速度從40千米/小時到20千米/小時所計算出的每個軸的制動力所獲得的。制動管壓力從0.1MPa逐漸增加至分離制動軸鎖定。實驗測量如圖6所示。圖6.實際測量所得的每軸制動力曲線圖6的分析揭示了當單個軸制動實驗時提升軸的車輪首先鎖死，以及鎖死壓力只有0.4MPa。在整個牽引車-半掛車制動實驗中，結(jié)果與這些獲得數(shù)據(jù)一致。這可以推斷出在一個單獨制動率z時，理想和實際制動力分配比例曲線，見圖7。根據(jù)圖7，牽引車-半掛車的前、后軸實際制動力分配比例相對接近于理想的比率，但在提升軸的理想的和實際的制動力分配比例中也有明顯的差異。當司機稍

14、微壓低了制動踏板，提升軸上車輪的制動力會超過其道路粘附力，結(jié)果導(dǎo)致過早鎖死，以及每個車輪未能同步鎖死。因此，在制動過程中，提升軸的實際制動力應(yīng)該在其理想制動力的基礎(chǔ)上減少。圖7.每軸的制動力分配比率關(guān)于制動力比率z的曲線5 基于制動法規(guī)每個軸的制動力分配 提升軸的各種制動率理想制動力值可以從圖5中得到。它們是目標值和提升軸上實際制動力的交點。檢查圖7顯示，牽引車-掛掛車的前、后軸的制動力分配一般滿足需求，只有提升軸制動力需要重新分配。制動系統(tǒng)其它軸的參數(shù)不變。5.1牽引-掛掛車的制動法規(guī)定的制動減速要求幾個國內(nèi)外制動法規(guī)（聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會汽車法規(guī)R13，美國機動工程師協(xié)會J922b，JAS

15、O C514，等）對一個牽引-掛掛車的制動減速提出具體要求，見圖8。根據(jù)法規(guī)減速要求，以及一些牽引-掛掛車通過道路測試的若干制動減速測量值，例如奔馳和沃爾沃，此類車的平均完全成熟減速時5.4m/s2。換言之，最大制動率zmax是0.55。圖8.不同的車輛初速度制動力減速要求（MFDD，是充分發(fā)展的減速度）5.2 牽引-半掛車的制動管路（剎車油管）壓力制動管路的同步鎖死壓力應(yīng)該在確認改進后的提升軸上制動參數(shù)前被確定【11】。然后，采用類似的車輛類型作標準測試確定這臺牽引車-半掛車的參數(shù)。一些典型的國內(nèi)外掛拉機在水泥路上前、后管道的壓力的實驗結(jié)果在圖9顯示，測試方法使用ECE法規(guī)第13版，目錄13

16、，附錄2，條目1.1的附著系數(shù)的規(guī)定。因為實際制動過程中的制動減速比以上測試方法的測量要大，會發(fā)生更多來自軸上的負載轉(zhuǎn)換。因此前軸的實際鎖死壓力略大于試驗值，后軸實際的鎖死壓力小于試驗值。然而，前、后軸的鎖死壓力幾乎沒有差別，可以認為是作為設(shè)計的引用數(shù)據(jù)。圖9.由道路測試所得的幾個牽引機的同步鎖死壓力圖10.每軸的制動力分配比例關(guān)于制動比率的改進曲線分析圖6和圖9表明，車輛制動管的同步鎖死壓力幾乎是0.7MPa，顯示在圖5的結(jié)果表明提升軸的理想制動力是34.5KN。根據(jù)上述輸入條件和現(xiàn)存的制動產(chǎn)品范圍，提升軸的參數(shù)是重新設(shè)計的。Suhet al.【13】支出車輪制動力可以表示為：Pb是室內(nèi)剎車

17、壓力，A是室內(nèi)域，SAL是調(diào)整臂長度，BF是制動系數(shù)，即傳遞到S凸輪的轉(zhuǎn)矩的制動轉(zhuǎn)矩比率。事實上，鼓式制動器的機械損失是微不足道的，方程（12）關(guān)于計算制動力的適合制動力的計算精度僅僅約是70%。同理，文獻【14】提出一個詳細描述動態(tài)模型和修改公式的適當方法。在文獻【14】，制動氣室，制動凸輪軸和剎車制動片與各種抗摩擦性，慣性和復(fù)位彈簧都被考慮。這些模型的輸入是室內(nèi)空氣壓力，最終的輸出是實際總動態(tài)制動轉(zhuǎn)矩和車輪制動力。依據(jù)改進，關(guān)于測量制動力的計算制動力的計算精度接近90%。根據(jù)文獻【14】，提升軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了如下優(yōu)化：制動氣室16的有效面積, 95cm2；松緊調(diào)整器長度，117mm；內(nèi)層

18、弧角，60；制動鼓直徑，400mm。當管路壓力為0.7MPa，中間提升軸的實際制動力是28kN，基本上接近理想制動力。制動力分配比率改進后的曲線與這牽引車-掛掛車的制動率z對比如圖10.。擬合程度（FD）是應(yīng)用于評估圖7和圖10這個重新設(shè)計的車輛的制動力分配，擬合程度的結(jié)果由此得出：ARj_L是實際制動力分配比的下限，ARj_U是實際制動力分配比的下限，fARj (z) 是一個圖7和圖10的實際制動力飛配比曲線的變形的制動率z的函數(shù)，同樣地，fIRj (z) 是一個從理想制動力分配比曲線變形的制動率z的函數(shù)。車軸的FD值從圖7和圖10可算出，結(jié)果在表1.列出。結(jié)果表明：車軸的FD值明顯增強；特別地，中期提升軸的值從61.2%上升至91.8%。主要原因是高精度的鼓式制動器模型被用于優(yōu)化提升軸制動結(jié)構(gòu)參數(shù)，這些顯示，改進的制動力分配比例與理想比率基本對應(yīng)。為了協(xié)調(diào)牽引車跟半掛車的制動力分配，13號ECE法規(guī)給出了一個確保牽引車和掛掛車制動穩(wěn)定性的受限制動力區(qū)域。經(jīng)改進過制動力分配的原車和牽引-掛掛車的制動穩(wěn)定性調(diào)節(jié)測試的結(jié)果如圖11和圖12。表1每軸的FD值圖11.牽引機在制動力規(guī)則下