（道路与铁道工程专业论文）大货车持续制动性能与山区高速公路纵坡优化设计研究.pdf

摘要 摘要 在今后相当长一段时间内，我国高速公路建设重点将转向西部山岭地区， 因而可能出现大量长大下坡路段。而现有长大下坡路段事故率相对较高，重特 大事故相对较多，且事故车型与事故原因中大货车与制动失效所占比例相对较 高。因此，有必要对大货车在长大下坡路段的持续制动性能进行研究并优化山 区高速公路纵坡设计，以提高大货车在长大下坡路段的制动安全性。 制动器温度是大货车持续制动性能的直接影响因素，是导致大货车制动失 效的直接原因，本文首先建立了大货车在发动机制动和排气制动辅助制动器制 动时制动器的温度预测模型。根据国内典型高速公路长大下坡路段的交通组成 调查结果和事故车型分析结论，确定本文代表车型为1 + 2 2 轴型、满载质量为3 0 吨的大货车：运用汽车动力学和传热学理论，结合发动机制动力测定试验所测 的发动机制动力数据，计算了大货车在连续下坡过程中其制动器的制动力和温 度变化情况，建立了制动器温度预测理论模型；在典型路段进行制动器测温试 验，测量了大货车以不同制动方式、载重及车速在试验路段连续下坡的过程中 制动器的升温情况，及连续上坡时制动器的降温情况，以试验数据检验并修正 了制动器温度预测理论模型，使其能准确预测大货车制动器温度变化情况。并 运用该模型分析了大货车载重、下坡车速对制动器升温的影响。 在对大货车持续制动性能分析研究的基础上，论文提出了山区高速公路纵 坡设计的优化指标。根据对大货车的动力学分析，求解出大货车发动机制动和 排气制动所能克服的最大下坡坡度；运用制动器温度预测模型，研究了高差和 总里程相同时不同纵坡组合对大货车制动器升温的影响，并预测了各平均纵坡 下大货车制动器的升温情况，在保证其温度不超过安全温度的条件下，提出了 山区高速公路平均纵坡和总坡长的限制指标。 关键词：山区高速公路，长大下坡，纵坡设计，交通安全，大货车，持续制动 性能，制动器温度 a b s t r a c t a b s t r a c t f o ral o n gp e r i o do ft i m ei nt h ef u t u r e , t h ee m p h a s i so ft h ef r e e w a yc o n s t r u c t i o n w i l lb ei nt h em o u n t a i na r e a si nt h ew e s to fc h i n a l o n ga n ds t e e pd o w n g r a d ew i l lb e s e ti nm a n yf r e e w a y s b u tt h ee x i s t i n gl o n ga n ds t e e pd o w n g r a d es e c t i o n sh a v eh i g h e r a c c i d e n tr a t ea n dm o r eh e a v ye s p e c i a l l yb i ga c c i d e n t sr e l a t i v e l y a n dt h em a i n a c c i d e n t m o t o r c y l es t y l ew a sb i gt r u c k , a n d t h em a i nc a u s eo ft h ea c c i d e n t sw a sb r a k e f a i l u r e s oi t 担n e c e s s a r yt os t u d yt h ec o n t i n o u sb r a k i n ga b i l i t ya n do p t i m i z et h e c r i t e r i af o rt h el o n g i t u d i n a ls l o p eo ft h ef r e e w a y si nm o u n t a i na r e at oi m p r o v et h e b r a k i n gs a f e t yo fb i gt r u c k so nl o n ga n ds t e e pd o w n g r a d es e c t i o n s t e m p e r a t u r eo ft h eb r a k ei n f l u e n c e dt h ec o n t i n o n sb r a k i n ga b i l i t yo ft h eb i g t r u c kd i r e c t l y , a n dw a st h ei m m e d i a t ec a u s eo fb r a k ef a i l u r e s o ，f i r s t l y , t h i sp a p e r e s t a b l i s h e db r a k et e m p e r a t u r ep r e d i c t i n gm o d e li nt h ec o n d i t i o nt h a tt h em a i nb r a k e w a sw o r k i n gw i t he n g i n eb r a k eo rt h ee x h a u s tb r a k e b a s e do ni n v e s t i g a t i o no ft h e t r a f f i cc o m p o n e n to nt h ef r e e w a yi nc h i n aw h i c hh a dt y p i c a ll o n ga n ds t e e p d o w n g r a d es e c t i o n sa n da n a l y s i so ft h em a i nv e h i c l es t y l ei nt h ea c c i d e n t s ，b i gt r u c k w i t ht h r e ea x l e sw h i c hw e i g h t s3 0t o n sw h e nf u l l yl o a d e di sc h o s e nt ob et h es t a n d a r d v e h i c l es t y l e b a s e do nt h ea u t o m o b i l ed y n a m i c s ，h e a tt r a n s f e rt h e o r ya n dt h e d r a g g i n gf o r c eo ft h ee n g i n em e a s u r e di nt h ee n g i n ed r a g g i n gf o r c et e s t ，t h eb r a k i n g f o r c ea n db r a k et e m p e r a t u r ew e r ec a l c u l a t e d , a n dt h et h e o r e t i cb r a k et e m p e r a t u r e p r e d i c t i n gm o d e lw a se s t a b l i s h e d b r a k et e m p e r a t u r et e s tm e a s u r e dt h eb r a k e t e m p e r a t u r ew h e nt h et e s t i n gb i gt r u c kw a sr u r m i n gd o w nt h et y p i c a lc o n t i n u o u sl o n g a n ds t e e pd o w n g r a d es e c t i o no ft h ef r e e w a yf o rm a n yt i m e s ，a n de a c ht i m et h et e s t i n g t r u c kh a dd i f f e r e n tw e i g h t s ，o rd i f f e r e n ts p e e d s ，o rd i f f e r e n tw a y sc o n t r o l l i n gt h e s p e e d a n di ta l s om e a s u r e dt h eb r a k et e m p e r a t u r ew h e nt h et r u c kw a sr u n n i n gu pa n d t h eb a k ew a $ d i s s i p a t i n gh e a t w i t l lp a r to ft h et e m p e r a t u r ed a t am e a s u r e d ，t h e t h e o r e t i cb r a k et e m p e r a t u r ep r e d i c t i n gm o d e lw a sc h e c k e da n dt h e na m e n d e d ，s ot h a t i tc a np r e d i c tt h eb r a k et e m p e r a t u r ea c c u r a t e l y w i t ht h eb r a k et e m p e r a t u r ep r e d i c t i n gm o d e l ，h o wm u c ht h ew e i g h ta n ds p e e d a b s t r a ( 了r i n f l u e n c et h eb r a k et e m p e r a t u r ew a sa n a l y z e d w i t ht h ea u t o m o b i l ed y n a m i c st h e o r y , t h em a x i m u ml o n g i t u d eg r a d i e n to nw h i c ht h ee n g i n eb r a k eo rt h ee x h a u s tb r a k ec a l l c o n t r o lt h et u c k j ! h s p e e dw i t h o u tt h eb r a k ew a sw o r k e do u t w i t ht h em o d e l ，t h i sp a p e r s t u d i e dh o wd i f f e r e n tl o n g i t u d es l o p ec o m b i n a t i o n sw i t ht h es a m ea l t i t u d ed i f f e r e n c e a n dt o t a lm i l e a g ei n f l u e n c et h eb r a k et e m p e r a t u r ei nt h ep r e r e q u i s i t et h a tt h eb r a k e t e m p e r a t u r ew a sl o w e rt h a ni t sc r i t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：f r e e w a y si nm o u n t a i na r e a ，l o n ga n ds t e e pd o w n g r a d e ，l o n g i t u d es l o p e d e s i g n , t r a f f i cs a f e t y , b i gt r u c k , c o n t i n u o u sb r a k i n ga b i l i t y , b r a k e t e m p e r a t u r e 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 荔穆 川年惑旯f c 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 爿 7 俨| | 藿移 年g 月f 秒日 第l 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 本世纪前2 0 年是我国伞面建设小康社会和构建和谐社会的重要战略机遇 期，实现全面小康、构建和谐社会需要一个与之相适应的安全、高效、可持续 的交通运输系统。在这个系统中，高速公路网占有极其重要的地位和不可替代 的作用。国家交通部历时四年编制的国家高速公路网规划( 简称? 9 1 8 网”) ， 本着“东部加密、中部成网、西部联通”的原则，提出了到2 0 2 0 年建成总规模8 5 万公里【l 】，构成由中心城市向外放射以及横连东西、纵贯南北的公路交通大通道。 根据2 0 0 6 年末的统计，规划的高速公路网中尚有4 4 0 0 0 k i n 待建，而在待建里程中， 中部地区1 2 0 0 0 k m ，西部地区2 4 0 0 0 k m t 2 1 。因此在今后相当长时期内，我国高速 公路的建设重点将转向西部地区。 我国西部地区多被山岭覆盖，地形复杂，为了克服高差、减少工程量，长 大下坡路段难以避免。纵坡设计作为山区高速公路长大下坡路段设计的主要内 容之一，对车辆制动安全及路段的事故率有至关重要的影响p 刁】。对我国现有高 速公路安全情况的调查表明：长大下坡路段安全状况堪忧，部分路段已经成为 事故“黑点”，重特大事故相对较多，且事放大都与大货车制动失效相关【3 , 7 - 1 5 。 因此，对大货车的持续制动性能及长大下坡路段的纵坡设计进行进一步的研究， 提高山区高速公路长大下坡路段的交通安全性，对安全的交通运输系统的建立， 对伞面小康社会的建设和谐社会的构建具有重要意义。 1 2 问题的提出 现行公路工程技术标准( j t jb 0 1 2 0 0 3 ) ( 后文简称标准) 和公 路路线设计规范( j t jd 2 0 2 0 0 6 ) ( 后文简称规范) 对纵坡指标的规定， 主要考虑了工程造价和8 吨载重车的爬坡性能t 2 , , 6 j ，缺少对车辆下坡的安全性考 虑，导致在实际设讨过程中，设计人员可以做出符合规范和标准要求 的“合法、不合理”的长大下坡路段，使车辆尤其是大货车在连续下坡的过程 第1 章绪论 中发生交通事故的几率更大。因为大货车在连续下坡的过程中不得不持续、高 强度的使用制动器，这使得制动器温度不断升高，最终因为温度过高而出现“热 衰退”，减弱制动器的制动效果，甚至使大货车制动完全失效，从而容易导致 车速失控诱发交通事故 9 , 1 0 , 1 6 , 1 7 。而近年来，由于公路运营汽车以大型化和小型 化为主迅速发展【2 】，大货车在交通组成中的比例在增加，这一安全问题存在进一 步严重的可能。 因此，对大货车在长大下坡行驶时的持续制动性能进行研究，并提出能提 高大货车下坡制动安全性的纵坡设计指标显得尤为迫切。 1 3 研究目的和意义 纵坡设计是山区高速公路的关键性设计指标之一，它对大货车下坡安全性 有重要影响。本文首先研究了大货车持续制动性能，建立了制动器温度预测模 型，并在此基础上提出了高速公路纵坡设计优化指标。本文的目的与意义在于： ( 1 ) 建立制动器温度预测模型并提出纵坡优化设计指标 大货车在连续下坡过程中，制动器温度是影响大货车持续制动性能的最主 要因素，因此本文用理论和试验结合的方法建立大货车制动器温度预测模型， 为纵坡设计优化奠定基础。根据所建立的模型而提出的纵坡优化设计指标可以 保证大货车制动器在连续下坡过程中持续制动的制动效能，提高大货车在连续 下坡过程中的制动安拿性，为山区高速公路的纵坡设计提供参考。 ( 2 ) 提高山区高速公路长大下坡路段的交通安全性 合理的纵坡设计指标除了克服高差、保证公路通行能力、提高工程经济效 益、减少环境破坏外，还应保证车辆的行车安全，基于大货车持续制动性能的 纵坡优化指标可以减少大货车在下坡过程中因制动失效而发生事故的几率，因 而对提高山区公路长大下坡路段的交通安全性有重要意义。 1 4 国内外研究现状 1 4 1 国外研究现状及评述 欧美发达国家在公路纵坡设计指标研究方面起步较早，取得的成果较多， 2 第1 章绪论 这些研究成果主要根据汽车爬坡性能确定【1 8 】，而很少考虑汽车下坡时的制动性 能。但是很多国家还是针对长大下坡路段容易因制动失效而出现交通事故这一 问题进行了研究，并制定出了能够有效解决长大下坡安全问题的方案，比较有 代表性的研究成果有以下一些。 i a 1 1 美国 针对大货车在下坡过程中容易因制动失效而造成严重交通事故的问题，美 国联邦高速公路管理局( f h w a ) 研发t g s r s t 9 - 2 4 1 ，g s r s 是基于制动器温度的评 估系统，是一整套针对长大下坡安全问题的解决方案，从前期事故易发生点的 选择和调查、相关坡度、坡长资料的整理，到通过软件对制动器安全温度的模 拟，进而确定不同车重对应的最大下坡安全速度，到最后将计算的结果通过w s s 标志( 如图1 1 所示) 反馈给驾驶员，通过这一整套方案，可以在很大程度上解 决汽车的长大下坡安全问题。在应用上，它不仅可以对已运营的长大下坡路段 进行最大下坡安全速度的运算，也可对设计过程中出现的长大下坡路段进行安 全校核，还可以计算在连续下坡过程中汽车制动器在各个位置的温度值。 5a x l e so rm o r e w e i g h tm a xs p e e d 6 5 0 0 0 7 0 0 0 03 5 7 0 0 0 0 7 5 0 0 02 5 7 5 0 0 0 8 0 0 0 0l5 图1 1w s s 标志 g s r s 中的制动器温度预测模型主要考虑因素包括下坡的长度与坡度，汽车 的重量和速度，其他考虑因素包括：非刹车过程巾的阻力，热量耗散，制动器 初始温度，下坡过程中汽车发动机的功率。这种模型假设条件包括：不变的下 坡速度和发动机保持在允许运行的最大功率。 g s r s 系统是一种偏安全的研究方法，它并没有考虑近年来常用的辅助制动 系统对制动器温度的影响，相关参数也多选择极限值。而我国大货车在连续下 坡过程中通常会使用发动机制动或排气制动等辅助制动系统，我国车辆性能、 驾驶员驾驶习惯等与国外也存在一定差异，因此，g s r s 中的制动器温度预测模 第1 章绪论 型并不完全适用于我国的情况，其关于车辆载重和下坡速度的限制也不适用于 我国的情况。 1 4 1 2 加拿丈 加拿大也在解决长大下坡交通安全问题方面做了类似于美国的关于汽车下 坡动力特性的研究，采取在高速公路上设置车速可变标志( 如图12 所示) 的方法， 以降低车速，缓解汽车制动器在连续下坡过程中的负荷，减少因连续制动导致 的制动器失效而造成的交通事故。由于车辆行驶性能及驾驶员驾驶习惯的差异， 其研究成果也不能在我国直接应用。 图l 2 加拿太建议车速可变标志示意圈 1 4 1 3 法国 法国现行的公路设计规范和标准中对长大下坡的定义和设计要求没有具体 的规定但 去国的研究机构s e t r a 对长大下坡问题进行了研究口目这些成果不 是强制的标准，但为相关设计提供了参考依据。 s e t r a 的研究把长大下坡定义为：总长度超过l k m ，平均坡度大于4 的路 段。研究认为：长时间的制动或频繁制动会使刹车片过热，制动性能降低，从 撕导致危险，特别是在高速行驶状态时紧急制动需要更大的制动力，因此会产 生更大的危险；2 0 0 c 可作为风险判定条件，当刹车片温度超过2 0 0 c 时，则认 为汽车行驶会产生风险，并且此时d p 1 3 0 ( d 为长大下坡总的坡长，m ；p 为 长大下坡的平均坡度) 。 该机构还在2 2 条高速公路上各选定有代表性的路段进行了研究统计，这些 代表路段一般都是长大下坡路段，统计结果表明：把坡长及平均坡度作为变量 来研究车辆的行驶风险是非常适宜的，因为这两个变量与事故的严重性及发生 第1 章绪论 频率相关性最大。因此，该机构的研究结论为：当d p 1 3 0 ，且p 3 时，坡道上的事故率开始随着d p 值的增 加而增加；当p 第4 章制动器温度预* 5 理论模型的建立 ：| 甘五( 4 1 6 j 代 瓦【4 1 6 ) 得： 也= 心( i o 丽, v ，+ ；豢+ 引瓴口 式( 4 - 8 ) 再将式( 4 7 ) 、( 4 1 2 ) 代入式( 4 1 0 ) 得： m = ( 00 0 7 6 + 00 0 0 0 5 6 v ) m 。g r d h o ，0 2 i = 0 协( 筹- 0 0 3 8 5 8 a c , p f ) 如一( 0 0 0 7 6 + 0 0 0 0 0 5 6 v ) m h g r 女x 0 一以 假设汽车具有后轮制动器个数为n ，则单个后轮制动器的制动力矩 k 为； 2 ( 1 1 胁( 望m ，- - 0 0 3 8 5 8 a 吩如一( 0 嘶+ 0 删坞如x o 0 2 i - n , h 击( 4 1 9 ) 4 3 制动器温度预测理论模型 大货4 三在长大下坡行驶时，主制动器持续制动，制动器摩擦片与制动鼓相 互摩擦产生大量热量，使摩擦片和制动鼓的温度不断升高。同时，高温的制动 器的热量又将通过各种方式传至周围物体，比如制动鼓周围的空气，制动鼓外 面的轮辋以及与谁恸器相连的其他零部件。因此，制动鼓温度不仅和制动器的 制动力矩相关，还和制动器的结构形式、材料性能、设计参数等有关。 4 3 1 鼓式制动嚣物理模型简化 赏 蚴匕 图41 4 鼓式制动器物理模型简化 第4 章制动器温度预测理论模型的建立 鼓式制动器构造较为复杂，制动鼓与摩擦片的热量产生和散失过程难以精 确的描述。为了便于计算，根据鼓式制动器各零部件在生热与散热过程中的作 用，对鼓式制动器的结构进行简化，其简化的物理模型如图4 1 4 所示。 制动器物理模型简化理由及简化结果如下： ( 1 ) 制动鼓形状不规则，厚度不均匀，但是其主要的参与生热散热部分可 以近似认为是中间部分，为了便于计算，可将制动鼓简化为一规则圆筒，内外 半径沿轴向无变化； ( 2 ) 制动鼓与制动底板、轮毂接触面积小，接触热传导的热阻大，因此， 由热传导而散失的热量少，将其忽略不计； ( 3 ) 摩擦片的热阻非常大，通过摩擦片散发的热量少，将其忽略不计； ( 4 ) f l 茔j 动鼓的材料为铸铁，其热阻小，热传导性很好，并且壁薄，在1 0 - - - 3 0 r a m 之间。因此可近似认为制动鼓各个部分的温度是一样的。 4 3 2 制动器温度预测理论模型求解 4 3 2 1 制动器生热速率计算 制动器升温的热量均来自摩擦片与制动鼓摩擦产生的热量，假设二者之间 的摩擦力为厶( n ) ，二者接触面的相对运动速度为v a ( m s ) ，根据摩擦生热 的原理，单个制动器摩擦生热的速率毛。( w ) 可按式( 4 2 0 ) 计算， 兄o 厶v a 式( 4 2 0 ) 制动鼓随车轮以相同的角速度转动，而摩擦片不转动，因此二者接触面的 相对运动速度与车速的关系为： 堕：v 3 6 式( 4 2 1 ) 毽 置 式中，毽。制动鼓内径( m ) 。 制动器制动扭矩计算如式( 4 2 2 ) ： 由式( 4 2 0 ) 、( 4 2 1 ) 、( 4 2 2 ) 得： 4 5 式( 4 2 2 ) 第4 章制动器温度预测理论模型的建立 “= 等怒= 加仍， 根据相关研究【5 0 1 ，制动器摩擦生热的9 5 被制动鼓吸收，则后轮制动鼓吸热 速率匕o ( w ) 为： 删咿竺豆m e i 竺竺薯芋厶盐i , g 垡竺 根据传热学理论5 1 1 ，制动鼓的散热方式有三种热传导、热对流、热辐 向外界散发热量。根据相关研究2 1 ，热辐射散热量q ，与砭4 一死，4 成正比( 瓦为 散热量就越大。但是，相关研究表明【5 0 1 ，当制动鼓温度很高时，辐射散热量最 第4 章制动器温度预测理论模型的建立 忽略不计。 热对流：热对流是指流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所 引起的热量传递方式。对流只能发生在流体中，它是流体的流动和导热联合作 用的结果。当流体流过与其温度不同的固体壁而时，与壁面之间发生的热量传 递过程成为对流换热。根据牛顿冷却公式，当制动鼓因为周围空气的散热而冷 却时，对流换热热流量可用下式计算： 另= k 4 z ( 丁一乃) 式( 4 2 5 ) 式中，对流换热的热流量( w ) ； i l 。制动鼓与空气间的对流换热系数，表示对流换热的强弱 ( w ( m 2 k ) ) ； r 制动鼓温度( ) ； 制动鼓周围空气的平均温度( ) 。制动鼓几乎被轮辋和侧 面的保护板包裹，其中的空气温度明显高于外界温度； 以，制动鼓的外表面积( m 2 ) 。 由重型车辆试验得到的道路试验数据指出【5 0 1 ，鼓式制动器的对流换热系数 接近于下列形式的函数关系： h r = 0 9 2 + t ；f p t e x p ( 一v 3 2 8 ) 式中，对流换热系数( b t t a ( h 下铲) ) ； ，车速( f t s ) ； 口前轮取0 7 ，后轮取0 3 。 本文计算后轮制动鼓温度，将单位换算后得： h r = 5 2 2 4 + 1 5 5 2 5 v e 卸哪7 8 5 r 将式( 4 2 6 ) 代入式( 4 2 5 ) 得： 式( 4 2 6 ) 只= ( 5 2 2 4 + 1 5 5 2 5 v e o m 0 2 7 7 y ) 么2 ( 丁一l ) 由于忽略热传导和热辐射的散热作用，制动鼓的散热热流量近似等于热对 流换热的热流量，计算如下： 4 7 第4 章制动器温度预测理论模型的建立 只= ( 5 2 2 4 + 1 5 5 2 5 v e _ o 0 0 2 7 7 8 5 y ) 彳2 ( 丁一疋) 式( 4 2 7 ) 4 3 2 3 制动器升温方程及求解 根据前文所述，大货车以速度矿在坡度为i 的坡度上下坡时，其制动鼓一方 面c a 于制动摩擦力而吸热，另一方面由于热辐射和对流换热而散热，而制动鼓 温度被近似视为是均匀的，冈此制动鼓温度r 是行驶时间t 的函数，假设t ：0 时， t = r o ，当a t 很小时，从t 时刻到f + a t 时刻，制动鼓温度从r 升至t + a t ，建立 方程如下： m g c g a t = ( 圪j l o p ) a t 式中，制动鼓的质量( k g ) ； 制动鼓比热容( j k g 1 。1 ) 。 转换成微分方程： m g 气d t - f f = ( 乞。一只) m g c 苫= 【乞 o 一) 对方程求解，得试验车制动器升温预测理论模型为： h 死一彘m 卅鲁卅去 其中，c = p b h o + k 4 2 ，h r = 5 2 2 4 + 1 5 5 2 5 v e m 0 0 2 7 7 8 5 y ， 删删竺壹竺竺竺一 州如( 器) 2 + 毛蝴罗 试验车不供油发动机制动时，屯= o 0 5 0 1 ，毛= 1 0 4 7 5 ，k o = 6 6 3 4 ； 试验车排气制动时，七2 = 0 1 2 3 9 ，向= 一1 3 5 0 4 ，= 1 3 3 5 8 。 当坡度变化时，用前坡坡底时制动鼓温度作为初始温度，并重新计时。 4 8 第4 章制动器温度预测理论模型的建立 因此，用该模型计算制动鼓升温情况时，其中的变量还包括： 矿大货车的行驶速度( k r n h ) ； 膨车辆总重( k g ) ： f 下坡坡度； f 行驶时间( s ) ，与下坡长度和车速相关； 变速器位于七档时的传动比： 瓦制动鼓初始温度； 其余参数有： g 重力加速度( r n s 2 ) ； 见空气密度( k g m 3 ) ； a 大货车迎风面积( m 2 ) ； c d 大货车空气阻力系数； 南主减速比 各档减速比； 以后轮制动器个数； 刁传动效率； 肘。所有后轮承受质量之和( k g ) ； 制动力分配系数； 如后轮动力半径( m ) ； 足后轮滚动半径( m ) ； 4 2 制动鼓外表面积( m 2 ) ； 聊。制动鼓质量( k g ) ： c 。制动鼓的比热容( k g ) ； 制动鼓周围空气平均温度( ) ： 4 9 第5 章制动器温度预测理论模型的修正 第5 章制动器温度预测理论模型的修正 上一章所建立的温度理论模型是根据经典的物理学理论和相关的试验结果 所推导得出，在计算过程中，做了一定的假设和简化，考虑了主要因素，忽略 了部分次要因素，因此该模型预测温度值的准确性尚有待检验。为了检验温度 理论模型，将制动器升温试验的试验条件代入，预测制动器在路段上各点的温 度，预测点与试验中的测温点一致，将预测结果与实验数据相对比，并利用试 验数据结合理论分析对温度理论模型进行修正和检验，从而得到与实际相符的 温度模型。 5 1 理论模型中相关参数的取值 对于试验车，在温度理论模型中，相关参数取值如下： g 重力加速度，取9 7 9 m s 2 ； 成空气密度，取1 2 2 5 8 k g m 3 4 大货车迎风面积。试验车宽高为2 4 9 0 7l o o m m ，前悬1 2 4 0 m m ，接 近角为3 0 度，经计算其迎风面积近似等于6 m 2 。 g 空气阻力系数。空气阻力系数通常通过风动试验确定，根据相关试 验【4 7 1 ，平板为1 9 5 ，反半球面1 4 2 ，顺半球面0 3 5 ，试验车前端稍 有圆弧，但仍近似于平板，流线型较差，故其空气阻力系数较大， 结合相关资料删，大货车空气阻力系数在0 6 - i 0 ，本文c o = i ； 乇、主减速比及各档减速比。如表5 1 所示。 表5 1 试验车减速比 档位 z 爬坡1 21 3王4b1 6 1 7 l bb 速比1 2 1 l8 0 85 9 34 4 23 3 62 4 ll 。7 61 3 21 0 05 ，8 3 3 第5 章制动器温度预测理论模型的修正 刀后轮制动器个数。试验车为1 + 2 2 轴型，后轮制动器数目为4 ； r 传动效率。根据相关研究【删取0 8 3 ； m h 所有后轮承受质量之和，本文取试验车总质量的9 0 ： 制动力分配系数。根据相关研裂5 3 1 ，形如试验车的1 + 2 2 轴型的大货 车前轮制动力占总制动力的2 7 2 ，两后轮均为3 6 4 ； 如、墨后轮动力半径和滚动半径。试验车轮胎型号11 0 0 r 2 0 ，其自由 直径碗为1 0 8 5 m m ，根据相关研究【1 7 1 ，子午线轮胎滚动圆周可估算 为3 0 5 d o ，因此滚动半径约为0 5 2 7 m ；如小于滚动半径，取自由 半径的9 5 ，即0 5 1 5 m ； 4 ：制动鼓外表面积和制动鼓质量。制动鼓外径墨：= 0 2 3m ，内径 & = o 2 0 5m ，宽度为0 2 4 m ，因此4 ：= o 3 4 6 8 3 3m 2 ，体积为 0 0 0 8 2 2 6 m 3 ，密度取7 5 7 0 k g m 3 ，因此其质量为6 2 2 6 8 k g ； 制动鼓周围空气的平均温度。本文将其视为是常量，根据试验测量， 约为6 0 ： 5 2 发动机制动时的理论模型修正 试验l 一5 、9 、l l 、1 2 、1 5 、1 7 、1 8 、2 l 、2 2 、2 4 是在发动机制动条件下进 行的，大货车总重为2 7 7 5 吨的试验5 组，总重2 3 0 6 吨、2 0 0 8 5 吨和1 6 9 1 1 吨的试 验数据各3 组，相同总重的三组试验数据都是在三个不同的下坡速度试验得到 的。任意选择四组试验数据用作修正后模型的检验，而不用于模型的修正，并 保证该四组数据为四种不同载重下测得。本文选取试验4 、1 1 、1 8 和2 2 所测得的 数据，其余l o 组试验数据用于对温度理论模型的修正。 5 2 1 理论模型预测值与实测值的对比 将试验条件代入温度理论模型，分别预测上述1 0 组温度数据，并与实测数 据进行对比。表5 2 是试验3 中的部分实测温度数据与温度理论模型预测温度的对 比情况。 5 l 第5 章制动器温度预测理论模型的修正 表5 2 实测温度和预测龇对比表 行驶距离车速制动方式终点宴测终点预测 起点桩号终点桩号 坡度( 哟 r m lm 及档位温度( )温度( 1 。 4 7 0 4 0 f - 8 27 04 0 f - 8 27 04 0f - 8 2 7 04 0f - 8 4 0 0 4 0 f - 8 4o o 4 0 f - 8 40 04 0 f 8 45 04 0 f - 8 表中每两个测温点之间为单坡，若中间有变坡点在该点出将该段分为两个 单坡路段。用理论模型计算温度时，每段单坡的终点温度做为其后坡起点的初 始温度，并且在其后坡起点时制归零。预测温度记为“预a d o ”，各种质量、速 度和制动方式下的对比结果如图5l 51 0 所示。 c f _ 【 f 1 t i _#月d【 图5 试验与“预测”对比情况 目5 2 试验2 与“预捌0 ”对比情况 嚣 第5 章制动器温度预测理跑模型的修正 图5 3 试验3 与“预测0 ”对比情况 图5 4 试验5 与“预测o ”对比情况 囤5 5 试验9 与“预测0 ”对比情况 图5 6 试验1 2 与“预测0 ”对比情况 第5 章制动器温度预测理融模型的修正 图57 试验1 5 与“预测0 ”对比情况 圈5 , 8 试验1 7 与“预测0 ”对比情况 图5 9 试验2 l 与“预测0 ”对比情况 图5 1 0 试验2 4 与“预测0 ”对比情况 注：横坐标“里程”指太货车至城顶k 8 8 + 6 1 0 的距离，f n 第5 章制动器温度预测理论模型的修正 由图5 1 5 1 0 的对比可以得出如下结论： ( 1 ) 温度理论模型所预测的温度与实测温度有较大差距，因此不能直接用 于制动器温度的预测： ( 2 ) 在连续下坡的前约4 1 0 0 米的小坡度路段( 坡度为1 3 5 6 和1 2 1 5 ) ， 预测温度下降速度很快，而实测温度下降缓慢或基本保持不变，这也导致之后 路段的预测温度远小于实测温度； ( 3 ) 在下坡里程超过约4 1 0 0 米之后，预测温度和实测温度随下坡距离的变 化趋势很接近，二者在相同路段的上升速率几乎相等。 因此得出结论：发动机制动条件下，温度理论模型与实际有一定差距，尤 其是在坡度较小路段，温度变化规律与实际相差较大，但在坡度较大路段，与 实际情况比较接近，因此存在修正后与实际符合的可能。下面对温度理论模型 进行修正。 5 2 2 制动器散热模型修正 当试验车在很小的坡度路段下坡时，不使用主制动器，只使用发动机制动 或排气制动试验车能控制住车速，此时制动器温度预测模型实际是制动器降温 预测模型。而本文4 3 2 3 中建立的模型是在发动机制动或者排气制动辅助制动器 制动的条件下适用的，因此在坡度较小路段大货车不使用制动器时应加以修正。 5 2 2 1 发动机制动时制动器工作的临界条件 通过对温度理论模型的预测结果和实测温度数据的对比发现，在坡度较小 ( 1 3 5 6 和1 2 1 5 ) 的试验下坡路段，模型预测温度的下降速度比实测温度快 很多，甚至出现了负值。这是显然不合理的。 分析温度理论模型后发现，其假设了在下坡路段大货车始终使用发动机辅 助制动，但在实际情况中，试验车在小坡度下坡时，通常挂8 档，驾驶员可能完 全松开油门，可能轻微的踩油门，也可能偶尔点刹车，发动机不一定起到制动 作用。显然，如果坡度足够小，在发动机制动力、路面摩阻力和空气阻力的作 用下大货车不使用丰制动器也不会加速下坡。假设大货车在以某一速度y 在坡 度小于i 的某一路段下坡时，不使用主制动器也能控制车速，本文将i 的最大值 称为临界坡度。显然，临界坡度与大货车变速器档位及下坡车速有关。 事实上，根据汽车的动力性能，当大货车挂低档时，发动机将产生很大的 5 5 第5 章制动器温度预测理论模型的修正 制动力。但是在实际中，驾驶员并不会在连续下坡过程中挂低挡。根据对大货 车驾驶员的问卷表明：类似试验车的具有8 个档位的大货车下坡时，一般情况挂 8 档，较少挂7 档，挂6 档及更低档的情况非常少。因此，本节只考虑太货车不使 用任何制动方式，以及只挂7 档或8 档制动时的情况。 ( 1 ) 不使用任何制动方式韵临界坡度 假设太货车在下坡时没有使用任何制动方式，那么大货车所受行驶阻力有 风阻力和车轮滚动摩阻力。经本文4l1 、412 、413 的分析，此时大货车的受 力方程如式( 42 ) 、( 4 3 ) 、( 4 5 ) ： + 只= 舞 式( 42 ) f w = 00 3 85 8 c d p 。v 2 式( 43 ) f = = ( 00 0 7 6 + 00 0 0 0 5 6 x v ) m g式( 4 5 ) 当试验车满载时，带入参数计算可得在各种速度下对应的临界坡度如表53 所示。 表5 3 满载币制动情况下各车速对应的临界坡度 为简化，将表53 中的数据进行直线拟合( 如幽51 1 ) ，临界坡度可近似表 示为：l - 0 0 0 0 1 6 8 v + 0 0 0 4 4 3 ，r 2 = 0 9 9 6 6 。 自* # 4 。i j 蕊m l jz j 】 囝51 1 试验车满载；_ 1 _ ：制动时临界坡度与车速的蓑系 ( 2 ) 8 档发动机制动下坡的临界坡度 5 6 第5 章制动器温度预测理论模型的修正 当坡度大于表53 中的临界坡度时，大货车必须采用某种制动方式以控制车 辆速度，假设太货车采用8 档发动机制动，发动机停止供油，不使用制动器匀速 下坡，则m 。= o 。根据本文421 分析及式( 41 9 ) 得式( 51 ) ： o - 历( ：氅一o 0 3 8 5 8 a c o p v 2 ) 如一( o o 昕6 + o 舶0 0 5 船0 0 2 i i 一也= 0 式( 51 ) 4 1 + i 由本文32 坤关r 发动机制动力测定试验的结论得式( 52 ) ： = 0 0 5 0 1 ( 豢) z + 1 0 4 7 5 豢+ 6 6 3 4 k 柳 式( 52 ) 将式( 52 ) 代入式( 51 ) ，并将相关参数代入解方程得，在满载情况下8 档发动机制动下各车速对应的临界坡度如表54 所示。 表5 a 满载8 档旋动机制动时各车速对应的临界坡度 为简化，将表54 中的数据进行直线拟合( 如图51 2 ) ，临界坡度可近似表 示为m 0 0 0 0 2 1 5 v + 0 0 1 1 6 4 5 ，r 2 = 09 9 4 6 。 nv j u j f n 8 - kr i ；l 1 1 ，“ 罔51 2 试验车满载8 档制动时临界坡度与车速的关系 ( 3 ) 7 档笈动机制动下坡时的临界坡度 与8 档下坡时不同的是，7 档下坡l = 1 3 2 ，发动机制动各车速对应的临界坡度如 表55 所示。 表5 5 满载7 档发动机制动时并车速对应的临界坡度 第5 章制动器温度预测理论模型的惨正 为简化，将表55 中的数据进行直线拟合( 如图51 3 ) ，临界坡度可近似表 示为：f = 0 0 0 d 3 3 4 v + 0 0 0 9 2 7 7 ，r 匈9 9 3 3 。 f j 瓜石五i l m a 川k m 圈5 1 3 试验车满载8 档制动时临界坡度与车速的关系 ( 4 ) 发动机制动时制动器工作的临界坡度 以上分析表明：不使用任何制动方式、8 档发动机制动、7 档发动机制动时 临界坡度逐渐增大。根据本文3i3 中的大货车驾驶员驾驶习惯调查，大货车在 下坡过程中多采用域高档，因此将8 档发动机制动对应的临界坡度作为主制动器 使用的临界条件，即认为；当，s 0 0 0 0 2 1 5 v + 0 0 1 1 6 4 5 时，大货车驾驶员不使用主 制动器。当i ) 0 0 0 0 2 1 5 v + 0 0 1 1 6 4 5 时，使用主制动器控制车速。 5 2 2 2 制动器散热模型 根据本文52 2l 的分析