（光学工程专业论文）基于压气式发动机制动的车辆长大下坡安全驾驶模式研究.pdf

safe driving mode study of vehicle driving downhill basing on compression air engine brake a dissertation submitted for the degree of master candidate：yang leiyi supervisor：prof. yu qiang changan university, xian, china 论文独创性声明论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下,独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 年 月 日 论文知识产权权属声明论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 （保密的论文在解密后应遵守此规定） 论文作者签名： 年 月 日 导 师 签 名： 年 月 日 i 摘 要 在长大下坡道路上，制动是汽车行驶过程中的重要问题。连续下坡时，为了控制车 速驾驶员不得不频繁使用行车制动器。行车制动系统的失效甚至失灵，就会产生巨大的 安全问题。安装压气式发动机制动系统是解决上述问题的一个有效办法。本文将对压气 式发动机制动系统的制动能力与使用压气式发动机制动系统时车辆采取的驾驶模式进 行研究。 本文分析了持续制动系统的形式和发展，几种持续制动装置的构造和特点，压气式 发动机制动的原理和工作过程。通过平路试验得到的结果，在西汉高速连续下坡路段进 行了车辆持续制动坡道试验。比对坡度值，对数据进行处理，得到试验车辆在各路段的 车速、减速度、制动力以及紧急制动情况。进行了制动气室气压的标定试验，得到气压 与紧急制动力之间的关系。进行了噪声试验，检测相同车速下开启与关闭压气式发动机 制动器时驾驶室内的噪音。对试验前后制动轮毂温度进行测量，对比温度的变化。 根据坡度的不同对试验结果进行分段处理， 分析各路段的驾驶模式， 给出合理建议。 分析试验车辆在满载状态下以及超载 5 吨、超载 10 吨状态下驾驶员在各路段应采取的 驾驶模式,并将几种驾驶模式进行了对比分析。 研究得出的装有压气式发动机制动系统的商用汽车的安全驾驶模式为对我国山区 道路连续下坡行驶车辆安全行驶具有一定的实际指导意义。 关键词：持续制动、压气式发动机制动、驾驶模式 ii abstract on the downhill roads,braking is the important problem in the driving. when the vehicle in the continuous downhill sections,in order to control the speed,the driver have to use the service brake frequently.if the service braking systems braking performance lose efficacy even not work properly with the high frequent using.will be a big influence to the safety. equipped with the compression air engine braking system is a effective way to slove the problem.this paper will give a research to the performance of the compression air engine braking system and the driving mode of vehicle equipped with the compression air engine braking system . this paper introduced the styles and the development of the continuous braking system, kinds of the continuous braking systems structure and characteristics .the principle and working process of the compression air engine.through the results of tests on the levelroad, we had a continuous braking test in the downhill sections of xian-hanzhong highway. analysis the data ,and contrast the gradient of the road,we got the speed ,the deceleration ,the emergency braking of the compression air engine in different sections.we aslo had a calibration test to the air pressure of the air chamber ,and got the relationship between the air pressure and the brake force.had a noise test,measure the noise of cab in the same speed when the compression air engine braking system is on or off.measured the temperature of the wheel hub and contrast the results before and after braking. according to the different gradient give different analysis to the test results, analysis the driving strategy of different sections,and analysis the driving strategy of different sections while the vehicle is in the fullload condition or overload 5 tons or overload 10 tons.and give a contrast among them. the results will give a theoretical basis to the safety of the commercial vehicle equipped with the compression air engine driving in the continuous downhill sections.and give guidence to our countrys continuous downhill driving. keywords: sustained brake system;compression air engine brake;driving mode iii 目目 录录 第一章 绪 论 . 1 1.1 选题背景 . 1 1.1.1 我国道路交通安全形势 . 1 1.1.2 交通事故频繁发生的原因及解决方案 . 3 1.2 持续制动的形式及发展 . 5 1.2.1 制动系统简述 . 5 1.2.2 持续制动装置的比较 . 12 1.3 本文研究的主要内容 . 13 第二章 压气式发动机制动的原理及工作过程 . 14 2.1 发动机制动 . 14 2.2 压气式发动机制动 . 16 2.2.1 压气式发动机制动器的工作原理 . 18 2.2.2 压气式发动机制动器的使用 . 22 第三章 压气式发动机制动持续制动性能试验 . 26 3.1 试验车辆与场地 . 27 3.2 制动气压标定的试验 . 28 3.3 连续下坡道路试验 . 30 3.4 噪声对比试验 . 31 3.5 制动轮毂温度的变化 . 32 3.6 小结 . 33 第四章 压气式发动机制动的驾驶模式研究 . 35 4.1 建立模型对比关闭与开启压气式发动机制动时的车速 . 35 4.2 坡道试验各段驾驶模式分析 . 36 4.3 满载情况下试验路段驾驶模式的研究 . 42 4.4 超载 5 吨时试验路段驾驶模式的研究 . 44 4.5 超载 10 吨时试验路段驾驶模式的研究 . 46 4.6 不同载荷下驾驶模式的对比 . 49 4.7 小结 . 50 总结与展望 . 53 附录 . 55 iv 参考文献 . 57 致 谢 . 59 长安大学硕士学位论文 1 第一章 绪 论 1.1 选题背景 1.1.1 我国道路交通安全形势 2011 年 10 月交通运输部部长李盛霖撰文指出，改革开放以来我国经济社会发展迅 速，尤其经过近年的持续发展，我国公路交通基础设施总量规模实现跨越式增长。截止 2011 年，全国公路通车总里程达到 398.4 万公里；高速公路从无到有达 7.4 万公里，居 世界第 2 位，成为规模仅次于美国的庞大公路路网；公路货运量居于世界首位。随着国 家对物流行业的重视与规划， 以及汽车工业的持续发展， 我国的交通运输事业前景大好， 在今后还将有更大的发展，由此观之，重视公路交通的安全性具有极其重大的意义。 我国道路交通事业的发展非常迅速，同时交通事故也在快速增长，这已成为交通管 理方面的严重问题。随着人类文明的进步，汽车交通极大的改变了人们的生活方式，让 我们的出行方便快捷、生活舒适高效。与此同时，随汽车交通而来的交通事故对人们的 生命财产带来损害，成为亟待解决的重要问题。 近年来，中国机动车保有量不断增长，与此同时道路交通安全问题愈发严重，对人 民生活造成严重影响。道路交通安全问题不仅仅极大阻碍了我国社会经济与公共安全事 业的进步，同时对我国人民生命财产安全的损害也令人痛心疾首。因此，我国应加大对 道路交通安全问题的重视与关注，制订交通安全方面的合理措施并有效施行以减少人员 伤亡和经济损失，让人民的生命与财产安全得到更大的保障。 鉴于交通安全事故带来的惨重后果，世界各国尤其是发达国家倾注了大量人力、物 力和财力在事故预防及对策方面，制定了比较完善的道路交通管理方面的法律、法规和 政策1。从 20 世纪 60 年代起许多国家开始实行综合治理交通和减少交通事故的措施。 虽然每年因交通事故造成的损失很高，但交通事故上升的速度已得到有效控制，呈平稳 态势。近几年欧美、日本等发达国家每年发生的交通安全事故呈现出较为稳定的趋势， 而我国的道路交通事故带来的人员财产损失却非常严重。随着社会的发展，我国机动车 数量增长迅速，与此同时交通事故起数与事故中的伤亡人数不断增加。从 1951 年至 1984 年， 在这 30 年中交通事故起数与伤亡人数基本没有太大的变化， 呈现出平稳态势。 从 1985 年开始至今，随着社会的发展，人民对交通方面的需求日益旺盛。在交通活动 第一章 绪 论 2 迅猛增长的同时，道路建设和交通管理的发展速度不能与之相适应，满足不了交通运输 发展的迫切需求，因此道路交通事故各项指标呈现急剧增长。变化尤为明显的是 1991 年后， 由于我国经济迅速腾飞发展举世瞩目， 我国机动车保有量的上升非常明显。 同时， 交通事故起数及其伤亡人数也在明显增加。从 1998 年到 2002 年的 5 年中，全国道路交 通事故起数在 5 年内保持不断增长。事故起数、死亡人数、受伤人数年均增长率分别为 32.5%、 8.8%、 42.7%。 道路交通事故造成的损失方面， 我国要远远大于世界发达国家。 较发达国家而言，我国道路交通事故致死率也明显居高不下。由于认识到交通事故的严 重性，上世纪 70-80 年代的发达国家通过认真治理，交通事故死亡人数开始逐年递减， 而我国却恰恰相反。从交通事故指标来分析，2005 年到 2009 年，全国道路交通事故起 数不断下降，交通事故死亡人数也在持续降低。虽然从这两个指标分析，我国交通安全 形势呈现好转趋势，但我们依然面临着十分严峻的现状。 图图 1.1 近五年全国道路交通事故起数近五年全国道路交通事故起数2 图图 1.2 近五年全国道路交通事故死亡人数近五年全国道路交通事故死亡人数 由图 1.1 与 1.2 可以看到，我国道路交通安全状况逐年好转。我国高速公路事故起 数和交通事故死亡人数趋于下降。全国交通事故起数从 2005 年的 450254 降低至 2009 年的 238351，伤亡人数从 2005 年的 98738 降低至 2009 年的 67759，但交通事故总量仍 长安大学硕士学位论文 3 在高位徘徊， 且高速公路交通事故的严重程度仍高居不下。 在道路交通事故死亡人数上， 近年来我国始终排在世界第一位，仍然面临着十分严峻的交通安全形势。 高速公路交通在我国道路交通中占据着重要地位， 与此同时高速公路交通事故的现 状也异常严峻。通过分析可以得出目前我国高速公路交通事故具有如下特点： （1）事故总量高位徘徊。我国高速公路里程在近十年间年均增长率达 33.2%，交 通事故死亡人数年均增长率达 19.9%，交通事故受伤人数年均增长率达到 10.9%。十年 内，交通事故死亡增加了 2.8 倍，受伤人数增加了 2.0 倍。 （2）事故的严重程度不断恶化。交通事故每死亡 11 人，其中就有 1 人死于高速公 路事故。高速公路交通事故伤亡人数在总道路交通事故伤亡人数中所占的比例不断增 加。高速公路交通事故的致死率与死伤人数相较国道而言分别高出 15.4%和 22.2%。 2010 年底之前，我国高速公路通车里程已位列世界第二，达 7.4 万公里，仅居美国 之下。亿车公里事故率指标方面，我国与日本齐平。但我国亿车公里死亡率远远高于高 于日本，近似于日本的 10 倍3。我国道路交通死亡人数居高不下，占据世界第二位，而 且交通事故中，由货车肇事造成的死亡人数近一半以上。 通过对数据的统计分析可以得出，除了人为因素以外，制动系统失灵造成的公路交 通事故比率极高，成为重大隐患，对这一问题的解决刻不容缓。 1.1.2 交通事故频繁发生的原因及解决方案 近年来交通事故频发，对其数据进行统计分析后可以看出，特大交通事故中很大一 部分都是由重型汽车引起的，由于重型汽车造成的人员伤亡与经济损失极其严重。例如 2006 年发生的总事故中有 70%以上都是由制动系统与轮胎造成的问题引起的，其中肇 事车辆中 28.6%为大货车，造成的死亡人数多达 25600 人4。因此当前交通管理中的一 个重要任务便是对此类重特大交通事故进行遏制。 要解决由重型汽车所造成的交通事故， 首当其冲的任务是提高此类汽车的制动安全 性。首先，汽车技术的发展创新日新月异，发动机的输出功率也随着技术的发展不断增 大。车辆造型更符合空气动力学，空气阻力随之下降。因而车辆行驶速度不断提高。其 次，在新技术的发展更新中，汽车发动机动力方面的技术发展明显的比制动系统方面快 的多。也就是说在相同的制动时间之内，汽车制动系统的热负荷越来越大，温度升高的 越来越快。汽车行车制动器使用的过于频繁或者持续使用时间较长就会造成其温度的上 升，从而引发行车制动器制动效能的衰退。 第一章 绪 论 4 对于重型商用汽车而言，由于其载重量很大，因此需要更大的制动力5。只有制动 系统具有优良的制动效能才能保证汽车的安全行车。重型商用汽车制动系统由三部分组 成，行车制动器、驻车制动器和持续制动装置。图 1.3 描述的是行车制动器制动过程中 车轮制动轮毂表面的温度随制动时间的变化曲线，图 1.4 描述的是某一车型各制动系统 的制动功率吸收图4。 图图 1.3 车轮轮毂温度变化曲线车轮轮毂温度变化曲线 图图 1.4 各制动装置功率吸收曲线各制动装置功率吸收曲线 图 1.3 的曲线呈现出，车轮轮毂表面温度随着时间增大而升高。随着制动时间的增 加，车轮轮毂的温度迅速上升，摩擦力矩显著下降，这种现象称为制动器的热衰退现象 6。图 1.4 的曲线呈现出，行车制动器能吸收的功率的最大值是最高的，高于排气制动 吸收的功率与发动机制动吸收的功率。然而车轮制动器吸收的功率随着时间的增大而降 低，其最小值也是最低的。相比较而言，排气制动与发动机制动所吸收的功率不随时间 的变化而变化，呈现出稳定的制动能力。因此对于长大下坡路段，车速不断提高，需要 制动系统提供一个较稳定制动功率的时候，排气制动与发动机制动虽不一定能完全满足 稳定车速下坡时所需的制动功率，但其工作更为可靠，与行车制动器配合使用的话会极 大的提高制动能力。 我国道路状况复杂多样，尤其是中西部山区，由于地形的特殊，道路坡度值变化很 大。部分山区道路存在很多下坡路段，甚至很长的连续下坡路段。因此在这部分地区行 驶的车辆更应该具备高效的制动效能与抗热衰退的能力，持续制动系统的意义更加重 大。在连续下坡的道路状况下，如果仅仅使用行车制动系统，势必会有使用频繁及长时 间使用的问题。这会带来制动轮毂温度的迅速上升，进而引发行车制动器的热衰退。热 衰退导致的后果就是行车制动器所能提供的制动力迅速减小，进而带来严重的安全隐 患。 在实际行车中，为了解决行车制动器的热衰退问题，常用的方法有两种。其一便是 长安大学硕士学位论文 5 加装喷水装置。喷水装置的原理是在主制动器轮毂温度过高的时候，洒水在轮毂上进行 物理降温。这种方法虽然可以降低温度，但是具有很大的安全隐患，那就是可能会引起 制动毂的损坏或爆胎。当天气较冷时，喷出的水流到道路上结冰，会带来更大的安全隐 患。 还有一种方法就是加装持续制动系统。 此方法稳定可靠， 能极大的提高行驶安全性。 配置持续制动装置对与重型商用汽车而言意义非常重大。 持续制动装置能够提供稳 定的制动功率，因此非常有效地减少了主制动器的使用，大大提高了制动的稳定性与安 全性。持续制动装置是一种安全可靠的制动方式。 1.2 持续制动的形式及发展 1.2.1 制动系统简述 汽车制动系是现代汽车高速，安全行驶的重要保障之一。汽车制动系的功用是使汽 车以适当的减速度降速行驶直至停车；在下坡行驶时，使汽车保持适当的稳定车速；使 汽车可靠地停在原地或坡道上7。 制动系至少应有两套独立的制动装置，即行车制动装置和驻车制动装置。前者用来 保证前两项功能，后者则用来保证第三项功能。 除此以外，有些汽车还设有应急制动、辅助制动和自动制动装置。 应急制动装置利用机械力源（如强力压缩弹簧）进行制动。在某些采用动力制动或 伺服制动的汽车上，一旦发生蓄压装置压力过低等故障时，可用应急制动装置实现汽车 制动。同时，在人力控制下它还能兼作驻车制动。 自动制动装置可实现当挂车与牵引车连接的制动管路渗漏或断开时，使挂车自动制 动。 辅助制动装置可实现汽车下长坡时，持续地减速或保持稳定的车速，并减轻或解除 行车制动装置的负荷。也称为持续制动装置。 汽车持续制动装置有以下几种类型， 液力缓速器、 电涡流缓行器、 发动机制动装置、 排气门制动装置。 由于行车制动器存在热衰退的问题，因此它不适用于在连续下坡路段频繁使用或者 大坡度路段长时间使用。对于在山区道路等特殊路况行驶的车辆而言，为了保证汽车制 动系统能够提供稳定可靠的制动力，加载持续制动装置是非常必要的。 1.2.2 排气制动 第一章 绪 论 6 传统的排气门制动基于发动机制动，安装一个节流阀在排气管路。在节流阀的基础 上安装一个排气门辅助制动装置称为排气门制动技术。排气门辅助装置的位置处于排气 门上端。当排气门辅助装置工作时它会阻止排气门的完全关闭8。 发动机有四个工作冲程：进气、压缩、做功和排气。进气、压缩与排气冲程都在消 耗能量。当关闭阀门时，排气门制动开始工作。由于阀门已经关闭，气缸内的气体无法 向外排出，于是产生背压，增大了排气的阻力，从而增加了制动转矩。也就是说发动机 的排气冲程与压缩冲程一样都在压缩空气，此时发动机相当于压缩机吸收消耗汽车动 能，功耗增大，迫使发动机转速降低，从而降低车速。 排气门辅助装置会阻止排气门的完全关闭， 在发动机工作的的压缩冲程与做功冲程 中，排气门始终存在着 12mm 的间隙。在压缩冲程中，活塞由下止点往上止点运动， 气缸内的空气由排气门间隙进入排气管中。由于节流作用，这个过程中压缩空气受到排 气阻力做负功。做功冲程中，活塞由上止点往下止点运动，在压力的作用下，排气管路 中的高压空气通过排气门的间隙流回气缸，这个过程中由于节流作用，高压空气受到阻 力消耗能量，同时降低了活塞从上向下运动的速度。 压缩冲程与做功冲程中产生阻力矩， 产生的阻力矩通过传动系统进行放大后传到驱 动轮。制动力由此产生，从而使车辆减速。排气管制动阀与排气门辅助制动装置两者相 互关联，同时工作9。 排气管制动蝶形阀与排气门辅助制动装置的外形如图 1.5 与图 1.6 所示： 图图 1.5 排气管制动蝶形阀外形图排气管制动蝶形阀外形图 图图 1.6 排气门辅助制动装置排气门辅助制动装置 排气门制动装置作为一种持续制动装置，具有众多优点：结构简单、使用方便、使 用寿命较长。它具有以下一些特点： 长安大学硕士学位论文 7 （1）当汽车行驶在下坡路段时，排气门制动装置可以提供稳定的制动力。根据坡 度和道路情况的不同，排气门制动装置与行车制动器相配合使用，能够保证汽车以一个 较为稳定的速度匀速下坡。坡道较小的情况下，单纯使用排气门制动不需要使用行车制 动就可以达到匀速下坡的要求。如果汽车没有安装排气门制动装置，由于汽车在下坡过 程中，重力在坡道方向的分力或会导致速度不断提高，为了行车安全就需要频繁使用行 车制动器进行减速。频繁或长时间使用主制动器会造成制动蹄片与制动毂处温度迅速上 升，进而引发热衰退，使主制动器的制动能力衰减，进而不能提供足够的制动力，带来 安全上的隐患。因此，安装排气门制动装置的汽车在长大下坡路段可以减少主制动器的 使用，提高制动摩擦片的使用寿命。 （2）排气门制动装置工作时，切断了对发动机的燃料供给，从而节省燃料。 （3）有助于发动机使用寿命的提高。由于排气门持续制动装置工作中，将活塞和 气门等的气垫效应进行了充分的利用，因此在超速情况下，发动机作为减速制动器使用 时，即发动机制动时的惯性力问题得以克服，并且有助于发动机温度的保持，从而减轻 发动机的热疲劳现象。 （4）由于排气门制动装置能够提供一个可靠的制动力，从而减少了对行车制动器 的使用，制动储气筒内压缩空气的消耗相应的减少。当汽车行驶中遇到突发状况需要使 用紧急制动的时候，行车制动器的工作更为高效，保证安全制动。 （5）避免产生侧滑。当汽车行驶于积水或冰雪道路时，如果进行紧急制动，汽车 容易产生侧滑现象，带来极大的安全隐患。排气门制动工作时，在差速器的作用下，制 动力矩进行了平衡分配，从而避免了汽车的侧滑。 （6）排气门制动的工作更加平稳、舒适。 （7）降低了驾驶员的操纵频率，减少了踩踏行车制动器的次数，提高了摩擦片的 使用寿命，减少了维修的费用与时间。 排气门制动装置同时还存在着缺点， 例如当发动机转速较低时排气门制动装置的制 动功率较低，安全性一般。 在很多发达国家，排气门制动装置的应用已经相当广泛。近年国内的一些重卡生产 厂家也推出了配置排气门制动技术的产品，随着人们对此项技术的了解，相信它的应用 会越来越广泛。 1.2.3 缓行器的研究 第一章 绪 论 8 缓行器是利用液力或电磁力的作用，将车辆的动能转化为热能并耗散到空气中的一 种辅助制动装置10。 山区道路中使用缓行器可减轻车轮制动器负荷， 平路上使用缓行器， 可控制车间距离和停车距离，使汽车制动柔和，减速平稳。缓行器主要安装在货车和大 客车上。缓行器多分为以下三种形式：电涡流式、永久磁铁式和液力式。电涡流式和永 久磁铁式缓行器的制动作用都是依靠磁电效应产生，液力缓行器是依靠耦合叶轮搅动油 液以产生制动作用。 （1）电涡流缓行器 电涡流缓行器工作时，转子在磁场中转动，形成涡电流，在流动中涡电流不断转化 成为热量。经由涡电流转化来的热量以对流和辐射的方式传递到周围的环境中。这样一 来便消耗汽车运动的动能，转化为热能散发，起到制动作用。 电涡流缓行器结构如图 1.7 所示11。电涡流缓行器主要由圆盘、磁极和线圈组成。 圆盘可以转动，磁极则是固定的。线圈在通电后就会产生磁场，于是在磁场作用下，圆 盘开始转动。因此有电涡流流过，电涡流和磁场间因相互作用而产生制动力矩，其中随 电涡流而产生的热量由装在圆盘上的散热片散发到大气中。 图图 1.7 电涡流缓行器电涡流缓行器结构图结构图 1转子盘；转子盘；2铁芯；铁芯；3激磁线圈；激磁线圈；4转子轴；转子轴；5轴承；轴承； 6固固定架；定架；7气隙；气隙；8接线柱接线柱 电涡流缓行器的安装方式有三种，装在变速器输出端、装在传动轴中间与装在主减 速器输入端。 长安大学硕士学位论文 9 图图 1.8 电涡流缓行器电涡流缓行器示意图示意图 电涡流缓行器优点如下：结构比较简单，生产与制造方面的成本较低；制动力矩的 分布范围较广，从 300nm 到 3300nm 之间；工作时响应时间比较短（只有 40ms， 液力制动器的响应时间是它的 20 倍），并且不存在明显的时间上的滞后；工作时噪声 很小；即使在车辆以较低速度行驶的情况下，也能够产生比较大的制动力矩；可以通过 对励磁电流的调节来控制制动力矩的大小，自动控制容易实现；另外，电涡流缓行器不 容易发生故障，维修起来较为方便，工作可靠性高。其缺点是：体积较大，质量较重； 转子温度的升高，周围气流的状况和环境温度都会影响它的制动能力和工作时间长短； 工作需要消耗一定电能；制动能量无法得以回收。 （2）液力缓行器 液力缓行器的主要由两部分组成：固定叶轮和旋转叶轮。液力缓行器一般安装在变 速器处。当它开始工作时，车辆的驱动桥和变速器等带动液力缓行器的旋转叶轮反向转 动。固定叶轮不动，缓行器内工作液体可以流动，对旋转叶轮产生阻力矩，产生车辆缓 速的效果。 液力缓行器的具体工作原理如下：缓行器转子由变速器输出轴驱动，随之转动，定 子固定不动。当缓行器内没有油时，转子处于空转状态，不会产生阻力矩也就没有减速 作用。当液力缓行器内充满工作液体时，输出轴带动转子转动，产生一个动量矩带动液 体随着转子一起转动。这个时候，沿叶片运动的油液作内循环圆旋转、流向导轮。与此 第一章 绪 论 10 同时，由于导轮叶片是固定不动的，就会对油液产生一个反方向的动量矩。液体从导轮 中流出，再次流入转子，就会阻碍转子，形成对转子的阻力矩，因此产生对汽车的减速 作用。由于油液的阻尼作用，转子转动的能量转化为热能，在散热器的作用下传递到周 围空气中。液力减速充分利用了油液的阻尼作用，因此它的工作连续平顺。同时由于减 速力矩直接作用在变速器的输出轴，避免了造成制动器的抱死。所以，使用液力缓行器 的车辆在使用行车制动时，产生的制动冲击会显著降低。 图图 1.9 液力液力缓行器缓行器结构图结构图 图图 1.10 某品牌液力某品牌液力缓行器缓行器 液力缓行器的优点显而易见12。 因此依靠油液的阻力作用， 没有摩擦， 不存在磨损， 故寿命长；工作噪声小；减少主制动器的使用；制动过程中扭矩易控制；制动扭矩连续 变化。液力缓行器产生的制动力矩大小通过制动器工作室内油液量进行控制。 液力缓行器的缺点也很明显，制动力矩随车速的下降而迅速下降。若传动轴速低于 500r/min， 制动力矩存在着波动， 当传动轴转速为零时液力缓行器的制动力矩也为零13。 因此液力缓行器作为辅助制动装置配合主制动装置使用。 1.2.3 压气式发动机制动 压气式发动机制动器最早出现在美国。目前压气式发动机制动器已经占据北美市场 主导地位，并开始进入亚洲与欧洲市场。压气式发动机制动器主要由美国皆可博 （jacobs）公司设计生产，目前已经形成多系列产品，用于多个品牌多种型号的发动 机上，如卡特彼勒、康明斯、雷诺、日野等等。我国在这方面的研究与开发比较落后， 目前还不具备独立开发生产的能力。图 1.11 为某品牌压气式发动机制动器外形图。 压气式发动机制动装置于 1960 年面世时，就在业界引起巨大的轰动，其独具特色 的持续制动的功能极大地提高了卡车安全性和运输生产力。压气式发动机制动器的创始 长安大学硕士学位论文 11 人是康明斯发动机的发明者克莱西-康明斯，之后他将专利卖给了自己的好友杰克勃先 生。 自发明以来， 压气式发动机制动装置就在欧洲与美国得到了广泛的应用， 北美有 80% 以上的卡车装配了压气式发动机制动装置。由于其优良的制动效果，压气式发动机制动 装置在亚洲的应用也越来越广泛。压气式发动机制动令驾驶员的操纵更加方便，大大的 提高了行驶的安全性。21 世纪以来，不仅重型卡车会装配压气式发动机制动装置，中型 与轻型卡车上也开始装配压气式发动机制动装置14。 图图 1.11 某品牌压气式发动机制动器某品牌压气式发动机制动器 压气式发动机制动装置是一套车辆减速设备， 其主要工作原理是改变发动机排气门 的配气相位，使车辆减速。将排气门在压缩行程结束时打开，如此一来压缩缸内空气时 发动机所做的功，便被释放到排气系统。通过车轮和传动系统将汽车的冲量传递到达发 动机，这成为了成为反拖发动机运转的唯一动力。另言之，压气式装置的本质，就是将 发动机变成空气压缩机，从产生能量变为吸收能量。 压气式发动机制动装置具有众多优点。首先，它的制动功率大。其次，由于与发动 机集成为一体因此体积较小，质量较轻。然后，可以提供不同大小的制动力矩，基本不 会消耗额外的能量。另外，压缩冲程的上止点之前会有清洁高速的压缩空气从排气门释 放，清洁高速的压缩空气能够帮助扫除燃烧室与排气系统中的积炭。 除了这些优点之外，压气式发动机制动装置也有不足之处。它的使用较为局限，因 为它只适合部分柴油机，需要 发动机厂家对发动机缸盖和气门罩进行重新设计与生 产，发动机有较大的改造。 第一章 绪 论 12 1.2.2 持续制动装置的比较 几种持续制动装置优缺点的比较如下表所示： 表表 1.1 几种持续制动装置的优缺点比较表几种持续制动装置的优缺点比较表 持续制动装置 优点 缺点 发动机制动 （压气式） 1.制动功率最高，安全性最好； 2.技术成熟， 全球应用最广泛的制 动技术； 3.对发动机无不良影响； 尚无不良影响的验证 排气门制动 （evb） 1.价格相对比较低； 2.技术相对成熟， 对发动机无不良 影响。 1.制动功率较低，安全性一般； 2.与发动机排气制动联动方能体现较好 效果，故整体方案对增压器可靠性仍有 损坏； 3.可靠性相对较差。 电涡流缓行器 1.制动功率较高； 2.结构简单技术成熟， 对发动机无 不良影响； 3.更适用于客车。 1.价格较高； 2.重量重，受温度限制适应性不好； 液力缓行器 1.制动功率较高； 2.结构简单技术成熟， 制动噪声较 低； 3.更适用于客车。 1.价格较高； 2.对整车冷却系有较大改动； 3.控制复杂，响应速度较慢。 由上表的对比能够得出除了压气式发动机制动装置之外的三持续种制动装置都存 在着或多或少的缺点，对持续制动工作的可靠性、安全性与运营的经济性造成影响。 综上得出，压气式发动机制动装置相比较排气门制动装置、电涡流缓行器、液力缓 行器而言制动性能最好、工作最为可靠。具体表现在：压气式发动机制动装置的技术最 为成熟、应用最为广泛；制动功率大且工作安全；由于减少了对行车制动器的使用，降 低了摩擦片的使用频率，提高了摩擦片的使用寿命，降低了对轮胎的磨损；对发动机及 增压器不会造成任何损坏。因此，对压气式发动机制动装置的了解、研究和推广具有重 要的意义。 1.2.6 持续制动装置的相关法规 行车制动器能够吸收的能量有限，尤其对中型、重型商用车而言，这部分吸收的能 量相对于车辆质量而言很小。因此，虽然进行紧急制动时行车制动器可以满足要求，然 而在长大下坡路段的持续制动过程中就无法保证制动的安全可靠。所以人们开始越来越 长安大学硕士学位论文 13 重视持续制动装置。 在许多国家，已把持续制动系统作为商用车必备系统列入交通法规15。例如：联邦 德国交通法规中规定：总质量在 5.5 吨以上的客车和 9 吨以上的载货汽车，必须装有第 三制动系统（dritte bremse），又称为持续制动系统（dauerbremse）。法规中还规定持 续制动系统的测试方法， 即在坡度为 7%、 坡长为 6 km 的坡道上， 不采用主摩擦制动器， 而保证汽车以 30 km/h 的速度正常行驶至坡底。 在瑞士交通法规中也规定： 质量超过 3.5 吨的牵引车以及总质量 8 吨以上的载重车必须安装持续制动装置。 2002年6月1日我国交通部已颁布实施中华人民共和国交通行业标准jt/t325-2002 营运客车类型划分及等级评定 。 该标准规定中型客车中高二级， 大型客车中高一级、 高二级和高三级客车都必须装置制动器。建设部 2002 年 10 月 1 日公布执行的 cj/t162-2002城市客车分等级技术要求与配置也规定超二级、超一级、高级的市区 和城郊城市客车规定必须装备制动器。 1.3 本文研究的主要内容 通过以上分析，确定本论文的主要研究内容为： 1. 根据平路试验得到的数据设计坡道试验， 对压气式发动机制动系统性能的坡道试 验数据进行分析计算，得出车速与时间之间的关系进而推导出减速度与时间的关系、制 动力与时间的关系以及车辆下坡过程中紧急制动情况。 2. 进行制动气压的标定试验，得到制动气压与紧急制动力之间的关系。 3. 对坡道试验前后车辆制动轮毂的温度进行测量，对比前后温度的变化。 4. 测量开启与关闭压气式发动机制动器时驾驶室内的噪声，对比噪声的变化。 5. 通过计算分析分析， 得出车辆在试验时所受载荷的情况下， 关闭压气式发动机制 动在试验道路上所能达到的理论车速。与试验得到的结果进行对比分析。 6. 根据坡度的不同进行分段，讨论每段所采取的驾驶模式并给出合理的建议。 7. 分析满载与超载 5 吨、超载 10 吨的情况下车辆在试验路段所应该采取的驾驶模 式，并进行对比分析。 第二章 压气式发动机制动的原理及工作过程 14 第二章 压气式发动机制动的原理及工作过程 2.1 发动机制动 汽车上常用的发动机有两种类型，分别是汽油发动机和柴油发动机。柴油的能量密 度最高，与液化天然气相比高出近一倍，与汽油相比则要高 10%以上。同时它不容易挥 发，着火点较高，不容易由于偶然因素被点燃或发生爆炸，较为安全。相比较汽油发动 机而言，柴油发动机的热效率和经济性都比较好。在相同功率下，柴油发动机的扭矩大 于汽油发动机的扭矩，最大功率时的柴油机的转速低于汽油机，因此柴油发动机得以在 商用汽车上被较为广泛的使用。接下来，我们主要就柴油发动机进行讨