（光学工程专业论文）基于排气门制动的重型汽车山区连续下坡安全性研究.pdf

摘要 随着我国经济的高速发展，道路运输业呈现高速发展趋势，然而繁荣的背后也隐藏 着危机，即日益增长的道路安全事故，尤其是在长大下坡路段行驶的重型商用车，造成 了严重的后果。重型车辆造成交通事故的一个重要原因是持续制动状态下行车制动器制 动效能失效，因此为长大下坡行驶的重型车辆安装高效的持续制动装置成为解决这一问 题的有效方案。 本文对目前使用的几种持续制动装置的工作原理及工作过程进行了介绍，经过对各 持续制动装置的比较得出，排气t - 锘l j 动装置是一种高效的持续制动装置。目前排气门制 动装置在欧美发达国家已经得到了广泛的应用，并且取得了良好的效果。本文对其制动 特性进行了细致深入的研究，对发动机排气f - j n 动装置的工作原理、工作过程以及使用 工况进行了探讨。为研究排气门制动的效果，进行了排气f - 带l j 动平路实验，并对实验结 果进行了分析计算，得到了持续制动性能的量化结果，并对发动机的制动工况各参数进 行了计算。 通过理论计算建立了汽车长大下坡的力学模型，研究了汽车以稳定车速下坡时的受 力平衡，并进行了仿真计算。通过对实验数据进行推导计算，求得车辆在空载和满载状 况下，车辆在使用不同挡位排气i - n 动时可以安全行驶的最大坡度与速度。 本文对装有排气f - 锘l j 动装置的重型车辆连续长大下坡的安全行驶提供了理论依据， 对重型车辆山区长大下坡的安全行驶具有重要的指导意义。 关键词：持续制动，排气a - 韦l j 动，汽车长大下坡，安全性 a b s t r a c t a sc h i n a se c o n o m yd e v e l o p sf a s t ，r o a d t r a n s p o r to fc h i n aa l s ob e g i n s t o g r o w q u i c k l y a tt h es a n l et i m et h e r ei sas e r i o u sp r o b l e m ，m o r ea n dm o r et r a f f i ca c c i d e n t sc a u s e g r i e v o u sc o n s e q u e n c eb yh e a v yv e h i c l e sd r i v i n gd o w n h i l le s p e c i a l l y o n em a i nr e a s o no ft h e t r a f f i c sm a d eb yh e a v yv e h i c l ei st h a tt h ee f f i c i e n c yo fs e r v i c eb r a k es l u m p sg r e a t l y , s oi t sa v a l i dp r o p o s a lt oi n s t a l ls u s t a i n e db r a k i n gs y s t e mo nh e a v yv e h i c l e t h i sa r t i c l es t u d i e st h ep r i n c i p l ea n dw o r k i n gp r o c e s so fs e v e r a ls u s t a i n e db r a k i n g s y s t e m c o m p a r e dw i t ho t h e rs u s t a i n e db r a k i n gs y s t e m ，e x h a u s tv a l v eb r a k i n gs y s t e m ( e v b ) i sab e t t e rs u s t a i n e db r a k i n gs y s t e m e v bs y s t e mh a sb e e nc o m p r e h e n s i v e l yu s e di n d e v e l o p e dc o u n t r i e sa n dm a k i n gg o o de f f e c t s 。t h i sa r t i c l er e s e a r c h e sc h a r a c t e r so fe v b p r e c i s e l y t h i sa r t i c l es t u d i e st h ep r i n c i p l ea n dw o r k i n gp r o c e s so fe v ba n ds t u d i e st h eu s a g e o fe v b i no r d e rt os t u d yt h er e s u l t so fe v b ，w em a k eae x p e r i m e n to fe v bo nl e v e l r o a d t h e nw ea n a l y s et h er e s u l t so ft h e e x p e r i m e n ta n dg e t as t a t e m e n to fs u s t a i n e d b r a k i n g a tt h es a m et i m ew ec a l c u l a t es e v r a lp a r a m e t e r so fe n g i n e t h i sa r t i c l ec r e a t sam e c h a n i c a lm o d e lo fh e a v yv e h i c l eb a s i n go nt h e o r e t i c a la r i t h m e t i c ， a n dd oas i m u l a t i o no fm e c h a n i c a lm o d e l w es t u d yt h em e c h a n i c se q u i l i b r i u mo fh e a v y v e h i c l ed r i v i n gd o w n h i l la tac o n s t a n ts p e e da n dm a k ead e r i v a t i o no ft h er e s u l t sg o t t e n b e f o r e a tl a s tw ed r a wa c o n c l u s i o n ，g e t t i n gt h es p e e do fh e a v yv e h i c l ed r i v i n gd o w n h i l la t d i f f e r e n tr a t i o so fs l o p ew h e nt h ev e h i c l ei sn o l i v el o a do rf u l l yl o a d e d t h i sa r t i c l ep r o v i d e sat h e r e u n d e rf o rh e a v yv e h i c l e 、析me v b s y s t e md r i v i n gd o w n h i l l i t p r o v i d e sag u i d i n gs u g g e s t i o nt oi m p r o v et h es a f e t yo fh e a v yv e h i c l ed r i v i n gd o w n h i l l k e yw o r d s ：s u s t a i n e db r a k es y s t e m ；e x h a u s tv a l v eb r a k e ；v e h i c l ed r i v i n gd o w n h i l l ；s a f e t y 长安大学硕士学位论文 1 1 选题背景 1 1 1 中国道路交通安全现状 第一章绪论 近年来，随着我国经济的持续高速发展，公路建设以及公路运输事业同样处于高速 发展阶段。截止2 0 1 0 年底，中国高速公路的通车总里程达7 4 万公里，同比增长1 3 8 【l j ， 中国高速公路再次保持了高速发展，通车总里程继续居世界第二位，仅次于美国。无论 是从公路总里程还是从高速公路总通车里程上看，我国的公路交通已经得到了飞跃式发 展，能够基本满足经济和生活的需求；从面积密度来看，东部发达地区并不亚于美国等 发达国家，甚至还超过了发达国家水平。但是，在我国中西部地区高速公路的密度明显 下降，区域之间的差异非常明显。从我国高速公路规划布局情况来看，我国高速公路发 展将参考经济发展状况的同时，兼顾区域间的均衡化发展。这将有助于减小和改善东西 部地区高速公路建设的巨大差距和区域协调发剧引。 随着国务院十大振兴产业计划中的汽车工业振兴规划以及物流业振兴规划的实施， 我国的汽车工业与交通运输业将会以更快的速度发展。但是，在交通运输业蓬勃发展的 背后，我们还要重视发展中出现的一些问题，其中公路交通安全问题显的尤为重要。图 1 1 是近十年中国交通事故的统计情况。 近十年中国交通事故统计 -z 叶 、 、- 、 k v 咖 籁 辑 协 图1 1 近十年中国交通事故统计 从图1 1 中我们可以看出，近十年来我国交通事故总量与死亡人数都呈下降趋势， 但是与世界发达国家甚至是世界平均水平相比，中国的交通安全形势仍然不容乐观。 0 o o o 0 o 0 2 o 0 o 0 o 0 o 0 o 0 0 0 0 0 0 o 0 o 2 o 8 6 4 2 l l 籁、r u 献 第一章绪论 2 0 1 0 年1 至6 月份，按照道路交通事故同比口径统计，全国共发生9 9 2 8 2 起道路交通事 故，造成2 7 2 7 0 人死亡、11 6 9 8 2 人受伤，直接经济损失4 1 亿元。与2 0 0 9 年同期相比， 分别下降了9 3 、1 2 、1 0 6 和5 3 。其中，发生一次死亡l o 人以上特大道路交通 事故1 5 起，同比增加3 起。全国共发生适用简易程序处理的道路交通事故1 6 9 4 1 5 3 起， 同比上升3 1 7 。2 0 1 0 年公安部交通管理局发布的全国道路交通事故报告显示，截止到 2 0 1 0 年1 1 月份，全国共发生道路交通事故1 8 6 2 4 6 起，造成5 5 0 0 8 人死亡、2 2 9 3 5 3 人 受伤，直接经济损失7 9 亿元。 中国的汽车保有量大约仅占全世界的2 ，但是道路交通事故的死亡人数却占到了 全世界的1 5 ，多年来一直高居世界第一位，2 0 0 9 全国万车死亡率已经降低到了3 6 ， 同比降低o 7 ，但与世界平均水平的2 0 相比，道路交通安全水平急需提高【j j 。 1 1 2 交通事故频发的原因及解决方案 分析一下历年的交通事故统计不难发现，重型车辆往往引起特大交通事故，造成的 损失和引起的人员伤亡尤其严重。以2 0 0 6 年为例，因制动系统出现问题和轮胎出现问 题造成的事故占总事故的7 0 以上，大货车占肇事车辆的比例高达2 8 6 2 ，造成2 5 6 0 0 人死亡【3 j 。遏制重型车辆造成的重特大交通事故成为目前交通管理工作中的重要课题。 如何提高重型车辆的制动安全性能成为解决道路安全的重要组成部分。一方面，随 着汽车工业新技术的不断涌现与应用，发动机的输出功率越来越大，汽车的行驶速度越 来越高；另一方面，汽车制动系统的新技术发展速度缓慢，远远落后于汽车发动机动力 技术的发展速度，这就意味着在同样的制动时间内，汽车的制动系统会承受更多的热负 荷，其温度上升得更快。汽车行车制动器在频繁的或长时间制动时，其温度不可避免的 会升高，进而造成行车制动器制动性能下降失效。 重型商用汽车其载重量大，所需要的制动力也大。高效的汽车制动系统是安全行驶 的重要保证，对于重型商用汽车来说，其制动系统由行车制动器、驻车制动器和持续制 动装置组成，从而满足各种行驶状况的要求。图1 2 描述的是行车制动器制动过程中车 轮制动鼓的温度随制动时间的变化曲线，图1 3 描述的是某一车型各制动系统的制动功 率吸收图l 4 j 。 2 长安大学硕士学位论文 4 车轮常蛎功器吸收功率 v排气秭搬收樨 稳定车速下坡时所耥恸功率 、发动机审鳓受收功率 iil 时闸s i n 啪r a i n 图1 2 车轮轮毂温度变化曲线图1 3 各制动装置功率吸收曲线 从图1 2 中可以看出，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【5 1 。从图1 3 中可以看出，行车制动器的 特性是在短时间内提供足够大的制动功率，能够使车辆迅速制动停车，但行车制动器长 时间制动后会造成制动器温度升高，从而使其吸收的功率迅速下降，制动效能迅速下降， 不能满足持续制动的要求；而排气制动与发动机制动等持续制动装置的吸收功率虽然不 如车轮制动器的最大吸收功率，但是持续制动装置能够提供稳定的吸收功率，使车辆逐 渐降低车速，符合车辆下长坡持续制动的要求。 山区道路行驶的货车、客车和高速行驶的轿车对抗热衰退性能有更高的要求，我国 国土面积辽阔，中西部地区地形复杂，海拔高度变化大，有些长大下坡路段甚至达到十 几千米。陕西省境内的g 2 1 0 国道秦岭段，从沣浴口至广货街路段第6 4 公里至第3 l 公 里处为连续下坡路段，其高度由海拔2 0 3 0 米下降到5 0 0 米，该路段坡道长3 3 公里，平 均坡度为4 6 ；由里程碑第6 4 公里处至第7 8 公里处海拔高度从2 0 3 0 米降低到1 2 5 0 米也是连续的坡道路段，平均坡度为5 6 ，长度为1 4 公里1 6 】。 在长大下坡路段，重型车辆如果单一地利用行车制动器制动，往往造成行车制动器 过热，使主制动器制动性能迅速衰减，甚至丧失制动功能，不能满足重型车辆连续下长 坡持续制动的需求，如不及时采取应急措施制动停车，往往会发生危险。实际行车中有 两种提高车辆的抗热衰退性能的途径；一种方式是停车给主制动器轮毂浇水，降低行车 制动器的温度，此种方式容易导致制动毂破裂和爆胎，气温较低时容易造成路面结冰， 行驶条件进一步恶化；另外一种方式就是为重型车辆装配持续制动装置，利用持续制动 装置的辅助制动作用，从而确保长大下坡路段的行车安全。 重型商用汽车配置可靠的辅助制动装置是十分必要的，持续制动装置可以提供稳定 的制动功率，从而有效地分担主制动系统的负荷，提高了车辆的制动稳定性与安全性， 是一种安全可靠的制动方式。 |-世赠旧滕繇辑 第一章绪论 1 2 汽车持续制动装置的类型及特点 在许多发达国家，持续制动系统己作为商用车必备系统被明确列入交通法规同。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。 1 2 1 液力缓速器 液力缓速器最初是为了解决火车短距离内减速困难的问题。后来，液力缓速器应用 在了在汽车上，发现其辅助制动效果同样非常理想。如今液力缓速器越来越多地被应用 到重型商用汽车上，起到了良好的持续制动效果。 液力缓速器由定子、转子、输入轴、热交换器、工作腔、壳体和储油箱组成。其安 装方式分为与传动轴并连和与传动轴串连两种方式【8 1 。 口口 琏器 。 l 、厂j l _ ) i -t 图1 4 液力缓速器与传动轴串联 图1 5 液力缓速器与传动轴并联 液力缓速器串连时可在变速器前或者后安装；如果采取并连连接，则变速器和缓速 器做成一个整体来安装。液力缓速器系统的工作原理如图1 6 所示。液力缓速器开始工 作时，压缩空气经电磁阀进入储油箱，压缩气体将箱体内的变速器机油压入缓速器中， 液力缓速器开始工作。油液在转子的带动下绕轴线转动；同时，油液在离心力的作用下 沿叶片的方向流向定子，定子叶片与油液间产生一对作用力与反作用力，流出定子的油 液返回转子产生阻力，如此持续下去则形成了阻碍转子转动的阻力偶矩，阻碍转子的转 动，从而产生对车辆的减速效果。工作油液在反复的流动过程中形成了进出口的压力差， 从而使机油循环往复流动，当油液流经热交换器时，来自冷却系统的冷水将热量带走， 4 长安大学硕士学位论文 从而保证整个系统保持稳定的温度 g j 。 ：定子 a 转子b 定子c 工作掖体循环 图1 6 液力缓速器工作原理图 液力缓速器的优点：发动机转速越高液力缓速器的制动力矩越大；液力缓速器工作 时产生的噪声小、对系统的冲击小；液力缓速器制动属于间接制动，反应灵敏，其控制 系统已趋于完善，可自动适应不同载荷的需求；液力缓速器系统的散热性能良好，可持 续进行制动：液力缓速器的体积小，安装方便；液力缓速器靠油液传递动力，系统的组 件之间不产生磨损，因此使用寿命长；液力缓速器工作过程平稳，安全可靠。 液力缓速器的缺点：发动机转速低时液力缓速器制动效果较差，因为液力缓速器的 制动力矩与其转速的平方成正比，故当转子转速逐渐降低时，液力缓速器的制动力矩降 低幅度更大；液力缓速器空转时功率的损失较大，当液力缓速器不参与工作时，工作腔 内充满空气，由于其动轮与车辆传动系相连，动轮与定轮内的空气产生循环流动，从而 造成泵气能量损失，约为4 ；液力缓速器的控制要求高、成本高费用较高，每台费用 约为2 万元。 液力缓速器是通过改变注入到工作腔内的充油量来实现对力矩的控制，当工作腔内 只注入部分油液时，为保持制动力稳定，必须保持工作腔内油液量的动态平衡，所以液 压系统必须具备流量大和快速动态响应的特性【1 0 1 。 1 2 2 电涡流缓行器 电涡流缓行器主要有转子和定子及固定支架构成，通常安装在变速器处。定子部分 包括：线圈、铁芯、定子本体。转子部分为带散热叶片的金属转盘。图1 7 为电涡流缓 行器的结构刚1 1 1 。 5 第一章绪论 广a 一七 至 l 燃 1 j n 陌热 ， 3 f 1天hz 叫v 【土登pi 、- - 一 【 吣泄 士 ； 】 匡 a 一， a a 图1 7 电涡流缓行器结构图 l 一转子盘；2 铁芯；3 _ 激磁线圈；4 转子轴：5 一轴承： 卜固定架；7 气隙；8 接线柱 电涡流缓行器工作时接通电流，定子线圈内产生电磁场，当转子随传动轴一起转动 时，旋转切割定子产生的磁感线，由法拉第电磁感应定律可知，转子盘内部产生涡旋状 的感应电流。根据左手定则，定子内部产生的电磁力，该力成为阻碍转子旋转的阻力， 从而产生制动力矩。同时，涡电流在具有一定电阻的转子盘内部流动时，由于电阻的热 效应，电能转化为热能。这样，车辆的动能就会通过电磁感应现象和电阻发热最终转化 为热能散发到空气中去【1 2 1 。图1 8 为电涡流缓行器的工作原理图： 图1 8 电涡流缓行器的工作原理图 转子盘由两片转碟组成，与传动轴连接；带散热叶片的转子盘与传动轴连接在一起， 可以随传动轴转动；定子处于两个转子之间，固定在底盘上，定子与线圈绕组连接在一 起，相邻两个线圈绕组的极性相反；当缓速器各线圈绕组通过直流电流时，各线圈绕组 就会产生电磁场；当转子盘随传动轴转动时，转子盘切割磁力线，转子盘表面产生涡电 流，并产生制动力【1 3 】。 6 长安大学硕士学位论文 电涡流缓行器的优点： 1 提高了车辆的安全性。由于电涡流缓行器的辅助制动作用，驾驶员大大地减少了 对行车制动器的连续使用次数；电涡流缓行器采用了风冷方式，极大地简化了安装，避 免了制动器热衰退现象的发生。 2 提高车辆运行的经济性。由于电涡流缓行器的使用，减少了制动毂、制动蹄衬 片及行车制动器的使用频率，使得其维修成本下降；同时减少了行车制动系统部件的间 隙调整时间，使车辆的有效工作时间得以延长，提高了平均行驶速度，提高了行车效率， 进而增加了经济性。 3 提高车辆的乘坐舒适性。安装了电涡流缓行器的车辆，不但可以减少制动踏板 的使用频次，也可以减少所需踏板力，因而有效地减轻了驾驶员的疲劳感。同时，缓行 器还缓和了制动时所造成的冲击和噪声，使驾驶变得更平稳，更安全。 4 提高了车辆在坡道行驶时的速度。安装了电涡流缓行器的车辆，因为缓行器不存 在和挡位关联的制动力变换，因此，下坡时利用缓速器可以维持较高的稳定行驶速度。 电涡流缓行器的缺点：电涡流缓行器的缺点在于其尺寸庞大，机体沉重，费用较高， 每台费用约为2 万元。电涡流缓行器受周围环境温度影响较大，目前只适用于大型商用 车辆。电涡流缓行器因为有电磁线圈，极大地消耗电能，增加了蓄电池的负荷【1 4 1 。 1 2 3j a c o b s 发动机制动 j a c o b s 发动机制动装置最早出现于上世纪6 0 年代，最初是由康明斯公司和杰克勃 公司共同研发出来的一种发动机压缩制动装置，最早应用于康明斯1 4l 的发动机，研制 成功后，又陆续开发出用于其他型号和品牌发动机的系列产品【1 5 1 。j a c o b s 发动机制动装置 的结构如图1 9 所示： 撵气门 图1 9j a e o b s 发动机制动装置结构图 7 第一章绪论 j a c o b s 发动机制动装置主要由制动器本体、控制阀、电磁阀、调节螺钉、主动活塞 和从动活塞等零部件组成【l5 1 。j a c o b s 发动机制动器的主要零部件通过制动器本体集成为 一个总体，电磁阀的主要作用是导通或截断发动机的机油油路。控制阀的作用是在发动 机制动器工作时产生高压油区与低压油区。主动活塞其作用是在高压油路生成高压机 油；从动活塞是发动机制动器工作时的控制、执行元件。发动机排气门丁字形压板与从 动活塞的间隙可通过调节螺钉进行调节。 j a c o b s 发动机制动的工作原理：j a c o b s 发动机制动装置工作时，停止对发动机的燃 料供给，变速器与此同时挂入某一前进档位，使汽车发动机曲轴可以在驱动轮和传动系 的带动下继续运转。在这种行驶状况下，原来作为汽车动力输出的发动机就变成了消耗 汽车动能的空气压缩机，从而对汽车起到减速作用【1 6 1 。在这种情况下，汽车的动能大部 分损耗在发动机的进气行程、压缩行程和排气过程中，小部分动能损耗在对空气压缩机、 油泵、水泵、发动机等附件的驱动上。发动机在作为空气压缩机运转的过程中，产生阻 碍曲轴旋转的力矩，即为制动力矩。制动力矩通过减速器和变速器放大之后传递给驱动 轮，从而产生持续的制动力。j a c o b s 发动机制动的工作过程如图1 1l 所示， 逡恧靖数功棒弋 誊 图1 1 0 发动机正常工作过程 图1 1 1j a c o b s 发动机工作过程 揭笋帆以凿黾蝴 长安大学硕士学位论文 j a c o b s 发动机制动器运行时，完全放松油门踏板，使离合器完全啮合。首先，进气 过程中进气门打开，活塞下行，新鲜空气进入气缸，其工作过程与发动机正常工作过程 相同；压缩行程中活塞上行，压缩气缸内的气体；当活塞达到压缩上止点前一定角度时， 发动机制动器打开排气门，此时气缸内被压缩的高压气体迅速释放，气缸内压力迅速降 低：当做功行程开始时，关闭排气门，由于活塞下行气缸内压力显著降低，发动机对外 不做功甚至做负功；排气行程开始时排气门开启，活塞上行，完成排气行程。上述过程 就是j a c o b s 发动机制动的一个完整过程【1 7 1 。 j a c o b s 发动机制动器的优点： ( 1 ) j a c o b s 发动机制动器的制动功率较大。 ( 2 ) j a c o b s 发动机制动器与发动机集成一体从而使发动机制动器体积小，质量轻。 ( 3 ) 通过主减速器与变速器的不同变速比例，可以将制动力矩放大。 ( 4 ) 压缩冲程上止点前从排气门释放出的压缩气体是清洁的、高速流动的空气， 可以清除燃烧室和排气系统积炭，从而可以减少积炭对发动机的磨损。 j a c o b s 发动机制动器的缺点：j a c o b s 发动机制动器对发动机的改造较大，发动机厂 商需要对气门室罩和发动机缸盖重新设计和生产，以方便制动器安装。 1 2 4 排气门制动 排气门制动技术e v b ( e x h a u s tv a l v eb r a k e ) 是一种发动机缓速装置，它在传统的 蝶形阀排气辅助制动装置的基础上增加了一个排气阀辅助制动装置，进一步提高了发动 机的制动效率1 8 1 。 排气门制动技术是在传统的排气管制动阀的基础上安装了一个排气门辅助制动装 置，传统的排气制动技术是在排气歧管中安装一个蝶形节流阀，其结构如图1 1 2 ，排气 管制动阀位于柴油机排气歧管，当其工作时，起到关闭排气管路的作用，如图1 1 3 【1 9 】。 排气门辅助制动装置安装于排气门上端，其作用是阻止排气门完全关闭，在发动机的压 缩行程与做功行程过程中始终保持1 2 m m 的间隙，在压缩行程中，空气通过排气门开 启的间隙进入到排气管中，由于排气门间隙产生的节流作用，压缩空气受到排气阻力而 做负功；做功行程中排气管路中的高压空气在压力作用下流回到气缸，在此过程中排气 门间隙再次起到节流作用，压缩空气受到阻力做负功，大大降低了活塞的下行速度。通 过压缩行程与做功行程产生阻力矩，经传动系统放大后传到驱动轮从而产生制动力，可 以使车辆制动减速，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【2 0 1 。 9 第一章绪论 排气管制动蝶形阀与排气门辅助制动装置的外形图： 图1 1 2 摔气管制动蝶形阀外形图图1 1 3 捧气门辅助制动装置 在国外的重型卡车上已经是标准配置。目前，国内一些生产重型车辆的企业配置了 e v b 排气f - j n 动技术，该技术是德国m a n 公司的专利技术，其主要作用是制动时增加 由柴油发动机产生的制动力矩，降低行车制动器的使用频率，可以提高车辆在山区下坡 路上的行驶安全性，因为行车制动器的使用次数下降，同时大大提高了驾乘舒适性。 排气门制动具有以下优点： ( 1 ) 采用排气门制动技术可以有效地减少汽车在行驶过程中的行车制动器使用次 数，由发动机产生制动力矩，提高了制动效率，增加了车辆运行的安全性。 ( 2 ) 采用排气门制动技术后，行车制动器的使用次数和使用时间显著减少，大大 降低了轮胎的磨损，同时也减轻驾驶员的驾驶负担，增加了驾驶舒适性。下长坡时，驾 驶员也不必停车浇水冷却，降低了驾驶员的工作强度、保证了车辆的运行时间，提高了 驾驶效率。 ( 3 ) 采用排气f - j n 动技术可降低维修成本，增加零部件的使用寿命。由于行车制 动器的使用次数减少，延长了包括制动毂、刹车片在内的整个制动系统的使用寿命，因 此零部件维护成本降低；行车制动系统散发的热量减少，延长了轮胎的使用寿命。 ( 4 ) 采用排气门制动技术可以降低油耗。当采用排气f - i n 动时，发动机的燃油供 给被切断，整个制动过程无燃油燃烧。 排气f - in 动的缺点：发动机转速低时制动功率较低，安全性一般。 1 3 持续制动装置的比较 相比较于电涡流缓速器、液力缓速器和发动机制动，排气f - j n 动具有以下优点： 1 0 长安大学硕士学位论文 l 、排气门制动装置的安装制造价格较低，液力缓速器与电涡流缓行器的安装价格 都比较昂贵，并且此两种缓速器的质量比排气门制动装置的质量要大得多。 2 、排气门制动装置的制动功率能够达到发动机额定功率的6 0 左右，相比较于液 力缓行器与电涡流缓速器和发动机制动装置来说，制动功率足够大且对发动机无不良影 响，燃油经济性好。 3 、液力缓速器的控制复杂，响应速度慢；电涡流缓速器受温度影响较大，制动器 运行一段时间后效率下降；发动机制动装置需要对发动机气门室罩和发动机缸盖的结构 作调整，增加了设计、制造成本。 通过对几种持续制动装置的比较，可以看出，排气门制动装置是持续制动装置中性 能可靠、高效的一种持续制动装置。 1 4 本章小结 l 、本章首节首先分析了中国道路交通安全的现状，对导致重大交通事故频发的重 型车辆方面的原因进行了分析，认为采用持续制动装置是有效措施。 2 、本章第二节对目前几种应用广泛的持续制动装置进行了介绍，对其结构和工作 原理及其工作过程进行了详细说明，并分析了其优缺点。 3 、本章第三节对几种持续制动装置的优缺点进行了比较，认为排气i - j n 动装置是 一种经济实用的可靠持续制动装置，在发达国家已经普遍应用的情况下，国内应该加以 推广应用。 第二章排气门制动的原理及工作过程 第二章排气f - l * u 动的原理及工作过程 排气门制动e v b ( e x h a u s tv a l v eb r a k e ) 是一种发动机缓速装置，它以传统的蝶形 阀排气制动装置为基础，通过排气f - j $ u 动系统对排气门的控制，排气门开启的时间被延 长，利用排气门间隙的节流作用产生阻力来消耗车辆动能，实现车辆制动减速的目的2 0 1 。 2 1 排气f - j , l j 动装置的组成 ( 1 ) 排气管蝶形节流阀 当蝶形节流阀关闭时，排气管路内的压力迅速升高，在进气冲程结束时打开排气门， 它是排气f - in 动系统工作的基础。 ( 2 ) 排气门辅助制动装置 排气门辅助制动装置的作用是使被压力波打开的排气门在压缩冲程与做功冲程中 始终保持1 2 毫米的间隙。 2 1 1 排气管蝶形节流阀的结构 排气管制动阀是一种安装在排气歧管出口处的碟形阀。排气管制动阀包括排气制动 缸、摇臂机构和碟形阀。传统的排气制动系统只安装了排气管制动阀，其结构如图1 1 4 所示。 图2 1 捧气管蝶形节流阀 卜排气制动缸2 一摇臂机构3 一碟形阀4 一排气歧管 传统的排气制动技术的工作过程：当驾驶员需要使用排气制动刹车时，开启排气制 动按钮阀，压缩空气在按钮阀打开的同时进入停油气缸，停油气缸的活塞在压缩空气的 1 2 长安大学硕士学位论文 作用力下带动推杆移动，推杆通过联动机构带动调速器柄，停止燃油供应；同时推杆带 动排气制动蝶形阀将排气管堵死；由于排气管被蝶形阀堵死，发动机排气通道被堵死， 排气管中的压力迅速增大，活塞在排气行程时必须克服此压力，故而造成发动机的制动 功率大大提高。当需要解除排气制动时，回位弹簧推动排气制动缸活塞返回到初始位置， 蝶形阀复位，排气歧管的管路恢复畅通，排气制动解除。 2 1 2 排气门辅助制动装置的结构 排气门辅助制动装置包括油道、溢流孔、活塞、过桥活塞、单向阀、固定架、摇臂， 其结构如图2 3 1 2 1 1 。 + 5 旎一 同陶r 、冷 l 。_ = 童奎遗羹一生 i 、 图2 2 捧气门辅助制动装置外形图图2 3 排气门辅助制动装置的结构 1 凸轮轴2 滚轮3 、4 摇臂 l 油道2 溢流孔3 活塞4 过桥活塞腔 5 固定架6 排气门7 进气门5 单向阀6 固定架7 摇臂8 排气门 排气门制动系统采用了机械、液压混合控制技术，这一技术已经在曼、沃尔沃、梅 赛德斯一奔驰等欧美大中型运输车辆上已经得到广泛的应用。下面以曼d 2 0 6 6 lf 发动 机为例，对排气门辅助制动装置的工作原理加以说明。 曼d 2 0 6 6 lf 系列发动机采用四气门结构，其排气阀结构如图2 2 所示。当发动机 处于进气行程过程中时，活塞下行，气缸内的气压减小，在排气歧管排气背压与气缸内 产生的负压作用下，排气门8 瞬间打开，过桥活塞3 向下推出，机油进入过桥活塞腔中； 活塞继续下行，当气缸室内的负压与排气背压不足以克服排气门弹簧压力时，排气门8 上行，没有安装固定架端的排气门关闭，而有固定架6 一端的排气门由于过桥活塞腔内 的机油不能瞬间排除，气门推动活塞3 及过桥活塞上行，直至封闭固定架6 与过桥间的 间隙，封闭溢流孔2 ，由于气门8 继续推动活塞3 上行，致使活塞腔4 内的机油向油道 l 反向流动，单向阀5 关闭，排气门无法再上行，产生约2 m m 的开启高度，起到节流 第二章排气门制动的原理及工作过程 作用，直至排气行程结束。当排气行程结束时，凸轮轴推动摇臂7 控制过桥，使其与排 气门8 一起下行，固定架与过桥分离，溢流孔2 开启，机油泄出，单向阀5 打开，活塞 3 复位，气门8 关闭，一个完整的循环结束。 2 2 排气f l $ i j 动的原理 排气门制动的原理是建立在传统的排气管蝶形阀的应用基础之上，当排气管路蝶形 阀关闭时，汽车发动机在车辆重力的作用下做类似于空气压缩机的运动。排气管内产生 压力约为o 3 0 4 m p a 的废气，它能使处于进气行程结束、活塞处于下止点位置的那个气 缸的排气门被相邻气缸排出的废气所产生的压力波冲开。目前，所有的蝶形阀制动系统 都出现此现象，并且己通过试验加以验证了。排气门辅助制动装置就是利用了排气门被 压力波打开的现象，使排气门在柴油机工作过程中始终保持一个间隙，发动机活塞在发 动机排气过程中始终受到气体的反作用力，从而增加了汽车的行驶阻力，提高发动机的 制动效率。 当排气门被相邻气缸的废气压力波冲开后，排气门辅助制动装置就会阻止已打开的 排气门关闭( 原理见2 1 2 节) ，使其保持大约1 2 毫米的间隙。则在发动机压缩冲程 过程中，一部分压缩空气在活塞的作用力下被压入排气歧管，当做功行程开始后，活塞 下行时气缸内压力迅速下降，由于排气管路中的压力较大，空气又重新流回到气缸内， 降低了活塞的下行速度。在此两个行程中排气门间隙始终保持着，起到节流作用，当排 气冲程开始时，排气f - i n 动阀泄油孔在摇臂的作用下开启，润滑油喷出，排气门回位， 气体被排出气缸，完成一个完整的工作循环【2 。 2 3 排气门制动装置的工作过程 重型车辆在需要开启排气f - j n 动装置时，完全松开油门踏板，离合器完全啮合。 发动机的进气行程，如图2 4 进气行程所示，当蝶形阀关闭时，排气门被来自排气 岐管的压缩空气打开一个缝隙，排气门摇臂的单向阀门开启，小活塞内的空腔被摇臂油 孔中的润滑油充满，由于液体的不可压缩性，被封闭的机油使小活塞不能缩回摇臂，迫 使排气门开启，保持大约1 2 毫米的间隙。 在发动机的压缩行程，如图2 4 压缩行程所示，一直保持间隙的开启状态，当活塞 运行到下止点附近时，气缸内的压力较低，排气管内的高压气体经排气门生成的间隙流 回到气缸，直到缸内压强与排气管内的压强相等时为止，气缸内的空气密度因此而变大。 1 4 长安大学硕士学位论文 之后，当活塞继续上行时，气缸内的气压逐渐高于排气岐管内的压力，在气压的作用下， 气缸内的气体通过排气门小间隙流入排气管内。 在发动机的做功行程，如图2 4 做功行程所示，当活塞迅速下行时，气缸内的压力 迅速下降，此时排气管路内的压力比气缸内的压力大。高压气体在气压作用下通过排气 门小间隙流回到气缸内，再次通过节流作用使缸内的气压显著降低。同时，压缩上止点 气缸内的气压远低于传统的排气制动装置压缩上止点的气缸内的压力，从而也减小了促 使活塞下行的推力，从而大幅改善了制动效果。 排气冲程如图2 4 排气行程所示，在此冲程中，凸轮轴将排气门打开，位于摇臂顶 端的泄油孔同时也被打开，润滑油被排出小活塞的活塞腔，小活塞在排气门的带动下复 位，气缸内的气体被完全排出，排气门小间隙关闭，一个完整的工作循环完成【2 l 】。 进气行程压缩行程做功行程排气行程 图2 4 捧气门制动装置的工作过程 2 4 排气门制动装置的使用 2 4 1 排气门制动装置的使用路况 汽车在正常的平路行驶过程时，短距离制动完全可以靠行车制动器进行制动，排气 门制动装置作为一种辅助制动装置，常用在特殊行车路段【6 】： ( 1 ) 长大下长坡路段 汽车在长大下坡路段行驶时，需要制动系统提供持续的行驶阻力，行车制动器由于 其自身特性不能长时间连续使用，因此排气门制动装置等持续制动装置是不二选择。 ( 2 ) 湿滑的路面 当车辆在刚下过雨的路面上或者结冰路面上行驶时，由于路面的附着系数较小，如 果使用行车制动器容易造成车轮抱死，导致车辆失去方向稳定性；而使用排气门制动时， 传动系中的差速器可以将制动力矩平均分配给各驱动轮，从而避免发生侧滑现象。 1 5 第二章排气门制动的原理及工作过程 ( 3 ) 干燥平滑的路面 车辆在平滑干燥的路面上行驶时，由于车辆对制动功率的要求不是特别苛刻，这时 可以开启排气f - i n 动装置，不需要使用行车制动器也可以满足制动系统的要求。 2 4 2 发动机排气门制动使用过程中应注意的问题 作为与行车制动器截然不同的一种制动方式，排气门制动装置在其使用时有一些问 题需要加以注意【冽： 1 、排气i - $ j j 动装置的工作原理是利用排气产生阻力，通过产生的阻力增加发动机 进气行程、压缩行程和做功行程的功率损失从而使汽车减速。因此，汽车的发动机必须 与传动系统处于动力传递状态，所以，在开启排气门制动装置时，变速器处于空档或者 踩下离合器踏板( 发动机与传动系统脱离) ，排气r - j s u 动装置无法起到降低车速的作用。 2 、接通排气门制动装置的开关后，其指示灯开启，表明排气f - i n 动系统处于正常 工作状态。如果驾驶员在排气f - $ u 动系统工作过程中踏下离合器踏板或者加速踏板，则 控制系统立即打开排气管制动阀，中止排气f - i n 动过程；当释放离合器踏板或者加速踏板 时，排气f - $ j j 动装置重新恢复工作状态。因此当使用排气f - j n 动系统时，不可随意踩踏 离合器踏板或者加速踏板；在不使用排气门制动系统时，须要及时关闭该系统的开关，排 气f - $ u 动指示灯处于熄灭状态。如果驾驶员踩油门踏板时发现排气f - j n 动系统没有及时 解除，则应当检查油门开关与加速开关的位置是否得当或排气制动阀是否卡住，并加以 排除。 3 、为了不损坏发动机，行驶过程中制动时不得在发动机超速的状况下使用排气门 制动装置。排气管制动阀安装位于发动机的排气岐管中，当解除排气f - i n 动系统时，须将 排气管制动阀打开，使发动机恢复正常工作状态。否则将会使发动机排气不顺畅，从而 导致气缸内的废气增多、燃烧不充分、发动机的转速不能迅速提高、发动机的功率下降、 发动机的温度过高。 4 、在使用排气f - j 带u 动装置时，制动灯不会亮，对后车没有提示，这一点必须予以 留意。 2 5 本章小结 1 、本章内容主要介绍了排气f - j n 动系统的结构组成，对排气f - i n 动系统的工作原 理及工作过程进行了详细介绍。 2 、本章内容介绍了排气f - 带u 动装置使用路况，以及在使用过程中应该注意的问题。 1 6 长安大学硕士学位论文 针对不同的路况，驾驶员应正确使用排气门制动装置，并且分析了使用中可能出现的问 题，并提出了解决方案。 1 7 第三章排气门制动平路实验 第三章排气门制动平路实验 汽车排气f - j 锘u 动力源自发动机制动扭矩，而发动机的性能受到其功率、转速等因素 的影响，本文通过进行排气门制动平路实验对制动过程中发动机的各种工况进行了分析 研究。 3 1 实验内容 3 1 1 实验目的 ( 1 ) 滚动阻力和空气阻力与行驶车速的关系 ( 2 ) 发动机排气f - j 常f j 动力矩和制动功率与发动机转速的关系 ( 3 ) 求得不同挡位的排气f - j 常u 动力与车速的关系 3 1 2 实验内容 为完成实验目的进行了了以下实验 ( 1 ) 测定滚动阻力与空气阻力的平路实验 ( 2 ) 排气门制动平路实验 3 1 3 实验设备 ( 1 ) 实验车辆 实验车辆为载有型号为w p l 0 3 7 5 的潍柴动力发动机的陕汽德御重卡3 7 5 马力 4 x 2 牵引车( s x 4 1 8 5 v t 3 5 1 ) ，如图3 1 所示，实验车辆的整备质量为1 8 8 0 0 k g ，其 详细参数见附录。 图3 1 实验车辆 ( 2 ) 记录设备 实验中用型号为g p s 1 卫星测速系统和v u e d s p 微波测速装置对车辆的速度变化 1 8 长安大学硕士学位论文 信号进行测量；使用e w e 3 0 1 0 _ r e c _ 一s p e c 型1 6 通道数据采集系统对车辆速度的数 据变化进行记录。 3 2 测定滚动阻力与空气阻力的平路实验 3 2 1 汽车行驶阻力分析 空气阻力凡与滚动阻力乃是在任何行驶条件下始终存在的行驶阻力，而坡度阻力 只和加速阻力局只在行驶状态改变的情况下才释放出来【2 3 】。 根据汽车的行驶方程式6 】： r = 乃+ r + r + 乃( 3 1 ) 凡是车辆的驱动力，滚动阻力毋和空气阻力凡是行车过程中阻力的组成部分，空 气阻力和滚动阻力在行车过程中会直接影响车辆的燃油经济性和动力性，对车辆连续下 坡的制动性能也产生较大影响，是不可忽略的影响因素。为了提高实验数据的精确度， 使实验结果有指导意义，必须对空气阻力和滚动阻力进行定量计算口4 1 。 1 、滚动阻力 滚动阻力是车辆在行驶过程中始终存在的一种阻力。车轮滚动时，轮胎胎面与地面 的接触区域产生切向、法向的相互作用力，轮胎和地面同时会产生一定的变形量。变形 的特点是由轮胎和地面的相对刚度决定的，当汽车在水泥路面或沥青路面等硬路面上行 驶时，轮胎的相对变形成为主要方面。胎面与路面间的弹性形变越大，则滚动阻力越大。 图3 2 为弹性轮胎在硬路面上滚动时受到径向载荷时的变形曲线。 蚤 图3 2 轮胎的径向变形曲线 如图3 1 所示，曲线o c a 为轮胎加载荷时的变形曲线，曲线a d e 是轮胎卸载时的 变形曲线，由于轮胎各组成部分之间的相互摩擦以及帘线和橡胶颗粒之间的相互摩擦造 1 9 第三章排气门制动平路实验 成了能量消耗，这种能量消耗最后以热能的形式散发到空气中，称为弹性物质的迟滞损 失【6 】，两条曲线o c a a d e 构成的面积o c a d e 即是在加载荷与卸载的过程中消耗的 能量。 通过对这种能量损失分析可以看出，这种弹性物质的迟滞损失表现为阻碍车轮滚动 的一种滚动阻力偶。 d 图3 3 弹性车轮滚动时的形变图 如图3 2 一a 所示，当轮胎静止时，地面对轮胎的法向反作用力是关于法线n - n 前后 对称的；但当轮胎滚动时，法线前后相对应的d 、d 虽然变形量相同，