带有空气悬挂的超静定牵引车异步制动锁死研究

1、带有空气悬挂的超静定牵引车异步制动锁死研究摘要：本文旨在解决采用空气悬架的超静定牵引车轮胎的异步制动锁死的实际问题。首先，提出两种在制动力和垂直力共同作用下的悬架变形计算模型；一个模型考虑安装在前轴的钢板弹簧悬架的变形，另一模型研究提升轴和传动轴空气弹簧的变形。第二，基于前述模型构建多轴牵引机半挂车的一个12自由度超静定制动力分配。第三,模型中每个轴的理想制动力是同时计算的，而每个轴的实际制动力是通过道路测试衡量的。理想与实际制动力分配曲线在不同制动率的比例已经被描述。这个对比的结果表明，提升轴的过度制动力会导致过早制动锁死，这是车轮异步锁死的主要原因。最后，由于理想和实际制动力的分配率分析，

2、本文描述了如何根据CEC R13，SAE J992b和JASO C514来重新设计牵引车半挂车的制动力分配。本文提出了一个拟合程度（FD）的定义和计算方法，以及提升轴的拟合程度从61.2%提升至91.8%。与传统牵引-半挂车相比，不仅是实际的制动力分配更合理，而且制动稳定性也得到提高。关键词： 超静定牵引-半挂车、提升轴 、空气悬挂、 制动力分配 、制动稳定性 、货车1 引言作用于车轮的异步制动锁死是工程师在处理车辆制动安全的基本问题。当一个制动测试被应用到ECE规则第13章中指提出的一辆负载多轴牵引车，过早制动锁死会发生在提升轴的车轮上。此时，制动压力只有0.4MPa，这明显低于前、后轴的锁

3、死压力。因此，车辆制动效率急剧下降，车胎磨损严重加剧。为了分析和解决问题，本文构造了一个多轴牵引车模型，仔细分析了每根轴的制动力分配。在模型中，如图1.所示，前轴有一个钢板弹簧悬架结构，提升轴和传动轴采用带有钢板弹簧纵臂的空气悬架。多轴牵引车在静态和制动过程中遭受来自地面的过大反作用力限制，它是一个超静定系统。制动过程中牵引-半挂车的质量传递导致马鞍承受的轴荷的动态增加，而且会跟制动率增长一起增长。与此同时，牵引车的总负载质量和重心的高度动态改变。有关这话题的早期研究报告已经由Limpert【2】和Adas et al.【3】提出。Limpert分析了分别带有活动梁、钢板弹簧和多叶多杠悬挂的多

4、轴车辆制动时的动态轴荷，但带有空气悬架的多轴车辆的制动力分配的分析却没有得到描述。Adas et al. 做了一个在制动过程中关于前轴、后轴和半挂车的动态轴荷载的研究，但这种多轴车辆不是超静定系统。Rossmann【4】计算了每根轴的理想制动力以及不同粘附系数下SIMPACK提供的戴姆勒、克莱斯勒834重型货车的制动率。建立在图1.的车辆制动计算模型对于特定问题更有效，而且它更好地揭示各种变量对制动力分配的影响。带有空气悬架的超静定多轴牵引车被确定为研究对象。这个牵引车模型考虑两个方面：一是来自地面垂直力的过度车辆限制，另一个是在制动力和垂直力联合作用下空气悬架的变形。本文为了分析每个轮子的异

5、步制动锁死而建立一个牵引车-半挂车的动态制动力分配模型。组织如下。第二节讨论应用于在制动力和垂直联合作用下的车辆的不同悬挂结构的挠度。在第三节，构建了一个超静定牵引-半挂车的制动力分配计算模型，可以得到所有轴的理想制动力。第四节侧重于每根轴的实际和理想制动的比较，这确定了异步制动锁死发生的原因。首先，第五节基于若干制动法规要求改善了牵引-半挂车的制动力分配；其次，本节对制动性能各种标准测试进行了统计来确定异步锁死压力；第三，根据同步锁死压力-理想制动力曲线提出项目的的改进；第四，最后一部分对牵引-半挂车的制动力分配和制动稳定性进行调整核查。第六节给出了一个结论和总结了本文的科学贡献。图1.带有

6、空气悬挂的超静定多轴牵引车2 垂直力和制动力作用下悬架系统挠度分析为了计算车辆制动性能，有必要分析制动过程中每根轴的动态轴荷。对于这样一个带有空气悬挂的超静定多轴牵引车来说，每根轴的动态轴荷分析必须通过在垂直力与制动力作用下的悬架挠度研究来完成。在这一节中，本文将完成安装在前轴的钢板弹簧悬架以及安装在提升轴和传动轴的空气悬架的偏差分析，这些都是在制动力和垂直力的联合作用下的。2.1 钢板弹簧悬架这个钢板弹簧悬架结构简单以及从维护的观点来讲也是方便的；不仅是作为一个弹性元件或是作为一个指导组件，它现在被广泛地应用于重型车辆。钢板弹簧的挠度分析已在SAE弹簧设计手册【5】中阐述。图2.表明，在垂直

7、力和发条扭矩作用下钢板弹簧的偏移方式应该要分析。DFZ是来自于地面作用在钢板弹簧上垂直力的增加，PA和PB分别表示前、后弹簧孔的反作用力，TS是由地面制动力产生的转矩，fA和fB分别是钢板弹簧的前、后弹簧孔的垂直挠度。图2.在垂直力和制动力作用下钢板弹簧的变形基于所有这些参数，计算垂直力与制动力作用下钢板弹簧悬架挠度f的公式可以这样表示：当2.2纵臂钢板弹簧悬架 空气弹簧只可以承受垂直荷载，钢板弹簧纵臂和横向稳定杆在空气悬架中被设计成支撑纵向力与横向力，如图3. (a)所示。当同时考虑钢板弹簧跟空气弹簧时，提升轴的硬度是162000N/m，当单独考虑空气弹簧时它是162600N/m。在误差范围

8、内，引导作用的钢板弹簧的刚度是可以忽略的。图3.（b）表示在垂直力与制动力同时作用下空气悬架的挠度计算模型。计算空气悬挂变形的公式是：当将等式（2b）代入等式（2a），空气悬挂轴的直角偏转可为：与传统空气悬架对比，车辆装置的电子控制的空气悬挂系统（ECAS）能确定瞬时转速以致于进行动态或静态荷载的识别。在车辆校正过程中，凹凸不平的道路、转向、制动或者加速都可能导致动态荷载改变。在这种情况下，承载空气囊的瞬时放弃或者膨胀都是不被期望的。因此，高度传感器会在60秒后将信号传送至ECAS的电子控制单元（ECU），电子控制单元会通过电磁阀给出气囊充气或放气的指示，使气囊回到预定的高度。充气或放气过程所

9、耗费的实践叫做延误时间。由此，制动过程中车辆的负重气囊被认为是充气或者放气的恒定体积。因此，气囊的刚度是一个固定值【6】。图3.垂直力和制动力作用下空气悬挂的变形3.带有空气悬架的超静定半挂-牵引车制动力分配分析制动过程中，当每根轴的车轮利用最大纵向胎-路摩擦时，作用于车轴的理想制动力出现，而每根轴的轮胎纵向摩擦是伴随胎-路摩擦系数和动态轴荷的结果【7】。假设空气阻力和滚动阻力可以忽略不计，本文对牵引车与半挂车进行了力学/机械分析。半挂车与牵引鞍座的连接装置上的摩擦影响忽略。图4.描述了12自由度的超静定牵引-半挂车制动力分配计算模型以及每根轴理想制动力计算公式如下。图4. 超静定多轴牵引-半

10、挂车的制动力分配计算模型3.1牵引车的理想制动力根据作用在牵引车体的力分析【8】，车辆动力学方程可以写成：前轮的力矩平衡是：由于短尺跟高刚度，牵引车框架被假设为精确的【8】。因此，框架只有在每个轴悬挂支撑压缩时才能倾斜而且不能弯曲。基于图2.中在垂直力和制动力作用下的悬架挠度，框架的倾斜度的方程如下：3.2半挂车的理想制动力在X和Z轴方向的方程以及半挂车的力矩平衡的公式表示为：3.3牵引-半挂车的理想制动力当所有车轮利用最大纵向胎-路摩擦力时车辆处于理想制动条件下，每根轴的动态理想制动力FXi (i = 1, 2, 3, 4)可由下式获得：3.4线性系统分析矩阵上述所有公式都是线性的，可以一个

11、适用于线性系统分析的矩阵更简便地表示它们。联立公式（4）和公式（8），每跟轴上的动态垂直荷载的矩阵公式表示为：每轴的理想动态制动力FXi (i=1, 2, 3, 4) 可由下式计算：Cj (j = 1, ., 7) 是一个中间变量且由下式给出：在理想制动条件下，道路粘附系数可由下式定义：许多道路测试已经验证了牵引-半挂车的制动率z不超过0.6【10】，所以z值得范围可以固定在0到0.6。根据公式（10）和（11），每根轴的理想制动力FXi（i=1,2,3,4）与制动率z的曲线可以提出，见图5.。检查图5.可得，提升轴的理想制动力缓缓增大，而制动力分配率随着制动率z增加而逐渐降低。当制动率z达到

12、0.6时，提升轴的制动力分配率只有10%。因此，道路测试是用来测量每根轴的实际制动力分配率。图5. 每根轴的理想制动力与制动率z的曲线4 衡量每个轴的实际制动力配比的道路测试根据欧洲经济委员会（ECE）法规第13版，附录13，附件2，项目1.1（关于制动统一规定的批准车辆类别M,N和O）【1】，道路测试应用于确定每个轴的实际制动力。就制动测试网站而言，超静定多轴牵引-半挂车具有较高的需求，因为地面的长度和宽度应满足要求，以确保测试安全。因为目前只有一种柏油路满足这种需求，制动力的动态适应只有在一种道路条件下存在。该种测试方法是，制动系统只作用于测试车辆的一个轴，制动力应在左、右车轮之间取得平均

13、。初始速度为50千米/小时，车辆制动减速取决于测试数据，该数据是根据车辆速度从40千米/小时到20千米/小时所计算出的每个轴的制动力所获得的。制动管压力从0.1MPa逐渐增加至分离制动轴锁定。实验测量如图6所示。图6.实际测量所得的每轴制动力曲线图6的分析揭示了当单个轴制动实验时提升轴的车轮首先锁死，以及锁死压力只有0.4MPa。在整个牵引车-半挂车制动实验中，结果与这些获得数据一致。这可以推断出在一个单独制动率z时，理想和实际制动力分配比例曲线，见图7。根据图7，牵引车-半挂车的前、后轴实际制动力分配比例相对接近于理想的比率，但在提升轴的理想的和实际的制动力分配比例中也有明显的差异。当司机稍

14、微压低了制动踏板，提升轴上车轮的制动力会超过其道路粘附力，结果导致过早锁死，以及每个车轮未能同步锁死。因此，在制动过程中，提升轴的实际制动力应该在其理想制动力的基础上减少。图7.每轴的制动力分配比率关于制动力比率z的曲线5 基于制动法规每个轴的制动力分配 提升轴的各种制动率理想制动力值可以从图5中得到。它们是目标值和提升轴上实际制动力的交点。检查图7显示，牵引车-挂挂车的前、后轴的制动力分配一般满足需求，只有提升轴制动力需要重新分配。制动系统其它轴的参数不变。5.1牵引-挂挂车的制动法规定的制动减速要求几个国内外制动法规（联合国欧洲经济委员会汽车法规R13，美国机动工程师协会J922b，JAS

15、O C514，等）对一个牵引-挂挂车的制动减速提出具体要求，见图8。根据法规减速要求，以及一些牵引-挂挂车通过道路测试的若干制动减速测量值，例如奔驰和沃尔沃，此类车的平均完全成熟减速时5.4m/s2。换言之，最大制动率zmax是0.55。图8.不同的车辆初速度制动力减速要求（MFDD，是充分发展的减速度）5.2 牵引-半挂车的制动管路（刹车油管）压力制动管路的同步锁死压力应该在确认改进后的提升轴上制动参数前被确定【11】。然后，采用类似的车辆类型作标准测试确定这台牵引车-半挂车的参数。一些典型的国内外挂拉机在水泥路上前、后管道的压力的实验结果在图9显示，测试方法使用ECE法规第13版，目录13

16、，附录2，条目1.1的附着系数的规定。因为实际制动过程中的制动减速比以上测试方法的测量要大，会发生更多来自轴上的负载转换。因此前轴的实际锁死压力略大于试验值，后轴实际的锁死压力小于试验值。然而，前、后轴的锁死压力几乎没有差别，可以认为是作为设计的引用数据。图9.由道路测试所得的几个牵引机的同步锁死压力图10.每轴的制动力分配比例关于制动比率的改进曲线分析图6和图9表明，车辆制动管的同步锁死压力几乎是0.7MPa，显示在图5的结果表明提升轴的理想制动力是34.5KN。根据上述输入条件和现存的制动产品范围，提升轴的参数是重新设计的。Suhet al.【13】支出车轮制动力可以表示为：Pb是室内刹车

17、压力，A是室内域，SAL是调整臂长度，BF是制动系数，即传递到S凸轮的转矩的制动转矩比率。事实上，鼓式制动器的机械损失是微不足道的，方程（12）关于计算制动力的适合制动力的计算精度仅仅约是70%。同理，文献【14】提出一个详细描述动态模型和修改公式的适当方法。在文献【14】，制动气室，制动凸轮轴和刹车制动片与各种抗摩擦性，惯性和复位弹簧都被考虑。这些模型的输入是室内空气压力，最终的输出是实际总动态制动转矩和车轮制动力。依据改进，关于测量制动力的计算制动力的计算精度接近90%。根据文献【14】，提升轴的结构参数进行了如下优化：制动气室16的有效面积, 95cm2；松紧调整器长度，117mm；内层

18、弧角，60；制动鼓直径，400mm。当管路压力为0.7MPa，中间提升轴的实际制动力是28kN，基本上接近理想制动力。制动力分配比率改进后的曲线与这牵引车-挂挂车的制动率z对比如图10.。拟合程度（FD）是应用于评估图7和图10这个重新设计的车辆的制动力分配，拟合程度的结果由此得出：ARj_L是实际制动力分配比的下限，ARj_U是实际制动力分配比的下限，fARj (z) 是一个图7和图10的实际制动力飞配比曲线的变形的制动率z的函数，同样地，fIRj (z) 是一个从理想制动力分配比曲线变形的制动率z的函数。车轴的FD值从图7和图10可算出，结果在表1.列出。结果表明：车轴的FD值明显增强；特别地，中期提升轴的值从61.2%上升至91.8%。主要原因是高精度的鼓式制动器模型被用于优化提升轴制动结构参数，这些显示，改进的制动力分配比例与理想比率基本对应。为了协调牵引车跟半挂车的制动力分配，13号ECE法规给出了一个确保牵引车和挂挂车制动稳定性的受限制动力区域。经改进过制动力分配的原车和牵引-挂挂车的制动稳定性调节测试的结果如图11和图12。表1每轴的FD值图11.牵引机在制动力规则下