载荷对货车制动纵滑摩擦系数影响的试验研究

1、载荷对货车制动纵滑摩擦系数影响的试验研究曹建骁，赵桂范，刘磊，隋波(哈尔滨工业大学汽车工程学院，山东 威海 264209)摘要：为了有效提高了事故再现的精度，建立合理的制动纵滑摩擦系数取值的选取方法，试验首先探讨了载荷影响货车制动纵滑摩擦系数的主要机理，然后通过分组试验的方法，研究了货车在干燥路面和湿滑路面两种情况下，货车制动纵滑摩擦系数随载荷的变化关系。在试验数据处理方面，运用了MATLAB函数拟合方法，增加了数据处理的科学性，并通过交通事故案例分析验证了方法的有效性。关键词 制动纵滑摩擦系数；事故再现；函数拟合The study of the impact on the truck bra

2、king slip friction coefficient by loadCao Jianxiao , Zhao Guifan , Liu Lei, Sui Bo(School of Automobile, Harbin Institute of Technology, Weihai, 264209,China)Abstract：In order to effectively improve the accuracy of accident reconstruction to establish a reasonable method of selecting values of frict

3、ion coefficient, the experiment first probes the main mechanisms of loads impact on trucks braking slip friction coefficient through the study of axle-load distribution, then grouped experiments study braking slip friction coefficient with longitudinal variation of the load of the truck in the dry r

4、oad and wet road surface . In data processing, the use of MATLAB function fitting method increases the scientificalness of data processing.Key Words：Longitudinal braking slip friction coefficient；Accident Reconstruction；Function fitting前言：近年来，随着我国汽车保有量逐年增长，我国道路交通运输达到了前所未有的繁荣状况。然而与此同时，我国道路交通事故数量一直居高不

5、下，给人民的生命与财产安全带来了极大的威胁。其中由于车辆违法超载的情况占较大比重。车辆超载使车辆的惯性增大，制动性能变差，制动距离加长，降低车辆稳定性和通过性，致使车辆故障频发，极易引发交通事故。据有关部门试验证明，每超载一吨，机动车制动距离就增加1米以上。各类摩擦系数的选取是道路交通事故再现车辆行驶速度分析中必不可少的一个环节，在多数道路交通事故中，汽车制动会留下制动拖印，利用制动拖印计算汽车制动前的瞬时速度，成为交通事故车速鉴定的主要手段之一。在这种计算方法中，汽车的制动拖印一定，汽车的制动纵滑摩擦系数是对计算结果有影响的唯一因素1。货车作为一种主要为载运货物而设计和装备的商用车辆，载重一

6、般很大且不同情况下货车载重差别较大，故载荷对货车的制动纵滑摩擦系数影响的研究有着重要的意义。1载荷对汽车制动纵滑摩擦系数的作用机理 (1)汽车的制动效能主要取决于它在制动过程中与地面的作用力，在汽车制动过程中汽车制动纵滑摩擦系数应该在一定的范围内变动，因此车轮与地面间的作用力主要取决于 汽车的纵向载荷。即轴荷分配问题直接影响着整车的地面制动力，影响着汽车的制动纵滑摩擦系数。而货车载荷的大小可直接影响到货车的轴荷分配，由于货车的车厢位于货车后部，随着载荷的增加后轮载荷逐渐增大，前轮载荷逐渐减小2。(2)微观接触面积与粘附力大小成正比，汽车载荷的不同会造成微观接触面积的不同，从而对汽车制动纵滑摩擦

7、系数产生影响。滞后摩擦力的大小与滞后能量损失有关，轮胎载荷不同会导致轮胎压缩变形能的变化，最终也使得汽车制动纵滑摩擦系数不同3。(3)当制动踏板力较小时，制动器摩擦力矩不大，地面与轮胎之间的摩擦力即地面制动力，足以克服制动器摩擦力矩而使车轮滚动。显然，车轮滚动时的地面制动力就等于制动器制动力，且随踏板力的增长而成正比地增长。但地面制动力是滑动摩擦的约束反力，它的值不能超过附着力。增加货车的载荷可以加大地面附着力，从而影响制动器制动力的数值达到路面附着力数值的时间，从而影响汽车的制动协调时间，若载荷过大，有可能造成车轮无法抱死的情况。2货车制动纵滑摩擦试验2.1 货车制动纵滑摩擦试验方法在本试验

8、中，主要研究货车在干燥路面和湿滑路面两种情况下，制动纵滑附着系数随载荷的变化关系。由于试验影响因素选取较小，故采取分组验的方法：设定制动初速度为30km/h左右(GB 7258-2004机动车运行安全技术条件中规定的进行汽车制动试验时的制动初速度)，胎压为标准胎压，试验分为干燥路面组和湿滑路面组，用DAS2-A制动数据采集器对货车制动的相关参数进行采集，将货车的载荷由空载以一定比重加到满载直至超载60%，测定货车制动纵滑摩擦系数的变化。表2-1 试验组号所对应的载荷干燥路面组试验组号湿滑路面组试验组号载荷/ (kg)110空载2113803127604131140514152061519007

9、162280817266091830402.2 货车制动纵滑摩擦试验过程在本试验中，由于试验组别较多，在试验前应提前准备试验器材，并按照表2.1、表2.2搭配对应试验条件。试验中涉及的主要器材有：试验用普通货车一辆(核定载质量为1900kg)、德国DAS2A数据采集器、打气泵、胎压表、TCS电子台秤、反光锥筒、照相机、摄像机、载重用沙土等。试验过程如下：(1)将载重用沙土分量装入编织袋内，用TCS电子台秤称量，保证每袋沙土的质量为40kg。(2)利用反光锥桶封锁试验路段。(3)在试验用普通货车上安装DAS-2A数据采集器。(4)在干燥路面条件下，使普通货车为正常胎压。(5)在(3)的条件下，使

10、普通货车的载荷为空载，启动普通货车，当车速达到30km/h附近时，急踩制动踏板，通过DAS2A数据采集器读取制动时的瞬时速度及制动过程中充分发出的制动减速度MFDD。(6) 在(3)的条件下，依次加大普通货车的载荷，使其载荷满足试验1试验10的要求，启动普通货车，当车速达到30km/h附近时，急踩制动踏板，通过DAS2A数据采集器读取相关数据。(7)整理试验器材，解除道路封锁。(8)在潮湿路面的条件下，重复(2)(6)的过程，完成试验11试验12的试验要求。在干燥路面组的试验过程中，车辆起步、加速、制动、停车的过程如图2-2所示。 图2-1 干燥路面组货车制动纵滑试验演示在湿滑路面组的试验过程

11、中，车辆起步、加速、制动、停车的过程如图2-3所示。 图2-2 湿滑路面组货车制动纵滑试验演示3 试验数据统计分3.1 干燥路面组试验数据统计分析在本试验中可根据DAS-2A数据采集器显示屏直接读取试验时车速及对应的制动过程中充分发出的平均减速度MFDD。制动过程中充分发出的平均减速度MFDD满足： (3-1)式中 起始制动车速的0.8倍； 起始制动车速的0.1倍； 从开始制动到车速降至起始制动车速的10%时驶过的距离； 从开始制动到车速降至起始制动车速的80%时驶过的距离。根据式(3-1)，可近似认为汽车制动过程中的平均摩擦系数为： (3-2)在干燥路面组中，设定制动起始速度为30km/h左

12、右，路面状况为干燥，轮胎胎压为正常胎压，将货车的载荷由空载以380kg比重加到满载直至超载60%，根据试验采集数据及式(3-1)可知试验结果如表3-1所示。表3-1 干燥路面组试验数据试验组号第一次试验第二次试验摩擦系数平均值速度/(km/h)MFDD/(m/s2)摩擦系数速度/(km/h)MFDD/(m/s2)摩擦系数132.316.890.70331.556.790.6930.698231.096.770.69130.946.750.6890.690 331.036.540.66729.986.640.6780.672430.615.660.57831.885.760.5870.58353

13、1.425.240.53531.535.20 0.5310.533629.935.220.53331.695.160.5270.530 730.745.230.53431.985.110.5210.528832.985.290.540 31.164.960.5060.523930.634.530.46230.933.930.4010.432以货车的载荷量的横坐标，货车的制动纵滑摩擦系数为纵坐标，建立直角坐标系，将以上各种载荷情况下测得的制动纵滑摩擦系数导入坐标系中。为了寻求平滑的曲线来最好的表现在干燥路面情况下货车制动纵滑摩擦系数随载荷的变化，从以上试验数据中寻求两个函数变量之间的关系和变化趋

14、势，采用MATLAB软件对上图导入坐标系的点进行函数拟合。分别用二次函数、三次函数、四次函数、五次函数对试验数据进行拟合。综合方差及函数复杂程度两方面考虑，四次函数为最优拟合方案，故选取四次函数对干燥路面组试验数据进行拟合进行拟合，如图3-1所示，得到货车在干燥路面状况下，载荷(t)与制动纵滑摩擦系数的关系式为： (3-3) 此拟合函数方差为0.028116，以下为此函数的坐标图。图3-1 四次函数拟合结果(干燥路面组)从上图可以看出，在干燥路面上，货车制动纵滑摩擦系数随载荷的增大而减小，且货车制动纵滑摩擦系数随载荷的变化关系可以分为三个阶段：第一阶段，从货车空载到货车载荷为满载的80%(15

15、20kg)时, 货车制动纵滑摩擦系数随载荷的增大平缓减小。第二阶段，从货车载荷为满载的80%(1520kg)到货车载荷为满载的140%(2660kg)第三阶段，当货车的载荷超过满载的140%(2660kg)时，货车的制动纵滑摩擦系数随载荷的增加急剧减小。在本试验设计中，使得第一组试验为最优结果，即制动纵滑摩擦系数为最大值，定义摩擦系数修正值为实际摩擦系数与第一组试验所测摩擦系数的比值，则在第一组试验情况下摩擦系数修正值为1。根据摩擦系数修正值定义可得以下公式： (3-4)式中 第组试验得到的摩擦系数值； 第组试验条件下摩擦系数修正值； 理论上可得到的最大摩擦系数值即第九组试验中的。选取上式计算

16、结果为干燥路面不同载荷的摩擦系数修正值序列，如表3-2所示。表3-2 不同载荷下摩擦系数修正值序列试验组数12345摩擦系数修正值10.9890.9630.8350.764试验组数6789摩擦系数修正值0.7590.7560.7490.619选取半载、满载及超载50%这三个在交通事故再现中常用的载荷量，在所拟合函数中找到它们对应的制动纵滑摩擦系数，与空载(即第一组试验)状况下的制动纵滑摩擦系数进行比较，可得以下数据4。表3-3 摩擦系数修正值载荷半载满载超载50%摩擦系数修正值0.9030.7590.7093.2 湿滑路面组试验数据统计分析在湿滑路面组中，设定制动起始速度为30km/h左右，路

17、面状况为湿滑，轮胎胎压为正常胎压，将货车的载荷由空载以380kg比重加到满载直至超载60%，试验结果如表3-4。表3-4 湿滑路面组试验数据试验组号第一次试验第二次试验摩擦系数平均值速度/ (km/h)MFDD/ (m/s2)摩擦系数速度/ (km/h)MFDD/ (m/s2)摩擦系数1030.726.430.65631.146.390.6520.6541129.645.880.600 30.876.020.6140.607 1233.615.670.57931.335.630.5740.5771330.075.00 0.510 31.574.960.5060.5081428.874.730.

18、48330.335.03 0.5130.4981533.514.380.44731.584.380.4470.447 1629.784.180.42732.334.10 0.4470.4221730.193.870.395 32.873.850.3930.3941830.733.470.35430.963.590.3660.360 同干燥路面组数据处理方法相同，将湿滑路面以上各种载荷情况下测得的制动纵滑摩擦系数导入坐标系中。分别用一次函数、二次函数、三次函数、四次函数、五次函数对湿滑路面组试验数据进行拟合。通过MATLAB软件对以上坐标点拟合的结果，可知四次函数和五次函数拟合的函数方差最小，为

19、0.023676，考虑到函数的复杂程度，故选取四次函数对湿滑路面组试验数据进行拟合，如图3-2所示，得到湿滑路面状况下，载荷(t)与制动纵滑摩擦系数的关系式为： (3-5)图3-2 四次函数拟合结果(湿滑路面组)从图3-2可以看出，在湿滑路面上，货车制动纵滑摩擦系数随载荷的增大而减小，且货车制动纵滑摩擦系数随载荷减小的趋势接近于一条直线。通过一次函数拟合结果可知(图3-3)，货车制动纵滑摩擦系数随载荷的变化趋势接近于直线函数，可见在湿滑路面上，载荷对货车制动纵滑摩擦系数的影响比较均匀。图3-3 一次函数拟合结果在本试验设计中，使得第十组试验为最优结果，即制动纵滑摩擦系数为最大值，定义摩擦系数修

20、正值为实际摩擦系数与第十组试验所测摩擦系数的比值，则在第十组试验情况下摩擦系数修正值为1。根据(3-4)式可得出湿滑路面下不同载荷的摩擦系数修正值序列，如表3-5所示。 表3-5 不同载荷下摩擦系数修正值序列试验组数12345摩擦系数修正值10.9280.8820.7770.761试验组数6789摩擦系数修正值0.6830.6450.6020.550选取半载、满载及超载50%这三个在交通事故再现中常用的载荷量，在所拟合函数中找到它们对应的制动纵滑摩擦系数，与空载(即第九组试验)状况下的制动纵滑摩擦系数进行比较，可得以下数据。表3-6 摩擦系数修正值载荷半载满载超载50%摩擦系数修正值0.833

21、0.6830.5783.3 两种路面状况对比分析通过对干燥路面状况下的拟合函数与湿滑路面下的拟合函数进行对比，如图3-4所示，可得出如下结论：图3-4 函数对比(1)在试验所涉及的载荷范围内，货车在干燥路面上的制动纵滑摩擦系数一直大于在湿滑路面上的制动纵滑摩擦系数。(2)在湿滑路面上，货车制动纵滑摩擦系数随载荷变化较均匀，近似一条直线；而在干燥路面上，货车制动纵滑摩擦系数随载荷变化不均匀。(3)当货车超载后，在干燥路面条件下货车制动纵滑摩擦系数随载荷变化较湿滑路面条件下剧烈。4事故案例分析研究4.1 事故概况2010年某月某日，荣成市北大街某路段，一辆由西向东行驶的农用自卸货车与一辆由北向南过

22、马路的自行车发生碰撞，造成自行车控制人当场死亡，两车均有损伤。事故现场情况如图4-1所示。 图4-1 事故现场照片4.2 事故再现分析(1)事故再现内容 农用自卸货车制动前的瞬时速度。(2)事故已知情况 根据交警部门提供的道路交通事故现场图(图4-1)可知，货车车轮在干燥沥青路面上出现的制动拖痕的长度为46米，根据交警提供的货车过磅单可知，事故发生时该货车为满载。(3) 分析计算 根据运动学定理及能量守恒定律可知： (4-1)式中 货车制动前的瞬时速度(m/s)；附着系数修正值；a货车满载时在沥青路面上制动时充分发出的平均减速度(m/s2)；s货车制动拖痕的长度(m)；t货车的制动协调时间(t)。在后期勘查中，使用DAS-2A数据采集器对该货车进