重型載貨汽車排氣制動性能試驗與研究

在礦山或山區(qū)公路上行駛的商用汽車，經(jīng)常要持續(xù)下長坡，需要對汽車進行持續(xù)的制動，使汽車速度穩(wěn)定在某個安全范圍。但是單靠行車制動系是難以做到的，因為制動器長時間頻繁工作將使溫度大大升高，制動效能會產(chǎn)生熱衰退甚至完全失效。所以在這種道路條件下行駛的汽車，有必要增設(shè)輔助制動系來分擔(dān)行車制動系（主制動系）的任務(wù)。它可以在不使用或少使用行車制動系的條件下，使車輛速度降低或保持穩(wěn)定，但不能將車輛緊急制停。它可以提高車輛行駛的安全性，大大減少坡道行駛時由于行車制動器熱衰退引發(fā)的安全事故；提高車輛的舒適性和操縱靈活性，降低駕駛員的疲勞強度，減少制動噪聲；提高車輛運輸?shù)慕?jīng)濟性，延長制動器和輪胎維修更換的周期，延長汽車的使用壽命。基于以上幾點，近幾年輔助制動系在國內(nèi)發(fā)展非常迅速。常見的輔助制動系有以下幾種形式：發(fā)動機制動、排氣制動、液力緩速器、電力緩速器、永磁式緩速器等。

我國交通部在JT/T325《營運客車類型劃分及等級評定》中規(guī)定，在大型、中型的高二、高三級營運公路客車上必須安裝緩速器；建設(shè)部于2006年11月29日發(fā)布了CJ/T230-2006《城市客車緩速制動性能要求與試驗方法》，已于2007年5月1日開始實施。但目前我國還沒有針對重型載貨汽車裝備緩速器的法規(guī)，長期以來駕駛員在下長坡時靠給制動器輪轂澆水的方法，對其實施強制冷卻來滿足車輛連續(xù)下坡的制動要求。這種方法可靠性差，另外冬季水流到地面結(jié)冰會影響車輛在道路上的行駛安全。為提高重型載貨汽車在山區(qū)行駛的安全性，為其加裝輔助制動系統(tǒng)并對其制動性能進行試驗研究是有必要的。

排氣制動性能的試驗

輔助制動系幾種形式中排氣制動結(jié)構(gòu)較簡單、成本較低。其工作原理是利用排氣阻力，以增加發(fā)動機進排氣和壓縮等行程的功率損失來使汽車減速。隨著重型載貨汽車比功率的提高，許多車上都安裝了排氣制動系統(tǒng)。與行車制動系統(tǒng)相比較，其吸收的功率比較小，但是它吸收的功率長時間內(nèi)保持不變或基本不變。排氣制動的制動性能受許多因素的影響，如發(fā)動機額定功率、排量、配氣相位、氣門大小、排氣制動閥的安裝位置等，另外汽車行駛時還受到空氣阻力、滾動阻力和其他特性、結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。所以，對排氣制動性能需采用道路試驗來測定。在此，對上海匯眾汽車制造有限公司生產(chǎn)的SH3252A4D38A型自卸汽車進行排氣制動性能試驗和分析。

樣車的主要技術(shù)參數(shù)：

試驗在平坦的混凝土道路上進行，道路長度2.2km。參考GB12676-1999《汽車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗方法》對N3類車輛II型試驗的方法，確定在接近發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速條件下，IV擋制動初速30km/h，V擋制動初速40km/h，VI擋制動初速50km/h。I-III擋行駛車速過低，VII擋下坡行駛很少使用，所以未進行試驗。通過試驗得出車速隨時間變化關(guān)系見圖1。

結(jié)果分析

根據(jù)汽車動力學(xué)方程：

式中FT為驅(qū)動力；FR為滾動阻力；FL為空氣阻力；δi為轉(zhuǎn)動慣量系數(shù)，主要與飛輪的轉(zhuǎn)動慣量、車輪的轉(zhuǎn)動慣量以及傳動比有關(guān)，可通過經(jīng)驗公式計算；m為車輛總質(zhì)量；a為加速度。

得到：FB+FR+FL=δi ma(v)

式中FB為排氣制動力；a(v)為減速度隨車速變化關(guān)系(試驗得到)。

總制動力(包括排氣制動力、滾動阻力和空氣阻力)隨車速變化關(guān)系見圖2。圖2中3%-8%表示根據(jù)F=mg i/(1+i2)frac12;計算出的不同坡度(i)時車輛下滑力大小的圖線。

圖2中各擋總制動力曲線與不同坡道下滑力圖線的交點橫坐標就是該擋利用排氣制動在此坡道上下坡行駛的穩(wěn)定車速。即不用行車制動系就能以此速度穩(wěn)定滑行。這時下滑力等于總制動力，即mg i/(1+i2)frac12;＝δi ma(v)，得出坡道坡度與穩(wěn)定車速的關(guān)系i=δi a(v)/[g2-δi2 a2(v)]frac12;。得到汽車在不同坡道上下坡行駛時穩(wěn)定車速與坡道的關(guān)系見圖3。

由圖3可以看出，在發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，各擋排氣制動對應(yīng)的下坡坡度見表1。

我國公路工程技術(shù)標準規(guī)定，在四級公路上的最大坡度不超過9%。由此看來，排氣制動基本滿足在各種坡道下坡行駛。但是車速范圍太寬，如在正常車速30-40km/h下坡行駛時，則各擋排氣制動對應(yīng)的坡度見表2。

由表2可以看出，IV擋的最高車速剛好在30km/h，但發(fā)動機不能長時間在此狀態(tài)下工作，所以IV擋排氣制動在正常車速下坡行駛過程中不常用。另外，坡度在3.78%-5.21%之間和大于5.85%的坡度上，只用排氣制動無法滿足穩(wěn)定行駛的要求。

結(jié)論

通過試驗和理論計算表明：在一些坡道上下坡行駛時，選擇合適的變速器擋位，可以在不使用行車制動的情況下，通過排氣制動使車輛以正常的車速勻速下坡。這樣可以有效降低制動器的溫度，提高行車安全性。但是在有些坡度的坡道上，僅用排氣制動無法保證車輛在正常車速范圍內(nèi)穩(wěn)定行駛，這時需要使用行車制動系工作，還可能造成汽車連續(xù)下坡制動器過熱制動效能衰退甚至失效的情況。另外，連續(xù)下坡過程中，駕駛員需要不斷換擋，換擋過程中排氣制動是不能發(fā)揮作用的，同樣會影響汽車的行駛安全性。所以保證汽車在各種坡道上以正常車速連續(xù)下坡行駛，應(yīng)該采用排氣制動與其他輔助制動形式結(jié)合的方法。本文僅對一個重型載貨汽車車型進行試驗分析，結(jié)論比較適用比功率接近的重型載貨汽車。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。”