滾筒反力式制動試驗臺制動力檢測分析

趙英勛

（武漢科技大學汽車與交通工程學院，湖北 武漢 430070）

0 引 言

汽車制動性的好壞直接關系到汽車的運行安全；因此，汽車制動性是汽車綜合性能檢測以及年檢的必檢項目[1]。汽車制動性可通過臺試或路試檢測加以評價。美國、日本、歐洲的汽車制動性在20世紀80年代就實現了臺試檢測，并制定了相應的檢測方法，而當臺試制動檢測存在質疑或爭議時，則用路試方法仲裁。由于臺試檢測迅速、經濟、安全，不受外界條件的限制，我國汽車年檢、檢測站檢測制動性普遍采用滾筒反力式制動試驗臺[2]。但在檢測實踐中發現，滾筒反力式制動試驗臺在檢測汽車制動力時存在誤判，如路試制動合格車輛而臺試檢測不合格、甲試驗臺檢測不合格車輛乙試驗臺檢測合格的問題[3]。為減少誤判，本文對滾筒反力式制動試驗臺制動力的檢測進行深入分析。

1 汽車制動力評價標準

汽車制動力是指汽車制動時，通過車輪制動器的作用，地面提供的對車輪的切向阻力[4]。汽車在制動力作用下迅速降低車速以至停車。當汽車質量一定時，制動力越大，則汽車制動減速度就越大，制動距離就越短，汽車制動性能就越好。當汽車質量增加時，為保持良好的制動性，其地面制動力應相應增加，這說明合適的汽車制動力與汽車質量或軸荷有關。在GB 7258——2012《機動車運行安全技術條件》中，用軸制動力與軸荷的百分比、制動力總和與整車質量的百分比來評價汽車的制動效能[5]，其汽車制動力評價標準如表1所示。

表1 臺試檢驗制動力要求

為了評價汽車的制動效能，除檢測制動力外，還需要軸重儀或制動試驗臺檢測車輪的軸荷。

2 滾筒反力式制動試驗臺檢測原理

2.1 試驗臺結構原理

檢測站普遍使用單軸滾筒反力式制動試驗臺，它主要由驅動裝置（電動機、減速器）、滾筒裝置、測量裝置、舉升裝置、指示與控制裝置等組成[6]，如圖1所示。它是一種低速靜態測力式試驗臺，用來檢測各車輪制動力。檢測時，電動機通過減速器驅動滾筒再帶動車輪旋轉，模擬車輛在路面上行駛。制動時，車輪制動器產生的制動力矩阻礙滾筒轉動，車輪的制動力作用于滾筒上，該力通過桿杠傳給測量裝置，由指示表顯示，從而測出車輪的制動力。

2.2 試驗臺制動力檢測模型

滾筒反力式制動試驗臺制動力檢測模型如圖2所示，連續滾動的滾筒模擬路面，制動時滾筒對車輪的切向力則為地面制動力。設：

Gk——車輪載荷，N；

H——車橋對車輪軸的水平推力，N；

N1、N2——滾筒對車輪的支反力，N；

圖1 單軸滾筒反力式制動試驗臺

圖2 試驗臺制動模型受力分析

Fx1、Fx2——滾筒對車輪的制動力，N；

Tμ——制動器摩擦力矩，N·m；

L——滾筒的中心距，m；

d——滾筒的直徑，m；

D——車輪的直徑，D=2rk，m；

Tf1、Tf2——滾動阻力矩（因數值較小，可忽略不計[7）]，N·m。

根據圖2的平衡條件可得：

設左右車輪與滾筒間的附著系數均為φ，則有Fx1max=N1φ，Fx2max=N2φ。當滾筒傳遞最大制動力時，則由式（1）、式（2）聯立求解得：

則試驗臺可能測得的最大制動力為

由式（6）知，影響試驗臺測試制動力的因素主要包括被測車輪載荷Gk、車輪與滾筒間的附著系數φ、水平約束力H和安置角α。

3 滾筒反力式制動試驗臺檢測分析

3.1 車輪與前后滾筒接觸時的檢測能力

車輪在滾筒上制動時，若車輪與前后滾筒處于壓緊接觸狀態，則試驗臺具有最大的檢測能力。

一般試驗臺的水平約束力H是非檢測軸車輪制動時產生的附著力，設非檢測軸輪荷為Gk′，車輪與地面的附著系數為 φ′，則 H=Gk′φ′。由式（6）得試驗臺最大的檢測能力，即軸制動力與軸荷比值為

通常，空載檢測時Gk′與Gk相差不大，設其近似相等，且設 φ=φ′，則式（7）可簡化為

現代滾筒反力式制動試驗臺均采用涂復層式滾筒[9]，其 φ 值為 0.65～0.90，而 cosα 總小于 1，由式（8）知，試驗臺的最大檢測能力Fxmax

Gk≥65%。當附著系數φ增加、安置角α加大時，試驗臺的檢測能力增強。只要汽車的制動器制動力足夠，試驗臺在此狀態檢測時汽車制動力都能滿足表1要求。而當被檢車輛制動效能不合格時，試驗臺也無法檢測到合格的制動力值。

3.2 車輪脫離前滾筒時的檢測能力

汽車在試驗臺滾筒上制動時，受檢軸車輪在綜合力作用下，都有脫離前滾筒而向后滾筒爬升的趨勢。若檢測軸車輪與地面附著力足夠，則會阻止檢測軸車輪向后滾筒爬升。但因汽車懸掛系統及非檢測軸車輪輪胎和地面接觸并非剛性接合，所以部分車輛的被測車輪還是會向后滾筒爬升而脫離前滾筒，其脫離前滾筒的程度取決于懸掛系統、非檢測輪輪胎的變形量和車輪在試驗臺上的安置角。

當汽車在試驗臺制動、車輪脫離前滾筒時，其N1=0，Fx1=0，則試驗臺制動力完全由后滾筒產生，其最大制動能力會下降。由式（2）可得：

此時汽車往往是以最大強度制動，當車輪抱死時，有 Fxmax=Fx2max=Fx2=N2φ，由式（9）可推得試驗臺的實際檢測能力：

表2 Fxmax/Gk與φ、α的關系

4 滾筒反力式制動試驗臺檢測對策

分析表明，試驗臺最大檢測能力過小是導致制動性檢測誤判的原因；為此，采用下列對策可減少制動性檢測的誤判率。

4.1 采用高附著性能的試驗臺滾筒

通過滾筒反力式制動試驗臺檢測分析可知，試驗臺滾筒與輪胎的附著系數直接影響試驗臺的最大檢測能力。附著系數越大，附著力越大，能檢測的制動力就越大。當附著系數φ≥0.75時，無論車輪是接觸或脫離前滾筒，都能正確評價汽車的制動效能。因此，應設計高附著性能的試驗臺滾筒。如設計表面粘有鋁礬土砂粒的金屬滾筒，其附著系數可達0.8～0.9[10]。另外，檢測時也要改善滾筒與輪胎的表面狀況，保持滾筒、輪胎的清潔和干燥，確保附著系數＞0.75。

4.2 設計合適的試驗臺安置角

安置角對試驗臺的檢測能力和檢測穩定性都有很大影響。

在車輪與前后滾筒均接觸檢測時，安置角α越大，檢測能力越大；在車輪脫離前滾筒檢測時，其α在適當范圍內減小，則制動檢測能力會增大。

在制動檢測時，安置角α越大，車輪脫離前滾筒的可能性越小，穩定性越好。為了提高檢測穩定性，要求N1＞0。考慮到無水平力最危險的極端情況，則式（4）可變換得：

則由 sinα-φcosα＞0 得 tgα＞φ，即汽車檢測時，被測車輪不脫離前滾筒的條件是車輪在兩滾筒間安置角的正切值大于車輪與滾筒間的附著系數。

由于安置角與被測車輪的直徑有關，因此檢測大不同車型時，其安置角會發生變化。為了適應眾多車型，以及應對檢測時車輪是否脫離前滾筒的狀況，最好設計可變的滾筒軸距式反力試驗臺，使其有合適的安置角，從而保證試驗臺有足夠的檢測能力和檢測穩定性。

4.3 增大制動檢測的水平約束力

由式（6）可知，水平約束力H越大，試驗臺檢測汽車制動力的能力就越大。加大水平約束力的常規方法是加大試驗臺路面與車輪的附著系數，使非檢測車輪與地面間的附著力加大。必要時，可對被檢車輛采取牽引措施或在非檢測車輪后面墊上三角墊塊，以進一步提高試驗臺檢測制動力的能力。

4.4 改進制動檢測的評價方法

目前，評價汽車制動效能是否合格只看試驗臺檢測的軸制動力與軸荷百分比、制動力總和與整車質量的百分比，而不考慮試驗臺車輪是否脫離前滾筒之狀態，易引起誤判。因此，建議結合制動狀態進行評價。

1）車輪與前后滾筒處于接觸狀態時的評價。當N1＞0時（可通過設置前滾筒軸荷傳感器區分），以軸制動力與軸荷的百分比、制動力總和與整車質量的百分比作為評價標準，若檢測的制動力比值小于標準，則不合格。此時不會誤判，因為該狀態試驗臺有足夠的檢測能力。

2）車輪脫離前滾筒狀態時的評價。當N1=0，被檢車輪脫離前滾筒抱死時，若用軸制動力與軸荷的百分比、制動力總和與整車質量的百分比作為評價標準，則有下列情形：

①當試驗臺與滾筒的附著系數φ≥0.75時，不會誤判，因為此時試驗臺有足夠的檢測能力（見表2），其制動力比值不達標就不合格。

②當φ＜0.75時，若所檢測的制動力比值小于最大檢測能力，說明汽車制動效能不合格，不會誤判，因為試驗臺的最大檢測能力還沒有得到充分發揮。

③當φ＜0.75時，若參檢車輛的制動效能好，而檢測的制動力比值等于最大檢測能力但不達標（見表2），此時會誤判，因為汽車的最大制動力受到試驗臺最大檢測能力的限制而檢測不到。

因此，在該狀態檢測時，若制動力比值達到了試驗臺最大的檢測能力但又不達標，則應通過加載軸荷（所加軸荷不參加計算）方法檢驗汽車的制動力是否能增加至達標，若能達標則制動力合格，否則不合格。

5 結束語

通過對滾筒反力式制動試驗臺檢測模型分析發現：車輪與前后滾筒處于接觸狀態檢測時，試驗臺制動力檢測能力大，不會產生誤判；車輪脫離前滾筒狀態檢測時，若附著系數φ≥0.75，不會誤判，若φ＜0.75，則可能產生誤判。為減少誤判，提高制動試驗臺的檢測能力，建議采用高附著性能的試驗臺滾筒、設計合適的試驗臺安置角、增大制動檢測的水平約束力、改進制動檢測的評價方法。

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