重型車輛制動性能的研究

賈莉，郭海軍，蔡夢克

（長安大學工程機械學院，陜西西安710064）

重型車輛制動性能的研究

賈莉，郭海軍，蔡夢克

（長安大學工程機械學院，陜西西安710064）

建立了車輛受力的數學模型，液力緩速器的輔助制動、行駛阻力以及行車制動的子模型。利用Matlab/Simulink組建了重型車輛制動性能的仿真模型，其仿真包括重型車輛在平路和下長坡時分別利用液力緩速器以及液力緩速器與發動機聯合作用下車輛從運行到停止的制動距離，制動速度和制動時間的變化，從而證明了重型車輛在液力緩速器與發動機聯合作用下的制動效果更好。

液力緩速器；重型車輛；聯合；仿真

得益于我國經濟的發展，交通也變得尤為便利，但我國始終是一個多山地丘陵的國家，重型車輛進入山地也會遇到“上山容易下山難”的問題。隨著車載質量的提高，車輛發動機功率的提高以及行車速度的不斷增加，當車輛下長坡時制動系統變得尤為重要［1］。為了解決這一問題汽車輔助制動系統應運而生，按照裝置的結構原理不同，汽車輔助制動系統可以分為排氣制動、發動機制動和緩速器制動。緩速器制動又可以進一步劃分為：電渦流緩速器、液力緩速器、永磁式緩速器和自勵式緩速器［2］。本文以重型車輛為研究對象，對車輛在平路以及下長坡時液力緩速器的特性進行仿真。

1　液力緩速器及其參數［3］

本文研究的液力緩速器是長圓形液力緩速器，其綜合考慮制造成本、加工的難易程度、安裝條件等因素。根據某重型車輛的相關參數，利用相似設計法設計的緩速器結構參數如下表1所示。

表1　重型車輛液力緩速器的結構參數

2　仿真模型的建立

2.1車輛制動受力數學模型

為了仿真模型的簡便和準確，將仿真模型簡化成一個雙軸的剛體，不考慮懸架的阻尼和彈性，則當重型車在下長坡時受力狀況如圖1所示。

圖1　整車受力分析

則在車輛的行駛方向得到受力平衡方程：

其中，Fxb1和Fxb2為地面對前后輪的反向制動力；Fw為空氣阻力；Fz1和Fz2為地面的支持力；Fj為車輛平移質量慣性力；Ff1和Ff2為滾動阻力矩；Tω1和Tω2為旋轉質量慣性矩；δ為車輛旋轉質量的換算系數（這里取1）；根據車輛長期行駛積累的經驗得出計算f的公式：f=0.007 6+0.000 056v

2.2液力緩速器的輔助制動仿真子模型［4-5］

根據束流理論對液力緩速器三維流場模型進行簡化，從而得到液力緩速器的緩速力矩與其各個結構之間的關系。由束流理論的假設和圖可得到如下方程組：

式中：R，r為循環圓的外徑和內徑的半徑；R1，R2為工作輪出口和入口處液中央線的半徑；a1，a2為工作輪出口和入口處液流的流道寬度。

由工作液流的能量守恒可得：

整理方程可得關于求解vm的關系是如下：

式中：HR為轉子對油液做功的能頭值；HS為油液對定子做功的能頭值；為總的摩擦損失；λmc為摩擦阻力系數為總的沖擊損失；λcj為沖擊損失系數；β1和β2分別為葉輪出口和入口角β1＝β2＝90°-β.其中λcj和λmc都可以根據經驗得到。

再由公式計算出循環流量Q，最終求得液力緩速器的制動力矩：

其中η為工作腔內的工作程度，即充液率。

液力緩速器仿真子模型如圖2所示［6-7］。

圖2　液力緩速器輔助制動仿真子模型

2.3行駛阻力仿真子模型

車輛在下長坡時行駛阻力主要包括三方面，即滾動阻力Ff、空氣阻力Fw以及坡道阻力mgsinα.對車輛行駛過程中的整車受力分析可知各個行駛阻力的數學表達式，由此搭建出行駛阻力仿真子模型，具體流程圖如圖3所示。

圖3　行駛阻力仿真子模型

2.4行車制動的仿真子模型

車輛自身制動裝置使用的是鼓式制動器，對車輛產生的制動力矩計算如下：

式中：P為制動器制動管道中的油壓；P0為管道中的壓力損失；BF為制動器制動系數；A為制動器泵的工作面積；r為制動鼓的半徑；η為制動效率。由此搭建出的行車阻力仿真模型如圖4所示。

圖4　行車制動器仿真子模型

3　車輛制動仿真分析［8］

Matlab控制系統仿真軟件是擁有豐富的數據類型和結構，更友善的面向對象、更加精準方便的將描述表現到圖像上。本文利用動態系統建模、仿真、分析，分別對充液率和制動方式進行控制，繪制出重型車輛在平路和下長坡時車輛的制動曲線。

3.1車輛在平路上的行駛仿真

假設車輛在良好的水平公路上行駛，其初始速度設置為65 km/h，變速器檔位設置成5檔，其速比為1.00，液力緩速器充液率分別為25%、50%、75%和100%.分別對車輛在只有液力緩速器參與制動和采用液力緩速器與發動機聯合制動時的制動進行仿真。另假設車輛在制動過程中不會發生抱死。

由圖5可以看出，在只有液力緩速器參與下的制動，充液率越高車輛停止所需要的時間越短，充液率從100%下降到25%時，車輛的制動時間由58 s減少到35 s.當液力緩速器與發動機聯合作用時，相同的充液率的情況下制動時間明顯減少。由此可以得出液力緩速器與發動機聯合作用時的制動效果更好。

圖5　液力緩速器單獨作用和液力緩速器與發動機聯合作用下的制動曲線

3.2車輛在下長坡時的行駛仿真

車輛在下長坡的制動仿真，假設車輛的初始速度為40 km/h，變速器檔位設置成5檔，其速比為1.00，液力緩速器充液率設置成100%，道路坡度值為6.分別對車輛在只有液力緩速器參與制動和采用液力緩速器與發動機聯合作用時的制動進行仿真。另假設坡道足夠長。如圖6所示。

圖6　液力緩速器與發動機聯合制動的車速和距離曲線

由圖6可以看出當充液率一定時（充液率為100 %），液力緩速器與發動機聯合制動時車輛制動的時間明顯小于只有液力緩速器制動時的時間，且制動距離也由42 m減少到36 m，由此可以得出液力緩速器與發動機聯合作用時的制動效果更好。

4　結束語

本文建立了重型車輛液力緩速器的輔助制動、行駛阻力以及行車制動的子模型，并通過對重型車輛在平路和下長坡時的制動情況進行分析［9］，可知：

（1）隨著車輛充液量的提高，重型車輛的制動效果愈加明顯。

（2）與只有液力緩速器參與的行車制動相比，液力緩速器與發動機聯合制動時的制動效果更好。

［1］何仁.汽車輔助制動裝置［M］.北京：化學工業出版社，2005：35-42.

［2］劉維海.液力緩速器現代設計方法與整車制動性能仿真研究［D］.長春：吉林大學，2006.

［3］黃榕清，吳磊，邵建華.汽車液力緩速器的原理及應用［J］.汽車電氣，2006，（11）：6-8.

［4］高博麟.重型車與液力緩速器匹配特性的仿真研究［D］.長春：吉林大學，2009.

［5］嚴軍.車用液力緩速器設計理論和控制方法的研究［D］.鎮江：江蘇大學，2009.

［6］葉磊，尹作發.基于matlab/simulink的車輛制動過程分析［J］.公路與汽運，2006，12（6）：5-7.

［7］賈云海，張文明.液力緩速器制動過程動態仿真研究［J］.汽車技術，2009，（7）：26-29.

［8］薛定宇，陳陽泉.基于MATLAB/Simulink的系統仿真技術與應用［M］.北京：清華大學出版社，2002：118-192.

［9］施凱南.汽車液力緩速器輔助制動性能研究［D］.西安：長安大學，2009.

Study on Braking Performance of Heavy Vehicle

JIA Li，GUO Hai-jun，CAI Meng-ke
（College of Engineering and Mechanical Engineering，Chang'an University，Xi'an Shaanxi 710064，China）

The math models of vehicles about force analysis，hydraulic retarder about auxiliary braking，vehicles about driving resistance and service brake system were established in this paper.The simulation model of braking performance was built by using Matlab/Simulink，which included heavy vehicles on a level road and long downhill the hydraulic retarder auxiliary braking system only，the association of hydraulic retarder auxiliary braking and engine system braking，and the change of braking length，braking speed and braking time.The simulation data showed that heavy vehicles had a better result on the association of hydraulic retarder auxiliary braking and engine system braking. Key words：hydraulic retarder；heavy vehicles；association；simulation

U467

A

1672-545X（2016）08-0058-03

2016-05-09

賈莉（1991-），女，河南鄭州人，碩士，研究方向：公路機械化施工及質量控制。