發(fā)動機制動與電渦流緩速器聯(lián)合制動下長大下坡路段輔助減速車道位置設(shè)置研究

曹鑫 余強

摘 要：目前重型貨車在下長大坡路段持續(xù)制動極易引起行車安全問題，在長大下坡路段增設(shè)輔助減速車道，在一定程度上可緩解下坡安全問題。通過理論研究行車制動器自動過程中溫度變化模型，以制動器熱衰退臨街溫度為閾值確定下坡安全距離，以此分析確定輔助減速車道的位置設(shè)置合理區(qū)間。首先對發(fā)動機制動和電渦流緩速器聯(lián)合作用下對重型汽車進行下坡能力分析，通過對行車制動器安全溫度閾值內(nèi)的汽車安全下坡距離的研究，確定不同坡度下車輛下坡行駛安全距離，得到下坡安全距離最長坡長為10km左右，基于此確定輔助減速車道的設(shè)定位置。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機制動;電渦流緩速器制動;下坡安全距離;輔助減速車道

中圖分類號：U467 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）10-192-04

Research on Position Setting of Auxiliary Deceleration Lane for Long DownhillSection Under Combined Brake of Engine Brake and Eddy Current Retarder^*

Cao Xin^1，2， Yu Qiang¹

（?1.School of Automobile， Chang 'an University， Shaanxi Xi'an 710064;2.Road Transportation Career Development Center of Shaanxi Province，?Shaanxi Xi'an 710003?）

Abstract：?At present， it causes driving safety problems easily for the heavy-duty truck because of the continuous braking on long downhill section， adding auxiliary deceleration lane can alleviate the downhill safety problems to a certain extent. By analyzing the temperature rise model of service brake and the temperature critical point of brake thermal recession， the safe distance of downhill is ascertained， so as to set the location of auxiliary deceleration lane. Firstly， analyze the downhill ability of heavy vehicles under the combined action of engine braking and eddy current retarder， then， study the safe downhill distance of vehicles within the safe temperature threshold of service brake and ascertain the safe downhill distance varying with different slopes. As consequences show， the maximum safe downhill distance is about 10 km， the auxiliary deceleration lane can be set according to distance.

Keywords： Engine braking; Eddy current retarder braking; Safe distance downhill; Auxiliary deceleration lane

CLC NO.： U467 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）10-192-04

引言

我國地域面積遼闊，西部山區(qū)高速公路設(shè)計縱坡較大，交通安全問題突出，由于重型商用汽車持續(xù)制動能力較弱，長下坡行駛過程中行車制動器持續(xù)參與制動，造成連續(xù)下長坡路段因制動器故障或熱衰退^[1][2][3]事故發(fā)生概率較高，給人民生命財產(chǎn)造成巨大的損失。常用輔助減速自動方式包括噴水制動、發(fā)動機排氣制動、避險車道等方式預(yù)防和避免制動器失效引發(fā)的重大交通事故。但是這些方法都存在局限性，只能在一定程度上緩解貨車下長坡的制動減速壓力，無法從根本上解決問題。輔助減速車道能夠在車輛即將或者已經(jīng)發(fā)生失速狀態(tài)下為車輛提供持續(xù)制動力進行降速，輔助減速車道設(shè)置位置關(guān)系到輔助減速車道的利用率及對車輛輔助減速發(fā)揮作用的比例，因此，研究如何合理設(shè)置輔助減速車道位置有助于大幅提高車輛長下坡行駛的安全性。

通過建立持續(xù)制動聯(lián)合制動長大下坡數(shù)學(xué)模型對車輛剩余下坡能力進行分析，得到車輛聯(lián)合制動模式下道路坡度與下坡車速的關(guān)系，以聯(lián)合制動下，車輛行車制動器參與制動過程中，行車制動器溫度升高到250℃臨界溫度之前所行駛的距離為安全下坡距離。以此確定輔助減速車道設(shè)置合理位置。

1 汽車持續(xù)制動系統(tǒng)的特性研究

1.1?發(fā)動機制動與電渦流緩速器聯(lián)合作用的模型

1.1.1?聯(lián)合制動下制動轉(zhuǎn)矩與傳動軸轉(zhuǎn)速關(guān)系模型

發(fā)動機制動的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系式^[4]：

電渦流緩速器制動^[5]的轉(zhuǎn)矩與傳動軸轉(zhuǎn)速關(guān)系如式（2）：

采用多項式擬合電渦流緩速器制動轉(zhuǎn)矩與傳動軸轉(zhuǎn)速^[6]的關(guān)系如下：

其中A_{b_electric}、B_{b_electric}、C_{b_electric}的各擋位通過試驗獲得的擬合系數(shù)^[1]：

由式（1～3）得到聯(lián)合制動時制動轉(zhuǎn)矩與傳動軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為：

1.1.2?聯(lián)合制動時整車制動力矩與車速關(guān)系的模型

空氣阻力與滾動阻力的關(guān)系如下式：

整車制動力矩由持續(xù)制動力矩、空氣滾動阻力力矩構(gòu)成，通過發(fā)動機轉(zhuǎn)速與車速的關(guān)系，得到持續(xù)制動力矩與車速的關(guān)系如公式（6）所示：

其中：

1.2?下坡能力分析

根據(jù)車輛坡道受力分析可以得到汽車縱向運動方程為：

其中，加速阻力，坡道上重力的分力，F_f滾動阻力，F_w空氣阻力，F_i坡道阻力，F_j加速阻力。

汽車縱向動力學(xué)方程簡化為：

其中：

車輛在持續(xù)制動力作用下下坡坡度范圍由車輛縱向力平衡得到，此時車輛道路坡道分力與所有形式阻力平衡，進而得到車輛持續(xù)制動作用下的下坡度范圍。

由公式（8）和（9）可得：

同時：

汽車以一定的初速度u₀，行駛到末速度u_t，此過程車輛行駛距離為s。

2?制動器溫升模型研究

2.1?制動器升、降溫模型研究

2.1.1?坡道運行制動器升溫模型的建立與驗證

車輛平路制動過程中根據(jù)能量守恒原理，車輛動能變量量除克服行駛阻力及持續(xù)制動力做功，剩余能量轉(zhuǎn)化為制動鼓內(nèi)能，使得制動鼓溫度逐漸升高^[8]。

根據(jù)水平道路升溫數(shù)學(xué)模型^[7]可知，長下坡行駛過程中車輛動能與勢能變化等同于車輛持續(xù)制動力做功與行車制動器內(nèi)能增加量。

制動鼓降溫數(shù)學(xué)模型^[7]，即：

式中，

制動器升溫模型^[7]為：

由式（14～16）長下坡制動時，制動器溫升變化等于升溫與降溫之差：

為驗證車輛坡道溫升模型的準確性，駕駛員采用行車制動器參與工作，使得車輛以一定速度恒速下坡行駛;同時監(jiān)控自動古溫度的變化情況，以此驗證車輛長下坡制動器溫升模型的準確性。通過三次試驗對建立的溫升模型進行驗證，試驗與理論計算結(jié)果對比如圖2所示。

三次長下坡行駛坡道升溫試驗獲得試驗數(shù)據(jù)與理論計算仿真結(jié)果最大相對誤差分別為：2.47%、7.74%、2.28%。試驗結(jié)果表明，通過理論分析獲得的車輛長下坡制動器溫升模型能夠真實的反應(yīng)車輛制動鼓的溫度變化。

3?輔助減速車道設(shè)定位置分析模型研究

3.1?聯(lián)合制動車速失控預(yù)測模型

根據(jù)公式（17），以250℃為臨界安全溫度，計算車輛長下坡過程中制動鼓升溫到臨界溫度過程中道路行駛車速、道路坡度與下坡安全距離的關(guān)系曲線如下圖3，其中9～12擋安全下坡距離三維圖分別為圖3（a～d）。車輛在一定的道路（道路平均坡度一定）上行駛，駕駛員維持車輛恒速下坡，下坡安全距離只與行駛平均車速有關(guān)。通過計算下坡安全距離，根據(jù)道路目前或者建議限速要求為平均車速，結(jié)合道路平均縱坡，可以得到輔助減速車道設(shè)置最合理的位置，保證輔助減速車道的使用效率與效果，降低重大交通事故的發(fā)生^[7]。

3.2?輔助減速車道設(shè)定位置分析模型

聯(lián)合制動下安全下坡距離與道路坡度、車速關(guān)系如式（18）：

令式中：。

圖4-6為變速器擋位置于9～11擋時，不同速度，安全下坡距離與道路坡度的關(guān)系。輔助減速車道設(shè)置在安全下坡距離處能夠在車輛即將發(fā)生制動鼓溫度過高發(fā)生“熱衰退”引發(fā)交通事故時，強制車輛進行減速，將發(fā)揮輔助減速車道的最大效用。

4 結(jié)論

本文基于車輛長下坡制動器升溫模型，構(gòu)建了以安全下坡距離為依據(jù)的輔助減速車道設(shè)置位置計算方法，將有效提高輔助減速車道的使用效率與效果。

通過分析車輛長大下坡持續(xù)制動模型，結(jié)合制動器能量轉(zhuǎn)換功率模型，構(gòu)建了車輛長大下坡制動鼓溫升模型，通過試驗檢驗了該模型能夠準確的理論預(yù)測車輛長下坡過程中制動鼓溫度變化趨勢。通過制動鼓“熱衰退”臨界閾值260℃，得到車輛制動鼓溫度升高到臨界溫度之前行駛的距離，以此確定輔助減速車道的設(shè)置位置。得到了不同限速平均車速下，不同道路輔助減速車道的最佳位置。車輛在3.5%的道路以道路最大限速70km/h下坡行駛時，車輛安全下坡距離為7.21km，輔助緩速車道應(yīng)該設(shè)在7km左右能夠保證車輛制動鼓溫度不超過臨界閾值，并能夠最大限度的減少輔助減速車道的設(shè)置數(shù)量，降低推廣建設(shè)難度。

參考文獻

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