淺談商用車氣壓ABS 的設(shè)計(jì)匹配對制動(dòng)性能的影響論文
汽車的制動(dòng)性能是汽車的主要性能之一,直接關(guān)系到公路交通安全。重大的交通事故往往與制動(dòng)距離太長、緊急制動(dòng)時(shí)發(fā)生側(cè)滑等息息相關(guān)。裝有防抱死系統(tǒng)的車輛能夠很好地保持車輛行駛的穩(wěn)定性,有效避免緊急制動(dòng)時(shí)側(cè)滑情況的發(fā)生。然而,防抱死系統(tǒng)的合理匹配及在整車上的布置,以及其控制模式的選擇都對車輛制動(dòng)性能的影響至關(guān)重要。
1 布置型式與控制模式的影響
防抱死系統(tǒng)的布置型式和控制模式對其制動(dòng)性能和穩(wěn)定性有至關(guān)重要的影響。規(guī)定,道路試驗(yàn)中制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)性能是用在規(guī)定的條件下通過測量相應(yīng)的初速度的條件下的制動(dòng)距離(S)和充分發(fā)出的平均減速度(MFDD)來確定。空載和滿載車輛分別按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。在規(guī)定的車速下,各類車輛的試驗(yàn)結(jié)果必須達(dá)到規(guī)定的最低性能要求。制動(dòng)時(shí)汽車的方向穩(wěn)定性一般稱為汽車在制動(dòng)過程中維持直線行駛或按預(yù)定彎道行駛的能力,主要表現(xiàn)在制動(dòng)跑偏、側(cè)滑和前輪失去轉(zhuǎn)向能力等。帶有防抱死制動(dòng)功能的制動(dòng)系統(tǒng)在制動(dòng)過程中能夠保持前輪的轉(zhuǎn)向能力,有效地避免后軸側(cè)滑。但不同布置型式及控制模式下的測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的差異是不一樣的。
商用車防抱死系統(tǒng)的常用布置型式主要有:4S/3M(4 個(gè)傳感器和3 個(gè)電磁閥); 4S/4M(4 個(gè)傳感器和4 個(gè)電磁閥); 6S/6M(6 個(gè)傳感器和6 個(gè)電磁閥)。根據(jù)車輛的車型配置來選擇相應(yīng)的布置型式。對于驅(qū)動(dòng)型式為4×2 的車輛可以安裝4S/3M或4S/4M,其中4S/3M是指每一個(gè)車輪都安裝有車輪速度傳感器,但前橋只安裝1個(gè)電磁閥來同步地控制轉(zhuǎn)向橋的制動(dòng)氣室,后橋的兩個(gè)車輪則分別安裝2 個(gè)電磁閥分別控制左右兩個(gè)氣室。而4S/4M是指在前后橋分別安裝2 個(gè)傳感器和2 個(gè)電磁閥來分別控制每根軸上的左右兩個(gè)制動(dòng)氣室。對于6×4 或6×2 的車輛,可以安裝4S/4M或6S/6M的型式。目前我國市場上應(yīng)用最多的是4S/4M和6S/6M的布置型式。
防抱死系統(tǒng)的主要控制模式有:車輪獨(dú)立控制(IR)、修正的前橋獨(dú)立控制(MIR)、修正的前橋控制(MAR)、可變的橋控(VAR)、修正的側(cè)向后橋控制(MSR)。對于4×2 或6×4 車輛裝用4S/4M的防抱死系統(tǒng),從控制制動(dòng)氣室壓力的角度,每個(gè)車輪單獨(dú)控制(IR)是比較優(yōu)化的控制模式,這樣在同一附著系數(shù)的路面上制動(dòng)時(shí)能夠獲得最大的制動(dòng)力;但如果車輛兩側(cè)的車輪在不同的附著系數(shù)的路面(對開路面)上制動(dòng)時(shí),將會(huì)影響車輛的制動(dòng)穩(wěn)定性。這是因?yàn)樽笥臆囕喌母街禂?shù)存在較大的差異,從而造成左右車輪的制動(dòng)力不相等,特別是前軸左右車輪(轉(zhuǎn)向車輪)的制動(dòng)力不同會(huì)造成前輪失去轉(zhuǎn)向能力。
給出了轉(zhuǎn)向軸左、右車輪制動(dòng)力不相等而引起跑偏的受力分析示意圖。假設(shè)前左輪的制動(dòng)器制動(dòng)力大于前右輪,故地面制動(dòng)力Fx1l>Fx1r,此時(shí),前后軸受到的地面?zhèn)认蚍醋饔昧Ψ謩e為Fy1 和Fy2。顯然,F(xiàn)x1l 繞主銷的力矩大于Fx1r 繞主銷的力矩,雖然轉(zhuǎn)向盤不動(dòng),但是由于相關(guān)零部件的彈性變形,轉(zhuǎn)向輪仍產(chǎn)生一向左轉(zhuǎn)動(dòng)的角度使汽車有左轉(zhuǎn)彎行駛,即左跑偏的趨勢。另外,由于主銷的后傾,也使Fy1 對轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生一同方向的`偏轉(zhuǎn)力矩,增大了向左轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。即使裝有防抱死系統(tǒng),如果采取每個(gè)車輪獨(dú)立的控制模式(IR),在制動(dòng)過程中也不能完全避免車輛跑偏,無法保持車輛行駛的穩(wěn)定性。
要解決車輛在對開路面上制動(dòng)時(shí),制動(dòng)跑偏和失去行駛穩(wěn)定性的問題,最根本的解決方案是使轉(zhuǎn)向軸左、右車輪制動(dòng)力相等。防抱死系統(tǒng)的4S/3M的布置型式帶有修正的前橋控制(MAR)功能,或者是常說的“低選原則”能夠保證車輛在制動(dòng)過程中轉(zhuǎn)向軸左、右輪有相同的制動(dòng)力,雖然解決了車輛的制動(dòng)跑偏問題,但是車輛的制動(dòng)距離變長了。另外,對于4S/3M的布置型式,可以選擇可變的橋控(VAR),或者叫“高選原則”。該控制模式在對開路面上制動(dòng)時(shí),允許在低附著系數(shù)路面上的車輪抱死,使在高附著系數(shù)路面上的車輪有較大的制動(dòng)壓力,進(jìn)而縮短制動(dòng)距離,但是車輛的穩(wěn)定性比較差。ECER13 和GB 13594 規(guī)定,轉(zhuǎn)向角的調(diào)整角度在對開路面上制動(dòng)時(shí),前2 s 轉(zhuǎn)向角的調(diào)整角度在120°以內(nèi),在整個(gè)過程中轉(zhuǎn)向角的調(diào)整角度不得超過240°,所以可變的橋控(VAR)的控制模式的參數(shù)設(shè)置必須根據(jù)車型的參數(shù)來確定,而且需要通過詳細(xì)的試驗(yàn)驗(yàn)證得到。
既要保持車輛的穩(wěn)定性,又要減少車輛的制動(dòng)距離,只有最大限度地利用在高附路面上的地面制動(dòng)力的同時(shí)通過方向盤修正車輛的行駛方向。這樣最好的布置型式為4S/4M,并且前橋采用修正的獨(dú)立控制(MIR)。高低附著路面的前后橋各參數(shù)變化情況可看出,增加了在高附路面的轉(zhuǎn)向車輪的壓力保持時(shí)間后,最大限度地利用了車輪制動(dòng)器的制動(dòng)力,至于在高附路面的車輪制動(dòng)壓力保持時(shí)間的長短及制動(dòng)壓力的大小要通過方向盤的轉(zhuǎn)向角度及整車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來判斷。所以,必須通過大量的試驗(yàn)來驗(yàn)證,最終達(dá)到理想的控制狀態(tài)。
2 安裝技術(shù)匹配的影響
2.1 齒圈及傳感器安裝的技術(shù)匹配
前橋和后橋齒圈與輪胎周長之間的關(guān)系應(yīng)相同或在一定的公差范圍內(nèi)。在齒圈的齒數(shù)計(jì)算匹配過程中,如果沒有任何特殊的參數(shù)設(shè)置,ECU 調(diào)節(jié)允許的動(dòng)態(tài)輪胎周長/ 齒數(shù)數(shù)目的比率范圍設(shè)定在27.4~36.8 mm/齒之間,標(biāo)準(zhǔn)值為32 mm/ 齒。故在匹配防抱死系統(tǒng)時(shí),要根據(jù)輪胎的動(dòng)態(tài)滾動(dòng)周長精確地選擇齒圈的齒數(shù)。
固定在橋上的輪速傳感器與安裝在輪轂上并與車輪一起運(yùn)動(dòng)的齒圈相對運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生了頻率與輪速成比例的信號。由于車輛的參考車速是由對角線車輪速度決定的,所以,傳感器的安裝要符合規(guī)定的技術(shù)條件,齒圈和傳感器的最小間隙要小于0.7 mm,最大電壓與最小電壓之比要小于等于2。輪速傳感器包括一個(gè)永久磁鐵、磁芯和線圈,齒圈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)切割磁力線,產(chǎn)生交變的信號輸入ECU(控制單元),ECU 根據(jù)輸入的輪速信號計(jì)算出車輪的“滑移率λ”,并根據(jù)車輪的“滑移率λ”來控制車輪制動(dòng)氣室的壓力。
滑移率的計(jì)算公式:λ=(Vf - Vr)/Vf ×100%
式中:Vf 為車輛的參考速度;Vr 為車輪的速度。如果齒圈的匹配齒數(shù)超出了規(guī)定的值或偏差比較大,或者傳感器的安裝不能滿足要求,防抱死系統(tǒng)的控制參數(shù)“滑移率λ”將不能準(zhǔn)確地被ECU計(jì)算出來。這種情況下無論在何種路面上制動(dòng),車輛都將出現(xiàn)車輪脫滑、抱死等現(xiàn)象,使車輛的制動(dòng)距離變長,制動(dòng)穩(wěn)定性變差。
2.2 電磁閥與制動(dòng)氣室的安裝匹配
防抱死系統(tǒng)電磁閥的作用為在防抱死系統(tǒng)工作時(shí)為制動(dòng)氣室充氣、排氣和實(shí)現(xiàn)壓力保持[7]。如果沒有主動(dòng)控制,輸入的壓力只是由此經(jīng)過。在主動(dòng)控制過程中,它根據(jù)車輪的狀態(tài)為制動(dòng)氣室充氣、排氣和實(shí)現(xiàn)壓力保持。在防抱死工作的過程中,電磁閥的充氣過程和排氣過程是成梯度的增加和減少的,工作頻率非常的高。為保證防抱死系統(tǒng)的工作性能減少對制動(dòng)系統(tǒng)和穩(wěn)定性的影響,所以安裝匹配應(yīng)滿足壓力梯度的要求:在制動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到切斷壓力情況下,僅促動(dòng)電磁閥,測量到的2~5 bar 之間的壓力增加時(shí),前橋電磁閥的壓力梯度范圍在30~45 bar/sec 之內(nèi)、后橋電磁閥的壓力梯度范圍在25~40 bar/sec 之內(nèi);測量到的5~2 bar 之間的壓力降低時(shí),前橋電磁閥的壓力梯度在35~45 bar/sec 之內(nèi)、后橋電磁閥的壓力梯度范圍在25~45 bar/sec 之內(nèi)。
電磁閥本身的故障率極低,出現(xiàn)壓力梯度不滿足的主要原因是由于制動(dòng)器本身回位慢或者說制動(dòng)器的機(jī)械響應(yīng)頻率低。因?yàn)椴粠Х辣老到y(tǒng)緊急制動(dòng)時(shí),制動(dòng)氣室推桿及制動(dòng)蹄是相對不動(dòng)的,帶有防抱死系統(tǒng)后的整個(gè)制動(dòng)過程為動(dòng)態(tài),所以響應(yīng)不及時(shí)會(huì)造成不滿足壓力梯度要求,制動(dòng)時(shí)將出現(xiàn)車輪斷續(xù)的拖印或制動(dòng)鼓發(fā)熱或制動(dòng)跑偏,加速了制動(dòng)器的衰退,嚴(yán)重影響車輛的制動(dòng)性能和制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性。改善制動(dòng)器回位的方法有很多種,最主要的解決方式是加強(qiáng)制動(dòng)氣室回位彈簧的回位力。另外,氣制動(dòng)管路布置不合理也會(huì)造成壓力梯度不滿足要求。在布置上電磁閥與制動(dòng)氣室之間的管路要盡量短,同時(shí)盡量避免直角管接頭的使用,以保證管路順暢。
2.3 與防抱死系統(tǒng)相匹配的制動(dòng)器型式
決定汽車制動(dòng)距離的主要因素是:制動(dòng)器起作用的時(shí)間、最大制動(dòng)減速度以及制動(dòng)初速度,而真正使汽車減速停車的是制動(dòng)器的持續(xù)作用時(shí)間。減小制動(dòng)器持續(xù)作用的時(shí)間最有效的方式為最大限度地利用輪胎和路面之間的附著系數(shù)及增大摩擦副的摩擦因數(shù),同時(shí)還要保證隨著制動(dòng)時(shí)間的增大,制動(dòng)器在溫度上升的過程中不應(yīng)出現(xiàn)熱衰退或在高強(qiáng)度的制動(dòng)時(shí),摩擦材料的摩擦系數(shù)雖有下降,但對制動(dòng)效能影響不大。
常用制動(dòng)性能因數(shù)與摩擦系數(shù)的關(guān)系曲線來說明不同類型制動(dòng)器的制動(dòng)效能及其穩(wěn)定程度。隨著制動(dòng)次數(shù)的增加,盤式制動(dòng)器和鼓式制動(dòng)器的溫度變化和輸出的扭矩的變化?梢钥闯,對于鼓式制動(dòng)器,摩擦系數(shù)的微小改變能引起制動(dòng)效能大幅變化,所以其制動(dòng)穩(wěn)定性差,而且熱衰退比較大;而盤式制動(dòng)器的制動(dòng)效能沒有鼓式制動(dòng)器大,但其制動(dòng)穩(wěn)定性好,且響應(yīng)時(shí)間短。所以如果制動(dòng)系統(tǒng)為盤式制動(dòng)器,防抱死系統(tǒng)能夠控制“滑移率λ”的門限值更小,制動(dòng)過程中能夠最大限度地利用輪胎和路面之間的附著系數(shù),而且制動(dòng)過程中熱衰退比較小,能有效地減少制動(dòng)器持續(xù)起作用的時(shí)間。
3 結(jié)束語
防抱死系統(tǒng)在車輛上的布置型式和控制模式的不同,其性能、成本也隨之不同。因此,要根據(jù)車輛的配置參數(shù)來合理安裝和選用防抱死系統(tǒng)。在選定布置型式和控制模式的基礎(chǔ)上,防抱死系統(tǒng)的安裝技術(shù)匹配必須予以重視,以最大限度地改善汽車在制動(dòng)時(shí)的效能與方向穩(wěn)定性。
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