一種基于汽車動力截止控制超載的技術(shù)模型

毛 矛

（正德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211106）

1 研究背景

在我國的公路運(yùn)輸中，汽車超載現(xiàn)象非常嚴(yán)重且危害極大?！豆贩ā芳?《超限運(yùn)輸車輛行駛公路管理規(guī)定》都嚴(yán)禁車輛超載。汽車超載誘發(fā)大量道路交通安全事故、嚴(yán)重?fù)p壞道路基礎(chǔ)設(shè)施、造成運(yùn)輸市場的不公平競爭、導(dǎo)致交通堵塞并且加劇對生態(tài)環(huán)境的人為破壞［1-2］。治理公路運(yùn)輸中汽車超載一直是公路運(yùn)輸管理部門的重要事務(wù)。治理效果不佳的原因部分在于沒有找到正確的方法。一直以來，治理汽車超載采用的是路政人員上路檢查，對有超載嫌疑的車輛實(shí)施稱重的辦法。這種辦法既耗費(fèi)大量人力，又給正常交通運(yùn)輸帶來阻礙，不可避免地留下許多疏漏，以至于汽車超載現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。

汽車載運(yùn)貨物，載荷由車廂通過懸架傳遞到車橋，再由車輪作用于路面上。所謂超載是指汽車實(shí)際載荷超過了額定值，從而使得包括軸荷在內(nèi)的各種作用力超過額定值。技術(shù)模型是解決某類問題的技術(shù)方案。本文提出的解決超載問題的技術(shù)模型的思路是控制汽車的動力，在超載的情況下，通過截止動力使得汽車不能運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)防止汽車超載的目的。而是否超載的判斷由測量汽車軸荷來實(shí)現(xiàn)。本技術(shù)模型從汽車控制技術(shù)的角度尋找治理汽車超載的方法，其中包括汽車超載測定與判別、防止動載荷干擾、汽車動力截止以及防止相關(guān)裝置被人為拆除的反向控制技術(shù)等。

2 汽車動力控制

汽車動力來源于發(fā)動機(jī)，而發(fā)動機(jī)的工作包含起動和運(yùn)轉(zhuǎn)這兩個階段。汽車動力控制就是圍繞著對發(fā)動機(jī)的控制來進(jìn)行。目前汽車上的發(fā)動機(jī)仍然是以汽油機(jī)和柴油機(jī)為主。汽油機(jī)有點(diǎn)火系統(tǒng)，國內(nèi)有研究人員提出通過控制點(diǎn)火系統(tǒng)來防止超載的方案［3］。但是這方案不能適用于柴油發(fā)動機(jī)汽車，而載貨汽車大多是以柴油發(fā)動機(jī)作為動力的。也有人提出限制貨車的最大比功率 （單位汽車總質(zhì)量所具有的發(fā)動機(jī)功率）來治理貨車超載的技術(shù)對策［4］，但是可行性不高。汽車動力控制必須另辟蹊徑。

不論裝用哪種類型的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)，汽車發(fā)動機(jī)的運(yùn)行離不開起動和供油這兩個基本條件。本技術(shù)模型正是從這兩方面入手，分別通過對起動和燃油供給兩個系統(tǒng)的控制來實(shí)現(xiàn)對汽車動力的雙重控制。

2.1 起動系統(tǒng)的控制

汽車起動系統(tǒng)在電路的組成上大同小異，主要由起動開關(guān)、起動繼電器、控制電路和起動機(jī)組成。正常情況下，起動機(jī)的工作由起動開關(guān)控制。本技術(shù)模型在起動系統(tǒng)的控制電路中設(shè)置一個超載保護(hù)繼電器，由電控單元ECU的信號控制其導(dǎo)通或者斷開，實(shí)現(xiàn)對起動系統(tǒng)的控制，如圖1所示。電控單元對起動系統(tǒng)的控制邏輯是:沒有發(fā)生超載時(shí)，電控單元ECU給超載保護(hù)繼電器一個控制信號使其導(dǎo)通，起動機(jī)能夠正常起動；而一旦發(fā)生超載時(shí)，電控單元ECU給超載保護(hù)繼電器一個控制信號使其斷開，起動機(jī)不能起動。

2.2 燃油供給系統(tǒng)的控制

燃油是動力的來源，控制燃油是控制發(fā)動機(jī)動力的另一個重要途徑。貨運(yùn)汽車中大多采用柴油發(fā)動機(jī)。本模型即主要考慮針對柴油機(jī)的燃油供給系統(tǒng)控制方案。當(dāng)前汽車裝用柴油機(jī)可以分為傳統(tǒng)機(jī)械式供油系統(tǒng)和現(xiàn)代電控供油系統(tǒng)兩類。雖然不同柴油機(jī)的燃油供給系統(tǒng)差別很大，但是都必須通過連接油箱的出油管給整個系統(tǒng)供油。因此，通過在燃油箱出油管上加裝超載保護(hù)電磁閥，電磁閥由電控單元控制，從而實(shí)現(xiàn)對燃油供給系統(tǒng)的控制。

電控單元對燃油供給系統(tǒng)的控制邏輯是:沒有發(fā)生超載時(shí)，電控單元ECU給超載保護(hù)電磁閥發(fā)出控制指令使其閉合，燃油系統(tǒng)正常供油；當(dāng)發(fā)生超載時(shí)，電控單元ECU發(fā)出控制指令使超載保護(hù)繼電器斷開，輸油泵無法從油箱吸取燃油，如圖2所示。這種控制油箱出口管路的方法同樣可以應(yīng)用于汽油機(jī)汽車。

對于電控柴油機(jī)，除了可以采用上述在油箱出油管加裝超載保護(hù)電磁閥的方法來實(shí)現(xiàn)對燃油供給系統(tǒng)的控制之外，還可以將對燃油供給系統(tǒng)的控制結(jié)合進(jìn)柴油機(jī)電控系統(tǒng)之中。本文暫不探討這種方式。

通過對起動系統(tǒng)和燃油供給系統(tǒng)的雙重控制，能夠保證對汽車動力的有效控制。

3 超載判別與軸荷測量

對于具體形式的貨車，整車載荷與后橋的軸荷之間存在相對穩(wěn)定的比例關(guān)系。雖然這種比例關(guān)系隨著貨物裝載位置的變化而有所變化，但是對于大多數(shù)情況而言，這樣的變化范圍不大。本技術(shù)模型以貨物載荷居中平均分布時(shí)后橋軸荷與整車載荷之間的比例關(guān)系為依據(jù)，由軸荷來推算載荷，從而判斷汽車是否超載。

以兩軸貨車為例，如圖3所示，后軸軸荷F與整車載荷P之間的關(guān)系可推導(dǎo)得到:F／P=（C+0.5L）／（C+L-D）。

多軸式貨車的軸荷與整車載荷之間的關(guān)系同樣可以通過力學(xué)分析推導(dǎo)得到，本文不作贅述。

此外，國家標(biāo)準(zhǔn)GB 1589—2004《道路車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》對于汽車及掛車單軸的最大允許軸荷也有最大限值規(guī)定，這同樣是判斷汽車是否超載的一個依據(jù)。

隨著微處理機(jī)的出現(xiàn)，稱重傳感器廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，是過程控制中一種常用裝置。從大型料斗質(zhì)量計(jì)測到混合分配多種原料的配料系統(tǒng)，到生產(chǎn)工藝中的自動檢測和粉粒體進(jìn)料量控制等，稱重傳感器都有應(yīng)用。測量汽車軸荷，可以采用稱重傳感器，將載重信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號，輸出到電控單元ECU。測量汽車軸荷的稱重傳感器須能夠稱量較大噸位負(fù)荷，而且能夠適應(yīng)貨運(yùn)汽車復(fù)雜多變的運(yùn)行環(huán)境，可供選擇的傳感器有液壓式、電容式、磁極變形式、電阻應(yīng)變式等。電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感元件、電阻應(yīng)變計(jì)、補(bǔ)償電阻和外殼組成，可根據(jù)具體測量要求設(shè)計(jì)成多種結(jié)構(gòu)形式，稱量范圍寬，稱量精度高達(dá)1／1000～1／10000， 且結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠性較高，比其他形式的傳感器更加適合于本技術(shù)模型。

貨運(yùn)汽車的后懸架大多采用鋼板彈簧式非獨(dú)立懸架。根據(jù)具體貨車的結(jié)構(gòu)形式，首先分析后橋軸荷與整車裝載量之間的關(guān)系，然后選擇合適規(guī)格的電阻應(yīng)變式稱重傳感器置于鋼板彈簧與半軸套管之間，如圖4所示。

4 抗動載荷干擾

汽車在運(yùn)行的過程中不可避免地會有顛簸，而顛簸造成的上下振動會產(chǎn)生附加的動載荷，使得原本沒有超載的汽車因?yàn)閯虞d荷的效應(yīng)而超載。如何排除動載荷的干擾，是有效運(yùn)用動力截止技術(shù)來控制汽車超載的關(guān)鍵之一。一種辦法是采用數(shù)字信號處理技術(shù)，用數(shù)字濾波器濾除動載荷的干擾［5］。動載荷的產(chǎn)生與汽車行駛狀態(tài)有關(guān)，是汽車行駛速度的函數(shù)。車速為零時(shí)，動載荷亦為零。本技術(shù)模型中設(shè)計(jì)的抗干擾措施是將測量車速的傳感器信號輸入系統(tǒng)的電控單元ECU?？垢蓴_的控制邏輯是:只有當(dāng)車速為零時(shí)，動力截止控制系統(tǒng)才工作；當(dāng)車速大于零，即汽車在行駛過程中時(shí)，控制供油系統(tǒng)的超載保護(hù)電磁閥閉合接通，保證發(fā)動機(jī)供油系統(tǒng)正常供油；這樣就排除了汽車動載荷對超載動力截止電控系統(tǒng)的干擾，避免系統(tǒng)誤動作對汽車正常運(yùn)行的干擾，保證系統(tǒng)工作的可靠性。

5 汽車超載動力截止電控系統(tǒng)

汽車超載動力截止電控系統(tǒng)的控制邏輯是:電控單元ECU接受后橋稱重傳感器的軸荷信號以及車速傳感器信號，經(jīng)過內(nèi)設(shè)程序的計(jì)算，分別對汽車起動系統(tǒng)的超載保護(hù)繼電器及發(fā)動機(jī)供油系統(tǒng)的超載保護(hù)電磁閥發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)汽車超載自動截止控制。系統(tǒng)的工作分為兩部分。

1）汽車沒有超載 當(dāng)汽車沒有超載時(shí)，截止系統(tǒng)不動作，起動系統(tǒng)正常起動，發(fā)動機(jī)供油系統(tǒng)正常工作。

2）汽車發(fā)生超載 當(dāng)汽車超載，軸荷傳感器信號超過限定值時(shí)，系統(tǒng)一方面向汽車起動系統(tǒng)的起動保護(hù)繼電器發(fā)出控制指令，使得起動系統(tǒng)不能起動；系統(tǒng)同時(shí)向發(fā)動機(jī)供油系統(tǒng)超載保護(hù)電磁閥發(fā)出控制指令，停止系統(tǒng)供油。

這從兩方面對汽車的動力系統(tǒng)進(jìn)行超載截止控制，將系統(tǒng)的工作分為 “超載”與 “非超載”兩部分，既不影響汽車在正常運(yùn)載狀態(tài)下的工作，又能對汽車進(jìn)入超載狀態(tài)后的運(yùn)行進(jìn)行控制。系統(tǒng)具體工作原理見圖5。

稱重傳感器與ECU的連接電路框圖如圖6所示，采用MCS-51單片機(jī)作為ECU，用8031作為中央處理器，采用LM331作為V／F電壓頻率變換器。軸荷使稱重傳感器彈性體發(fā)生變形，輸出與軸荷成正比的電信號，經(jīng)放大器放大后，輸入V／F轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的頻率信號直接送入8031微處理器中，由單片機(jī)進(jìn)行處理。

6 防拆除反向控制設(shè)計(jì)

因?yàn)槔娴年P(guān)系，車主會反對安裝防超載裝置，對于車上裝配的防超載裝置也會設(shè)法拆除。為了避免車主因利益關(guān)系拆卸超載動力截止系統(tǒng)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常發(fā)揮治理超載的作用，本技術(shù)模型設(shè)計(jì)了反向控制。即裝配了動力截止系統(tǒng)的汽車，只有該系統(tǒng)正常工作，發(fā)動機(jī)才能正常起動與工作。一旦系統(tǒng)被破壞或拆卸，汽車發(fā)動機(jī)將不能起動與工作。

防拆除反向控制設(shè)計(jì)利用動力截止控制中對起動系統(tǒng)和燃油供給系統(tǒng)的雙重控制，將兩者結(jié)合起來作為防止人為拆除的反向控制技術(shù)的一個手段?？刂破饎与娐返某d保護(hù)繼電器采用常開繼電器，其控制邏輯是:軸荷傳感器的信號顯示沒有超載時(shí)，電控單元ECU控制其閉合，起動電路導(dǎo)通?？刂乒┯拖到y(tǒng)的超載保護(hù)電磁閥采用常閉電磁閥，其控制邏輯是:電控單元ECU接受軸荷傳感器的信號顯示沒有超載，并且接收到超載保護(hù)繼電器正常接通的反饋信號，發(fā)出信號控制電磁閥接通，使得供油管路導(dǎo)通。如果拆除超載保護(hù)繼電器和電磁閥中的任意一個或者兩個，汽車都將因?yàn)闊o法獲得動力而不能運(yùn)行。這樣從技術(shù)上保證動力截止系統(tǒng)發(fā)揮其治理超載的作用，而不至于成為無用的擺設(shè)。

7 結(jié)束語

超載的危害人所共知。超載在我國越演越烈的原因是多方面的。本文提出的技術(shù)模型是從汽車控制技術(shù)的角度治理超載，考慮了抗動載荷干擾及防止利益驅(qū)動下的人為拆除，是一種根本性的技術(shù)措施。本技術(shù)模型應(yīng)用到具體的不同型號、不同噸位的貨車上，還需要做具體的計(jì)算工作。更加重要的是，技術(shù)措施能否得以應(yīng)用并發(fā)揮效能，還有賴于相關(guān)法律法規(guī)的保障以及政府層面的推廣。

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