商用車氣壓ABS的設(shè)計匹配對制動性能的影響

李　春，郝永明，李　玲

（1.上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海200240；2.金龍聯(lián)合汽車工業(yè)（蘇州）有限公司，江蘇蘇州215026；3.克諾爾制動設(shè)備（上海）有限公司，上海201201；4.克諾爾車輛設(shè)備（蘇州）有限公司，江蘇蘇州215151）

商用車氣壓ABS的設(shè)計匹配對制動性能的影響

李春1，2，郝永明3，李玲4

（1.上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海200240；2.金龍聯(lián)合汽車工業(yè)（蘇州）有限公司，江蘇蘇州215026；3.克諾爾制動設(shè)備（上海）有限公司，上海201201；4.克諾爾車輛設(shè)備（蘇州）有限公司，江蘇蘇州215151）

隨著法規(guī)對制動要求的提高，氣壓制動防抱死系統(tǒng)在商用車上的使用越來越廣泛。合理匹配并充分發(fā)揮防抱死系統(tǒng)的性能尤為重要。本文重點對防抱死系統(tǒng)的選型及技術(shù)匹配對制動性能的影響進行分析。

商用車；氣壓ABS；制動性能；設(shè)計匹配

汽車的制動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距離太長、緊急制動時發(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，有效避免緊急制動時側(cè)滑情況的發(fā)生［1］。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性能和穩(wěn)定性有至關(guān)重要的影響。文獻［2］和文獻［3］中規(guī)定，道路試驗中制動系統(tǒng)的制動性能是用在規(guī)定的條件下通過測量相應(yīng)的初速度的條件下的制動距離（S）和充分發(fā)出的平均減速度（MFDD）來確定?？蛰d和滿載車輛分別按照標準規(guī)定的試驗方法進行試驗。在規(guī)定的車速下，各類車輛的試驗結(jié)果必須達到規(guī)定的最低性能要求。制動時汽車的方向穩(wěn)定性一般稱為汽車在制動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)在制動跑偏、側(cè)滑和前輪失去轉(zhuǎn)向能力等。帶有防抱死制動功能的制動系統(tǒng)在制動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)果與標準規(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個傳感器和3個電磁閥）；4S/4M（4個傳感器和4個電磁閥）；6S/6M（6個傳感器和6個電磁閥）。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是指每一個車輪都安裝有車輪速度傳感器，但前橋只安裝1個電磁閥來同步地控制轉(zhuǎn)向橋的制動氣室，后橋的兩個車輪則分別安裝2個電磁閥分別控制左右兩個氣室。而4S/4M是指在前后橋分別安裝2個傳感器和2個電磁閥來分別控制每根軸上的左右兩個制動氣室。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［4-6］。

防抱死系統(tǒng)的主要控制模式有：車輪獨立控制（IR）、修正的前橋獨立控制（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)，從控制制動氣室壓力的角度，每個車輪單獨控制（IR）是比較優(yōu)化的控制模式，這樣在同一附著系數(shù)的路面上制動時能夠獲得最大的制動力；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）上制動時，將會影響車輛的制動穩(wěn)定性。這是因為左右車輪的附著系數(shù)存在較大的差異，從而造成左右車輪的制動力不相等，特別是前軸左右車輪（轉(zhuǎn)向車輪）的制動力不同會造成前輪失去轉(zhuǎn)向能力。

圖1給出了轉(zhuǎn)向軸左、右車輪制動力不相等而引起跑偏的受力分析示意圖。假設(shè)前左輪的制動器制動力大于前右輪，故地面制動力Fx1l＞Fx1r，此時，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，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)動的角度。即使裝有防抱死系統(tǒng)，如果采取每個車輪獨立的控制模式（IR），在制動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時，制動跑偏和失去行駛穩(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過程中轉(zhuǎn)向軸左、右輪有相同的制動力，雖然解決了車輛的制動跑偏問題，但是車輛的制動距離變長了。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時，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壓力，進而縮短制動距離，但是車輛的穩(wěn)定性比較差。ECE R13和GB 13594規(guī)定［3］，轉(zhuǎn)向角的調(diào)整角度在對開路面上制動時，前2 s轉(zhuǎn)向角的調(diào)整角度在120°以內(nèi)，在整個過程中轉(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，而且需要通過詳細的試驗驗證得到。

既要保持車輛的穩(wěn)定性，又要減少車輛的制動距離，只有最大限度地利用在高附路面上的地面制動力的同時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立控制（MIR）。圖2是高低附著路面的前后橋各參數(shù)變化情況。從圖中可看出，增加了在高附路面的轉(zhuǎn)向車輪的壓力保持時間后，最大限度地利用了車輪制動器的制動力，至于在高附路面的車輪制動壓力保持時間的長短及制動壓力的大小要通過方向盤的轉(zhuǎn)向角度及整車的運動狀態(tài)來判斷。所以，必須通過大量的試驗來驗證，最終達到理想的控制狀態(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，標準值為32 mm/齒。故在匹配防抱死系統(tǒng)時，要根據(jù)輪胎的動態(tài)滾動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動的齒圈相對運動，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永久磁鐵、磁芯和線圈，齒圈的旋轉(zhuǎn)運動切割磁力線，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”來控制車輪制動氣室的壓力。

滑移率的計算公式：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”將不能準確地被ECU計算出來。這種情況下無論在何種路面上制動，車輛都將出現(xiàn)車輪脫滑、抱死等現(xiàn)象，使車輛的制動距離變長，制動穩(wěn)定性變差。

2.2電磁閥與制動氣室的安裝匹配

防抱死系統(tǒng)電磁閥的作用為在防抱死系統(tǒng)工作時為制動氣室充氣、排氣和實現(xiàn)壓力保持［7］。如果沒有主動控制，輸入的壓力只是由此經(jīng)過。在主動控制過程中，它根據(jù)車輪的狀態(tài)為制動氣室充氣、排氣和實現(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：在制動系統(tǒng)達到切斷壓力情況下，僅促動電磁閥，測量到的2～5 bar之間的壓力增加時，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，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)［8］。

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器本身回位慢或者說制動器的機械響應(yīng)頻率低。因為不帶防抱死系統(tǒng)緊急制動時，制動氣室推桿及制動蹄是相對不動的，帶有防抱死系統(tǒng)后的整個制動過程為動態(tài)，所以響應(yīng)不及時會造成不滿足壓力梯度要求，制動時將出現(xiàn)車輪斷續(xù)的拖印或制動鼓發(fā)熱或制動跑偏，加速了制動器的衰退，嚴重影響車輛的制動性能和制動時的方向穩(wěn)定性。改善制動器回位的方法有很多種，最主要的解決方式是加強制動氣室回位彈簧的回位力。另外，氣制動管路布置不合理也會造成壓力梯度不滿足要求。在布置上電磁閥與制動氣室之間的管路要盡量短，同時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)相匹配的制動器型式

決定汽車制動距離的主要因素是：制動器起作用的時間、最大制動減速度以及制動初速度，而真正使汽車減速停車的是制動器的持續(xù)作用時間。減小制動器持續(xù)作用的時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)，同時還要保證隨著制動時間的增大，制動器在溫度上升的過程中不應(yīng)出現(xiàn)熱衰退或在高強度的制動時，摩擦材料的摩擦系數(shù)雖有下降，但對制動效能影響不大。

常用制動性能因數(shù)與摩擦系數(shù)的關(guān)系曲線來說明不同類型制動器的制動效能及其穩(wěn)定程度，如圖3所示［9-10］。隨著制動次數(shù)的增加，盤式制動器和鼓式制動器的溫度變化和輸出的扭矩的變化，如圖4所示?？梢钥闯?，對于鼓式制動器，摩擦系數(shù)的微小改變能引起制動效能大幅變化，所以其制動穩(wěn)定性差，而且熱衰退比較大；而盤式制動器的制動效能沒有鼓式制動器大，但其制動穩(wěn)定性好，且響應(yīng)時間短。所以如果制動系統(tǒng)為盤式制動器，防抱死系統(tǒng)能夠控制“滑移率λ”的門限值更小，制動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)，而且制動過程中熱衰退比較小，能有效地減少制動器持續(xù)起作用的時間［11］。

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時的效能與方向穩(wěn)定性。

［1］饒峻，黃虎.氣壓制動系統(tǒng)制動壓力調(diào)節(jié)方法的研究［J］.上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2005，（3）

［2］ECE R13，關(guān)于就制動方面批準M類、N類和O類車輛的統(tǒng)一規(guī)定［S］.

［3］GB/T 13594-2003，機動車和掛車防抱死制動性能和試驗方法［S］.北京：中國標準出版社，2003.

［4］謝建蔚，陶國良，周洪.客車ABS氣壓電磁閥動態(tài)性能檢測系統(tǒng)的設(shè)計［J］.機床與液壓，2004，（10）

［5］周應(yīng)兵，謝習(xí)斌.氣壓防抱系統(tǒng)建模的研究［J］.汽車科技，2000，（1）

［6］鄭智忠，王會義，祁雪樂，等.氣壓ABS壓力調(diào)節(jié)單元的建模與分析［J］.機床與液壓，2005，（8）

［7］余志生.汽車理論［M］.5版.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［8］羅文發(fā).氣壓防抱死制動系統(tǒng)電磁閥的性能評價方法［J］.汽車電器，2008，（6）

［9］羅文發(fā).商用車氣壓防抱死制動系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用［J］.重型汽車，2009，（2）

［10］蔣強，羅宏，林樺，等.氣壓防抱死制動系統(tǒng)調(diào)節(jié)器動態(tài)特性試驗研究［J］.自動化儀表，2011，（9）

［11］童成前，何仁，趙玲，等.車制動器與整車匹配設(shè)計方法研究［J］.公路與汽運，2010，（6）

修改稿日期：2015-03-18

Influence of Design Match on Pneumatic ABS for Commercial Vehicle on Brake Performances

Li Chun1，2，Hao Yongm ing3，Li Ling4
（1.School ofMechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；2.Higer Bus Company Limited，Suzhou 215026，China；3.Knorr-Bremse Brake Equipment（Shanghai）Co.，Ltd，Shanghai 201201，China；4.Knorr-Bremse Systems for Rail Vehicles（Suzhou）Co.，Ltd，Suzhou 215151，China）

With the raise of regulations to brake requirements，the pneumatic ABSis widelyused on commercial vehicles more and more.It is especially important to reasonably match ABS and fully develop ABS performances.The authors mainly analyse the influence ofABS type selection and technique match on brake system performances.

commercial vehicle；pneumatic ABS；brake performance；design match

U463.52+6

B

1006-3331（2015）03-0046-03

李春（1978-），男，工程師；研究方向：客車底盤及新能源系統(tǒng)仿真。