商用車排氣輔助制動性能轉鼓測試與評價方法?

王 恒，邵 彥，汪旭明，韓 鵬，張小龍

(1.安徽農業大學工學院，合肥 230036； 2.安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，合肥 230601)

前言

一般傳統商用車都配備輔助制動系統，其主要目的是對汽車進行持續制動，使汽車速度降低或保持穩定，按照緩速作用的方法可分為發動機緩速、牽引電動機緩速、液力緩速、電磁緩速和空氣動力緩速等[1-2]。當前主要集中在電磁和液力緩速器技術的研究，如以提高液力緩速器制動力矩為目的的結構設計及其優化[3-5]、緩速器性能參數仿真試驗研究[6-9]和以電渦流緩速器為對象的結構參數優化設計與磁場分析[10-11]等。近年來，國內在發動機緩速研究方面也取得很多進展，如下長坡行駛溫升模型研究[12]，對發動機緩速試驗與評價方法研究[13-14]、控制方法研究[15]、碟型結構設計研究[16]、性能仿真研究[17-18]等。在各種輔助制動系統中，排氣輔助制動(下簡稱排輔制動)系統是一種性價比高的緩速裝置。隨著對商用車緩速效果要求的提高，需要對排輔制動系統進行試驗研究，并為系統匹配和優化提供數據支持。

目前，我國法規明確規定了M3類和N3類車輛輔助制動性能檢測方法[19]，將其細分為坡道試驗和減速度測定試驗。其中坡道試驗要求道路坡度恒定、長度不短于6km，需要建造專項試驗場地，試驗成本高；減速度測定試驗需在法規規定的路面上進行。上述兩種試驗均要求無風或微風天氣，且在道路試驗中很難實時獲取輪邊力信息，因而未能深入定量評價排輔制動系統的性能和整車設計的合理性。

轉鼓試驗臺具有試驗過程加載可控、輪邊力可測試等優點[20]。本文中探索基于轉鼓試驗臺進行商用車排輔制動性能測試和基于輪邊力等信息的評價方法研究，分析測試原理、構建測試系統并進行試驗研究，以期為測試和評價排輔制動系統性能提供一種新的有效手段。

1 測試原理

1.1 道路測試整車力學模型

排輔制動系統采用打開排氣節流閥阻塞排氣通道的方式產生制動力矩，并由傳動系統放大傳遞給驅動輪。以下長坡工況為例進行排輔制動系統道路整車力學分析，如圖1所示。其中前輪為從動輪，后輪為驅動輪。

假設后輪與地面間不打滑，排氣節流閥開啟時，由受力平衡得

式中：Fhx為整車滑行阻力，N；m為整車質量，kg；a為加速度，m·s-2；Ff2為后輪滾動阻力，N；Ff1為前輪滾動阻力，N；Fw為整車空氣阻力，N；Fc為整車傳動系阻力，N；α為坡度角，rad；G為整車重力，N；Fe為輔助制動系統產生作用于驅動輪輔助制動力，N，當排輔制動系統關閉時Fe＝0(下同)。

圖1 道路輔助制動整車力學模型

由式(1)可知，當Fe＝Gsinα-Fhx時，車輛勻速下坡。

1.2 轉鼓測試整車力學模型

汽車在轉鼓試驗臺上下長坡輔助制動行駛時整車力學分析如圖2所示。圖中F11和F12是將試驗車固定在轉鼓上的前后拉繩拉力，是一對平衡力，在下文分析中不予考慮。轉鼓通過沿滾動方向給驅動輪施加切向力FD模擬下坡行駛，假設鼓面與車輪間不打滑，排氣節流閥開啟時，由受力平衡得

式中FD為轉鼓對驅動輪的切向力，N。

圖2 轉鼓輔助制動車輛力學模型

當轉鼓對車輪的輪邊驅動力FD＝Fe時，車速穩定。

1.3 兩種模型聯系

由圖1和圖2受力及對比分析可知，裝配排輔制動系統汽車的驅動輪(后輪)在道路上輔助制動和在轉鼓上輔助制動兩種情況下的受力相同。但在道路上輔助制動時整車有相對地面運動，受到空氣阻力，并存在非驅動輪滾動阻力；而在轉鼓輔助制動時，非驅動車輪不轉動，另外，輪胎在道路上與路面的接觸狀態和在轉鼓上與鼓面的接觸狀態不同。因此，轉鼓試驗時須額外自動加載阻力以補償整車空氣阻力非驅動輪的滾動阻力等。

一般情況下，良好水平路面上無風或微風時的整車道路滑行試驗可得到整車滑行阻力Fhx，由空氣阻力和整車滾動阻力組成，并可簡化為車速的多項式[21]，即

式中：ua為車速，km/h；F0，F1，F2分別為滑行阻力多項系數，由道路試驗數據擬合得到。

轉鼓模擬水平路面試驗時加載的輪邊力可由式(3)確定的整車滑行阻力減去驅動輪滾動阻力得到。

車輛在不同速度下恒速拖動轉鼓旋轉可得到驅動輪的滾動阻力Ff2，同樣可以擬合得到

式中F′0，F′1，F′2分別為驅動輪滾動阻力多項式系數。

因此可得轉鼓加載輪邊力為

式中F″0，F″1，F″2分別為轉鼓加載力的多項式系數，顯然，它們即為式(3)與式(4)對應系數之差。

由此可見，在明確轉鼓加載系數的情況下，可在轉鼓上開展排輔制動試驗。

2 測試系統

綜合考慮測試系統功能和可靠性要求，構建排輔制動性能測試系統，如圖3所示，主要傳感器設備或信息技術指標如表1所示。

圖3 測試系統架構

表1 主要傳感設備性能指標

測試系統由傳感器組、數據采集器和便攜式計算機等組成。其中氣體壓力傳感器和溫度傳感器提供排氣背壓和電磁閥溫度信息。轉鼓試驗臺提供輪鼓輪邊力和轉鼓車速信息。數據采集器實現對上述信息的實時同步采集，并通過網線上傳至便攜式計算機進行實時處理、顯示和報告生成。

2.1 主要傳感器選型

轉鼓試驗臺由其控制臺控制，可輸出輪邊力、速度和減速度等物理量供第三方數據采集器采集。本文試驗中確定轉鼓驅動模式為道路模式，試驗中加載適當的力模擬車輛在道路上行駛。

氣體壓力傳感器用于測量排輔制動系統的排氣背壓，溫度傳感器用于測量電磁閥工作溫度。氣體壓力傳感器固定安裝于電磁閥與發動機之間排氣管并靠近電磁閥，同時保證密封性良好。溫度傳感器固定粘貼于電磁閥平整的表面上。經過調研論證，最終選擇了美國GE公司PTX 610氣體壓力傳感器和K型熱電偶溫度傳感器。這兩種傳感器體積小巧，安裝方便，精度滿足測試要求。

2.2 數據采集器

數據采集器是整個測試系統的核心，系統為車載測試設備，對可靠性和實時性有較高要求。最終選用美國NI公司的cRIO 9082作為數據采集器控制器，基于LabVIEW可重新配置I/O架構，工業級可靠性，封裝堅固耐用，運行實時系統。選型C模塊NI 9229，NI 9411和 NI 9214，插入控制器機箱中，實現對氣體壓力傳感器信號、轉鼓模擬與數字信號和溫度傳感器信號的采集。該系統為虛擬儀器，將來可根據應用需要進行功能擴展。

2.3 軟件架構

測試軟件在美國NI LabVIEW的基礎上自行開發，包括運行在數據采集器中的FPGA軟件、實時RT軟件和運行在上位機中的數據采集與分析軟件[21]。

軟件利用多線程、隊列和狀態機等技術，保證數據采集、處理、通信和人機交互等工作獨立并行執行，程序實時性和可靠性高。

3 測試與評價方法

3.1 測試方法

設置轉鼓試驗臺為道路或恒速模式，通過瞬態工況、穩定工況和下長坡工況綜合測試排輔制動系統性能，具體方法如下。

瞬態工況：轉鼓按式(5)加載輪邊力，測試車輛驅動轉鼓旋轉，根據國標確定試驗擋位，并在該擋位下進行加速，當車速達到該擋位最大車速時，開啟排輔制動系統并立即松開加速踏板。記錄試驗過程中排氣背壓值和轉鼓試驗臺的車速值，從中提取排氣背壓最大時的車速ua1、排氣背壓降低到設定值時的車速ua2和所歷經的時間Δt1。接著關閉排輔制動，按同樣條件進行試驗，但提取車速由ua1下降到ua2時的歷經時間Δt2。

穩態工況：設置轉鼓為恒速模式，駕駛員將變速器掛入規定擋位，設定由若干目標車速組成的目標車速組，轉鼓按照目標車速依次驅動測試車輛，在每個目標車速穩定一定時間，排輔制動開啟和關閉各做至少一組，記錄排氣背壓、轉鼓車速和輪邊力。

下長坡工況：轉鼓按式(5)加載輪邊力并設置坡度，駕駛員將變速器掛入瞬態工況確定的擋位進行加速，當車速達到該擋位最大車速時開啟排輔制動系統并立即松開加速踏板，記錄電磁閥溫度和排氣背壓。當車速上升至設定值或發動機轉速超過額定轉速nr，或行駛里程達到設定值時，測試結束。

3.2 評價方法

通過瞬態工況測定排輔制動系統產生的減速度及其貢獻值，對排輔制動系統緩速效果進行評價。排輔制動系統開啟和關閉時產生的加速度a1和a2分別為

式中：ua1為排輔制動系統開啟、排氣背壓達最大值時的車速，km/h；ua2為排輔制動系統開啟，排氣背壓降低到設定值時的車速，km/h；Δt1和Δt2分別為排輔制動開啟和關閉時車速從ua1下降到ua2所用的時間，s。

排輔制動系統的貢獻度為

排輔制動系統制動能力的評價指標為穩態工況下的排輔制動功率Pb，kW：

式中：Fa和Fb分別為排輔制動系統開啟和關閉時的輪邊力，N；ua為目標車速。

通過下長坡工況測定汽車以穩定車速所行駛的里程，對排輔制動系統穩定性進行評價，穩定制動距離越長越好。

綜上所述，從排輔制動系統對緩速效果的貢獻度、制動功率的大小和下長坡穩定行駛里程3個指標能全面評價排輔制動系統的性能。

4 實車試驗與結果分析

4.1 試驗概述

基于某商用車在江淮汽車技術中心商用車性能轉鼓上進行實車排輔制動系統性能測試試驗。轉鼓鼓面附著狀況和載荷滿足法規要求。試驗樣車安裝了兩個氣體壓力傳感器，并相隔30cm，試驗設備安裝如圖4所示，試驗方法如3.1節所述。試驗前，確定試驗擋位，瞬態和下長坡工況為2擋，穩態工況為4擋。通過道路滑行試驗和驅動輪滾動阻力臺架試驗計算得到轉鼓加載系數，如表2所示，具體方法參考式(3)～式(5)。試驗時，測得試驗樣車空載時車輪滾動半徑為535.8mm，整車裝備質量為6 500kg，排氣背壓額定值為400kPa，設定轉鼓車速與風機風速相等。瞬態工況排氣背壓設定為10kPa。穩態工況穩定時間和測試時間分別為10和60s；下長坡工況加載-6%坡度，排輔開啟后穩定行駛里程超過6km，測試結束。

圖4 試驗設備安裝圖

表2 轉鼓加載系數

在轉鼓上，受到轉鼓承受垂直載荷的限制，輔助制動試驗時車輛為空載，而道路輔助制動試驗為滿載，轉鼓與道路試驗車輪滾動半徑不同，對瞬態工況試驗結果可能造成影響。為此，設計了空、滿載時輔助道路試驗，并進行對比分析。

4.2 試驗數據分析與評價

圖5(a)～圖5(c)分別為排輔制動系統開啟/關閉時試驗車的速度、加速度和排氣背壓曲線圖。從圖中可以看出，速度、加速度和排氣背壓呈周期性變化，數據重復性好。試驗車初速度相同的情況下，與排輔制動系統關閉時相比，排輔制動系統啟用后，減速時間較短，最大減速度約0.2m/s2，表明排輔制動起到了緩速作用，效果明顯。排輔制動系統開啟時的最大排氣背壓值約為 200kPa，小于額定值400kPa，表明瞬態排輔制動過程穩定可靠。同時，按式(6)和式(7)，算得排輔制動系統開啟、關閉時的減速度及其貢獻度分別為0.604m/s2，0.38m/s2和58.9%。其中排輔制動系統開啟時的減速度0.604m/s2大于國標規定的減速度0.5m/s2，表明試驗車所裝配的排輔制動系統滿足法規要求。

圖5(d)為穩態工況目標車速組，含有7個車速值，折算為發動機轉速，其最低轉速1 200r/min略高于怠速轉速，而最高轉速3 000r/min略低于額定轉速。目標車速間隔適中，覆蓋了發動機正常工作范圍，同時考慮了升降序對排輔制動功率的影響。圖5(e)為穩態工況輪邊力的時間歷程曲線，圖5(f)為圖5(e)局部放大圖。圖5(e)中的毛刺是因切換車速時，轉鼓不斷調整輪邊力引起的，說明測試時每個車速點都要穩定一段時間。從圖5(e)和圖5(f)中可以看出，同一轉速下，排輔制動系統開啟時的輪邊力比關閉時的大，且輪邊力隨著轉速的升高而增大。圖5(g)為穩態工況排氣背壓的時間歷程曲線，最大排氣背壓值不到200kPa，小于額定值400kPa，表明穩態排輔制動過程穩定可靠。圖5(h)為按式(8)算得的排輔制動功率，從圖可以看出：制動功率隨著轉速的升高而增大；轉速相同時，升序和降序得到的制動功率大小相近，說明升降序對排輔制動功率沒有影響。

圖5(i)、圖5(j)和圖5(k)分別為下長坡工況車速、輪邊力和排氣背壓的時間歷程曲線。圖5(k)中的波峰處是排輔制動系統開啟時刻，排氣背壓迅速上升至200kPa后快速下降，之后一直穩定在130kPa左右。車速和輪邊力變化規律與排氣背壓相似。最大車速超過了 30km/h，穩定車速為11km/h，穩定行駛里程6.04km超過了國標規定的5km。圖5(l)為下長坡工況電磁閥溫度的時間歷程曲線。該工況試驗時間超過1h，電磁閥溫度最高約43℃，整個過程溫度適中。

圖5(c)、圖5(g)和圖5(k)是不同工況下排氣背壓曲線。從這3張圖中可以看出，相隔30cm的兩個氣體壓力傳感器測量得到的排氣背壓值幾乎相同，表明氣體壓力傳感器安裝位置對試驗沒有影響。

圖5 試驗曲線

表3為空/滿載瞬態工況的減速時間。從表3中可以看出，空載和滿載滾動半徑差值4.2mm，對30～9.5km/h速度區間減速時間的影響為0.01%，可以認為輪胎的滾動半徑對瞬態工況減速度的影響甚微。

表3 空/滿載瞬態工況的減速時間

5 結論

(1)提出了一種基于轉鼓試驗臺的商用車排輔制動系統性能測試和評價新方法，分析了測試原理，構建了虛擬測試系統，試驗驗證了該方法的可行性。有效拓展了轉鼓試驗臺的測試功能。

(2)本文中設計的基于轉鼓試驗臺的商用車排輔制動系統性能測試系統為排輔制動系統結構優化設計提供了有效手段。該測試系統基于虛擬儀器設計，擴展性和可靠性高，可拓展應用到其他類似的車載測試領域。

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