便攜式掛車沖擊制動系統檢測裝置設計

王治國，柏勁松，李 順，李寶玉，侯步逸，杜林江，李亞英，韓海龍，顧 亮

(1.北京北方車輛集團有限公司，北京 100072；2.中國人民解放軍31620部隊，安徽 六安 237010；3.北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081；4.航天科工集團101研究所，北京 102488)

制動性能是汽車安全性的重要指標之一，車輛制動性能的好壞直接影響汽車速度性能的發揮，關系到乘員、車輛和行人的安全，是影響安全行車的重要因素，所以制動性能檢測屬于國家安全技術檢驗的強制性檢驗項目，且有多項標準對此提出要求，如GB 7258—2004《機動車運行安全技術條件》[1]中的7.13.1.1和7.14.1.2條分別對制動距離和制動力平衡做出了具體規定；GB 12676—1999《汽車制動系統結構、性能和試驗方法》[2]對各類汽車掛車的相關制動參數，如平均減速度、制動距離、駐車制動性能、自動制動系統性能和行車制動反應，進行了較為詳盡的規定。

1 制動系統檢測方法

GB 21861—2008《機動車安全技術檢驗項目和方法》中規定，制動性能檢測的方法分為路試法和臺試法，其中臺試制動性能檢驗法又可分為滾筒反力式制動試驗檢驗法和平板式制動試驗檢驗法[3-4]。

路試法主要是在道路上對汽車制動性能進行檢測，真實直接地反映車輛制動性能，但是此方法也有一定的局限性：易受氣候、道路等諸多條件的限制；路試法是以整車為研究對象，因此只能反映整車制動性能，各個車輪的制動力的分配及制動狀況卻無法檢測；檢測時需要在專業的試驗場進行，試驗結果往往存在人為誤差，檢測的精確度也受到制動踏板力、輪胎氣壓或路面潔凈程度等因素的影響；另外，無法保證檢測時操作人員踩下制動踏板的時間、速度和制動踏板力的大小等各項參數在每次測試中保持一致，因此檢測的重復性差[5]。

臺試法通常采用反力式滾筒式測試平臺和平板式汽車制動檢測平臺，主要在室內進行，測試條件穩定，測試手段較為安全且易實現。因此，汽車制動性能測試較多采用臺試法。

滾筒反力式制動檢測過程不受駕駛員操作狀況的影響，檢測工況穩定，檢測結果穩定可靠，多次檢測的重復性好。但是存在檢測狀態與汽車真實制動狀態不一致的問題，難以科學全面地評估汽車制動穩定性；無法檢測裝有防抱死系統(ABS)的汽車的制動性能。滾筒制動試驗臺是靜態檢測設備，無法反映出車輛軸荷的動態變化對制動力動態變化的影響。

平板制動試驗臺的原理和結構簡單，檢測條件與汽車在道路上的制動狀態接近，較滾筒反力式制動檢測更能充分反映汽車實際制動性能，還具有可設計成既能檢測制動力，也能檢測軸重、側滑、懸掛等項目的汽車綜合性能檢測臺的優點。但缺點也顯而易見：相對于滾筒式制動試驗臺，平板制動試驗臺占用空間大；平板式制動試驗臺對軸距變化大、多軸車的汽車檢測不方便，甚至無法檢測；類似于路試法，由于操作過程無法保證每次制動相關參數相同，因此測試重復性方面不夠理想[6]。

本文介紹一種制動力矩檢測法，作為當前制動性能測試方法的一種補充，由一種便攜式制動系統檢測裝置直接檢測車輪的制動力矩，測試結果作為判斷制動性能的依據。與傳統汽車列車制動檢測的路試法和臺式法相比，制動力矩檢測法易于操作，可靠性高，并可在野外環境下進行操作，對于無法在專業測試場地或室內進行測試的情況提供了極大的便利。

2 沖擊制動系統工作原理及存在的問題

半掛式汽車列車制動系統采用氣動式、液壓式和沖擊式3種制動形式。液壓動力制動系統結構復雜，精密零件多，對系統的密封性要求較高，維修養護周期短，成本高；氣動制動系統相對密封要求低，操作輕便，工作可靠，維修保養簡單便利[7]。但是二者都需由外界提供能源驅動系統工作；沖擊制動系統工作原理簡單，無須外界提供動力源，可靠性高，維修成本及維修效率較前兩者具有明顯優勢，因此在掛車中得到廣泛的運用。

2.1 沖擊制動系統工作原理

掛車沖擊制動系統主要由牽引環壓縮機構、鋼絲拉線、制動拉線、制動器組成。當牽引車處于制動工況時，掛車在慣性力的作用下沖擊并壓縮牽引環，使牽引環內部壓縮機構壓縮，從而帶動制動拉線使制動器工作，完成剎車動作。

2.2 沖擊制動系統存在的問題

由于掛車的沖擊制動系統與氣動式、液壓式制動系統相比，系統部件簡單，不具有復雜的電控單元檢測并控制制動參數，因此制動更容易出現問題，主要存在如下3種問題：1)左右輪的制動力矩不平衡，導致制動跑偏，掛車制動時的穩定性變差；2)制動過度靈敏，這樣會讓掛車常常處于制動狀態，制動器很容易發熱使制動性能迅速衰退，降低了制動器的使用壽命；3)制動不靈敏或制動失效，這樣會導致汽車制動距離過大，影響使用安全。

制造誤差及行駛磨損都可能造成制動參數偏離原設計參數從而引發上述問題，掛車沖擊制動系統檢測裝置的使用可以保證掛車制動性能。

3 系統結構方案設計

3.1 系統方案設計

根據掛車沖擊制動系統工作原理，制定出掛車沖擊制動系統檢測裝置設計方案：通過壓縮牽引環模擬撞擊制動，檢測過程中將車身抬起，通過力矩檢測單元檢測車輪在夾緊器作用下轉動時的力矩作為最大制動力矩，并與原設計參數對比，衡量掛車沖擊制動系統制動效果。

根據上述設計方案，所制試驗樣機(見圖1)由牽引環加力單元和力矩檢測單元組成。牽引環加力單元主體為液壓壓力器，并配備壓力表和行程指示刻度表，可以為壓縮牽引環提供動力，指示壓力和位移；力矩檢測單元由加緊器、加力桿和力矩傳感器組成，通過扭矩傳感器、扭矩測試儀測量車輪制動扭矩。

a) 牽引環加載單元

b) 力矩檢測單元

3.2 系統各參數確定

3.2.1 牽引環加力單元參數的確定

1)液壓壓力器最大推力。

測試用掛車為3.1 t掛車標準底盤，計算時設定掛車為滿載3 100 kg，根據GJB 1454及GB 7258要求，掛車制動試驗時列車車速為V0=30 km/h=8.33 m/s，制動距離為S=10 m，則制動時間：

式中，Vt是列車制動停止速度。

平均制動力(掛車無制動時)：

ft=Mv

沖擊制動掛車制動力應小于平均制動力，因此確定液壓壓力器最大推力為10 760 N，設定為12 000 N。

3)液壓壓力器行程應大于牽引環最大壓縮量82 mm、初始位移10 mm和安裝余量30 mm，最終確定為125 mm。

3.2.2 力矩檢測單元

根據掛車沖擊制動系統原設計參數，力矩檢測單元選定測試范圍為0～2 000 N·m。沖擊制動系統檢測裝置各參數見表1。

表1 試驗樣機設計值

4 掛車制動力矩檢測試驗

制動力矩測試試驗對象為1臺新出廠的某型號掛車，測試過程及步驟如下。

1)牽引環加力單元安裝到位，加載壓力并讀取壓力表數值，圖2、圖3中依次由下及上分別為0.6、0.65、0.7、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8和2.0 MPa。此時牽引環壓縮行程分別為38、40、42、44、45、46、46.5、47、47.2和47.5 mm。

2)對左、右輪進行制動力矩檢測，盡量使施加的力的方向與加力桿保持垂直，同一加載壓力下測試重復6次。

3)讀取測試結果(見圖2和圖3)。

圖2 左輪制動力矩

圖3 右輪制動力矩

從圖2和圖3可以得出如下結論。

1)壓力恒定時，重復測試力矩數值穩定，平均誤差約為1.3%，最大誤差為3%。

2)從多次道路試驗驗證：左右車輪力矩差不超過10%時，制動效果較理想。左右輪制動力矩相差最大不超過6%，說明該車不會出現左右輪的制動力矩不平衡，實際道路測試也未發現該掛車存在制動跑偏的現象，證明了掛車沖擊制動系統檢測裝置的有效性。

3)該檢測裝置只需在不同壓力下測試幾次便可得到較為精確的制動力矩數值。相比掛車沖擊制動檢測試驗平臺[8]，該檢測裝置檢測操作簡單，檢測效率高，并能得到精確的制動力矩與液壓壓力器壓力關系曲線(見圖4和圖5)，以便于與原設計參數進行對比。

圖4 左輪制動力矩-液壓壓力器壓力關系圖

圖5 右輪制動力矩-液壓壓力器壓力關系圖

5 結語

通過分析掛車沖擊制動系統的工作原理，模擬制動過程所設計制造的沖擊制動系統檢測裝置，在隨后的掛車制動力矩試驗證明了其可行性以及有效性。經過3輪樣機的不斷改進，該裝置各力學參數在較小范圍內便能反映掛車的制動效果，單臺裝置也從最初的總質量(含包裝箱)56 kg，包裝箱外形尺寸680 mm×420 mm×580 mm，只能適應一種掛車，到總質量(含包裝箱)25 kg，包裝箱外形尺寸620 mm×380 mm×280 mm，不僅易于攜帶，且能適應目前使用的所有沖擊制動系統的掛車。