发动机辅助制动（精选八篇）
发动机辅助制动 篇1
发动机辅助制动是重型汽车或客车上普遍采用的一种辅助制动技术, 它可以避免车辆在下长坡时频繁使用制动器而造成制动器过热与磨损甚至失效。发动机辅助制动主要有发动机制动、排气制动、泄漏制动、减压制动等方式[1,2,3,4]。
目前, 国外对发动机辅助制动的研究已经比较完善, 产品已经系列化, 但出于对自身技术和潜在市场的保护, 他们很少公开辅助制动的先进技术, 而国内对辅助制动技术的研究和应用还处于起步阶段, 对于发动机制动能力的利用大多还停留在发动机排气制动的应用水平[5,6,7,8]。
国内外对发动机辅助制动进行仿真主要是通过数学软件对发动机辅助制动的模型编写程序进行模拟计算, 多以单因素条件下的仿真分析为主, 本文同时考虑了发动机转速、排气门开度和排气背压下的发动机制动性能, 并使用一种新的发动机性能仿真软件对发动机辅助制动工作过程进行仿真分析, 利用台架试验数据验证了模型的准确性, 为发动机辅助制动技术的研究及应用提供了参考依据。
1 发动机辅助制动工作过程分析
发动机制动即是发动机倒拖, 它是利用发动机断油后汽车行驶的惯性力倒拖发动机, 这时发动机消耗的主要是发动机本身的机械摩擦损失, 以及驱动发动机的附属机构 ( 如喷油泵、电动机等) 的功率损失。随着发动机技术的不断进步, 机械摩擦损失越来越少, 发动机制动力矩也越来越小。发动机排气制动是在发动机排气管上安装一个蝶形阀门, 排气制动时蝶形阀门关闭, 排气背压对活塞施加反作用力, 从而提高发动机的制动功率。泄漏制动工作原理示意图见图1, 发动机在进气、压缩和膨胀冲程中排气门始终保持一定的开度, 缸内工质从排气门向外排出, 以减少缸内工质对活塞做功, 从而提高发动机的制动能力。发动机减压制动工作原理示意图见图2, 通过辅助机构在压缩上止点附近开启排气门, 排出缸内大部分工质以减少缸内工质在膨胀冲程中对活塞做功, 从而提高发动机制动性能。
2 发动机辅助制动数学模型
发动机制动时, 气缸内不喷射燃油, 不继续燃烧, 气缸内的工质成分在制动过程中基本保持不变。取发动机气缸为开放的热力系统, 通过气门及气缸周壁与外界进行物质和能量的交换, 建立发动机辅助制动工作过程的数学模型。当发动机使用辅助制动时, 根据热力学第一定律, 满足如下基本方程:
式中, U为缸内气体内能; W为系统所做的轴功; Qi为通过系统边界 ( 活塞顶面、气缸壁面等) 交换的能量; h为比焓; m为气体质量; hjdmj为带入 ( 或带出) 系统的能量; φ为发动机曲轴转角; p为缸内工质的压力; V为气缸内的容积; R为气体常数; T为缸内工质的温度; mE为流入系统的质量; mA为流出系统的质量; mS为通过活塞环间隙流出气缸的质量; i = 1表示气缸盖; i = 2表示活塞; i = 3表示气缸套。
对于发动机制动和排气制动工作过程, 能量守恒可具体表示如下:
( 1) 压缩和膨胀冲程
( 2) 进气冲程
( 3) 排气冲程
( 4) 气门叠开过程
式中, cV为工质质量定容热容; hE为进气门前的比焓; hS为活塞环间隙处工质的比焓; u为气缸内的比内能。
质量守恒方程同式 ( 2) , 理想气体状态方程同式 ( 3) 。
对于发动机泄漏制动工作过程, 能量守恒可具体表示为: 进气冲程和气门叠开过程方程同式 ( 7) , 压缩膨胀冲程和排气冲程方程同式 ( 6) , 质量守恒方程同式 ( 2) , 理想气体状态方程同式 ( 3) 。
对于发动机减压制动工作过程, 能量守恒可具体表示为: 压缩和膨胀冲程方程同式 ( 4) , 进气冲程方程同式 ( 5) , 排气冲程方程同式 ( 6) , 质量守恒方程同式 ( 2) , 理想气体状态方程同式 ( 3) 。
减压过程能量方程为
式中, mR为通过减压气门流出气缸的质量; hR为减压气门处工质的比焓。
外部约束方程如下:
气缸的瞬时容积为
气缸容积随曲轴转角变化率为
式中, Vh为气缸工作容积; ε 为压缩比; λ 为曲柄连杆比。
单位曲轴转角换热量为
式中, ω为发动机角速度, ω = 6n; n为转速; αg为瞬时的平均换热系数; A为换热面积; TW为气缸壁面的平均温度。
发动机辅助制动时的制动扭矩为
式中, PN为发动机制动功率。
3 发动机辅助制动性能仿真分析
3. 1 发动机辅助制动性能仿真流程
仿真计算模拟流程如图3 所示。对发动机辅助制动工作过程进行仿真分析, 首先建立发动机辅助制动模型, 然后设置模型参数, 包括排气背压、发动机转速和排气门开度等, 并运行计算, 最后对仿真结果进行分析, 并将仿真结果与试验数据进行对比, 得出结论。
3. 2 发动机辅助制动性能仿真分析
图4 ~ 图7 分别是发动机制动、排气制动、泄漏制动、减压制动时发动机缸内的p-φ 图, 从图上可以看出, 气缸压力p都随着发动机转速的增大而增大, 并且转速越高, 缸内所能达到的压力峰值越靠近压缩上止点。
由图4 和图5 可以看出, 排气制动和发动机制动时气缸内压力值在进气冲程、压缩冲程和膨胀冲程基本相同, 只有在排气冲程气缸内压力是不同的。这是由于排气制动工作过程只是在发动机制动工作过程的基础上增加了排气背压, 由于排气背压增加, 当排气门刚开启时, 气缸内压力低于排气背压, 空气从排气管倒流进入气缸内, 缸内压力升高, 当缸内压力与排气背压相同后, 活塞继续上行, 缸内压力大于排气背压, 缸内工质经排气管排出。从图6b可以看出, 在泄漏制动不同排气门开度s下, 缸内压力值相差很大, 并且缸内压力的最大值位置也随着排气门开度的增大而逐渐远离压缩上止点, 排气门开度s越大, 缸内工质在压缩过程中的泄漏速度越大, 缸内所能达到的压力最大值越小。此外, 发动机转速越高, 单位曲轴转角所经过的时间越短, 溢出的空气量越少, 因此缸内压力最大值越大, 并且在排气过程中, 高转速下的空气节流较大, 所以高转速下的缸内压力高于低转速下的缸内压力。从图7 可以看出, 排气门在压缩上止点前开启后, 缸内压力有较大幅度降低。这是由于排气门开启后, 缸内空气迅速排出, 发动机转速越高, 单位时间内通过排气门排出的空气量越少, 因此转速越高, 缸内压力最大值越大, 并且压力峰值越靠近压缩上止点。排气门最大开度越大, 缸内压力所能达到的最大值越小, 这是由于排气门最大开度越大, 在压缩上止点附近通过排气门排出的空气量越多, 可以被压缩的空气量相应较少。
图8 ~ 图10 分别是发动机制动、排气制动、泄漏制动和减压制动时不同发动机转速下的制动扭矩图。可以看出, 当发动机使用辅助制动时, 随着转速的升高, 单位时间内发动机做功次数增加, 制动扭矩都随着发动机转速的升高而增大, 且发动机制动时制动扭矩最小, 这是因为此时发动机只采用倒拖时的机械损失来实现制动, 未使用任何增加制动扭矩的措施。
由图8 可以看出, 排气制动时的制动扭矩比发动机制动时的制动扭矩要大。这是由于在排气制动过程中, 排气蝶阀关闭, 在排气管内建立较高的压力, 从而增加了排气过程中活塞对工质的做功, 总制动功增加, 单位时间内的制动功增加, 即制动功率增大, 由式 ( 12) 可知, 制动扭矩增大。由图9可以看出, 在发动机低转速下, 制动扭矩随着排气门开度s的增大而减小, 而在高转速下, 制动净扭矩随着排气门开度增大而增大。这是由于排气门开度较大时, 缸内空气泄漏速度变大, 在压缩上止点前缸内压力就减小到接近于排气背压了, 所以压缩过程中功率消耗较少, 制动扭矩较小, 当排气门开度较小时, 缸内最大压力在压缩上止点附近, 压缩冲程功率消耗增加, 但膨胀冲程缸内空气对活塞做功也相应增加, 所以发动机在高转速时, 最大制动扭矩对应的排气门开度较大, 在低转速时, 最大制动扭矩对应的排气门开度较小。减压制动时, 排气门在压缩上止点前开启, 缸内大量工质通过排气门向外排出, 缸内压力迅速减小, 膨胀做功减小, 制动功和制动扭矩降低。由图10 可以看出, 不同的发动机转速都对应一个最佳的排气门开度s, 并且随着转速升高, 对应的最佳气门开度增大, 这是由于发动机转速越高, 单位时间内通过排气门流出的缸内空气越少, 增大排气门开度即增大了空气流通截面积, 增加了气体流量, 所以, 随着发动机转速的升高应适当增大排气门的最大开度。
增大发动机排气背压, 可以增大排气冲程中活塞上行的运动阻力, 增加活塞的功率损失, 从而增大制动扭矩。目前发动机普遍采用单一的辅助制动方式, 实际上, 为了得到更好的制动效果, 可以采用不同辅助制动方式相结合的方法。泄漏制动和排气制动联合工作, 不仅可以增大排气背压, 增大缸内压力, 在压缩和排气冲程, 增大活塞、曲轴承受的排气阻力, 进一步提高了发动机制动扭矩, 而且, 由于排气门始终处于开启状态, 工质可以在排气门两侧互相流动, 使排气门两侧压差维持在一定范围内, 从而避免了排气门二次开启的现象。辅助制动扭矩随排气背压的变化如图11所示。
3. 3 发动机辅助制动性能仿真模型试验验证
试验装置示意图见图12。通过压电式压力传感器将缸内压力等非电量信号转化为电量信号, 通过信号放大器将电量信号放大, 同时利用仪器采集曲轴上止点的脉冲信号, 将这些信号经A/D转换器将模拟信号转化为数字信号, 送入计算机进行数据处理及数据输出。试验发动机的主要参数如表1 所示。
图13 所示为发动机转速n=1600 r/min、排气门开度s=0. 6 mm时, 辅助制动时缸内压力试验值与仿真值对比, 从图中可以看出, 仿真值与试验值比较吻合, 缸内压力变化以及压力最大值的出现位置基本一致。图14 所示为n=1600 r/min、s=0. 6mm时, 制动扭矩试验值与仿真值对比, 通过试验对比可知其相对误差仅为3. 7%, 说明该辅助制动模型具有较高的精度和准确性, 从而为发动机辅助制动的研究应用提供了参考依据。
4 结论
建立发动机辅助制动计算模型, 根据辅助制动相关参数 ( 包括排气门开度、发动机转速以及排气背压等) , 对发动机辅助制动性能进行仿真研究, 分析结果表明:
( 1) 发动机使用辅助制动装置时, 随着发动机转速的升高, 缸内压力增大, 且压力峰值更靠近上止点; 制动扭矩随转速的升高而增大, 减压制动时制动扭矩最大, 发动机制动时制动扭矩最小。
( 2) 当发动机转速一定时, 泄漏制动和减压制动分别有一对应的最佳排气门开度值, 并且转速越高, 排气门开度最佳值越大; 排气背压越高, 制动扭矩越大。
( 3) 通过与试验结果进行比较, 表明模拟计算结果与试验值较为接近, 证明本文仿真计算方法合理, 计算结果可信。
参考文献
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发动机辅助制动 篇2
作用原理
104型分配阀的作用由充气缓解位、常用制动位、制动保压位、紧急制动位来实现。
（一）充气缓解位
制动管充气增压时，压力空气进入中间体后—路经滤尘器进人主阀，另—路经滤尘网进人紧急阀。1．主阀作用
制动管压力空气充入主活塞的上腔，主活塞上侧压力增大，主活塞在两侧压力差的作用下带动节制阀、滑阀下移，到达下方的极端位置，即为充气缓解位。
（1）工作风缸充气：制动管压力空气经滑阀座上的制动管充气孔、滑阀上的充气孔，向工作风缸充气，同时到达充气部充气活塞的下方，顶起充气活塞，通过充气活塞顶杆将充气阀“顶开”。（2）副风缸充气：制动管压力空气经“吹开”的充气止回阀、“顶开”的充气阀向副风缸充气。工作风缸的充气通过充气部间接地控制实现了副风缸的充气。当副风缸压力与工作风缸压力接近平衡时，在充气阀弹簧作用下，充气阀下移关闭，也就停止了向副风缸充气。增压阀套径向孔f 5与副风缸相通，作好了紧急增压作用的准备。（3）容积室排气：容积室压力空气经滑阀座容积室孔r2、滑阀缓解联络槽d1及滑阀座缓解孔d2排向大气d3，容积室压力下降到零。
（4）制动缸排气：容积室排气引起均衡活塞下方的压力下降。均衡活塞上下侧压力差推均衡活塞下移，使均衡活塞杆上端口脱离均衡阀，制动缸压力空气→均衡活塞杆轴向孔→径向孔d 5→均衡部排气口 d6 →大气，制动缸开始缓解，可见容积室缓解控制制动缸的缓解。
初充气时，上述缓解气路存在，但因各容器无压力空气，故排气口均无排气现象。由于104分配阀为二压力机构，所以只要制动管增压，主活塞均下移至充气缓解位，容积室压力空气就会排完，制动缸压力空气也随着排完。所以104分配阀只能一次缓解（直接缓解），而无阶段缓解。2．紧急阀作用
在安定弹簧和制动管压力空气共同作用下，紧急活塞被压到上方极限位，使活塞杆顶部密封圈与紧急阀上盖密贴，制动管压力空气只能经紧急活塞杆轴向孔缩孔Ⅲ、径向孔缩孔IV向紧急室充气。缩孔Ⅳ限制了向紧急室的充气速度，防止了紧急室的过充气。制动管的压力空气同时进入放风阀弹簧室，抵消安定弹簧室压力空气作用在放风阀上方的压力，则放风阀依靠放风阀弹簧作用与放风阀座密贴关闭。
（二）常用制动位
当制动管常用制动减压时，主活塞在两侧压力差作用下分阶段带动节制阀、滑阀上移，最后到达上极限位置，形成制动作用。在主活塞上移过程中，先后产生两阶段局减作用。第一段局减作用是制动管压力空气经滑阀、节制阀充入中间体内的局减室，第二段局减作用是制动管压力空气经滑阀、局减阀进入制动缸。
1．第—段局减作用
当制动管常用制动减压时，工作风缸的压力空气来不及向制动管逆流，当主活塞两侧形成—定的压力差后，能克服受压缩稳定弹簧的反力、自重以及节制阀的所受到的摩擦阻力上移，直至主活塞杆下肩与滑阀接触而止；因滑阀与滑阀座之间静摩擦阻力较大，滑阀未动，形成第—段局减作用（简称—段局减）。
第一段局减通路：
制动管压力空气→滑阀座制动管局减用孔l3→滑阀局减孔l6→节制阀局减联络槽l10→滑阀局减室孔l7→滑阀座局减阀孔jul→主阀安装面局减室孔ju→中间体内局减室Ju，再经主阀安装面上的缩堵I（Ф0.8）排向大气，使制动管产生了第一段局减作用。局减作用的可以提高制动波速。
同时节制阀关闭了滑阀上的充气限制孔，截断了工作风缸到制动管的逆流通路，露出了滑阀上的制动孔r1，为制动作用作好了准备。
2．第二段阶段局减作用以及制动作用
第一段局减作用使主活塞上下两侧迅速形成更大的压力差，此压力差能克服滑阀与滑阀座之间的摩擦阻力，推动主活塞带动节制阀、滑阀上移到上极限位，即制动位。第一段局减通路被滑阀切断，一段局减作用结束，第二段局减作用与制动作用同时产生。主活塞带动节制阀、滑阀上移到制动位后，沟通如下通路：
（1）第二段局减通路：
制动管压力空气→局减阀→制动缸，形成了制动管的第二段局减作用。由于制动作用也同时产生，该局减作用将制动管的压力空气（与副风缸压力空气一起）送人制动缸。制动缸压力获得初跃升，第二阶段局减作用与第一段局减作用一起提高了制动波速，有效地减轻了列车制动时的纵向冲动。当制缸压力达50~70 kPa时，局减活塞压缩局减阀弹簧，关闭局减阀套上径向孔z2，第二阶段局减压作结束。
（2）容积室充气：工作风缸压力空气→增压阀下部→容积室，使容积室增压。
（3）制动缸充气：容积室增压后，其空气压力推动均衡活塞上移，顶开均衡阀，副风缸压力空气→均衡阀口→制动缸，制动缸压力增大，本车制动力增大。
3．紧急阀作用 制动管施行常用制动减压时，紧急室压力空气经紧急活塞杆上端口、轴向缩孔Ⅲ向制动管逆流，紧急活塞处于“悬浮”状态，即紧急活塞杆上端脱离上阀盖，紧急活塞杆下端不接触放风阀，以保证常用制动的安定性。
（三）制动保压位
当制动管停止减压而保压时，主活塞上侧的制动管压力保压，由于作用部仍处于制动位，工作风缸继续向容积室充气，容积室压力上升，制动缸压力也随容积室压力上升而上升。工作风缸压力继续下降，即主活塞下侧工作风缸空气压力继续下降。当主活塞上下两侧空气压力接近平衡时，在主活塞及节制阀的自重及稳定弹簧伸张力作用下，主活塞带动节制阀下移，滑阀不动，主活塞杆上肩部与滑阀上端面接触而停止，形成了作用部的制动保压位。
1．容积室的保压作用：节制阀遮住滑阀背面的制动孔r1 ,切断工作风缸向容积室充气的通路，工作风缸停止了减压，容积室停止了增压，形成了容积室的保压作用。
2．制动缸的保压作用：容积室保压后，均衡活塞下侧也形成保压。副风缸经均衡阀口继续向制动缸充气，当制动缸压力上升到与均衡活塞下侧的容积室压力大致相等时，在均衡阀弹簧的弹力作用下，作用阀推作用活塞杆下移与作用阀座密贴，关闭了副风缸向制动缸充气的通路。形成制动缸保压状态。
3．自动补风作用: 当制动缸因漏泄等原因压力下降时，均衡活塞上侧的压力下降，均衡活塞两侧作用力失
去保压位的平衡，均衡活塞下侧的容积室压力推均衡活塞上移，重新顶开均衡阀使副风缸向制动缸充气。当制动缸压力恢复到与容积室压力的重新平衡，均衡阀再—次关闭，实现了制动力不衰减的性能。
在制动管减压量小于最大有效减压量时，制动保压后，操纵制动管减压，主活塞两侧形成压力差带动节制
阀克服稳定弹簧反力上移，又恢复了工作风缸向容积室充气，容积室增压导致制动缸增压。司机分阶段操纵制 动管减压、保压，则作用部控制容积室分阶段增压、保压，再通过均衡部控制动缸分阶段增压、保压的过程，称为阶段制动。
（四）紧急制动位 1．主阀作用
制动管紧急减压，除紧急增压阀作用外，主阀的作用与常用制动相似。当然，由于紧急时制动管减压速度极快，相应主阀各部动作也更加迅速。
发动机制动技术运用分析 篇3
汽车减速以至停车的过程称为制动,制动性能是汽车的主要性能之一,直接关系到人民生命和财产的安全,随着我国道路运输物流业的快速发展,汽车的车速和装载能力大幅度提升,机械摩擦式车轮制动器已不能满足车辆的制动要求,尤其在山区行驶的汽车因频繁使用车轮制动器,使制动摩擦片磨损加剧、制动器温度过高(常在300℃以上,甚至高达600～700℃),引起制动功能严重失效,各种交通事故频繁发生。“发动机制动”是一种功能独特、性能优良的汽车辅助制动装置,有效地运用发动机制动技术能够减轻车轮制动器的工作负荷、降低工作温度、延长使用寿命,提高综合制动效果,保证行驶安全[1]。
1、发动机制动工作原理
正常行驶的汽车需要减速或停车时,放松加速踏板,在发动机到驱动轮的动力传递路线没有切断的前提下(离合器接合、变速器处于某挡位),汽车的行驶惯性力将通过驱动轮和传动系统带动发动机曲轴继续旋转。此时,汽车在行驶惯性力作用下对发动机“反拖”输入的动能大部分耗损在发动机的进气、压缩和排气过程,小部分消耗于对水泵、油泵、空气压缩机和发电机等附件的驱动。发动机及上述各附件所产生的阻碍曲轴旋转的阻力矩,即是对驱动轮产生的制动力矩[2]。它将通过传动系统放大后传给驱动轮,迫使汽车减速。档位越低对驱动轮产生的制动力矩越大,减速效果越明显。上述过程通常称为发动机制动。
2、发动机辅助制动装置工作分析
为了提高汽车的综合制动效果,在商用汽车尤其是经常在山区行驶的大型货车上装备了辅助制动装置。许多国家的交通法规已将辅助制动装置作为商用汽车的必备系统。如德国的交通法规明文规定:总质量在5.5吨以上的客车和9吨以上的载重汽车,必须安装辅助制动装置。我国国家标准GB7258-2012《机动车安全运行技术条件》规定:“车长大于9m的客车(对专用校车为车长大于8m)、总质量大于等于12000kg的货车和专项作业车、所有危险货物运输车,应装备缓速器或其他辅助制动装置”。缓速器可分为发动机缓速器、牵引电动机缓速器、空气动力缓速器、电涡流缓速器等等。本文只介绍发动机缓速器[3]。
2.1 发动机缓速器
在发动机制动起作用时,作为车辆动力源的发动机变成了消耗汽车动能而对汽车运动起缓速作用的空气压缩机。被反拖的发动机仍然按照进气、压缩、做功和排气四个行程工作,为了提高发动机制动的工作效果,在压缩终了时缓速器强迫排气门打开,改变排气门的配气相位,将压缩后的高压气体排出,从而减少在做功行程对活塞所做的功,这样将产生能量的柴油发动机变成了吸收能量的空气压缩机,如图1所示。
在康明斯ISM11系列,东风dCi11系列,玉柴YC6K12、锡柴CA6DN系列等发动机上使用的皆可博(Jake Brake)发动机缓速器如图2所示。由本体、电磁阀、控制阀、调节螺钉、从动活塞和主动活塞等主要零部件组成。
控制阀之前的油路称为低压回路,控制阀到主动活塞之间的油路为高压回路。当驾驶员松开加速踏板且离合器处于接合状态时,电控阀通电开启,发动机机油经开启的电控阀流入控制阀,压迫控制阀的球形单向阀上移开启,机油流入高压回路。主动活塞在油压作用下向下移动与摇臂接触。凸轮轴旋转驱动推杆上升时,通过摇臂推动主动活塞上移,高压回路的容积减小,油压升高,迫使控制阀内的球形单向阀落座关闭,形成密封的高压容腔[4]。由于机油的不可压缩性,随着主动活塞的继续上移,高压容腔内进一步增高的油压力克服从动活塞和排气门的弹簧弹力,推动从动活塞下移,强迫排气门开启,使压缩终了的高压气体释放到排气系统。当发动机的转速为2100 r/min时,排气门每秒动作17次。在驾驶员踩下离合器或加速踏板时,电控阀断电而关闭发动机机油的进油路,打开泄油道,高压回路泄油,主、从动活塞复位,缓速器停止工作。
2.2发动机排气辅助制动装置
1-进气消音阀2、4、14-气缸3-排气制动阀5-贮气筒6-蓄电池7-排气制动开关8-信号灯9-离合器踏板10-离合器开关11-加速开关12-喷油量操纵臂13-熄火操纵臂15-电磁阀
电磁气压控制式排气制动装置的工作原理如图4所示。放松加速踏板时,排气制动开关7被接通,信号灯8点亮,电流经离合器开关10、电磁阀线圈15和加速开关1 1形成回路。电磁阀15产生的电磁吸力关闭排气口,打开进气道,压缩空气同时进入排气制动阀、进气消音阀和熄火操纵臂的三个气缸,使柴油机停止供油,并关闭发动机的进、排气通道,实现排气制动。
3、发动机制动对汽车制动性能的影响
汽车在行驶过程中,强制地减速以致停车,且保证行驶方向稳定性和在下长坡时维持一定行驶速度的能力称为汽车的制动性。汽车的制动性能通过制动效能、制动效能的恒定性和制动时的方向稳定性进行评价[1]。发动机制动将对汽车的制动性能产生以下影响。
3.1 对制动效能的影响
制动效能是指汽车迅速减速直至停车的能力。用汽车在良好路面以一定初速度制动到停车的制动距离或制动时汽车的减速度进行评定。制动减速度是制动时车速对时间的导数,与制动力及附着力有关。制动距离的理论计算公式为:
式中,S为制动距离(m);t1为驾驶员刚踩着制动踏板到汽车开始产生制动力所经历的时间(s);t2为制动力由零增加到稳定值所经历的时间(s),(t1+t2)称为制动器的作用时间;u0为开始制动时的车速(km/h);jmax为汽车能达到的最大制动减速度(m/s2)。
由公式可知,决定汽车制动距离的主要因素是制动器的作用时间、最大制动减速度和开始制动时的车速。在汽车下坡或预见性制动时,为了利用发动机制动作用提高制动效能,应保持变速器挂上相应挡位,离合器处于接合状态,松开加速踏板,降低转速的发动机就会通过传动系统克服汽车的行驶惯性力使车速降低。此时,根据需要再踩制动踏板,因发动机制动作用使车轮制动器开始起作用的制动初速度降低,制动减速度增大,制动距离减小,因而提高了制动效能。尤其是在附着系数特别小的冰雪路面上,有计算表明,利用发动机制动的辅助作用可使制动距离缩短20～30%。
发动机制动对汽车产生的制动力或制动功率与当时的行驶车速及发动机转速有关。亚星客车集团特种车辆厂生产的JS6820中型客车在变速器处于Ⅲ挡和Ⅳ挡,发动机制动工作时的制动力与车速的关系曲线如图5所示。由图知,发动机制动和排气制动所产生的制动力随车速的升高而不同程度的增大,同等车速时变速器的挡位越低,传动比越大,所产生的制动力越大。
3.2 对制动效能恒定性的影响
汽车高速行驶或下长坡连续制动时,制动效能保持稳定的程度称为制动效能恒定性。连续制动时车轮制动器将汽车行驶的动能或势能不断地转换为热能,使自身的温度大幅度升高、摩擦因数下降、磨损加剧,制动效能将部分或全部丧失,这种现象称为制动器的热衰退,制动效能恒定性主要是指其抗热衰退的性能。制动器的抗热衰退性能一般用连续制动时制动效能的保持程度来衡量,国家行业标准ZBT 24007—89要求:在制动踏板力相同的条件下,以一定车速连续制动15次,每次的制动减速度为3m/s2,最后的制动效能应不低于规定的冷试验制动效能(5.8m/s2)的60%。
发动机制动对汽车制动效能恒定性的影响,主要体现在行车中发动机的制动作用可显著地减少车轮制动器的使用次数,且能较长时间地发挥作用,使车轮制动器经常处于低温而能产生最大制动效果的工作状态,以备紧急制动时使用。有关文献的研究结果显示,汽车恒速下长坡,前后制动器与使用不同挡位发动机制动联合作用时,随着挡位的降低,发动机倒拖的制动功率增大,使前后车轮制动器所吸收的制动功率降低,制动器的最高温度和温升斜率均明显下降,有效提高了制动效能恒定性。汽车恒速下长坡,后制动器与使用不同挡位发动机制动联合作用时,制动器温度与行程的关系曲线如图6所示[3]。
3.3 对制动时方向稳定性的影响
制动时汽车不发生跑偏、侧滑及失去转向能力的性能称为制动时汽车的方向稳定性。制动时汽车自动向左或向右偏驶称为“制动跑偏”,汽车某一轴或两轴横向移动称为“侧滑”,弯道制动时汽车沿切线方向驶出,或直线行驶制动时转动方向盘后汽车仍按直线方向行驶的现象称为“失去转向能力”。利用发动机制动时,制动力矩通过传动系统的差速器平均分配在左右驱动车轮上,有效地减少了汽车跑偏、侧滑或失去转向能力的可能性,尤其在泥泞、冰雪等滑溜路面的作用效果会更加明显。但是,发动机制动工况下,改变了前、后轮制动器制动力的分配比例,有增加驱动轮抱死的趋势,尤其是后轮驱动的汽车,制动系统设计时应考虑这个因素[6]
4、发动机制动技术运用要领
4.1 利用发动机制动的必要条件
利用发动机制动时,必须保证发动机到驱动轮的动力传递路线处于接合状态,发动机不能熄火,且完全放松加速踏板(油门)。因而,手动变速器汽车应处于非空挡位置,离合器处于接合状态;自动变速器汽车的操纵手柄(选挡手柄)应放在L、S位置(或1、2位置),因“D”位工作时,靠单向离合器的作用实现动力传递,不能逆向传递动力,没有发动机制动作用。
4.2 发动机辅助制动装置的运用操作
应按照《发动机制动使用手册》的操作要求将发动机辅助制动装置的控制开关放在工作位置,CA6DN系列发动机的组合开关右手柄应处于二挡位置,如图7示。当组合开关处于一挡位置时,发动机不供油,仅排气制动工作;当组合开关处于二挡位置时,发动机不供油,发动机缓速器和排气辅助制动装置同时工作,仪表板上的辅助制动指示灯点亮。实践表明,该系列发动机的转速在1800～2200r/min范围时,发动机制动效果最佳,因此应根据坡度或车速选择相应的变速器挡位(一般情况下,选用上坡时的相应挡位。所选挡位越高,车速越快,作用在驱动轮上的发动机制动力矩越小)并间歇使用行车制动器,将发动机转速控制在推荐范围内,以发挥发动机制动的最大效能。当组合开关处于OFF或一挡位置、踩油门或离合器踏板、防抱死制动系统(ABS)起作用时,发动机制动自动解除。
4.3 发动机制动与行车制动器同时使用
在汽车高速行驶制动时,应同时利用行车制动和发动机制动。先踩制动踏板,当车速降低后再踩离合器踏板换低挡。这样既可以提高制动效能,又能够降低行车制动器的使用率,对行车安全非常重要。
在预见性滑行(如前方遇到红灯时的减速滑行)或下长坡时,离合器仍处于接合状态,间断地踩下制动踏板,使发动机制动与行车制动器同时起作用而增大总的制动力矩,以便有效地控制车速,提高制动效果。
4.4 紧急制动操作
发动机制动是一种辅助制动装置,不能替代行车制动器用于紧急制动,也不能用于驻车制动。在紧急制动时,发动机不仅无助于制动,反而会消耗一部分行车制动器的制动力去克服发动机旋转的惯性力矩,降低紧急制动效果。因此,紧急制动时应同时分离离合器,脱开发动机与传动机构的连接。
4.5 滑溜路面操作
在泥泞、冰雪等滑溜路面行驶时,应尽可能地利用发动机制动,灵活运用驻车制动器,尽量少用或间歇使用脚制动,以防车辆侧滑。
5、结束语
发动机制动对汽车的制动性能有着显著的影响。本文通过对发动机制动工作原理及其对汽车制动性能的影响,发动机辅助制动装置发动机缓速器和发动机排气辅助制动装置的结构特点、工作特性进行分析,提出了发动机制动的必要性和发动机制动技术的运用要领。
摘要：当今汽车逐渐向大功率、高速度等方向发展,对汽车制动性能提出了越来越高的要求。为了减少交通事故,保证行车安全,有效利用发动机辅助制动技术显得尤为重要。本文通过分析发动机制动工作原理及其对汽车制动性能的影响,发动机缓速器和发动机排气辅助制动装置的结构特点、工作特性,提出了实施发动机制动的必要性和发动机制动技术运用要领。
关键词：汽车辅助制动技术,制动性能,发动机制动,发动机缓速器
参考文献
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[5]毛俊明.重型汽车发动机排气门辅助制动试验分析[J].汽车实用技术,2012年第02期.
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[10]张兴安,孙大许.Jake Brake发动机制动原理及使用维修[J].汽车维修,2010年第06期.
巧用发动机制动避免车辆打滑 篇4
下长坡时选择低挡制动
在下长坡、陡坡时, 不可一直踩着制动踏板控制车速, 建议通过选择低挡位而获得发动机制动力, 这样可以有效防止制动摩擦片因长期制动摩擦生热而失效。对于自动挡车辆, 在下坡时应当从D挡换到2挡或L挡, 利用发动机产生的制动力控制车速。
前方红灯降挡制动
利用发动机制动可用于很多方面。比如, 在看到前方红灯信号时, 可以提前松开油门踏板, 让车辆以惯性滑行的同时将挡位调至3挡 (自动挡) ;若是手动挡车, 可在不挂空挡的状态下让车辆滑行。
发动机制动可避免车辆打滑
平时驾驶时, 只要路况许可, 可以练习降低一挡驾驶, 在一些紧急情况下, 发动机制动是保护自己的最后一招。
脚踩刹车的制动是直接作用在车轮上, 会停止车轮的转动。尽管车辆都配置了ABS系统, 但ABS的反应速度或者工作状态未必都可以满足当时减速所需, 若这时的路面摩擦系数 (如雨天的湿滑路面) 比较低, 有可能导致车辆打滑失控。
发动机辅助制动 篇5
1 DCi11发动机制动简介
传统的制动系统是独立于发动机而安装在底盘上,属于底盘的四个组成系统之一的制动系统。传统的制动系统包括驻车制动系统和行车制动系统两套独立的制动系统,这两套独立的制动系统都是通过加大汽车车轮的摩擦力矩,限制汽车车轮转速来实现汽车减速或者停车的作用。而发动机制动技术和传统的制动系统完全不同,发动机制动系统是发动机的组成部分,对于DCi11发动机而言,指的是发动机缸盖上相配合的皆可博发动机制动器。图1为皆可博发动机制动器。皆可博制动器不是一个独立的机构,它同发动机的配气机构、涡轮增压器以及控制系统共同作用吸收发动机的转速动力,可以降低汽车发动机的转速,但不能使发动机停转的装置。
2 DCi11发动机制动的工作机理
传统柴油发动机正常工作时一个工作循环有着四个行程,分别是吸气行程、压缩行程、做功行程和排气行程。图2为无发动机制动器发动机的工作循环。在做功行程中,进排气门都关闭,活塞在上止点,气缸内雾化的柴油经压缩行程对燃料加压做功,内能增加,温度上升,压然柴油颗粒。燃料的化学能转化为内能,再将内能转化为活塞向下止点加速的动能,再通过活塞连杆组的作用,将活塞的直线运动动能转化为曲轴的周转运动动能输出。而其余三个行程都是利用发动机曲轴的转动惯量实现转动。也就说在这四个循环中,只有做功行程产生动能做正功,其余三个行程消耗动能做负功。
有发动机制动器的发动机工作循环同普通发动机相似,唯一不同之处就在做功行程终了时,打开排气门,将高压空气释放到排气系统,即“压缩释放”过程。如图3,DCi11发动机的工作循环。发动机制动器的本质就是将产生能量的柴油发动机变成了吸收能量的空气压缩机。工作原理是改变发动机排气门的配气相位,在压缩冲程即将结束时,开启排气门,这样发动机在压缩缸内气体时所做的功,便被释放到排气系统,能量不会返回到活塞上,车辆的冲量通过车轮和传动系统传到发动机,并成为反拖发动机运转。
DCi11发动机拥有着以上作用,皆可博发动机制动器功不可没,图4为DCi11发动机的发动机制动器的结构原理图,主要有电磁阀、控制阀、主动活塞、从等活塞等部件构成。
2.1 皆可博发动机制动器启动工作
电源开关被接通时,和该发动机电子控制装置确定进行时,供给到发动机制动电磁阀的电压将准备,制动电磁阀的电压供给会准备就绪,准备随时启动。之后,当驾驶员松开加速油门踏板,离合器接合,发动机制动电磁阀立即施加电压时,电磁阀被通电时,阀门开启,发动机油流入控制阀,控制阀的压力上移,并且其内部的球形阀离开阀座,使油流入高压电路。主动活塞经受压力开始向外移动,接触摇臂,摆动凸轮转动原因增加次级活塞的压缩回到壳体,从而使刹车油被压回控制阀,从而使球阀阀座,在该装置中,以形成一个液压锁。现在的初级和次级液压活塞路径之间形成密封的液压通路。所以与主活塞的运动和同步次级活塞响应,排气门打开,将压缩的高压气体释放至排气岐管中,使得做功行程转换成压缩释放,实现发动机的制动作用。
2.2 皆可博发动机制动器停止工作
一旦驾驶员压下离合器踏板或节流阀,电磁阀立即中断油压的电压下降时,控制阀使得内弹簧足以其顶端回原位,剩余油的初级和次级电路立即压出在不存在液压时,制动活塞将离开摇臂和阀,从而禁止发动机制动恢复正常工作周期。
3 DCi11发动机制动特性
3.1 安全性
保证车辆下坡可控:使用发动机制动器,可合理控制车速,从而使车辆快速安全的到达坡底。
有效缩短刹车距离:发动机制动器瞬间响应,有效缩短制动时间约1秒钟,当东风天龙卡车以每小时60公里的速度行驶时,可缩短刹车距离长达16米。
避免车轮制动失灵:车轮制动在连续使用3-5分钟后,刹车片温度急剧上升,磨损加剧,制动效果骤降,甚至会导致刹车失灵,存在安全隐患,使用发动机制动器,能够减少85%的车轮制动需求,从而能有效避免因刹车失灵导致的交通事故。
3.2 经济性
减少保养成本:减少刹车片的使用频率,延长刹车片使用寿命,大幅减少刹车片的更换次数。减少轮胎与地面的磨损,提高轮胎的使用寿命。
提高燃油经济性:卡车轻量化,节省制动系统淋水器的安装。下破速度快,上坡更加容易,维持车辆经济行驶速度。
4 DCi11发动机制动的缺陷和应对措施
4.1 DCi11发动机制动技术缺陷
发动机制动技术的使用能够使车辆的使用安全性大大提高,在国外卡车上已经较为普及。在我国只在东风DCi、玉柴6K12等不多的系列卡上得以使用,主要问题是皆可博发动机制动器制造精度较高,生产成本高。
在发动机正常工作时,活塞所受燃料给的最大压力为:
皆可博发动机制动器是利用对空气加压做功,来实现发动机在做负工。在发动机制动工作时,发动机没有给油,无燃烧状态,温度变化可不计,根据克拉伯龙方程式PV=nRT进行推算,在压缩行程终了时,活塞所受反作用力为:
在压缩释放后,活塞所受反作用力为:
由以上三个数值进行对比发现,发动机的制动力相比发动机正常做工时的力要小得多,故发动机的制动力较小,导致车轮的制动力矩较小。在发动机制动工作时,制动效能随着发动机的转速升高而增加,为了获得较好的制动效能,只能挂低速挡发动机高速旋转,发动机的高速旋转将会带来很多的弊病,如发动机制动时噪音较大,增加驾驶员的紧张感,降低车内人员的舒适性,还会使发动机各部件受力增加或者改变,对发动机的使用寿命有一定影响。
4.2 DCi11发动机制动缺陷应对措施
发动机制动系统是使长下坡车辆速度减小,不能使车辆停止,是一套辅助制动装置,以现代的汽车技术很难将发动机的制动力提高太多。但是噪音在一定程度上还是可以降低的,一般可通过提高发动机各部件的零件精度和表面质量或者提高车内隔音效果,降低发动机的噪音,来提高车内人员的舒适性,降低驾驶员的紧张感。提高发动机核心零件的硬度和韧性,选择合适的零件尺寸,可保证核心零件所受压力增大或者改变时,也能应对自如。
5 结语
DCi11发动机采用发动机制动技术,提高汽车的使用安全性,保证车辆下坡可控,避免车轮制动失效,缩短刹车距离;提高汽车使用时的经济性,减少保养车本,降低汽车油耗,提高轮胎使用寿命。但也存在着一定的缺陷,只要制造企业对零件的精度要求更高,将汽车的隔音效果做得更好,发动机制动技术还是有着非常大的发展前景。随着研究的进一步深入,发动机制动功能将日渐成熟和普及,并逐步走向其它品牌卡车发动机。
参考文献
[1]崔晓娟.发动机制动技术在CA6DL柴油机上的应用开发[D].长春:吉林大学,2007.
汽车真空辅助制动系统的设计与研究 篇6
汽车的制动性能是影响行车安全的重要保障, 直接关系到交通安全。目前许多重大交通事故都是由于制动距离太长、紧急制动时丧失方向稳定性等因素造成的。传统汽车制动方式是在车轮上安装机械式摩擦制动器 (盘式或鼓式) , 使汽车在制动时减速直至停车。随着汽车技术的发展, 目前常采用汽车辅助制动装置来改善汽车的制动性能。国内外常用汽车辅助制动装置有以下几种类型:发动机缓速器、发动机排气辅助制动系统、电涡流缓速器、液力缓速器、牵引电动机缓速器、空气动力缓速器等[1]。上述汽车辅助制动装置的作用是在不使用或少使用行车制动器的情况下, 使车辆行驶速度降下来或保持稳定 (但辅助制动装置并不能将车辆紧急停止) , 这种作用称为缓速作用, 故该装置又称为缓速制动器。目前, 汽车辅助制动系统正逐渐实现与ABS、ASR、ESP等系统的综合控制以达到更好的制动性能, 但大多属于实现汽车的缓速制动。当汽车制动时, 一般制动器制动力能够令车轮达到抱死或临近抱死状态, 车轮一旦抱死或接近于抱死状态, 由汽车制动原理可知, 汽车的制动距离主要由地面附着力的大小决定, 而地面附着力的大小主要与轮胎的结构、尺寸、类型、气压、路面的类型和状况、轴荷等因素有关, 因此, 在轮胎、路面、轴荷等条件确定的情况下, 汽车在某一车速下的制动距离基本为定值。为了增大汽车的制动力, 就必须有附加的制动系统提供辅助制动能量, 从而有效缩短制动距离。本文所提出的汽车真空辅助制动系统可以实现汽车在紧急制动情况下有效缩短制动距离这一目标。
1 汽车真空辅助制动系统的组成和功能[2,3]
汽车真空辅助制动系统包括机械执行机构、制动吸盘、真空系统、弹射收起系统、控制系统五个部分, 如图1所示。汽车真空辅助制动系统在汽车 (以轿车为例) 上的总体布置如图2所示。汽车真空辅助制动系统的制动吸盘如图3所示。当汽车紧急制动时, 由控制系统测定驾驶员踩下制动踏板的加速度和踏板力, 当满足辅助制动系统进入工作状态条件时, 控制系统向自锁机构发出打开信号, 制动吸盘通过弹射机构和机械执行机构迅速下落而压紧路面, 此时, 真空控制阀打开, 真空储能装置的真空作用导致制动吸盘的密封气囊中产生较大真空度, 令制动吸盘紧紧地吸附在路面上, 从而致使制动吸盘的摩擦橡胶与地面产生与汽车行进方向相反的摩擦力, 为汽车提供辅助的制动力, 从而缩短汽车原有的制动距离。
2 汽车真空辅助制动系统的可行性分析
汽车真空辅助制动系统产生的制动力是否能够有效辅助汽车实现制动, 需要解决以下三方面问题: (1) 真空辅助制动系统在汽车结构设置方面的可行性; (2) 汽车原制动系统所产生地面制动力的计算; (3) 在结构尺寸合理的情况下, 所产生辅助制动效能是否可实现有效辅助制动。
2.1 系统结构设置的可行性分析
该系统中的制动吸盘、机械执行机构和弹射收起系统布置于汽车底盘, 系统可以与车架相连接 (作为固定点) , 承受制动吸盘载荷和传递辅助制动力。真空系统中, 真空泵的体积较小, 可布置于汽车任意角落, 储能装置在容积一定的情况下, 可结合汽车具体部位结构设计成任意几何立体结构。汽车的通过性是汽车的重要性能, 对于轿车, 影响通过性的重要参数是最小离地间隙, 该系统布置于汽车底部时, 可布置于汽车底盘相对凹陷位置, 其总体高度为2~2.5cm, 因此, 基本不会影响汽车的最小离地间隙。
综上所述, 该系统的组成和结构设计, 总体上不会影响汽车原有的结构、布局和汽车通过性等, 因此真空辅助制动系统结构设置具有可行性。
2.2 汽车地面制动力计算
汽车真空辅助制动系统设计采用的实验车为某型轿车, 其满载质量为m=1865kg, 实验路面的附着系数φ=0.7 (后续实验条件相同, 不再赘述) , 假设汽车制动系统可提供足够大的制动器制动力, 则汽车的地面制动力
式中, Fz为地面对车轮总的法向反力, Fz=mg。
2.3 系统辅助制动效能设计计算
汽车真空辅助制动系统辅助制动效能由辅助制动力决定, 下面对影响辅助制动力的因素进行分析。
为研究问题方便, 假设汽车真空辅助制动系统在实施辅助制动过程中, 制动吸盘的漏气速率vL为常数, 由前文分析可知, 真空辅助制动系统辅助制动力的主要影响因素包括:
(1) 真空储能装置的容积。容积越大, 辅助制动过程中的平均真空度越大, 辅助制动力越大。
(2) 密封气囊内真空度p (t) 与时间t的变化关系。真空储能装置的容积V一定的条件下, 密封气囊内的真空度p (t) 降低越慢, 辅助制动过程中的辅助制动力越大。
(3) 制动吸盘的面积。真空储能装置容积和真空度越大, 漏气速率一定条件下, 制动吸盘内密封气囊的面积越大, 则辅助制动系统的辅助制动力越大。
2.3.1 真空储能装置容积的确定
在密封气囊密封面积一定的情况下, 真空辅助制动系统的制动力主要取决于辅助制动过程中制动吸盘的密封气囊中的真空度p (t) , 而影响该真空度的因素主要有4个:真空储能装置内的初始真空度p0、制动吸盘 (含密封气囊) 与地面间的平均漏气速率vL、有效漏气时间tL和真空储能装置容积V。其中, 真空储能装置内的初始真空度p0仅与真空抽取系统所能达到的最大真空度有关, 为一常值;忽略真空度p (t) 对漏气速率的影响, 当路面和制动吸盘一定时, 平均漏气速率vL基本相对稳定;有效漏气时间tL为系统参与辅助制动直至汽车停止的时间, 当车速一定时, 汽车在某路面以最大地面制动力 (行车制动系统与辅助制动系统产生制动力之和) 制动时, 制动时间是一定的, 即有效漏气时间tL为常数。因此, 密封气囊中的真空度p (t) 主要与真空储能装置容积有关, 容积越大, 真空度p (t) 越大。由于真空储能装置容积受到汽车布置空间所限, 故虽然其具体形状结构可以针对具体车型结构进行调整, 但总容积不宜于过大 (尤其是轿车) , 实验采用的真空储能装置为圆柱形桶, 桶的半径r=0.17m, 高h=0.58m, 则真空储能装置的容积
2.3.2 密封气囊内真空度p (t) 的确定
汽车真空辅助制动系统辅助制动过程中, 密封气囊内的真空度影响着辅助制动力的大小, 真空度主要受有效漏气时间和真空度随时间变化规律所影响。
2.3.2. 1 有效漏气时间tL的确定
如前所述, 当真空储能装置容积V、密封气囊内的初始真空度p0和平均漏气速率vL确定时, 真空度p (t) 与有效漏气时间tL有关。当路面、制动初速一定时, 有效漏气时间tL一定, 但制动初速变化时, 有效漏气时间tL亦将发生变化。为研究方便, 下面以车速v0=80km/h制动工况为例进行分析。
由文献[4]可知, 当制动踏板力呈线性增长且保持一最大恒定值时, 汽车制动减速度随时间变化情况如图4a所示, 制动过程简化后的a?t曲线如图4b所示。图4中, τ1为驾驶员反应时间;τ′2为制动系统协调时间;τ″2为制动减速度增大时间;τ3为持续制动时间。各部分具体时间参见表1。
制动过程简化后, 参见图4b, 设汽车从驾驶员发现突发状况到制动系统真正实施制动的时间为t1, 即
由表1可知, t1≈1.24s (以无须移动视线情况计) 。
按照71/320/ECE (欧洲经济共同体的规定) , 要求满载轿车在车速v0=80km/h时的最小制动减速度amin=5.8m/s2, 由于一般的干燥、良好的沥青或混凝土路面的附着系数最大, 可达0.7~1.0, 因此, 汽车制动时所能达到的最大减速度amax=10m/s2 (以重力加速度g=10m/s2计) 。由制动过程简化图图4b可知, 汽车从实施制动到制动停车的持续有效制动时间
则汽车以减速度a (a∈[amin, amax]) 制动时, t2=v0/a=3.83~2.22s, 为研究问题方便, 后续研究假设汽车的持续制动减速度a0=7m/s2, 则可知t2=3.17s。
根据汽车真空辅助制动系统控制原理, 真空辅助制动系统满足工作触发条件时 (此处以汽车行车制动器达最大制动力时计) , 自锁机构打开, 制动吸盘下落到地面。自锁机构打开的时间为电子控制器与执行器的延迟时间, 时间非常短可以忽略。设制动吸盘到地面的距离h1≈0.18m, 制动吸盘由车底弹出至下落到地面的时间为tx (忽略空气阻力影响) , 经计算tx≈0.19s, 因此, 当车速v0=80km/h时, 真空辅助制动系统参与辅助制动能够提供辅助制动力的有效漏气时间tL<t2-τ″2/2-tx, 即tL<2.88s。
2.3.2. 2 真空度p (t) 与漏气时间t的关系研究
真空辅助制动系统制动吸盘的真空度p (t) 采用实验测定, 实验时, 真空储能装置的初始真空度p0=75.99kPa, 将3次实验结果进行平均值处理并进行多项式拟合, 得到制动吸盘内密封气囊真空度p (t) 随时间变化规律, 如图5所示。
从图5可看出, 制动吸盘初始真空度与真空储能装置的初始真空度p0相差较大, 主要原因有两个:一是由于真空储能装置控制阀打开时, 真空储能装置与制动吸盘之间的连接管路和制动吸盘密封气囊内部气压为外界大气压, 而真空储能装置的气压低, 导致真空度下降较大, 二是由于开始阶段制动吸盘漏气速率较快。
上述数据采用4次多项式拟合, 求得真空度p (t) 为
2.3.3 制动吸盘面积的确定
制动吸盘产生的制动力
式中, ρ为水银密度 (13.6×103kg/m3) ;S1为密封气囊接地面积, m2;μ为滑动附着系数。
由式 (4) 可知, 当真空度p (t) 一定时, 制动力Fμ (t) 随着密封气囊接地面积S1增大而增大, 但是, 当制动吸盘总面积S一定的情况下, 密封气囊的面积S1会影响制动吸盘的漏气速率vL和摩擦橡胶与地面接触面积S2, S1面积越大, 密封气囊与路面接触周长越大, 制动吸盘的漏气速率vL越大, 而漏气速率vL的增大将导致有效漏气时间tL内密封气囊内的平均真空度的减小, 同时导致摩擦橡胶与地面接触面积S2减小, 摩擦橡胶上的压力增大, 加剧摩擦橡胶与地面摩擦时的磨损。因此, 制动吸盘总面积S一定的情况下, 密封气囊的面积S1和摩擦橡胶与地面接触面积S2相互制约, 需要优化设计。
制动过程中, 为了保证真空辅助制动系统产生的平均制动力能够有效进行辅助制动, 实验设计的辅助制动系统预计所提供的平均辅助制动力, 则。由图5可知, 在实验路面上真空辅助制动系统有效漏气时间tL<2.88s, 密封气囊的真空度p (t) >64.00kPa, 保守计取p (t) =64.00kPa, 粗略计算密封气囊的面积
则S1=0.0481m2 (实验采用真空制动吸盘的密封气囊边长a=0.2m、b=0.25m) , 根据制动吸盘总体面积在汽车底部结构布置的需要和保证摩擦橡胶的耐磨性, 实验所用制动吸盘为长方形, 总面积S=0.35m2 (制动吸盘边长A=0.5m, B=0.7m) 。
3 汽车真空辅助制动系统制动效能分析
汽车制动效能一般采用制动减速度和制动距离来评价, 下面以所设计的汽车辅助制动系统为研究对象, 分别从制动减速度和制动距离两方面分析真空辅助制动系统介入工作时对汽车制动减速度和制动距离的影响。
3.1 制动减速度分析
当汽车原有制动系统以制动减速度a0=7m/s2制动时, 真空辅助制动系统介入工作后, 汽车的制动过程分为三个阶段:
第一阶段为原汽车制动过程简化阶段 (t1=τ1+τ′2+τ″2/2) , 此阶段汽车的减速度为0, 行驶速度为v=v0。
第二个阶段为汽车真空辅助制动系统判断是否满足触发条件实施辅助制动和制动吸盘从汽车底盘下落到地面的阶段, 此阶段时间为tx, 汽车的减速度为a0, 则tx时刻汽车的行驶速度为
第三阶段为行车制动系统和真空辅助制动系统共同作用阶段, 制动减速度a (t) 由两部分组成:一是行车制动器所产生的制动减速度a0, 二是真空辅助制动系统所产生的制动减速度af (t) , 则
此阶段的汽车行驶速度
由式 (8) 计算可知汽车在停止时辅助制动系统的有效漏气时间tL=2.5773s。
令, 则由式 (4) 、式 (7) 得:。
因此, 辅助制动系统介入制动后, 汽车的制动减速度与原有汽车减速度a0相比约提高了15.80%。
3.2 制动距离分析
3.2.1 真空辅助制动系统不参与工作
实验条件同前, 汽车在t1=τ1+τ′2+τ″2/2的时间内的速度为常数, 即v0=80km/h, 此时间段内汽车行驶的距离
由图4b可知, 汽车在t2=τ″2/2+τ3的时间内的制动过程为匀减速制动过程, 制动的减速度a0=7m/s2, 则s2可由下式求得
由式 (9) 、式 (10) 可知, 当真空辅助制动系统不参与工作时, 汽车的总制动距离
3.2.2 真空辅助制动系统参与工作
由前述可知, 汽车的制动过程分为三个阶段。第一阶段为原汽车制动过程简化阶段 (τ1+τ′2 (s) +τ″2 (s) /2时间段内) , 此阶段制动距离为s1。第二个阶段为tx时间段内汽车制动阶段, 由式 (6) 、式 (10) 可求得此阶段的制动距离s′2。第三阶段为行车制动系统和真空辅助制动系统共同作用阶段, 此阶段t时刻的速度v (t) 和有效漏气时间tL由式 (8) 计算可知。则汽车在制动第三阶段tL时间内的制动距离s3为
因此, 当真空辅助制动系统参与工作时, 汽车的总制动距离:
综上所述, 采用真空辅助制动系统后, 汽车制动缩短的距离Δs为
为了更全面地分析真空辅助制动系统的辅助制动效果, 按照上述计算过程, 本文对汽车紧急制动时缩短的制动距离与制动初速和路面附着系数的关系进行了研究, 具体结果见图6 (μ/φ=0.85) 。
由图6可知, 在同一路面附着系数工况下, 随着制动初速度的增大, 采用汽车辅助制动系统后汽车紧急制动缩短的距离增大;在同一制动初速度下, 路面附着系数越低, 汽车紧急制动缩短的距离越大, 因此, 真空辅助制动系统在各种工况能够提供较好辅助制动效果的同时, 在汽车易于出现交通事故的中高速 (良好路面) 、低附着路面 (湿滑、冰雪路面) 等行驶工况下, 真空辅助制动系统的辅助制动效果更显著, 从而可降低汽车交通事故的发生概率和事故的严重损害程度, 提高行车安全性。
4 实验分析
为了分析汽车真空辅助制动系统的实际辅助制动效果, 本文对该系统进行了实验研究, 其中汽车真空辅助制动系统的主要参数按本文研究结论设置。主要实验设备有实验车、汽车综合测试仪、OESII型光电传感器等, 实验在交通量较小的干燥沥青路面上进行。实验车速采样间隔为1km/h, 分别测取了车速为40km/h时汽车真空辅助制动系统参与制动和不参与制动时两组实验的数据。结果表明, 采用汽车真空辅助制动系统时制动效能有明显改进, 具体影响参见图7, 其中图7a为实验数据曲线, 图7b为实验数据处理后汽车减速度曲线。
由图7可明显看出, 配备ABS系统的试验车在辅助制动系统参与制动的情况下, 汽车制动的减速度明显增大, 制动停止时间约缩短了0.5s。
5 结语
所设计的汽车真空辅助制动系统, 能够有效提高汽车紧急制动时的制动减速度, 缩短制动距离, 从而降低交通事故率和交通事故对人的生命财产损害程度。当然, 在该系统介入辅助制动的控制条件、控制的精确性乃至利用安全车距测试系统提高汽车主动安全性、提高制动吸盘的耐磨性能、降低漏气速率等方面仍需展开进一步的改进研究。
参考文献
[1]刘成晔.汽车辅助制动装置发展综述[J].中国安全科学学报, 2008, 18 (1) :105-111.Liu Chengye.Review on Development of Auxiliary Braking Set of Automobiles[J].China Safety Science Journal, 2008, 18 (1) :105-111.
[2]刘树伟, 陈策.汽车辅助制动系统:中国, 201310150996.X[P].2013-04-28.
[3]刘树伟, 范英, 赵宝磊, 等.汽车辅助制动吸盘:中国, ZL201420294389.0[P].2014-06-04.
发动机辅助制动 篇7
1.1 发动机制动原理
发动机制动就是指抬起油门踏板, 但并不脱开发动机, 利用内摩擦力和进排气阻力对驱动轮形成制动作用。
发动机制动有三个明显的特点:一是能够使脚制动使用频率减少, 避免因为制动器长时间的使用, 升高制动器摩擦片的温度, 从而导致制动力的下降, 甚至失去作用;二是因为差速器的作用, 可以把制动力矩平均的分配在左右车轮上, 减少甩尾、侧滑的发生;三是车速将一直被限定在一定的范围内, 能及时降速或停车, 确保行车时的安全。
1.2 发动机制动的影响因素
汽车在行驶过程中, 道路坡度和车速会随着环境的变化而变化, 要平衡坡道的下滑力, 需要不断的调节发动机转速来获得合适的发动机力矩;需要通过辅助制动系统来平衡坡道的下滑力。由于CVT的速比可以连续的变化, 通过调节CVT的速比可以实现所需发动机转速和车速的最佳匹配, 从而获得理想的制动力力矩。
另外, 发动机制动力还与空气阻力、道路坡度、滚动阻力、变速器速比等参数的行车条件有关。所以, 我们只能通过试验才能得知制动力力矩和发动机转速的关系, 才能进一步的研究汽车下长坡时发动机制动CVT控制策略。
2 CVT的相关介绍
2.1 CVT的概念
CVT即无级变速器, 它的英文全称为Continuouslv Variable Transmission, 简称CVT。发明无级变速器的是荷兰人, 无级变速器与有级式的区别主要在于:它的变速比是一系列连续的值, 而不是间断的点, 譬如可以从3.455一直变化到0.85。CVT的结构要比传统变速器更为简单, 体积更小, 它既没有手动变速器的众多齿轮副, 也没有自动变速器复杂的行星齿轮组, 主要就是靠主动轮、从动轮和金属带来实现速比的无级变化。
目前国内将CVT技术应用于汽车的品牌及产品日趋增加, 如奥迪、飞度、西耶那 (帕力奥) , 帝豪EC7, 比亚迪L3等。
2.2 CVT的工作原理
CVT的部件主要包括主动轮组、从动轮组、金属带和液压泵等基本部件。主动轮组和从动轮组都由可动盘和固定盘组成, 与油缸靠近的一侧带轮可以在轴上滑动, 另一侧则固定。金属带由两束金属环和几百个金属片构成。控制系统根据发动机车速控制主、从动带轮沿轴向移动、气门开度, 在力的作用下, 金属带在主、从动带轮构成的V型槽里沿径向运动, 从而完成速比在设计范围内从最小到最大的变化, 实现了无级变速。
2.3 CVT的技术特性
(1) 动力性。汽车加速和爬坡的能力取决于汽车后备功率大小。汽车的后备功率越大, 汽车的动力性就越好。而根据CVT的无级变速特性, 可以得到后备功率最大的传动比, 所以CVT的动力性明显比自动变速器 (AT) 和机械变速器 (MT) 要高。
(2) 经济性。在相当宽的范围内, CVT都可以实现无级变速, 并且能够获得发动机工况和传动系的最佳匹配, 从而使整车的燃油经济性有所提高。
(3) 成本。CVT的系统结构非常简单, 零部件数目要比AT少很多 (约少200个左右) , 当汽车制造商进行大规模生产开始后, CVT的成本将低于AT。随着大规模生产及材料、系统的革新, CVT零部件生产的成本将降低20%-30%。
(4) 排放。CVT的速比工作范围比较宽, 要使发动机以最佳工况来工作, 需要改善燃烧的过程, 降低废气的排放。
3 发动机制动CVT速比控制策略
CVT是一种变速传动装置, 在一定范围内, 它的速比可以连续的变化, 它能够很好的平衡驱动轮与发动机之间的关系, 这种平衡关系正是通过速比控制实现的。发动机制动CVT速比控制策略要解决的两个问题:一是目标速比的确定;二是对目标速比的跟踪。
3.1 目标速比的确定
汽车在下长坡行驶时车速既不能太快也不能太慢。因此, 若是想汽车在长坡行驶的时候能够以合适的车速稳定行驶是关键的问题, 研究表明, 在一般的坡道上应该为30~40km/h。要实现汽车稳定车速、匀速下坡, 平衡汽车所受力矩显得尤为重要。根据发动机制动的力矩曲线, 从而可以求出目标发动机的转速。再根据采样时刻的实际车速和目标发动机的转速就可以求出目标速比, 便可以对CVT进行速比控制。
3.2 CVT速比控制策略
CVT在速比控制过程中最重要的就是对CVT速比变化率的控制。假设直接控制无级变速系统的速比, 对速比变化率所造成的影响不加以考虑, 那么很难控制系统瞬态的特性。所以, CVT速比控制的关键在于合理的确定速比变化率。假设将速比控制系统作为一个理想的系统, 通过CVT速比控制器具体参数的确定, 来控制CVT调节特性。选择合理的PID参数, 使实际速比对目标速比有良好的跟随性, 使汽车实现稳定车速、匀速下坡。
4 总结
本文从发动机制动原理、CVT的相关介绍着手, 对汽车下长坡时发动机制动CVT控制策略进行了系统的分析与研究, 得出了以下的观点:调节CVT的速比可以使发动机的有限制动力矩平衡下长坡汽车的行驶下滑力;利用发动机制动力矩, 提出了在制动过程中调节无级变速器速比的观点, 验证了汽车下长坡时发动机制动CVT控制策略的可行性。
参考文献
[1]董伟等.汽车下长坡时发动机制动CVT控制策略[J].吉林大学学报 (工学版) , 2006, 5[1]董伟等.汽车下长坡时发动机制动CVT控制策略[J].吉林大学学报 (工学版) , 2006, 5
基于嵌入式的汽车辅助制动系统研究 篇8
1 汽车辅助制动系统组成
针对传统汽车辅助系统存在的不足之处,本文研究的基于嵌入式的汽车辅助制动系统加入了车身姿态检测、汽车加速度检测以及方向盘转动角度检测功能模块,使用4个独立制动控制模块对4个车辆进行分别制动控制。汽车辅助制动系统组成框图如图1所示。
2 嵌入式辅助制动系统组成
本文研究的基于嵌入式的汽车辅助制动系统主要由车轮速度检测、车身加速度检测、方向盘转角检测、制动踏板压力检测、车身姿态检测等信号检测模块、车辆制动执行模块以及中央处理器和辅助接口模块等组成。
通过ARM触发4个独立的单片机产生驱动控制车轮模块的信号,同时使用额外的8个独立的单片机将该信号进行转换后得到的数字信号传输到DSP上来进行数字信号处理。DSP数字信号处理器可以通过其内置的驱动算法对来自单片机的数字信号进行特定的算法处理,然后将处理的结果返回给ARM。ARM将得到的处理结果再通过构建的网络输送到控制车轮模块的单片机上,这种基于ARM的Linux系统能够实现并行处理多DSP处理的结果,进而实现对整个系统进行实时控制的目的。如果给整个系统加上网络接口和UART通信接口,那将很方便地对整个系统进行定期的系统和其基于DSP的算法的更新升级。
通过嵌入式系统可以实现单片机方便地以DMA方式进行数据交换的功能,还能简便地搭建30~50 Hz的可调方波信号发生器,以及完成A/D转换的功能,这不仅能快速地实现对采集的数据和进行处理,还能通过处理的结果来对所需要驱动的车轮控制模块进行一个实时的控制。此外,由于嵌入式系统模块是应用在汽车电子车轮制动系统中的,所以对该模块有特殊的性能要求,如运行功耗低、控制处理稳定、抗干扰能力强等要求,还有就是系统的单片机处理数据的速度必须要求足够快,这关系车轮的制动反应的速度。考虑到上述要求,本研究决定采用TI公司生产的MSP430F169单片机来实现模块的控制,该单片机在该制动系统中要实现实时地进行外部信号的采集处理以及随之的驱动车轮控制模块完成对应的控制任务。为了使得整个系统的信息处理效率更高,满足实时无延误的要求,一般整个系统设计时采用的是循环和中断的方式来提高其实时性[9,10]。
3 嵌入式系统通信方案设计
用1个OMAP-L137和12个MSP430F169搭建成一个信息处理系统,通过该系统内部各模块间的数据交换和数据处理,将外部输入信号经系统处理模块处理以后再驱动控制模块实现实时控制。这样整个系统内部的数据交流的效率和数据处理的能力就决定了整个系统的执行效率。
CAN总线方式具有接口设计简便、通信稳定、抗各种电磁干扰的能力很强、信息传输的距离也较远等优良性能,完全可以满足本研究所需的通信要求。虽然在严格的环境下CAN总线有可能在系统的反应速度上不能达到最佳效果,但是对车轮制动控制模块的控制频率是有限的,完全可以在满足其控制频率的条件下进行实时处理的。而且每个CAN总线接口都对应着一个信号处理器,在数据传输中完全能够通过构建差分连接的方式提高整个系统的稳定性和可靠性[11,12]。
对OMAP-L137而言,因为其处于中央控制器的范围,所以只能控制承担即时信息查询和制动驱动信号部分任务的MSP430F169单片机。由于总线的数据流量受总线的数据传输能力限制,所以在多个模块的汽车工作状态检测到信号传回处理系统时需要进行分时发送数据到各个处理单元进行处理。对于半双工工作模式的总线接口,系统中央控制处理器的控制信号是无法及时将信号传送给汽车制动控制模块的控制器进行制动的,并且对于系统内部各模块间的实时数据交换也是非常不利的,这就有必要使用双总线的办法来构成全双工的工作模式进行通信,以解决单CAN总线无法及时处理数据量大且时间上密集的窘况。其实现构架如图2所示。
4 主要功能模块设计
4.1 实时处理接口电路
本研究采用了MSP430F169单片机的模拟SPI接口方式和MCP2515协议控制器进行通信,并以此结构来进行系统内部从信号输入到信号调理以及最后输出到制动模块的控制信号。因为汽车电子系统处于一个相对不是稳定的环境中,伴有很强的背景噪声,所以为了避免过长信号传输过程引入不必要的干扰,通常将MSP430F169处理器与MCP2515协议控制器集成在一起;另外,电源和时钟信号电路等的设计也都要考虑到噪声干扰屏蔽设计。
此外,为了获得MSP430F169和MCP2515以及TJA1050之间的最好的通信传输效果,在MSP430F169和MCP2515间采用了一一对接的SPI接口的连接,这有利于不同数据交换互不干扰,其电路连接设计见图3。
系统内部数据处理的硬件电路设计中,考虑到各模块之间的数据交换效率,通常使用一个MCP2515和一个TJA1050控制器组成一个总线控制器,然后使得每个这样的控制器由其相应的MCU来构建,从而实现一个OMAP-L137与多个MSP430F169之间的实时通信。
4.2 传感检测电路
车辆车轮转速传感器采用差分信号的磁电式传感器。为了消除干扰信号,提高传感器精度,需要将磁电式传感器信号经过滤波、整形电路处理,整形电路[13]见图4。
车身加速度检测试验采用Analog Device公司的ADXL202AE型低功耗、双轴加速度传感器。传感器使用5 V电压供电时的工作电流仅为5 m A左右,测量动静态加速度频率高,可达5 k Hz。ADXL202AE加速度传感器电路如图5所示[14]。
5 结论