王志新，余強(qiáng)，宋慶陽，趙軒，史培龍

(1.長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安　710064；2.甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州　730070)

?

重載貨車制動(dòng)鼓溫升模型建立及應(yīng)用

王志新1,2，余強(qiáng)1，宋慶陽2，趙軒1，史培龍1

(1.長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安710064；2.甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州730070)

摘要：針對(duì)重載貨車在高速公路長大下坡路段事故多發(fā)的問題，運(yùn)用汽車動(dòng)力學(xué)理論和熱力學(xué)理論，以‘東風(fēng)大力神重卡DFL3310A10’為試驗(yàn)車在典型長大下坡危險(xiǎn)路段進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)和排氣制動(dòng)試驗(yàn)建立了重載貨車在采用輔助制動(dòng)條件下的制動(dòng)鼓溫升模型.結(jié)果表明：預(yù)測模型準(zhǔn)確可行；對(duì)重載貨車幾種典型行駛情況定量分析了超載、超速對(duì)行駛安全的影響，分析數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度高.

關(guān)鍵詞：重載貨車；發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)和排氣制動(dòng)；制動(dòng)鼓溫升模型；應(yīng)用

第一作者：王志新(1976-)，男，博士研究生，副教授，研究方向?yàn)槿塑嚶翻h(huán)境系統(tǒng)安全.E-mail:wzxin851@163.com

重載貨車定義為汽車總質(zhì)量大于14 t的載貨汽車[1].近幾年事故數(shù)據(jù)表明，重載貨車是高速公路長大下坡路段事故率最高的車輛，約占60%～80%[2].當(dāng)前，我國交通運(yùn)輸部提出加快發(fā)展平安交通的要求，要落實(shí)好該項(xiàng)任務(wù)，研究解決重載貨車制動(dòng)器失效問題尤為重要.

國內(nèi)外許多學(xué)者在該方面進(jìn)行了大量研究.美國于20世紀(jì)80年代基于理論分析和試驗(yàn)建立了可預(yù)測制動(dòng)器溫度的溫升模型，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)了下坡嚴(yán)重度分級(jí)系統(tǒng)[3](grade secerity rating system,GSRS),遺憾的是美國在開發(fā)GSRS時(shí)對(duì)所有貨車都使用同一控制溫度(216 ℃),低于世界道路協(xié)會(huì)《道路安全手冊(cè)》規(guī)定的260 ℃[4]，這種保守控制在很大程度上限制了該系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用.楊宏志等通過現(xiàn)場攔車試驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)，利用SPSS軟件進(jìn)行回歸分析，建立了車輛制動(dòng)鼓溫度預(yù)測模型，但因受樣本數(shù)量影響，缺乏普遍性[5].袁偉等以載質(zhì)量10 t的輕型貨車為代表車型，在無輔助制動(dòng)方式下建立了下坡路段制動(dòng)器溫升模型，但存在試驗(yàn)車型當(dāng)前不具代表性和研究制動(dòng)方式單一等不足[6].雷斌以坡度與坡長作為自變量建立了坡度、坡長與制動(dòng)鼓溫度關(guān)系模型，側(cè)重研究車速對(duì)于制動(dòng)鼓溫度的影響[7].

目前，針對(duì)重載貨車在高速公路長大下坡路段事故高發(fā)的研究并沒有取得突破性進(jìn)展.因此，選取在高速公路交通組成中占較大比例的31 t貨車為試驗(yàn)車型，綜合考慮坡度、坡長、車速、載質(zhì)量、制動(dòng)方式等因素開展制動(dòng)鼓溫度變化研究極具必要性和緊迫性.本文選取‘東風(fēng)大力神重卡DFL3310A10’為試驗(yàn)車型，運(yùn)用汽車動(dòng)力學(xué)理論對(duì)下坡中的貨車進(jìn)行受力分析和力矩分析，根據(jù)熱力學(xué)原理建立制動(dòng)鼓溫升模型，然后選取典型危險(xiǎn)路段進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)，對(duì)理論模型進(jìn)行驗(yàn)證，最后運(yùn)用模型對(duì)重載貨車幾種典型行駛情況定量分析了超載、超速對(duì)行駛安全的影響.

1模型的建立

1.1下坡中貨車的受力分析

貨車在下坡中的受力情況如圖1所示.貨車沿路面方向受力情況為:

mgsinα=Fb+Fw

(1)

式中：G為貨車重力(N)；m為貨車質(zhì)量(kg)；g為

圖1　貨車下坡受力分析Fig.1　Stress analysis of downhill truck

重力加速度(m/s2)；α為坡度(°)；Fb為所有車輪受到的路面摩阻力之和(N)；Fw為空氣阻力(N).

代入(1)得：

(2)

式中：A為貨車迎流面積(m2)；CD為無因次的空氣阻力系數(shù)；ρ為空氣密度(kg/m3)；va為車速(km/h)，忽略風(fēng)速影響.

當(dāng)未對(duì)貨車采取制動(dòng)時(shí)，忽略路面阻力和輪胎側(cè)偏引起的阻力的影響，得：

Fb=fmg=(0.007 6+0.000 056va)mg

(3)

式中：f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，取為0.007 6+0.000 056va[8].

當(dāng)對(duì)貨車采取制動(dòng)時(shí)，由式(2)得：

(4)

1.2力矩分析

相關(guān)研究表明[9]，重載貨車在制動(dòng)過程中，前輪制動(dòng)鼓溫度明顯低于后輪制動(dòng)鼓溫度，且溫度一般都低于200 ℃，處于安全溫度范圍，制動(dòng)效能基本沒有衰減，而后輪制動(dòng)鼓溫度上升幅度較大，溫度較高，制動(dòng)性能容易衰減，故本文只對(duì)后輪制動(dòng)鼓溫度進(jìn)行分析.假定貨車勻速行駛，此時(shí)車輪既做勻速直線運(yùn)動(dòng)又做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)中心為車輪幾何中心，主制動(dòng)器僅產(chǎn)生阻止車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩，所以只分析車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)即可.由后輪力矩平衡方程得：

Fbhrd=M1+M2+M3

(5)

式中：Fbh為所有后輪受到的路面摩阻力(N)；rd為后輪動(dòng)力半徑(m)；M1為所有后輪制動(dòng)器產(chǎn)生的制動(dòng)力矩(N·m)；M2為發(fā)動(dòng)機(jī)及排氣制動(dòng)力矩(N·m)；M3為所有后輪因輪胎遲滯產(chǎn)生的力矩(N·m).

通常汽車前后輪的制動(dòng)力(路面對(duì)車輪的摩阻力)不相等，前輪制動(dòng)力占車輪總制動(dòng)力的百分比稱為制動(dòng)力分配系數(shù)β，故所有后輪受到的路面摩阻力為：

Fbh=(1-β)Fb

(6)

把式(6)和M3=(0.007 6+0.000 056va)m2grd代入式(5)得：

M1=(1-β)Fbrd-M2-(0.007 6+0.000 056va)m2grd

(7)

式中：m2為貨車所有后輪承受的質(zhì)量(kg).

采用‘東風(fēng)大力神重卡DFL3310A10’所配發(fā)動(dòng)機(jī)玉柴YC6M375-33作發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)和排氣制動(dòng)試驗(yàn)，用測功機(jī)測定制動(dòng)力矩獲得數(shù)據(jù)，如表1所示.

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)和排氣制動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在MATLAB軟件中用二次多項(xiàng)式擬合數(shù)據(jù)，擬合結(jié)果如圖2所示.根據(jù)擬合結(jié)果知，當(dāng)采用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)和排氣制動(dòng)時(shí)，

M2′=kn+b

(8)

式中：n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；當(dāng)采用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)k=0.036,b=86.2；當(dāng)采用排氣制動(dòng)時(shí)，k=0.004 9,b=163.4.

圖2　發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與制動(dòng)力矩關(guān)系Fig.2　Relationship between engine speedand brake torque

(9)

式中：ig、io為變速器、主減速器速比；η為傳動(dòng)系效率.

假定貨車有n個(gè)后輪制動(dòng)器，則每個(gè)制動(dòng)器的制動(dòng)力矩為：

(10)

1.3建立模型

根據(jù)熱力學(xué)理論有：

P1′=f1v′

(11)

式中：P1′為制動(dòng)器生熱速率(W)；f1為制動(dòng)蹄與制動(dòng)鼓間的摩擦力(N)；v′為制動(dòng)蹄與制動(dòng)鼓間的相對(duì)速度(m/s)；v為車速(m/s).

(12)

制動(dòng)蹄與制動(dòng)鼓產(chǎn)生的熱95%被制動(dòng)鼓吸收，所以由式(10)、(12)得后輪制動(dòng)鼓吸熱速率為：

(3.6nrr)

(13)

根據(jù)熱力學(xué)原理知由制動(dòng)系統(tǒng)傳出熱量的方式有對(duì)流、輻射和傳導(dǎo)，而對(duì)流散熱是鼓式制動(dòng)器最主要的散熱方式，有關(guān)研究表明[11]， 80%以上的熱量由制動(dòng)鼓的外表面通過對(duì)流傳到周圍的空氣中.對(duì)流熱流量可用下式計(jì)算：

P''=hRA'(T-T∞)

(14)

式中：P''為對(duì)流熱流量(W)；hR為對(duì)流換熱系數(shù)(W/m2·K)；A'為制動(dòng)系統(tǒng)的有效熱傳導(dǎo)面積(m2)；T為制動(dòng)鼓溫度(℃)；T∞為制動(dòng)鼓周圍的環(huán)境溫度(℃).

根據(jù)重型車輛道路試驗(yàn)知[8]：

hR=5.224+1.552 5vae-0.002 778 5va

(15)

把式(14)代入式(13)得：

P''=(5.224+1.552 5vae0.002 778 5va)A'(T-T∞)

(16)

根據(jù)能量守恒方程得到一階線性常微分方程：

(17)

式中：mB為制動(dòng)鼓的質(zhì)量(kg)；cB為制動(dòng)鼓比熱容(與車速無關(guān)的常數(shù)).

對(duì)式(17)求解，得到貨車制動(dòng)器溫升預(yù)測理論模型為

(18)

其中，hR=5.224+1.552 5vae-0.002 778 5va，t為行駛時(shí)間(s),T0為制動(dòng)鼓初始溫度，

2模型的檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)預(yù)測理論模型，選取甘肅省典型連續(xù)大下坡路段—青蘭高速(G22)k 1 857 km～k 1 864 km蘭州市柳溝河路段進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，試驗(yàn)車型為‘東風(fēng)大力神重卡DFL3310A10’.該路段被甘肅省列為十大危險(xiǎn)路段，近年來共發(fā)生事故319起，死亡24人，32人受傷，90%事故因制動(dòng)失效造成，該路段具體指標(biāo)如表2所示.

表2　試驗(yàn)路段部分技術(shù)參數(shù)

2.1試驗(yàn)方法

1)在試驗(yàn)車上安裝并調(diào)試好WHB-500紅外測溫儀和CTM-8C測速儀.

2)把滿載試驗(yàn)車(總質(zhì)量31 t)開至坡頂，讀取制動(dòng)鼓初始溫度及制動(dòng)器周圍環(huán)境溫度，采取發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)與制動(dòng)器制動(dòng)相結(jié)合的方式讓貨車盡可能保持勻速下坡，每到變坡點(diǎn)記錄1次數(shù)據(jù).

3)到達(dá)坡底后，通過出入口返回坡頂.

4)到達(dá)坡頂后，以同樣載荷采取排氣制動(dòng)與制動(dòng)器制動(dòng)相結(jié)合方式勻速下坡，每到變坡點(diǎn)記錄1次數(shù)據(jù)，以研究制動(dòng)方式對(duì)制動(dòng)鼓溫升的影響.

5)給貨車卸掉部分載質(zhì)量，讓貨車再以21 t的總質(zhì)量勻速下坡，速度同(2)，重復(fù)步驟2～4，以研究載質(zhì)量對(duì)制動(dòng)鼓溫升的影響.

2.2數(shù)據(jù)分析

在本次試驗(yàn)中，結(jié)合車型技術(shù)參數(shù)，理論模型中相關(guān)參數(shù)取值如下[12]：g取9.8m/s2,ρ取1.225 8 kg/m3,CD取1，A取8.7 m2,n為4，η取0.85，m2取貨車總重量的90%，β取0.4，rd取0.516 m，rr取0.534 m，A'取0.4 m2,mB取65 kg,T∞實(shí)測值70℃，T0實(shí)測值120 ℃，cB取482 J/(kg·k),hR=95(當(dāng)v取70 km/h時(shí))，ig=1、iv=5.26.

利用MATLAB軟件對(duì)貨車制動(dòng)器溫升情況進(jìn)行預(yù)測并用二次多項(xiàng)式對(duì)預(yù)測數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到如圖3～6所示結(jié)果.由圖3知，相同位置實(shí)測溫度與預(yù)測溫度差值最大值為4，最小值為1，均值為2.14，方差為1.48，最大差值對(duì)應(yīng)點(diǎn)相對(duì)偏差為0.99%.由圖4知，相同位置實(shí)測溫度與預(yù)測溫度差值最大值為4，最小值為1，均值為2.57，方差為1.29，最大差值對(duì)應(yīng)點(diǎn)相對(duì)偏差為0.95%.由圖5知，相同位置實(shí)測溫度與預(yù)測溫度差值最大值為5，最小值為1，均值為2.71，方差為2.24，最大差值對(duì)應(yīng)點(diǎn)相對(duì)偏差為1.22%.由圖6知，相同位置實(shí)測溫度與預(yù)測溫度差值最大值為5，最小值為1，均值為2.57，方差為2.29最大差值對(duì)應(yīng)點(diǎn)相對(duì)偏差為1.23%.通過分析知，預(yù)測數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)較吻合，證明理論模型可行.圖3～4顯示制動(dòng)鼓溫度隨著行駛里程的增加不斷升高，且采用排氣制動(dòng)后溫度升高幅度較發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)小，說明采用排氣制動(dòng)能有效減小制動(dòng)器溫度升高幅度.

圖3　滿載發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)模型預(yù)測與實(shí)測對(duì)比Fig.3　Comparing prediction of full load enginebrake model with measure

圖4　滿載排氣制動(dòng)模型預(yù)測與實(shí)測對(duì)比Fig.4　Comparing prediction of full load exhaustbrake model with measure

圖6　總質(zhì)量21 t排氣制動(dòng)模型預(yù)測與實(shí)測對(duì)比Fig.6　Comparing prediction of 21 t weight exhaustbrake model with measure model withthe measured

3運(yùn)用模型分析重載貨車典型工況

1)超載影響分析.假定行駛車速仍為70 km/h,采用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)，把該車型較為常見的超載載質(zhì)量即總質(zhì)量42 t、52 t代入理論模型，得到如圖7所示結(jié)果.

2)速度影響分析.同樣以該路段為例，假定滿載，總重31 t，將行駛速度80 km/h、總質(zhì)量31 t作為研究條件代入理論模型，得到如圖8所示結(jié)果.

分析圖7知，當(dāng)貨車以42 t總質(zhì)量超載行駛時(shí)，行駛至4 000 m處時(shí)制動(dòng)鼓溫度將達(dá)到200 ℃，制動(dòng)器制動(dòng)效能開始衰減，當(dāng)貨車駛至坡底時(shí)，制動(dòng)器溫度將達(dá)到249 ℃，制動(dòng)效能明顯衰減，嚴(yán)重影響行車安全.如果超載量進(jìn)一步增大，總質(zhì)量達(dá)到52 t,車輛行駛至6 500 m處時(shí)，制動(dòng)鼓溫度達(dá)到260 ℃，根據(jù)相關(guān)研究[7]，制動(dòng)效能嚴(yán)重衰減致使剎車失靈.分析圖8知，試驗(yàn)車在該路段在采用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)或排氣制動(dòng)的條件下以最高速度行駛時(shí)，雖然制動(dòng)鼓溫度相對(duì)較低車速升高幅度比較大，但是行至坡底時(shí)制動(dòng)鼓溫度升至220 ℃，低于制動(dòng)器失效溫度260 ℃，基本能保證安全行駛.

圖7　總質(zhì)量42 t、52 t發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)預(yù)測結(jié)果Fig.7　Results of 42 t and 52 t weight enginebrake prediction

圖8　車速80 km/h預(yù)測結(jié)果Fig.8　Results of 80 km/h speed prediction

4結(jié)論

1)本試驗(yàn)建立了采用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)和排氣制動(dòng)方式條件下的重載貨車制動(dòng)鼓溫升模型，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)對(duì)理論模型進(jìn)行了驗(yàn)證，證明其準(zhǔn)確可行.

2)運(yùn)用模型定量分析了超載、超速對(duì)重載貨車行駛安全的影響，結(jié)果顯示超載對(duì)貨車行駛安全影響較大.該模型可用于高速公路長大下坡危險(xiǎn)路段安全運(yùn)行狀況分析及改善措施研究.

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 3730.1-2001中國汽車和掛車類型的術(shù)語和定義[S].2001

[2]張小東,高建平,孔令旗.高速公路連續(xù)長下坡路段行車安全分析[J].山東交通科技，2005(1):17-19

[3]Bowman B L,Coleman J A.Grade severity rating system[J].Journal of Institute of Transportation Engineers,1990,60(7):19-24

[4]吳景梅,何勇.公路連續(xù)長大下坡安全處置技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2008：42-49

[5]楊宏志,胡慶誼,許金良.高速公路長大下坡路段安全設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2010,10(3):10-16，40

[6]袁偉.鼓式制動(dòng)器溫升計(jì)算模型及其應(yīng)用研究[D].西安：長安大學(xué),2003

[7]雷斌.重載交通高速公路連續(xù)縱坡交通安全保障關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安：長安大學(xué),2013

[8]蘇波.大貨車持續(xù)制動(dòng)性能與山區(qū)高速公路縱坡優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué),2009

[9]周榮貴.公路縱坡坡度與坡長限制的研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué),2004

[10]許洪國.汽車運(yùn)用工程[M].北京:人民交通出版社,2009

[11]劉宗強(qiáng).重型汽車制動(dòng)鼓有限元分析[D].青島：青島理工大學(xué),2011

[12]翟正錕,崔俊杰,李紅梅,等.鵝頸式半掛車車架有限元模態(tài)及諧響應(yīng)分析[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,49(2):160-164

(責(zé)任編輯李辛)

Establishment and application of thermal model for

heavy-loaded truck brake drum

WANG Zhi-xin1,2,YU Qiang1,SONG Qing-yang2,ZHAO Xuan1,SHI Pei-long1

(1.School of Automobile,Chang′an University,Xi′an 710064,China;2.Gansu Traffic Vocational

and Technical College,Lanzhou 730070,China)

Abstract：Aiming at the high incidence of heavy-loaded truck accident in highway long and steep sections,Dongfeng Hercules DFL3310A10 was used as an experimental vehicle to conduct field experiment in typical long and steep dangerous sections based on the vehicle dynamics theory and thermodynamics theory,the thermal model was established for heavy-loaded truck brake drum when using the auxiliary brake and combining with the experiment of engine brake and exhaust brake.The result proved the predictive models feasible.The impact of overloading and speeding on driving safety for heavy-loaded truck were analyzed quantitatively under several typical driving conditions and found analysis was highly consistent with the experimental data.

Key words：heavy-loaded truck;engine brake and exhaust brake;thermal model for brake drum;application

收稿日期：2014-12-05；修回日期：2015-01-04

基金項(xiàng)目：中央高?；饎?chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2013G322402)；甘肅省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(1504FKCA001)；西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目(CX12162)；甘肅省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(甘肅省高速公路突發(fā)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及對(duì)策研究)

中圖分類號(hào)：U 463.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-4315(2015)06-0159-06