客车制动性能优化设计.pdf

2 0 0 7 年第4 期(总第1 8 9 期)农业装备与车辆工程A G R I C U L T U R A LE Q U I P M E N T&V E H I C L EE N G I N E E R I N GN o 42 0 0 7(T o t a l l y1 8 9)客车制动性能优化设计杨柳。钱立军(合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥2 3 0 0 0 9)摘要：根据汽车在制动时的受力分析确定了制动力分配比初值，给出了制动力分配比的极限关系式，并通过对汽车轴间制动力的分配关系的分析建立了以附着利用曲线与理想附着曲线间差值平方和为最小建立目标函数，满足E C E 制动法规为约束条件的数学模型利用M A T L A B 优化工具箱进行了优化，试验结果表明整车具有良好制动稳定性，较高制动效率，制动距离满足国家标准的要求。该方法可用于同类车型的改进设计中，对汽车制动系统设计有一定的指导意义关键词：制动性能；制动力分配比；优化设计：附着效率中图分类号：U 4 6 9 1：U 4 6 1 3文献标识码：A文章编号：1 6 7 3 3 1 4 2(2 0 0 7)0 4 0 0 2 3 0 4O p t i m i z a t i o nD e s i g no nt h eB r a k eP e r f o r m a n c eo fC o a c h e sY A N GL i u Q I A NL i-j u n(S c h o o lo fM a c h i n e r ya n dA u t o m o b i l eE n g i n e e r i n g，H e f e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y，H e f e i2 3 0 0 0 9，C h i n a)A b s t r a c t：A c c o r d i n gt ot h em e c h a n i c a la n a l y s i so ft h ev e h i c l e sd r i v i n g，t h ei n i t i a lv a l u eo fb r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o nr a t i oi sa s c e r-t a i n e d，a n dt h el i m i te q u a t i o no ft h eb r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o nr a t i oi sg i v e n T h ei n f l u e n c eo fb r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o no nb r a k i n gp e r f o r m a n c eo ft h ea u t o m o b i l ei sa n a l y z e d，a n da no p t i m i z a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e dw i t ht h eo b j e c t i v e so fm i n i m a ls u m so fs q u a r eo fd i f f e r e n c eb e t w e e na t t a c h m e n tc u r v ea n di d e ac u r v e，w h i c hi sr e s t r i c t e db yE C Er e g u l a t i o n M A T L A Bo p t i m i z a t i o nt o o l b o xi se m-p l o y e dt oc a r r yo u tt h eo p t i m i z a t i o n T h ee x p e r i m e n tw i t hac o a c hp r o v e st h a tt h em o d e li se f f e c t i v et oi m p r o v eb r a k i n gp e r f o r m a n c eo fc o a c h e sw i t ht h es i m i l a rb r a k i n gs y s t e m T h i ss t u d yi sh e l p f u lt ot h eb r a k i n gs y s t e md e s i g no fv e h i c l e s K e yW o r d s：b r a k i n gp e r f o r m a n c e；b r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o nr a t i o；o p t i m i z i n gd e s i g n；a d h e s i v ee f f i c i e n c y近年，我国的客车事业发展迅速，且随着道路条件的提高和人民生活水平的提高，客车的整体性能都有很大提高。其中制动性能尤为重要，它关系到人民的生命财产安全。目前，国内绝大多数客车装配恒定制动力分配比的制动系统，即前后轴轴间制动力分配比是恒定的。而如何确定轴间制动力分配比是汽车制动系设计的一个重要问题，它直接关系到制动系好坏。本文结合某装有恒定制动力分配比的制动系统的国产客车，对其制动力分配比进行了优化设计。1 汽车制动过程的受力分析1 1 整车模型的建立汽车在水平路面上制动时的受力情况如图1所示。汽车在制动过程中，路面对其作用是通过车轮发生的，因此可以分析车轮在制动过程中的受力，分析载荷在轴间的分配对制动效能的影响。可以把两轴汽车简化为两轮模型，认为同轴左右车轮载荷状况相同。收稿日期：2 0 0 6 1 2 2 6作者简介：杨柳(1 9 8 1 一)，男，硕士研究生，主要研究方向为车辆现代设计。图1 制动时整车受力分析图l 中忽略了汽车的滚动阻力偶矩、空气阻力以及旋转质量减速时产生的惯性力偶矩，分别对前后车轮接地点取力矩。得：=G 6+m 警k2=C a-m-老-i-t 危。(1)(2)由(1)(2)两式可求出路面法向作用力分别为即手(6+争警。)(3)2=等沁等警。)(4)2 3 万方数据2 0 0 7 年第4 期农业装备与车辆工程式中，、，一分别为路面对前后车轮的法向作用力：G 一汽车重力：r 重力加速度，取9 8 m s。；a,b 一分别为质心至前后轴中心线的距离；m 一汽车质量：掣一汽车减速度；口舌。一汽车质心高度。1 2 制动器制动力行车制动采用型双回路气压制动系。制动器制动力B 为既=p S K r l B F lr 倡(5)式中，P 一制动器气室气压，可由试验测得；5 一制动器气室膜片工作面积：K 一力传动比：曰E 一制动器效能因数，i 分别取左前轮、右前轮、左后轮、右后轮；卜一制动盘作用半径；R 一车轮有效半径；矿一制动器工作效率，一般取0 8 5。2 制动力分配比的确定2 1 制动力分配比初值的确定由(5)式的制动器的输出制动力只。，可得出各轴的制动力t。前和只。后，由此可以得出各轴制动力分配比口的初值为肛蒜蘸(6)2 2 直线制动的最佳制动力分配设汽车前轮刚要抱死或汽车前后轮同时刚要抱死的减速度为石d u=zg，其中z 为制动强度。则气前=吃前印争警帮Gz(7)联立(3)(4)式，分别得到前后轴利用附着系数为竹鲁2 菇葛舻等2 再(1-3)万z前后轴的附着效率为2 4 耳=生=了磐(1 0 2 虿2 瓦瓦万u wE r=嘉2 瓦两a 而L 万L(1 1)哆(1 书)+妒r 。”式中，z 一制动强度：鼽、妒，一分别为前后轮利用附着系数。由于后轮先抱死容易发生后轴侧滑，是一种不稳定工况，故舛9 9，由(8)(9)式可以得出制动力分配比的极限关系为(1+哮一妒亡)届锄争+妒彘)(1 2)式中，z 耐。整车应达到的最小制动强度。利用这一不等式，可以确定0 2(湿滑路面)9 0 8(干燥路面)的极限条件下，满载及空载工况下制动力分配比的容许范围。当转弯制动时，作用在汽车质心的离心力将引起额外的载荷转移导致外侧车轮上的法向反力增大。此外，车轮还必然会产生一个横向力，从而使可供制动利用的附着力减少。因此，制动力分配比的最终确定。要由车辆的预定性能决定。3 优化建模3 1 目标函数附着系数p 在制动减速度系数(z=O 2 0 8)范围内应尽可能接近防止车轮抱死需要的附着系数妒=z 时，此时地面的附着条件发挥得越充分，而汽车轴间制动力分配为最佳。又由于汽车满载与空载使用的概率不同，故在实际设计时可以分别在满载与空载的利用附着系数与制动强度的差值平方和前乘以相应的权值。所以，当制动强度Z 在0 2 0 8 范围变化时，每隔0 0 1 取一个z 值。根据汽车空载和满载前、后轴实际附着系数，利用曲线与理想线间差值平方和为最小建立目标函数，即m i n i-嚷训2 嘶。)2 1+(1 一训)薹(盼空，)2+(心i)2(1 3)式中W 一满载工况加权值，即满载工况使用频率系数。3 2 约束条件由于汽车在任何载荷情况下都要满足E C E 制 万方数据杨柳等：客车制动性能优化设计2 0 0 7 年4 月动法规要求。我们研究的客车属于M、。类以外车辆，E C E 制动法规对这类汽车制动力分配要求如下：(1)对于附着系数妒在O 2 0 8 之间的各种车辆都必须满足石0 1+0 8 5(妒一0 2)；(2)X g 于制动强度：在0 1 5 0 3 之间，各车轴的附着系数利用曲线必须位于妒+0 0 8 和p 一0 0 8确定的两条平行于理想附着系数利用曲线的平行直线之间：(3)对于制动强度z 0 3，后轴附着系数利用曲线必须满足妒(z-O 0 1 8 8)0 7 4；由此建立约束条件如下：g l _(矿等)o 崦札。o：(矿黑磐)叫。o2L 竹一百蕊一，o 尽删用鼍u=(三一0 0 8 一驴，)o1 5：o 3 09 4=(z 一0 0 8 一竹)0 1 5；辄3 O岛=(吼唁一0 0 8)o 1 5。瓠3 0=(野心一0 0 8)0 1 5：0 3 0岛=(紫)舢，o(1 4)(1 5)(1 6)(1 7)(1 8)(1 9)(2 0)至此已完成了制动力分配比优化设计的全部建模。4 优化设计以某一行车制动采用气压驱动盘式制动器、型双回路布置的客车为例，进行制动力分配的优化设计计算，该客车的原始数据见表1 所列。该车采用恒定制动力分配系数，要求优化后必须满足制动法规对制动稳定性和制动距离要求。表1 客车原始数据根据上述数学模型建立，利用这些数学模型相互之间的联系根据文中的方法对该客车的制动力分配进行优化设计计算。本文采用的是美国M a t hW o r k s 公司出品的用于科学计算的M a t l a b 软件，利用所提供的在M a t l a b 环境下运行的最优化工具箱来求解在约束条件下的最优化问题。求解得出：(1)当w=O 5 时，目标函数取得最小值m i n f-0 1 9 8 8 1 1，所对应的制动力分配比3=o 4 5 2；(2)当w=O 7 5 时，目标函数取得最小值m i n f=0 1 9 3 9 1 7 所对应的制动力分配比3=0 4 6 8；(3)当w=l 时目标函数取得最小值r a i n f=0 1 4 4 3 6 1 所对应的制动力分配比3=o 4 7 2；考虑到客车在满载工况下工作的概率大于在空载工况下工作的概率，故该客车制动力分配比卢取0 4 7 是最合理的。5 改进制动力分配比后制动性能分析5 1 制动稳定性满载和空载工况下同步附着系数由(2 1)式确定妒。：掣(2 1)仫经计算满载和空载工况下同步附着系数分别为妒。满=0，6 9 8，妒。空=0 8 3 0。由汽车理论关于制动稳定性的描述可知，该车优化后在绝大多数路面(道路附着系数为0 2 0 7)行驶，无论满载还是空载工况，均能满足制动时前轮比后轮先抱死，是一种稳定工况。5 2 制动附着效率制动附着效率描述了地面附着条件的利用程度。当制动力分配比口为0 4 7 时满载和空载工况在各种制动强度下的附着效率见表2。表2 整车制动附着效率()制动强度0 20 30 40 50 6o 70 8附着效率(满载)7 9，2 48 2 6 9 8 6 4 59 0 5 79 5 1 09 9 9 49 7 2 6附着效率(空载)7 5 8 17 8 4 5 8 1 2 8 8 4 3 2 8 7 5 9 9 1 1 3 9 4 9 75 3 制动距离汽车制动能达到的最大减速度血。可由(2 2)式、(2 3)式和(2 4)式计算当前轮先抱死(9 妒。)=鲤一g(23max)2一(1-3)L+妒hLJ当前后轮同时抱死(9=)。=妒g(2 4)制动距离S 可由(2 5)式计算2 5 万方数据2 0 0 7 年第4 期农业装备与车辆工程s 2 击(T 2 t-t-手)+焘(2 5)式中，s 一汽车制动距离：妒一道路附着系数；丁：7、丁。”一分别为制动反应时间和减速度上升时间，丁2+取o 4；秽一汽车制动初速度，单位k m h；汽车在附着系数D 为O 7 的道路以3 0k m h 的初速度制动的最大制动减速度。和制动距离s 的计算如下所列：在满载工况，由于同步附着系数9。满为0 6 9 8大于道路附着系数9，故制动时后轮先抱死。最大制动减速度。圳蔺由(2 3)式可得：血b m a x=咝一g=6 8 5 m s(2 6)(1-f 1)L5。+(p h2 0 LJ制动距离s 满由(2 5)式可得：一，2s 满2 去(7 2t+等)秽+悫=訾等+丽3 0=8-4 0 m(2 7)一；：石一十j 曩j 元五五；：百丁一o 叶u 1二77在空载工况由于同步附着系数6 0 0 为O 8 3 0大于道路附着系数9，故制动时前轮先抱死。最大制动减速度空由(2 2)式可得：(D“扩赢g=丽203丽0丽798=625m04 7 x 60 8 07 x O98 2(2 8)一。制动距离s 空由(2 5)式可得：s 空=击亿每灿忐：訾盟+丽3036_ 8 8 8 m(2 9)。2 5 9 2 6 2 5“。经(2 7)式和(2 9)式核算，汽车在满载和空载工况下的制动距离分别为8 4 0 m 和8 8 8 m，完全满足制动法规对制动距离的要求。综合上述分析，制动力分配比优化后无论制动稳定性还是制动距离都能达到制动法规要求且在各种制动强度下制动附着效率都较高。6 结束语客车装有恒定制动力分配比的制动系在设计时一定要寻求合理的制动力轴间分配，这样才能使整车的制动性能达到制动法规的要求。本文提出的制动性优化模型以制动性能满足制动法规为前提求得使满载和空载制动效率加权均值最大制动力分配比，经试验验证可用于同类车型的改进设计中。将模型的约束条件按照制动法规对其他车型的要求改写后，也可用于相应车型的制动性优化设计。参考文献 1 汪文国农用运输车制动系优化设计与仿真计算D 农业机械学报，1 9 9 8，1 4(1)：1 0 8-1 1 1 2 宋景芬汽车制动力轴间分配及惯性制动力调节阀研究 D 武汉：武汉汽车工业大学研究生部，1 9 9 2 3 鲁道夫L 汽车制动系统的分析与设计 M 张蔚林，陈名智译北京：机械工业出版1 9 8 5 9 4-1 7 7 4 刘惟信汽车设计 M 北京：清华大学出版社，2 0 0 1 6 8 5 6 9 0 5 G o e h r i n gE，W o l s d o r fP，y o nG l a s n e rECE v a l u a t i o no ft h eb r a k ef o r c ed i s t r i b u t i o na n di t si n f l u e n c eo nt h eb r a k i n gp e r f o r m a n c eo fl i g h tc o m m e r c i a lv e h i c l e s R S AEP a p e r，8 0 0 5 2 3 1 1 0 6 孟树兴汽车轴间制动力分配优化设计与制动性能计算机仿真研究 D 合肥：合肥工业大学机械与A-g 学院，2 0 0 3 7 余志生汽车m m M 北京：机械工业出版社，2 0 0 0 6 8-9 7 8 林金木，雷桂元同步m；C r 系数的优化 J 湖南大学学报，1 9 9 7，(2)江苏研制出油菜机械化收割机一台油菜收割机在田间来回穿梭，将油菜吞人机器中。被碾碎的油菜秸秆均匀地撒在田间干净的油菜籽落人袋中，这是机械化收割油菜的场景。长期以来。由于油菜收割一直依赖人工不仅费时、费力，而且易造成不必要的浪费。2 0 0 1 年，镇江市农机部门、江苏大学和丹阳市沃得集团联合研制，2 6 开发生产了油菜收割机。油菜机械收割一般在油菜籽九成熟后进行此时油菜产量和出油率均能增加2 并能将人工只能在八成熟时收割所造成的1 0 一2 0 的浪费率控制在8 以内，同时该机还可用来机收三麦、水稻以及大豆。该机2 0 0 7 年享受江苏财政农机购置补贴。万方数据客车制动性能优化设计客车制动性能优化设计作者：杨柳，钱立军，YANG Liu，QIAN Li-jun作者单位：合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽,合肥,230009刊名：农业装备与车辆工程英文刊名：AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING年，卷(期)：2007(4)被引用次数：3次 参考文献(8条)参考文献(8条)1.汪文国 农用运输车制动系优化设计与仿真计算期刊论文-农业机械学报 1998(01)2.宋景芬 汽车制动力轴间分配及惯性制动力调节阀研究学位论文 19923.鲁道夫 L;张蔚林;陈名智 汽车制动系统的分析与设计 19854.刘惟信 汽车设计 20015.Goehring E;Wolsdorf P;von Glasner E C Evaluation of the brake force distribution and its influenceon the braking performance of light commercial vehiclesSA E Paper,8005236.孟树兴 汽车轴间制动力分配优化设计与制动性能计算机仿真研究学位论文 20037.余志生 汽车理论 20008.林金木;雷桂元 同步附着系数的优化 1997(02)本文读者也读过(7条)本文读者也读过(7条)1.吴利军.冯国胜.任杰 轻型货车制动性能优化设计期刊论文-现代机械2003(1)2.王宣锋.应国增.黄朝胜.Wang Xuanfeng.Ying Guozeng.Huang Chauosheng 某微型客车制动力分配优化设计期刊论文-汽车技术2009(9)3.胡宗梅.李骏 客车制动力分配比优化设计与计算期刊论文-公路与汽运2008(4)4.姜涛 小型车辆转向制动工况下基于车轮侧向受力的制动力分配优化期刊论文-计算机辅助工程2006,15(z1)5.孟树兴 汽车轴间制动力分配优化设计与制动性能计算机仿真研究学位论文20036.陈瑜 类菱形车行车制动性能研究学位论文20107.王亚晴.张代胜.沈国清.WANG Ya-qing.ZHANG Dai-sheng.SHEN Guo-qing 汽车制动力分配比的优化设计与仿真计算期刊论文-合肥工业大学学报（自然科学版）2005,28(11)引证文献(3条)引证文献(3条)1.薛美儒.薛强.周良生.卫晓军 惯性制动全挂车与牵引车制动力分配优化设计期刊论文-天津科技大学学报2011(3)2.王仁亮.黄虎.刘新田.陈小评 大客车制动管路布置与制动性能分析期刊论文-上海工程技术大学学报 2008(4)3.胡宗梅.李骏 客车制动力分配比优化设计与计算期刊论文-公路与汽运 2008(4)本文链接：