（机械工程专业论文）液压制动感载阀开发及整车应用研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 合理的制动力分配，能使汽车在制动时充分地利用地面附着系数，并保持方向稳 定性。而汽车上采用液压制动感载阀，就能使制动力分配比始终处于合理的范围内， 有效地避免制动侧滑和甩尾等现象，提高其制动性能，且生产成本较低。 本文对液压制动感载阀的开发及应用研究，旨在提高整车的制动安全性，使整 车满足强制性制动法规g b l 2 6 7 6 的要求。研究涉及液压制动感载阀结构设计，仿真 计算，如何更加合理将感载阀匹配在整车中，以及性能试验检测方法。 与传统的制动力分配装置( 如限压阀、惯性阀) 相比，本文新设计的制动感载 阀能使整车制动力分配比随载荷的变化而变化，充分地利用地面附着系数；且具有 安全保护特性，即前回路失效时，有效保护后回路的安全。 本文运用汽车整车制动动力学，嵌入了所开发的制动感载阀特性，边界条件和 初始条件，同时引入了应用广泛的纵向附着系数随车速变化的轮胎模型，建立了汽 车制动动力学的仿真模型。运用m a t l a b 软件，对空载、满载有无感载阀状况下的 制动过程进行仿真计算和分析。 对感载阀的工作特性、密封性、耐压性、安全特性、高低温耐久性等试验方法 进行了研究。性能试验结果与设计要求相符。 对感载阀进行了整车匹配并进行了道路试验，无侧滑现象，制动距离明显缩短， 制动性能得到提高。验证了所开发的液压感载阀的正确性和合理性。 关键词：制动力分配感载阀地面附着系数制动性能 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t har e a s o n a b l ed i s t r i b u t i o no fb r a k i n gf o r c e ，t h ev e h i c l ec a nm a k eu s eo fg r o u n d a d h e s i o nc o e f f i c i e n ta n dk e e pd i r e c t i o ns t a b i l i t y i ti sa d o p t i n gt h eh y d r a u l i cb r a k i n g l o a d - s e n s i n gv a l v et h a tn o to n l yc a nm a k eb r a k i n gr a t i oi nar e a s o n a b l es c o p et oa v o i d p h e n o m e n o no fb r a k i n gs i d e s l i p ，j i l t i n gt a i l ，a n di m p r o v et h eb r a k i n gp e r f o r m a n c e ，b u t a l s om a k ep r o d u c tc o s tl o w e r f o rt h es a k eo fm a k i n gt h ev e h i c l em e e tt h ec o m p u l s o r yb r a k el a w - g b l 2 6 7 6 ，a n d a d v a n c i n gi t sb r a k i n gs e c u r i t y , t h eh y d r a u l i cb r a k i n gl o a d - s e n s i n gv a l v ei sd e v e l o p e da n d r e s e a r c h e di n t h i s p a p e r ，w h i c hi n c l u d e s i t ss t m c t u r ed e s i g n ，s i m u l a t i o n ，h o wt ob e m a t c h e dt ot h ev e h i c l ei nr e a s o n a n dh o wt ob et e s t e d & e x a m i n e di n b r a k i n g p e r f o r m a n c e s i nc o m p a r ew i t ht r a d i t i o n a lb r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o nv a l v e ( s u c ha sp r e s s u r el i m i t e d v a l v e ，i n e r t i av a l v e ) ，t h eh y d r a u l i cb r a k i n gl o a d - s e n s i n gv a l v er e d e s i g n e di nt h ep a p e rn o t o n l yc a nm a k 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 ov a r ya l o n gw i t hl o a d ，a n df u l l ym a k eu s eo f t h eg r o u n da d h e s i o nc o e f f i c i e n t ，b u ta l s oh a v ep r o t e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c - - - i ft h ef r o n tc i r c u i t f a i l e d ，i tw o u l dp r o t e c tt h er e a ri ne f f e c t i nt h i sp a p e r , v e h i c l eb r a k i n gd y n a m i c sb e i n ga p p l i e d ，s p e c i a lc h a r a c t e r i s t i co f b r a k i n gl o a d s e n s i n gv a l v e ，b o u n d a r yc o n d i t i o n s ，o r i g i n a lc o n d i t i o n s ，a n dt i r em o d e l a p p l i e de x t e n s i v e l yw h o s el o n g i t u d i n a lf r i c t i o nc o e f f i c i e n tc h a n g e dw i t ht h es p e e do ft h e v e h i c l ea r ec h a n g e d ，a n das i m u l a t i o nm o d e lo ft h ea u t o m o b i l eb r a k i n gd y n a m i c si s e s t a b l i s h e d u s i n gt h es o f t w a r eo fm a t l a b ，ac o m p a r e dc a l c u l a t i o na n da n a l y s i sa r e c o m p l e t e di nt h ec a s eo fe m p t yl o a da n dt o t a ll o a dw i t ho rw i t h o u tt h ev a l v e r e s e a r c ht h em e t h o d so fe x p e r i m e n t a t i o no ft h ev a l v e sc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s w o r k i n g ，a i r p r o o f , p r e s s u r er e s i s t a n c e ，s a f e t yp r o t e c t i o n ，h i g ha n dl o wt e m p e r a t u r e d u r a b i l i t y , r e s u l ta r ee l i g i b l e i nt h ec o m p l e t ev e h i c l er o a dt e s t ，n o s i d e s l i ph a p p e n e da n db r a k i n gd i s t a n c ei s s h o r t e ri ne v i d e n c e ，w h i c hv a l i d a t et h ec o r r e c t n e s sa n dr a t i o n a l i t yo ft h ev a l v e k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o no fb r a k i n gf o r c e b r a k i n gl o a d s e n s i n gv a l v e r o a df r i c t i o n c o e f f i c i e n tb r a k ep e r f o r m a n c e 独创性说明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：舅逭 同期：7 一f 年，o 月? 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密百。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名 舅宠 h 期：埘年，d 月；，日 指导教师签名：j 毛够护哆 f 1 期：财年r o 月3i 闩 华中科技大学硕士学位论文 1 1 液压制动感载阀开发背景 1 绪言 随着汽车工业的迅速发展，汽车已经成为快速、高效的陆地交通运输工具，使 用越来越广泛，汽车安全性能也引起人们普遍重视，尤其是制动系统安全性，它是 汽车最基本、最重要的主动安全保障装置，对汽车的制动系统不但要求耐久可靠， 而且要有良好的性能即应在尽可能短的距离内将车速降低到最小值，制动时应保持 方向稳定，不产生侧滑、甩尾、跑偏等现象。制动跑偏的产生除了悬架系与转向系 运动干涉及零部件制造质量外，一般是左右制动力不等造成，通过调整基本能解决 “。 本课题着重研究的是如何通过合理的制动力分配，解决制动侧滑和甩尾的问题。由 汽车理论可知，在制动时随着车轮滑移率的增大，它与地面之间的横向附着系数相应 逐渐降低，当车轮完全抱死拖滑时，横向附着系数将会降低到接近于零，此时只要 受到较小的横向力干扰，作用到汽车上的横向合力就会大于零，使汽车产生不可控 制的横向加速运动，从而使汽车偏离控制的运动方向心1 。汽车产生制动侧滑、甩尾就 是指：在制动过程中，当某一轴的车轮或全部车轮抱死拖滑时，汽车受到侧向力干 扰后( 如侧向风、路面横向坡、两侧地面附着系数有差异等) 不可控制地改变行使 方向，偏离正常运行轨迹的现象。如果前轮抱死过早，汽车会完全失去转向能力， 同时容易发生前轴侧滑现象；如果后桥报死过早，驾驶员根本无法控制，极易发生 甩尾现象。通过力学和运动学分析可知，前轴侧滑是一种稳态运动；而后桥甩尾是 非稳态运动，它有自加剧偏离正常运动方向的能力，如果处置不当，极易引起自动 调头甚至翻车等重大事故。因此为了避免后轮侧滑，应使前后轮制动到最佳程度而 不过早抱死，即前、后轮的制动力按前、后轮的实际附着力的比值进行分配。 然而，在实际使用过程中，前、后轮实际附着力的比值受多方面因素的影响， 并非固定值。如对载货汽车来说，满载与空载时，前、后轴载荷量比例的变化就很 大：制动时由于惯性力作用，前轮载荷加大，后轮载荷减小，即发生轴荷转移使 华中科技大学硕士学位论文 得前、后轮垂直载荷比值( 即前、后轮附着力比值) 有较大变化。对于重心高、轴 距短的轻型车，轴荷转移变化更大。目前大部分汽车前、后轮制动器的制动力比值 设计成定值，很难同时满足空、满载时制动力分配的合理要求。 如果认为某一给定的车辆由于采用制动力固定式分配制动系统，车辆在车轮抱 死前所能产生的减速度不足，那么可以采用制动力可变比例分配系统，可变比例制 动的目的是使车辆在宽广的载荷和路面条件，包括夏季和大部分冬季的行车条件下， 制动效能接近1 旧1 。感载阀的采用就能做到这一点，通过感载装置调节制动力分配比， 可使制动力分配比根据载荷的变化始终处于合理的范围内，使实际制动力接近于动 态制动力。合理的制动力分配，能够较好地确定车轮抱死顺序，在很大程度上避免 发生制动侧滑、甩尾、转向失控等现象。 我国的强制性法规g b l 2 6 7 6 1 9 9 9 汽车制动系统结构、性能和试验方法中， 对各类汽车制动力的分配也作了要求，对于现在生产及使用的双轴汽车来说，不加 装制动力调节装置，有相当数量的汽车不能达到制动法规提出的要求。 由于汽车的前、后制动力分配比例为固定值时很难满足法规要求，为此一般的 改善措施是在前后制动器参数已定的条件下，设法调节前后制动管路工作压力的比 值，使汽车在制动时的路面附着系数利用率始终保持在合理的范围内，具有合理的 车轮抱死顺序，从而提高总体制动能力和制动稳定性 4 30 通常采用固定比例分配的 比例阀。实际上这种方案，虽然能够解决车轮合理抱死顺序的阀题，且结构较简单， 但不能随制动轻重程度及轴荷变化来改变前后轮制动液压的比例，因此也就无法使 前、后轮制动力的分配比根据实际工况而合理的随动调节。在多数情况下，使路面 附着系数不能得到充分利用，在一定程度上影响了制动效能。它的另一个致命弱点 是无失效保护，若前回路失效时，后回路制动液压仍保持原来压力，限制了后桥制 动器制动力的充分发挥。因此，对应急制动的性能有较大的不良影响。往往使汽车 难以满足应急制动要求。开发种感载阀，使汽车制动力分配比与实际动态制动力相 符是必要的。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 国内外研究概况及预测 为了提高汽车主动安全性，保证汽车制动时的方向稳定性和有足够的附着效率， 国外对各类车型制动力分配早有要求，1 9 6 9 年5 月联合国欧洲经济委员会首次出版， ( e c e ) 第1 3 号法规关于m 、n 、o 类机动车制动的统一规定，对汽车制动性能有 具体要求。1 9 7 3 年1 2 月e c e 第1 3 号法规进行了修订，增加了附件1 0 巧3 ，制动力 在车轴( 桥) 之间的分配，不仅对轿车，而且对货车在各种附着路面上制动力分配 也有具体要求。各类车型上只有装备了a b s 及制动力分配调节装置，才能满足要求。 欧美国家在六十年代设计感载阀，早期的感载阀即为制动力调节阀，如减压阀、制 动力限压阀、比例阀、惯性阀等，这些阀的特点使制动力成为可变比例分配，由于 卡车载荷分布变化大，并不能有效发挥制动效能哺3 。 随着汽车行驶速度的增加及人们对安全性的要求越来越高，国外已开始将用于 飞机上的a b s 用于汽车上，有代替制动调节阀的趋势。6 0 年代末，7 0 年代初，美 国三大汽车公司都分别推出了装有a b s 的高级轿车。但受当时技术水平的限制，a b s 采用了模拟计算机与真空作用的压力调节器，动作速度很慢，控制精度低。装有a b s 的汽车在良好的路面上制动时确实提高了汽车制动稳定性，但在不好的路面上制动 时，其制动距离比不装a b s 的情况下汽车制动距离还要长，加上其它的一些原因， 如a b s 的体积、重量大，价格高，销量很有限。美国汽车制造厂家终于在7 0 年代 术停止了a b s 轿车的生产o ”。 然而，感载阀的研究并没有中断，加之a b s 的停用，感载阀的研究又出现新的 进展。2 0 世纪8 0 年代，欧美国家开发了感载阀f 称为l o a d o rs u s p e n s i o nh e i g h t s e n s i t i v e p r o p o r t i o n i n g v a l v e l b 3 ，其同步附着系数拐点随着车辆载荷和减速度的变化而成比例 地移动，那么可以使这种制动力分配阀在各种不同的载荷条件和减速度水平下都更 为有效。感载阀的作用和固定拐点式可变比例分配阀相似，只是它装了一个附加机 构，可以使阶梯形活塞上的作用力随着车轴载荷而变化。其拐点位置的改变与阶梯 彤活塞上的作用力成正比。由于车轴载荷是车轴的静载荷和动载荷的函数，因此， 拐点位置对载荷和载荷分布，以及减速度水平是敏感的。阶梯形活塞上的作用力的 华中科技大学硕士学位论文 改变，是由装在车身与车轴之间的可调杆系来实现。液压制动系统的制动管路压力 调节阀常常与其他阀门联成一体，一般称为组合阀。大多数组合阀具有三个功能： 起制动力调节器的作用；减小通往前轮盘式制动器的管路压力，直到后轮管路压力 克服后轮鼓式制动器回位弹簧的拉力为止；如果在制动系统中发生液压渗漏，则使 一个开关致动。绝大多数组合阀设计成可以在前轴制动管路发生故障的情况下使可 变比例分配阀旁路。这一特性对于前轮制动器发生故障时，后轮制动器还可提供足 够大的制动力是很有必要的。这种阀在八十年代初至八十年代术被广泛采用。 欧美国家在九十年代以前装用制动力调节阀、感载阀较为普遍，九十年代以后 逐渐被a b s 及电动制动力分配装置( e b d ) 所取代哺1 。在日本，装用制动力调节装 置、感载阀的车辆较为广泛，至今仍然如此凹3 。国外为满足法规要求，都进行了大 量的研究工作，并使产品走向成熟和完善。 与汽车工业发达国家相比较，国内这方面起步较晚，1 9 8 9 年我国颁布第一部制 动法规z bt 2 40 0 7 8 9 汽车制动系结构、性能及试验方法，内容大幅度地参照国 际法规e c e r l 3 ，但未作为强制性制动法规。国内八十年代中期开发了限压阀，当压 力达到一定值时，使管路压力保持不变。并未引起人们关注，整车中使用较少。 九十年代以前自行开发的车辆几乎没有加装制动力分配调节装置，少量引进车 型上安装了这些装置，如1 9 8 9 年北京汽车厂，引进克莱斯勒技术生产的切诺基吉普 车采用了比例阀 1 0 i1 9 9 2 年东风公司引进的雪铁龙轿车也安装了比例阀。重型货车 斯泰尔、f 1 产柴n i s s a n 载货汽车上装备了气制动感载阀f 1 1 。中型及轻型车使用感载 阀或其他制动力调节装置寥寥无几。 国内在1 9 9 9 年颁布了g b l 2 6 7 6 1 9 9 9 汽车制动系统结构、性能和试验方法作 为强制性制动法规，g b l 2 6 7 6 内容在技术上是等效采用e c e 第1 3 号法规，g b l 2 6 7 6 附录a 对二轴汽车制动力分配作出要求：制动强度在不同附着系数下应满足相应的 制动强度范围要求 1 2 o 另外，国内2 0 0 3 年颁布的g b 厂r1 3 5 9 4 2 0 0 3 机动车及挂车制动防抱系统性能 要求和试验方法中规定：装备防抱系统的机动车辆，其防抱系统的控制模式装置 切断或改变后，必须满足g b1 2 6 7 6 1 9 9 9 附录a 的全部有关要求“”。 华中科技大学硕士学位论文 从满足国家有关法规、标准，提高汽车行使安全性的角度出发，装用a b s 及e b d 装置是最为彻底的解决办法。然而，结合我国经济及汽车技术发展的实际，由于a b s 技术在我国还处于起步阶段，而且需要较长的研究周期和高昂的研究成本，研制生 产山来的产品售价很高，是感载阀的价格二十倍左右，进口产品更是居高不下，在 一般载货汽车特别是普通轻型载货汽车上装用，会使汽车的销售价格明显升高，这 在我国目前的市场上还不能得到多数用户的认可，故而在普通汽车上普遍装用a b s 还不现实。然而，研究装用制动力调节装置感载阀就是最为现实可行的措施。 一般情况下，对于轴距较长的气制动车型可通过调整前后制动器调整臂及气室 有效面积来满足制动力分配的要求，若调整零件参数要加大制造成本，或由于整车 参数原因，仅靠调整零件参数根本无法满足要求n ”，这种车型均需采用气制动感载 阀或减压阀；对于轿车多采用比例阀；对于液压制动轻型车或皮卡车均采用液压制 动感载阀。 1 3 本文研究内容 国内采用的液压制动调节阀有：惯性比例阀、辐射式比例阀、感载限压阀、比 例分配阀等，均按固定比例输出，无安全保护装置。本课题需要设计一种具有保护 装置、能根据载荷变化调节整车制动力分配比的感载阀，安装在整车上能有效改善 整车制动性能。 新开发的液压制动感载阀为了达到能够根据整车载荷变化进行制动力调节的目 的，该感载阀总成必须安装在车架纵梁的支架上，感载阀弹簧固定支架需要焊接在 后桥桥壳上，感载阀通过感载弹簧、安装支架与后桥、车架建立联系。空载时感载 阀输出油压在阀门开度控制下，输出油压较低，仅适用于空载状况，当整车载荷变 化时，车架与后桥相对位置发生变化，钢板弹簧挠度变化时感载弹簧相应发生变化， 感载阀在感载弹簧作用下，输出油压得到改变，即后回路制动管路油压得到改变， 达到调节制动器制动力的目的。 本文通过对汽车制动过程的全面分析，充分考虑影响制动性能的各种因素，以及 制动感载阀在制动过程中所起的作用，运用整车动力学模型、轮胎与路面纵向附着 华中科技大学硕士学位论文 系数模型及带液压制动感载阀制动系模型，应用m a t l a b 软件编写计算程序，进行制 动过程仿真计算，给出一种关于车轮抱死前与抱死后汽车制动性能的计算方法，通过 仿真计算，对装用液压感载阀前后的整车制动性能进行对比分析，从理论上分析整 车制动力分配合理性和整车制动系设计的合理性。使整车制动力分配更加合理，以 适应各种路面附着系数阻列，从而制动力分配比满足法规要求。 新设计的液压制动感载阀能使前后制动管路工作压力比值随汽车前后垂直载荷 的变化而变化，使得汽车在各种路面条件及各种工况下，均能保证汽车随动性具有 合理的制动力分配，从而拥有较高的附着系数利用率，最终达到同时提高整车制动 效能及制动稳定性的耳的。这种感载阀还具有失效保护装置，若前回路失效，后回 路的输出压力就会自动解除约束，恢复到与输入压力相等。当后回路失效时，前回 路的工作状况不受任何影响，从而满足应急制动要求。 感载阀的使用可提供整车了以下优点：1 制动距离缩短；2 减少轮胎磨损；3 可 改善车轮抱死顺序和车辆的稳定性；4 减轻驾驶员的疲劳。从技术上来说，采用感载 式制动力调节装置，在一般情况下就能够较好地使整车制动力分配满足安全和标准 要求，与a b s 和e b d 相比，又具有成本非常低的优点，十分适合我国现阶段轻型 商用使用的产品。国内其他大型汽车生产厂家为了提高产品竞争力、满足国家法规 要求，也会相继研究并装用类似产品。根据我国经济和汽车技术发展的现状，这种 产品在我国载货汽车上应该具有广泛的前景。 新型液压制动感载阀的开发，不但可以极大地提高东风轻型液压制动载货汽车 的整车制动性能，为东风公司轻型载货汽车制动性能全面达标铺平道路，而且能填 补东风公司液压制动汽车无制动力调节装置这项空白，提高东风汽车的性价比和汽 车的行使安全性，增强市场竞争力。 华中科技大学硕士学位论文 2 整车制动动力学理论模型 汽车制动过程是一个工况复杂的多因素综合作用过程，表现出一定的不确定性和 无规律的重复性，用常规方法较难预测汽车在行驶中的制动性能，运用现代设计方法 ( 如计算机模拟计算) 可以在设计初步阶段对汽车制动性能进行计算分析n “，从而提高 设计效率及改善整车制动性能，数学模型是计算机模拟计算的基础，进行汽车制动性 能模拟计算，关键是建立数学模型，包括整车动力学模型、轮胎与路面纵向附着系数模 型及制动系模型”。本研究在建模时遵循以下假设： ( 1 ) 不考虑驾驶员反应时间，制动时间从驾驶员踩下制动踏板时计算。 ( 2 ) 汽车在水平路面上直线行驶，不考虑坡道阻力、侧偏角和外倾角的影响。 ( 3 )不考虑汽车的侧倾运动，假设左、右轮悬架和轮胎受力状况相同 1 8 o 2 1 整车制动时的动力学分析 汽车在制动过程中所受的外力包括：地面制动力、滚动阻力、坡道阻力、空气 阻力和汽车惯性力，其中惯性力包括平移质量引得惯性力和旋转质量引起的惯性力 矩h 朝。遵循以上假设，另外不考虑制动时车轮边滚边滑的过程，附着系数取定值。 2 1 1 整车制动模型 图2 - 1 整车及前、后轴受力分析图 华中科技大学硕士学位论文 汽车制动时整车和前、后轴的受力分析如图2 - 1 所示，通过汽车制动时的整车受 力情况分析，可知汽车制动时的行驶方程为啪1 r f lv = f x b ，+ f x b ，+ f w ( 2 1 ) 式中 m 汽车质量，k ； v 汽车减速度，m s 2 ； 汽车前轮地面制动力，n ； f x 。：汽车后轮地面制动力，n ； f w 空气阻力，n ； 分别对汽车前后轮接地点取矩，可得方程组为 r f z 2 l + 2 ( 1 + d 1 ) j l ( - 0 1 + 2 ( 1 + d 2 ) j 20 5 2 + f j hg ；f o h + ga + m 1 + m 2 f z l + f h + m l + m2 = g b + 2 ( 1 + d 1 ) j 16 9 1 + 2 ( 1 + d 2 ) j 2c o2 + f j h g ( 2 - 2 ) 式中i - 一汽车轴距，m ；e 一汽车总重，n ： e 惯性力，n ； b 汽车质心至后轴距离，m ； 埘1 前轮角速度，r a d s ； m l 汽车前轮滚动阻力矩，n m ； m l = f l f z 。r h m 2 = f 2 f z ：rb f z 汽车前轮地面法向力，n ； h g 汽车质心高度，m ； r ，前轮滚动半径，m ； j 1 前轮转动惯量，i l l ； f l 前轮滚动阻力系数，m ； 6 。后轮旋转质量换算系数1 ； 小+ 墨g 婆r2 , 喀等 a 一汽车质心至前轴距离，m 2 后轮角速度，r a d s m 2 汽车后轮滚动阻力矩，n m ； e 汽车后轮地面法向力，n ； h w _ 一空气阻力作用点高度，m ： r 。后轮滚动半径，m ； j 2 后轮转动惯量，i l l ； f 2 后轮滚动阻力系数，m ； 6 ：后轮旋转质量换算系数阻” 咖喀鲁嘻等2 - 2 华中科技大学硕士学位论文 式中： 1 w 车轮的转动惯量，k g m 2 i g _ 一变速器传动比； 对前、后轮进行受力分析，可得方程组为 式中m ，、m 。：分别为前、后轮制动力矩。 i 厂轮的转动惯量，k g m 2 i g 一后桥主减速比 根据地面制动力与地面法向作用力的关系，可得方程组为 妒路面附着系数 rf x 6 l2 妒f 2 1 t f x b 2 = 妒f z 2 2 1 2 轮胎与路面纵向附着系数模型 在汽车制动过程中，制动性能的好坏较大程度上依赖于轮胎与地面的附着状况， 因此，汽车轮胎模型的准确程度影响汽车制动性能计算机模拟的精确度。轮胎模型 包括纵向附着系数模型与侧向附着系数模型3 ，对于直线行驶制动情况，可以忽略 侧向附着系数的影响，只需考虑纵向附着系数影响。制动过程中，纵向附着系数会 随滑移率的变化而变化，同时还受载荷、路面状况、轮胎结构、胎面花纹及车速等 诸多因素的影响f 2 3 。 有关轮胎模型大致可分为3 类，即经验公式陀钔、实验公式幢引、及理论模型 眨“。通过仪器测定道路附着系数的试验存在可重复性差、成本高及影响因素多等问 题，所以，近年来有关用数学模型计算评估道路实际附着系数的研究得到了长足的 进步。车辆加速度、滑移率、侧偏角等参量与附着系数的变化关系被以数学函数的 方式更为精细地描述出来。理论模型往往与实际相差较大，与理论模型相对应的是 经验公式或半经验公式，它们通过大量的轮胎力特性的试验数据进行分析，将地面 一轮胎之间力学特性通过含有拟合参数的公式有效地表达出来。p a c c j k a 的魔术公式 是近期在汽车操纵动力学研究领域比较流行的公式，它用三角函数的组合公式拟合 k h p 2+ 、二= ， 、= 2眦 吣 b 圳 一 q 毪 r r 曲 曲 r ，、l 华中科技大学硕士学位论文 试验轮胎数据，用一套形式相同的公式就可以完整地表达纵向力、横向力、回下力 矩以及纵向力、横向力联合作用等工况。该模型的一般表达形式为。本文以p a 吲k a 的“魔术模型”为基础，进行适当简化，只考虑车速与载荷对纵向附着系数的影响， 通过对文献【2 4 】实验数据的定量分析，确定了实验路面条件下干混凝土路面轻型汽车 的纵向附着系数函数表达式，即 绍= f l + a l s i n ( a 2 a r c t g ( a 3 s i a 4 0 3 s i a r c t g ( a 3 s i ) ) ) ) ( 2 ，5 ) 式中s 厂车轮滑移率，s i ；兰生x 1 0 0 ，i ：1 ，2 u v 车速m s ，f r 一滚动摩擦系数。 a 1 = ( 0 8 8 一o 0 0 7 v ) 0 9 2 。x0 0 0 0 5 7 3 7 m ；a 2 ；2 4 2 a 3 。( 4 5 + o 0 5 v ) x 0 6 6 7 。；a 4 = o 9 8 x 0 9 2 。 式( 2 5 ) 考虑了滑移率、载荷和车速以及路面等因素对附着系数影响，其中，车 轮在纯滚动状态时滚动摩擦系数，在干燥柏油路面和积水路面上分别0 1 3 和o 1 0 。 2 1 3 制动系模型 踏板力随时间变化情况，如图2 2 所示，不考虑驾驶员反应时间，制动时间驾驶 员踩下制动踏板时开始计算。其踏板力的表达式为： 一t 当t t l 时 式中f p 、f p 一分别为踏板力及踏板力最大值 1 0 一 一 f fr l = p f 华中科技大学硕士学位论文 制动总泵压力计算式【3 1 为 图：2 - 2 踏板力变化曲线 4 fp ip qp k 舢。茅 式中分别为p o 、d o 、k 主缸压力、主缸直径及助力比 i p 、m 分别为踏板机构传动比及踏板机构传动效率 限压阀、比例阀及感载比例阀等制动调节阀一般串在后促动管路中，其感载阀 特性曲线，如图2 3 所示，图中a 、b 点分别为空载和满载时感载阀起作用点。 图2 - 3 感载阀特性曲线 在感载阀起作用前，前、后管路油压都等于主缸压力，在感载阀起作用后，前 管路油压仍等于主缸压力，后管路油压小于主缸压力。前、后管路油压函数表达式 如下： 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 当见。时p l = p 2 = p 。 ( 2 8 ) ( 2 ) 当p o p “时 l p l 2 p o i - p 2 = p ，。= h l c i o 4 0 7 式中p l 、p 2 分别为前后管路压力，k p a ； 越感载阀作用弹簧变形量( 是减速度函数) ，m e ： c 感载阀作用弹簧刚度，n m m ； i 感载阀作用力比： 制动器制动力矩计算式为 m 。，c 虹攀乎堕 式中p o 厂一推出压耗，k p a ： d i 分泵直径，m m ： ni 分泵效率 k i 制动器效能因素 r i 制动力作用半径，m m ； 2 2 模型求解及计算 联立( 式2 - 1 ) 、( 式2 2 ) 、( 式2 - 4 ) 式可得制动减速度，即 。：生兰兰尘挛兰坐陪m b m 一7 其中 b = l 一妒。一妒：) h $ + f 1 r 。一f ：r 。 c 。；g a + f w ( h 。一h s ) 一g 。h 。一f i r 。) c ：= g b f w ( b 。一h ；) + g b ：h 。一f z r 。) d 。；2 ( 1 + d l ，d ：= 2 ( 1 + d 2 ) j ： 在车轮抱死前，由于实际制动力由制动器制动力决定，而车轮抱死后实际制动 力由地面制动力决定，所以根据制动过程中车轮的运动情况，联立( 2 ，i ) 、( 2 2 ) ， 华中科技大学硕士学位论文 二( b e2j ( 2 b mb l c2 e 1 ) - e 1 ( 2 b mb 2 一c i e2 ) j “2 百而而预i i 肛面五一 l 二：= 盟等恙馥基锩掣陋均 其中，e 。= 如一f 1 ) r 。，e ：= 0 ：一f 2 ) r 。 ( 2 )当前轮抱死、后轮没有抱死 ( 3 )当后轮抱死、前轮没有抱死 ( 4 ) 当f j i 、后轮都抱死 l = 0 3 2 = 0 f 2 1 5 ) 根据以上5 式可以看出，汽车制动减速度和前、后轮角减速度都是关于车速及 前、后轮转速的函数。由于妒。，妒：都是速度的函数，求解以上方程必须要迭代，因此， 建立如下函数用于整车制动计算： fy ( 1 ) ；p 一，( 妒，妒：) y ( 2 ) = o ) 1 一g ( q 5 ，妒2 ) ly ( 3 ) - 击：一 ( 吼，妒2 ) 式中，( 吼，妒：) 、g ( 吼，妒：) 、 ( 妒。，妒：) 分别代表式口，西。，西：等号右边的内容。 对于较为复杂的问题，仅靠现有的命令或函数来解决往往是难以达到目的【2 9 j 。 制动过程计算采用m a t l a b 编程语言，框图见图2 _ 4 。当迭代使y ( 1 ) 、y ( 2 ) 、y ( 3 ) 都为0 时，就求出了i ，西，曲：。但是，绝对等0 是困难的，程序中设置y ( 1 ) 、y ( 2 ) 、y ( 3 ) 都小 于1 0 。3 时输出结果。 j瞎坐毗 加型 ，毗 r j 、l nb一) c e一一+ 旦幢 坐毗。 一 = r t 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 4 带感载阀制动参数瞬时计算流程框图 4 华中科技大学硕士学位论文 3 液压制动感载阀开发 3 1 液压制动感载阀结构特点 液压制动感载阀是通过路面附着力变化、制动时轴荷转移，相应后桥法向变化 引起钢板弹簧绕度变化，从而使感载阀作用力改变，后桥制动油压变化，制动力得 到改变，制动力分配相应得到变化。液压制动感载阀装配位置见图3 - 1 ，感载阀安装 在车架纵梁的支架上；感载阀弹簧固定支架焊接在后桥桥壳上，感载阀通过感载弹 簧、安装支架与后桥、车架建立了联系。空载时感载阀输出油压在阀门开度控制下， 输出油压较低，仅适用于空载状况，当整车载荷变化时，车架与后桥相对位置发生 变化，钢板弹簧绕度变化感载弹簧相应发生变化，感载阀在感载弹簧作用下，平衡 柱塞的移动使输出油压得到改变，即后回路制动管路油压得到改变，从而改变了制 动力分配比，这样使整车制动能适应各种工况 图3 - 1液压制动感载阀安装图 通常所用的液压制动调节阀有：限压阀( 图3 2 ) ，辐射式比例阀( 图3 3 ) ，惯 性阀( 图3 4 ) ，感载比例阀( 图3 5 ) ，感载限压阀等。由图3 - 4 惯性阀无感载作用， 图3 5 感载比例阀只有输入、输出两腔，无控制腔。 华中科技大学硕士学位论文 限压阀结构见图3 2 ，制动主缸进入限压阀口a ，弹簧2 支撑阀门l 开起，主 缸压力通过阀体到b 口进入后回路，当压力增长到设定值时，压力克服弹簧力，阀 门2 关闭，此时输出口b 压力不再进一步增长。当踏板放松时，输出l b 压力大于 输出口a 压力，阀门2 开起，允许制动液从a 口进入b 口，达到预定压力时，输出压 力保持不变，于是限制了后回路压力值e i 3o 由于限压阀的弹簧预紧力为定值，限压 作用起始点的压力也是恒定值，这对满载、空载理想特性曲线距离很大的货车是不 利的。 图3 - 2 限压阀图3 - 3 比例阉 比例阀结构见图3 3 ，比例阀适用于质心低、轴距长且空、满载轴载质量分配 变化不大的汽车。比例阀串联于制动主缸与后轮缸之间的管路中。采用差压活塞结 构，比例阀进入工作状态后，当制动主缸及前制动回路压力继续增长时，后回路压 力仍可继续增长，但其增长量小于前回路压力的增量，前回路压力总是大于后回路 压力，这就满足了前轮制动压力以一定比例大于后轮制动压力，造成前轮制动稳定 先于后轮抱死的要求。比例阀采用固定拐点制动力可变比例分配，但不能随载荷 变化而变化，因此不能使除空载、满载状态外实际的制动力分配特性与理想特性尽 可能接近。 惯性阀是利用汽车制动减速度的变化对制动力调节作用的起始点压力进行调 节装置 3 0 j0 图3 3 为惯性阀结构示意图。当制动减速度达到某一定值时，惯性球在 惯性力作用下沿支撑面滚想阀座，关闭进、山油路的通道。此后，通过差径柱塞使 华中科技大学顽士学位论文 输出压力受控与输入压力，并按一定比侧增长。 感载阀结构见图3 4 ，其结构特点是阀门通过感载弹簧及柱塞的作用力并非恒 定谯，两是随汽车装载情况不同丽变化，这通常是借检测与汽车实际载重量冉关的 悬架静绕度值并通过书 系及弹簧来控制的e 3 0 jo 拐点压力( 限压作用起耍| ! 点压力) 随 汽车实际装载情况的变化谢变化。 感栽阀及惯性闷虽然能使限压作用起始点压力随着汽车载荷及减速度变化丽 成比例变化，但感载阕及惯性阉是串联在主缸与后回路之闽，阀口只有输入输出丽 端，与前回路无关，无法拄制前回路油压，因此当前阐路失效，后回路油压仍将按 e 例减少，整车网路失效时不剥手满足法规要求。 我们开发的感栽制动阀克服了上述诸润的缺点，有三大功能：1 丰r 据载荷变化起 制动力调节作用：2 磁小通往i 轮制动器的蛰踏鹾力，直到后轮管路压力克服后轮鼓 式剖动器圊位弹簧的拉力为止；3 具有失效保护装置，当前回路泄漏时，无轮载赫有 无变托，输出油压将不再减少，鹾轮制动器可提供足够大的靠动力。还具有输出容翁控 制，适用车型广泛，尤其适用于重心离，轴缆短，制动珏寸轴荷转移大的轻型车上。 l 髑体；2 麓轻牡塞：3 ，弹簧；4 球座 5 一惯性删；6 峒雎；7 一钢球 图3 - 4 惯性润 1 托轩；2 拄塞； 3 阀门；4 蚓座： 5 螺基；6 阀体； 7 一蟊戴弹簧 图3 - 5 感载比例澜 华中科技大学硕士学位论文 感载阀在整车回路中安装见图3 - 6 ，感载阀输入腔与真空助力器制动总泵后腔连接， 控制腔与前回路相连，输出与后桥相连，感载阀的输出油压与前后回路输入油压有 关，前回路油压作为控制信号。当前回路失效时，无论载荷有无变化，输出油压将 不再减少，始终与输入油压保持相等，这样使整车在空、满载应急制动或部分回路 失效时，后回路油压不再降低，保证整车具有足够的应急制动力，易于满足法规要 求。 一真空助力器带总泵总成 2 一三通 3 一前制动器轮缸 4 一后制动器轮缸5 一感载阀总成 图3 - 6 回路原理图 感载阀结构见图3 7 。1 口为输入口，与真空助力器总泵后腔相连，输入油压为 总泵输出油压只。2 口为输出口，输出油压为后回路作用油压民。4 口为控制口， 与制动前回路相连，输入压力同制动总泵前腔油压只，。3 口为排气口。1 、2 、4 对应 相应形成三个腔：a 腔、b 腔及c 腔。即a 腔输入腔，b 腔输出腔，c 腔为控制腔。 感载阀由以下零件组成：感载阀体1 、防尘罩2 、控制臂3 、推力杆4 、推力杆回位 弹簧5 、杆座6 、回位弹簧7 、顶杆8 、油封座9 、油封1 0 、平衡柱塞1 1 、橡胶阀座 1 2 、0 型密封圈1 3 等零件组成。阶梯型的平衡柱塞1 1 的右端与阀体7 滑配，左端 与油封座1 0 轴向间隙配合，作为左右移动时的导向；弹簧5 为推力杆4 的回位弹簧， 弹簧6 右端顶靠在顶杆8 的外侧，左端借杆座7 紧靠在推力杆的内侧。 华中科技大学硕士学位论文 图3 - 7 液压制动感载阀结构图 3 2 液压制动感载阀设计 液压感载阀设计要求： ( 】) 输入与输出特性：感载阀输入与输出特性曲线应符合图3 - 8 要求 华中科技大学硕士学位论文 图3 - 8 感载阀输入输出特性曲线 ( 2 ) 回路失效时，感载阀具有安全保护特性。 ( 3 ) 在感载阀口输入1 0 m p a 压力时，保持1 0 秒，压力的下降应小于0 3 m p a 。 3 2 1 感载阀基本尺寸确定 感载阀基本尺寸包括迸、出油口及阀芯尺寸 a 进、出油口直径d 确定1 ： d 4 6 3 一a g 、k 式中：a g 工称流量， 取2 5l r a i n 屹进、出油口直径d 处油液流速，一般可取6 m s e c 将上述数据代入到( 3 】) ，计算得d28 4 5m m ，取进、出油口直径m l o x l 螺纹小径8 9 1 7 m m 。 b 平衡柱塞大直径及小直径确定 通过阀芯与阀体间环形通道的流量 g = 三( d 2 一d ? ) k 从强度考虑d ，2 = d ， 代入上式则有 华中科技大学硕士学位论文 d 2 4 5 4 q g 经计算d 苫1 2 2 5m m ，并结合静特性计算，d 取1 2 4 m m ，d l 取7 2 m m 。 3 2 2 静特性计算 为t 对液压制动感载阎特性进行分析计算，引用流体力学理想流体伯努力方程， 首先对感载阀流量进行分析： 旦+ 旦+ h ；常数m 3 ( 3 3 ) y2 9 、 上式：詈压力能， 等速度能， 日重力位能 理想流体在流体中压力能和速度能之和为常数，如果在微小流速上任取两个过 流断面1 、2 。则方程可写成： 旦7 + 堕2 92 争+ 专2 ( 3 - 4 ) y2 9 、。 整个流道全液