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载重车辆桥总成制动性能在线检测的研究 摘要 汽车制动性能是确保车辆行驶的主、被动安全性和提升车辆行驶的动力性 决定因素之一。气压鼓式制动器作为载重车辆行车制动的主要执行部件，其制 动性能的好坏对整车制动性能的发挥起着极为重要的作用。在制动器本身制动 性能满足要求的前提下，它在车桥总成上的装配质量也对制动器本身的制动性 能产生影响。所以，制动器在车桥总成上装配后，将车桥总成作为一个考核单 元，对其整体制动性能进行在线检测是确保桥总成产品质量需要解决的问题。 本文在研究和分析汽车行车制动原理为基础之上，参考整车制动性能道路 和台架试验的试验规范以及制动器制动性能检测的相关内容，对载重车辆车桥 总成制动性能在线检测技术以及试验设备进行了研究。 首先，文章以配置鼓式制动器的载重车辆车桥总成为研究对象，分析制动 器的结构特点、工作原理以及在制动过程中的受力状况。然后，文章以汽车制 动性能评价的三个指标，即制动效能、制动方向稳定性和制动效能的恒定性为 理论基础，参考汽车制动相关的检测标准和试验规范，提出了车桥总成在线制 动性能检测的评价指标和试验方法。之后，文章以惯量模拟作为试验台设计的 出发点，提出了试验台的基本布置方案，阐述了车桥总成制动性能在线试验台 的基本工作原理，分析了试验台的惯量模拟过程。最后，文章对试验台的总体 结构、关键组成部件的的工作原理和设计原则进行了简单的介绍；概述了试验 工作流程并对试验台的基本检测数据进行了简要的分析。 关键词：载重车辆桥总成制动性能在线检测评价指标惯量模拟 t h er e s e a r c ho no n 1 i n e i n s p e c t i o no fb r a k ep e r f o r m a n c e f o ra x l ea s s e m b l yo ft r u c k s a b s t r a c t v e h i c l e sb r a k i n gp e r f o r m a n c ei so n eo ft h ed e t e r m i n a t i o nf a c t o r so f e n s u r i n gt h es e c u r i t yo fv e h i c l e sd r i v i n ga n dd r i v e np r o p e r t i e sa n d a l s oa f f e c t si t st r a v e l l i n gp o w e rp e r f o r m a n c e 。a na i rp r e s s u r ed r u mb r a k e ， a sam a i np o w e rp a r to ft r u c k s b r a k ep e r f o r m a n c e ，p l a y sa ni m p o r t a n t r o l eo nt h ee f f e c to f c o m p l e t ev e h i c l eb r a k ep e r f o r m a n c e u n d e rt h e c o n d i t i o no fg o o dp e r f o r m a n c eo fb r a k ei t s e l f ，a s s e m b l yq u a l i t yo na x l e a s s e m b l i n ga l s oh a sa ne f f e c to ni t sb r a k ep e r f o r m a n c e t h u s ，t h eb r a k e i sa s s e m b l e do na x l e ，a n di t i sr e g a r d e da sac o m p l e t ep a r t o n - l i n e i n s p e c t i o nf o rb r a k ei sap r o b l e mt ob es o l v e df o rb e t t e r i n gt h eq u a l i t y o fa x l ea s s e m b l i n g t h i sp a p e rm a k e sar e s e a r c ho nb r a k ep e r f o r m a n c eo n 一1 i n ei n s p e c t i o n f o ra x l ea s s e m b l yo ft r u c k sa n dt e s t i n ge q u i p m e n t s ，b a s e do nt h eb r a k i n g p r i n c i p l eo fv e h i c l e sa n dw i t hh e l po fr e l a t i v ek n o w l e d g ea b o u tb r a k e t e s t i n gs p e c i f i c a t i o n so fc o m p l e t ev e h i c l eo nr o a da n dt e s t - b e do ft h o t e s to fb r a k ep e r f o r m a n c e f i r s t l y ，a c c o r d i n gt ot h ea x l ew i t hd r u mb r a k e o f t r u c k s ，t h ep a p e ra n a l y s i z e sc o n s t r u c t i o n ，p r i n c i p l ea n ds t r e s s c o n d i t i o nd u r i n gt h ep r o c e s so fb r a k i n g s e c o n d l y ，b e i n gb a s e do nt h r e e i n d e x e so fv e h i c l eb r a k ep e r f o r m a n c e ，b r a k i n ge f f e c t ，s t a b i l i t yo f b r a k i n go r i e n t a t i o na n dc o n s t a n c yo fb r a k i n ge f f e c t ，a n dt a k i n gr e l a t i v e i n s p e c t i o ns t a n d a r d sa n dt e s t i n gs p e c i f i c a t i o no nv e h i c l eb r a k ea s r e f e r e n c e ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dt h ei n d e xa n dt e s t i n gm e t h o do fb r a k e p e r f o r m a n c eo n 一1 i n ei n s p e c t i o nf o r a x l ea s s e m b l y t h i r d l y ，t a k i n g i n e r t i as i m u l a t i o na sb e g i n n i n go ft h et e s t b e dd e s i g n ，p u t sf o r w a r dt h e b a s i ca r r a n g e m e n ts c h e m e ，e l a b o r a t e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fb r a k e p e r f o r m a n c eo n 一1 i n ei n s p e c t i o no fa x l ea s s e m b l ya n da n a l y s i z e st h e p r o c e s so fi n e r t i as i m u l a t i o n l a s t l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sc o n s t r u c t i o n o ft h et e s t b e d ，p r i n c i p l eo ft h ek e yc o m p o n e n t sa n d r u l eo fd e s i g n b r i e l f l y ，g e n e r a l i z e st e s t i n gp r o c e s sa n dh a sas i m p l ea n a l y s i so nd a t u m f r o mt e s t b e d k e y w o r d s ：t r u c k sa x l ea s s e m b l yb r a k ep e r f o r m a n c eo n 一1 i n ei n s p e c t i o n i n e r t i as i m u l a t i o n 2 圈1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图3 1 图3 2 图3 3 图4 1 图4 2 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 ，1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图6 1 插图清单 我国汽车保有量增长趋势图 l 滚筒式制动试验台4 平板式制动试验台示意图5 平板式制动试验台原理图5 液压制动系统原理图8 某国产车型前轮鼓式制动器 1 0 常见桥总成制动装置布置结构示意图 1 1 车轮在制动时的受力情况 1 2 制动器制动力e 、地面制动力与踏板力昂之间的关系1 4 制动系数与滑移率关系曲线 1 5 一 常见气压a b s 制动系统原理图 1 6 轮速传感器的组成及工作原理 1 6 车辆制动过程分析 1 9 车辆制动跑偏受力图2 l 汽车行驶速度分析2 5 惯性式制动器试验台的工作原理3 0 桥总成制动器试验台工作原理图3 3 桥总成制动性能检测试验台组成原理图4 0 制动器试验台三维效果图 4 2 电磁转差离合器工作原理示意图 4 6 盘式飞轮的结构示意图4 9 惯性飞轮组阶段动力传递路线图 5 0 惯性模拟阶段动力传递路线图 5 0 制动模拟阶段动力传递路线图 5 0 安全离合器示意图5 l 安全离合器钢球受力图- 5 1 相位差式扭矩传感器结构 5 3 相位差式扭矩传感器结测量原理 5 3 金属电阻丝应变效应5 3 扭转应变测量的电桥线路 5 4 扭矩测量时应变片的布片 5 5 分动箱结构示意图 5 6 减速箱结构示意图 5 7 试验台央具系统 5 8 试验检测数据界面6 3 4 表格清单 袭卜1 汽车制动性能台架试验的主要方式 3 表2 - 1 常见制动器分类方式 9 表2 2 车辆在不同路况下紧急制动的反应1 5 表3 - 1 汽车制动性能检测相关标准 2 3 表3 2 制动效能的影响因素 2 4 表3 - 3 制动跑偏的主要因素2 4 表3 - 4 制动效能检测项目表 2 5 表3 5 制动方向稳定性检测项目表 2 7 表5 - 1典型机电传动系统中各类电机的主要使用特点 4 3 表5 2 交流异步电动机容量选择的基本原则 4 4 表5 3 常用飞轮材料对应的圆周速度许用值 4 9 表5 - 4 常用安全离合器种类和特点 5 0 表5 5 减速箱齿轮副主要参数 5 7 表6 - 1桥总成在线制动检测的试验过程6 0 表6 2 采集数据与制动性能评判指标之间的关系 6 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得金壁王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名：刈波 签字日期2 。矿妇豳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目b 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 蟹王些盔堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：复丑、良 签字日期：2 浒f 月日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址； 导师签名： 待屯) ， 签字丑期：0 年r 月矿咱 电话： 邮编： 致谢 三年多紧张而充实的研究生生活即将结束。在此毕业论文成稿之际，谨以 只言片语向三年来在各个方面支持、帮助、关心过我的人们表示真挚的感谢。 首先，由衷感谢我的导师林巨广教授在我研究生学习阶段对我的深切关怀 和谆谆教诲。感谢林老师在我攻读研究生阶段为我的成长倾注的心血；感谢他 在我苦于寻求前进方向时给予我的指引；感谢他为我学习知识、锻炼技能提供 的平台。林老师严谨的处世态度、果断的工作风格、敏锐的洞察能力在三年多 的学习生活中使我受益匪浅，从中获取的感悟并将会一直伴随着我以后的工作 和生活。最后，还要特别要感谢林老师长期以来对我的信任和支持，“知遇之恩， 无言以表”。 感谢谢峰教授在我硕士学位论文写作期间对我的指导和建议。他渊博的知 识、清晰的思路和丰富的经验对我完成学位论文提供了莫大的帮助。在此，同 时要感谢丁苏赤老师对我的论文写作提供的支持。 感谢刘志峰教授在我研究生学习开始阶段对我的支持和帮助。 感谢周仁淦老师、沈百诚总工程师、杨连华工程师、刘军部长、张正初工 程师和石爱文工程师多年来对我工作能力培养提供的指导和帮助，尤其感谢他 们在我业务起步阶段对我的信任和鼓励。 感谢任永强老师、何元祥老师、杨韶民老师、袁良英会计、孙梅工程师、 丁胜工程师、张鹏宽师傅、郭金虎工程师、周强工程师、张劲松工程师，感谢 合肥工业大学汽车装备工程技术研究所以及江淮自动化装备有限公司的其他各 位老师、同事、和朋友，感谢我在人生最重要的阶段得到你们的关怀和鼓励。 感谢王淑旺老师和卫道柱老师以及研究所所有的师兄、师弟和师妹给予的 兄弟般的支持和关爱。尤其还要感谢师妹杨洪彬在我论文写作阶段给予我无私 的帮助。 感谢我的同学及好友张天华、韩慧、周明发、郭松青、陆容峰、辛达、周 晓峰、朱建国、赵春亮，是他们的陪伴使我的研究生生活变的多彩而不平淡、 愉悦而不乏味。 感谢我的父母、兄嫂及女友刘莉莉，感谢长期以来他们在我背后默默的支 持和无私的奉献。 最后，再次由衷感谢所有认识和知道我的人，是你们造就了今天的我，是 你们给予了我宝贵的人生财富。感谢你们! 作者：刘波 2 0 0 7 年5 月1 3 日 第一章绪论 汽车工业代表着一个国家制造业的发展水平，世界经济大国的经济发展无 一不与汽车工业有着极其密切的关系，在很多工业发达的国家，汽车工业都是 支柱产业之一。我国的汽车行业经过过去5 0 年特别是近2 0 年的快速发展，发 生了质的变化。同时，汽车工业的发展带动了相关行业的进步，促进了国家工 业水平的提高。因而发展汽车工业是增强国民经济实力的一种有效手段。但是 目前我国的汽车行业面临自主品牌缺失的现状，一汽集团现任总经理一声“断 喝”：“如果失去了技术上的独立自主，没有自己的知识产权，中国汽车工业 永远是跨国公司设在中国的加工厂川“，无疑给中国汽车制造业敲响了警钟一 一要振兴汽车行业还要靠自己。根据我国汽车工业振兴规划纲要，今后汽车 工业的发展重点是独立自主地开发汽车及其零部件。 1 1 汽车制动性能检测的必要性和意义 1 1 1 发展汽车试验检测技术的重要意义 汽车工业的生产规律及其产品特点是：产量大、品种多、产品的使用条件 复杂，对产品的性能、寿命、质量和成本等方面要求高，影响产品质量的因素 多，所涉及的技术领域也极为广泛。因此，无论是在汽车新产品的设计过程中 还是已有产品的生产过程中，即使能够考虑的非常周密，也都必须经过各种类 型的试验检测获得足够的试验数据来检验设计思想的正确性，设计意图的可行 性，设计产品可使用性。 同时，由于汽车的实际使用条件复杂，汽车所涉及的技术领域又极为广泛， 许多理论问题研究的还不够充分，不少设计还不能根据现有的理论做出可以信 赖的预期，这就要求通过大量的试验检测数据在产品设计制造过程中加以验证， 这也是汽车工业特别重视试验的原因。通过汽车试验可以帮助我们深入了解汽 车在实际使用中的各种现象的本质及其规律，发现未知的技术问题并获得解决 问题的办法，从而推动技术的不断进步。它也是保证产品性能，提高产品质量 和市场竞争力的重要手段。 国外汽车工业的发展历史可以证明，汽车试验作为汽车工业的基础工程之 一，在其整体发展过程中发挥了极为重要作用。可以说，汽车技术的发展离不 开汽车试验工程的支撑，没有汽车试验就没有汽车工业的发展。同样，汽车工 业在中国快速发展的今天，汽车试验也得到了很大的发展，同时也受到了国内 各个汽车企业极大关注。 1 1 2 制动性能检测的必要性和意义 我国目前的汽车保有量只有世界汽车总量的2 ，但是交通事故死亡人数却 占到了全世界的1 5 。仅2 0 0 6 年一年，全国就发生各类道路交通事故3 7 8 7 8 i 起。在所有的交通事故中，因机动车机械故障的比例占5 左右，而由于制动 原因而直接引起的交通事故占总机械故障事故数的6 0 左右，可见车辆制动系 统在车辆的安全方面扮演着至关重要的角色。近年来，随着车辆技术的进步和 汽车行驶速度的提高，这种重要性表现的就越来越明显。汽车必须具备良好的 制动性能才能保证行驶安全，也只有在此条件下才能提高行驶速度和运输生产 效率。汽车的制动系统对整车性能发挥的作用的方面，具有如下特点： 1 ) 性能良好、工作可靠的汽车制动系统，可以提高车辆的遇险避让能力 从下面的图中看出，自1 9 9 6 年以来，我国汽车保有量的增加速度一直保持 上升，到了2 0 0 6 年，保有量增速基本保持在1 3 1 4 左右瞪1 。不断增加的城 市人口数量、车辆保有量和我国有限的城市道路资源造成了我国城市道路车流 密度的日益增大，道路交通险情日益增多的现状。这就要求城市行驶车辆具有 良好的制动性能，从制动这一层面提高车辆的“主动安全性”和“被动安全性”。 如此以来，一旦车辆在行驶过程中遇到紧急情况，便可以最大程度地化险为夷， 降低车内乘员和车外行人遭受交通事故的危害程度。 图1 1 我国汽车保有量增长趋势图 2 ) 性能良好、工作可靠的汽车制动系统，可以充分发挥车辆动力性能 人们对车辆动力性能要求的不断提高和我国经济的持续发展对更为高效 的道路交通运输的需求，都促进了道路车辆行驶的平均车速的不断提高。更高 的行驶车速也就要求车辆具有更好的制动性能，可靠的制动系统能够为提高车 辆平均行驶速度的提高提供有力的安全保障。因此，提高制动系统的性能是提 高公路交通运输效率有效途径之一，它顺应了目前我国高速公路迅速发展的趋 势。 因此，汽车制动系统的性能好坏，是安全行车最重要的因素之一，高度重 视车辆的制动性能，就必须在汽车制动系统设计和制造过程中加重试验检测的 2 成份，为汽车制动系统研发和生产提供更丰富、更有力、更真实的检测数据支 持。但由于车辆制动系统由许多零部件组成，所以制动性能的检测就离不开现 代化的试验手段和方法，为此研究和开发车辆制动系统性能试验检测系统就具 有重要的现实意义。 1 2 汽车制动性能主要的检测方法 汽车制动性能试验是以整车制动的方式来综合评价车辆的制动性能的。汽 车整车制动试验按其试验场所的不同可以分为室外道路试验和室内台架试验。 1 2 1 室外道路试验 室外道路试验是指将五轮仪、非接触式车速仪和制动减速度仪等制动检测 仪器安装在汽车上，驾驶员驾驶汽车在室外实际路面上行驶并人为进行制动， 从而获得整车制动性能的制动检测方法。道路试验的主要特点是试验简便、结 果一日了然，不需要大型设备和占用厂房，而且代表了汽车的真实制动性能“1 。 但是道路试验也存在许多缺点：制动距离的长短和制动减速度的大小，往 往受驾驶员的操作方法、路面状况和行驶条件的影响；无法检查和控制踏扳上 的作用力；不易确定不合格车辆故障所在部位；不能准备控制相关参数；所测 数据离散性大、重复性差；受气候影响大；具有造成事故的危险；同时，对于 整车组成零部件，尤其是对车辆各项性能至关重要的部件总成，如果想要在道 路试验中进行产品性能验证，显然不能满足要求。因此，室内台架试验在国外 越来越多被采用。 1 2 2 室内台架试验 室内台架试验能以较高的精度来测试车辆及其零部件的各项性能参数，能 消除不需研究的某些因素：可以模拟汽车及其零部件的实际使用工况，在试验 中建立台架试验与室外道路试验相关的关系，以代替一部分道路试验。这样可 以提高试验精度，缩短试验周期。 室内台架试验主要是指使用底盘测功机、反力式滚筒试验台、平板牵引式 制动试验台等设备在室内进行制动系统的性能检测。由于制动试验台能迅速准 确的检测车辆的制动性能，而且经济、安全、不受气候条件限制、试验重复性 好；同时，制动试验台还能够定量的指示出各轮的制动力、制动距离，因而室 内模拟台架试验法已成为检测车辆制动性能的常用方法，并将逐步取代道路试 验法。用于检测汽车制动性能的试验台有多种形势，按其结构，测量参数和测 量方法来区分，有如表卜1 所示的几种主要方法。 表卜1 汽车制动性能台架试验的主要方式 l 序号分类方式 1测量方式静态测量动态测量 2测量参数测力式测距式 3 结构形式滚筒式 i 平板式i 履带式 4 数据显示方式油压式 l 水柱式l 电气式 目前，国内汽车制动性能检测所用制动性能检测台架多为滚筒式制动试验 台和平板式制动试验台。 1 )滚筒式制动试验台 滚筒式制动试验台的结构如下图1 - 2 所示。它由结构完全相同左右两套车 轮制动力测试单元和一套指示控制装置组成。每一套车轮制动力测试单元由框 架( 有的试验台将左右测试单元由框架制成一体) 、驱动装置、滚筒组、举升装 置、测量装置等构成。 图1 2 滚筒式制动试验台 进行车轮制动性能检测时，被检测汽车驶上制动试验台，车轮置于滚筒组 的主、从动滚筒之间，放下中间滚筒。起动电动机，经减速齿轮箱、传动链和 主、从动滚筒带动车轮低速旋转，待车轮转速稳定后驾驶员踩下制动踏板。车 轮在车轮制动器的摩擦力矩作用下开始减速旋转。此时电动机驱动的滚筒对车 轮轮胎周缘的切线方向作用制动力以克服制动器摩擦力矩，维持车轮继续旋转。 与此同时车轮轮胎对滚筒表面切线方向附加一个与制动力方向反向等值的反作 用力矩。在反作用力矩作用下，减速器壳体与安装在壳体上的测力杠杆一起辨 滚筒转动相反方向摆动。测力杠杆一端和力传感器相联，且力臂恒定。力传感 器受力变形后产生与制动力大小成比例的电信号，这个电信号经放大滤波后送 往a d 转换器转换成相应数字量，经计算机采集、处理后，即可获得汽车制动 的左右轮最大制动力、制动力和、制动力差、制动力一时间曲线等试验数据。 2 ) 平板式制动试验台 平板式制动检验台是一种低速动态检测车辆制动性能的设备，其检测原理 基于牛顿第二定理“物体运动的合外力等于物体的质量乘加速度”，即制动力等 于质量乘( 负) 加速度。检测时只要知道轴荷与减速度即可求出制动力。从理 4 论上讲制动力与检测时车速无关，与刹车后的减速度相关。 进行检测时驾驶员驾驶汽车以5 l o k m h 速度驶上测试平板平板( 如图卜3 所示) ，置变速器于空档并进行紧急制动。汽车在惯性作用下，通过车轮在平板 上施加与制动力大小相等方向相反的作用力，并使测试平板产生沿纵向位移， 经传感器测出各车轮的制动力、动态轴载荷并由数据采集系统处理计算出轴载 荷、制动及悬架性能的各参数值，并显示检测结果“1 。 图1 3 平板式制动试验台示意图 图1 4 平板式制动试验台原理图 1 3 车桥制动性能在线检测的原因 目前，国内汽车行业生产分工正在逐渐向精细化、专业化的方向发展。在 汽车生产制造过程中，制动器作为汽车制动系统的核心执行元件，通常是作为 分总成安装在挢总成上。然后，桥总成再作为一个部件由桥总成制造厂提供给 汽车主机厂。一般在桥总成制造厂没有对桥总成制动性能进行检测的环节和手 段，因而也就无法衡量制动器在桥总成上装配后的综合制动性能的好坏。而且， 由上面的描述可以了解到，目前常用的汽车制动性能检测的试验手段多是针对 整车进行的，这些手段并不能满足桥总成制造厂对桥总成制动性能检测的需求。 下面，我们就继续来讨论一下在汽车车桥生产制造过程中需要进行在线制动检 测的原因。 首先，整车的制动性能的好坏是通过道路试验或台架来验证的。在试验过 程中，通过不断改变整车制动系统的参数，不断进行试验来获得检测数据。但 是，整车试验获得的只是车辆作为一个运动整体的制动性能数据。而汽车制新 是很复杂的过程，它与汽车总布置和制动系统各参数配置密切相关，整车试验 的检测结果对零部件生产并没有很强的针对性和指导意义。同时，整车制动试 验过程中如果调整不当，可能造成危险，进而延误了产品的生产，降低了生产 效率。 其次，目前国外许多汽车生产厂家，如日本铃木公司，虽然只进行制动力 的检测，但由于这些公司的制动器的制造水平足够高，能够保证制动器在装到 汽车上时不会出现严重的问题”】。而我国的汽车工业平均落后国外二十年，汽 车制动器的制造水平还达不到国外的水平，很多制动器制动力检测合格，但装 到桥总成上后，制动时还是出现跑偏，侧滑等问题。桥总成的制动性能不经在 线试验检验而直接在整车上安装将影响整车下线后的质量，增加了返修和调整 工作的难度；而且，没有有针对性的检测数据来研究和改进桥总成在设计、觎 造及装配工艺中存在的问题，也将不利于产品性能的提高。 最后，a b s ( a n t i - b l o c ks y s t e m ，防抱死技术) ”作为一项成熟技术，已 经广泛在车辆制动系统中得以应用。然而，不论是整车道路试验还是整车台架 试验，对具有防抱死( a b s ) 系统的汽车制动系的制动性能，还无法进行准确的 测试。主要原因是这些试验的测试车速普遍较低。一般不超过5 k m h ，而现代 防抱死系统均在车速l o k m h 2 0 k m h 以上起作用，所以在上述试验台上检测车 轮制动力时，车辆的防抱死系统不起作用，只能相当于对普通制动系统的检测 过程。 综上所述，研究和开发针对桥总成部件生产在线制动检测的试验台，有其 较为深远的意义。 1 4 本课题研究的目标和主要内容 1 4 1 课题研究的目标 汽车制动性能是车辆行驶的主、被动安全性的确保和动力性的提升主要决 定因素之一。制动器作为载重车辆行车制动的主要执行部件，其制动性能的好 坏对整车制动性能的发挥起着极为重要的作用。 在制动器本身制动性能满足要求的前提下，它在车桥总成上的装配质量也 6 将对制动器本身的制动性能产生影响。所以，制动器在车桥总成上装配后，将 车桥总成作为一个考核单元，对其整体制动性能进行在线检测是车桥总成在线 生产需要解决的问题。 本课题就是针对上述需求，以汽车行车制动原理为基础，参考整车制动性 能道路和台架试验的试验规范以及汽车制动器分总成制动性能检测的检测内 容，确定针对车桥总成在线制动性能检测的评价指标：并以该评价指标为基础， 分析载重车辆车桥总成在线制动性能检测设备的主要设计原理和实现方法。 1 4 2 课题研究的主要内容 本课题研究的主要内容是车桥总成的制动性能在线试验方法及评价指标、 试验系统的设计原理、组成和工作原理。具体的内容分解如下： 1 ) 载重车辆车桥总成制动装置的工作原理 主要介绍汽车制动系统的组成及其工作原理：分析载重车辆行车鼓式制动 器的主要结构、工作原理以及制动过程中的受力状况；介绍现代a b s 系统在制 动过程中起到的作用、基本组成和工作原理。为下文确定车桥总成制动性能在 线检测的评价指标和在线检测实现方法提供理论支撑。 2 ) 载重车辆车桥总成制动性能的在线评价指标 以汽车制动性能三大评价指标的为理论基础，参考汽车整车制动及制动系 统零部件性能检测的相关标准；分析了载重车辆车桥总成在线制动性能检测评 价指标的选定原则；确定了车桥总成制动性能在线检测的内容以及理论计算的 依据。 3 ) 载重车辆车桥总成制动检测的设计原理及实现方法 以前文介绍的内容为基础，确定了基于惯量模拟的制动性能的检测方法； 分析惯性式制动检测台架的结构特点，介绍检测台架的基本布置方案；以整车 惯量的模拟为主，分三个阶段分析检测台架的基本工作原理。在此基础之上， 确定试验台的具体的设计方案以及分析关键功能组件的基本原理、设计要点并 简要进行试验台具体的工作流程的介绍以及试验数据的分析。 本课题研究的桥总成的制动性能检测设备，可在汽车车桥制造过程中实现 对车桥总成制动性能进行在线检测；在车桥总成制造过程中起到控制车桥总成 质量、为车桥总成工艺分析及改进提供依据的作用。 第二章车辆桥总成行车制动装置的分析 汽车制动是指将行驶中的车辆减速或者停车，下坡行驶的车辆保持稳定车 速以及停止的车辆保持不动”1 。车辆的制动性主要是指车辆行驶时能在短距离 内停车且维持行驶方向稳定和在下长坡时能维持一定车速的能力o 】。当然，制 动性还应包括车辆在一定的坡道上能长时间停止不动的驻车制动性能，这一点 不是本文讨论的重点，所以就不多做论述，本文将重点讨论关于行驶车辆制动 ( 简称“行车制动”) 的内容。 在车辆行车制动过程中，起到制动作用的是作用在车辆上，方向与汽车行 驶方向相反的外力。作用在行驶汽车上的滚动阻力、上坡阻力、空气阻力都能 对汽车起制动作用，但这些外力的大小都是随机的、不可控制的。因此，在汽 车上必须设置一系列专门装置来主动对行驶中的车辆进行强制制动。这样一来， 驾驶员就能够根据感观判断获得的实时道路交通信息，操纵车辆的制动装置给 车辆某些部分( 主要是车轮) 施加一定的力对车辆进行一定程度的强制制动， 以此来获得当前所需的车辆行驶状况。这种人为控制的，对车辆进行制动的外 力称为制动力，相应的在车辆行进中进行制动的一系列专门的制动装置即为行 车制动装置。 2 1 汽车行车制动装置的组成及制动过程原理分析 2 i 1 常用汽车行车制动装置的组成 几乎所有的公路行驶车辆的行车制动装置都是由制动器和制动驱动机构组 成，下图2 - i 中所示即为一种简单的液压动力行车制动装置。 i 制动踏板2 推杆3 主缸活塞4 制动主缸5 油管6 制动轮缸7 轮缸活塞8 制动鼓 9 摩擦片1 0 制动蹄1 i 制动底板1 2 支承销1 3 制动蹄回位弹簧 图2 1 液压制动系统原理图 8 当行驶中的车辆需要减速或停车时，驾驶员就踩下图中的制动踏1 ，通过 推杆2 和主缸活塞3 ，使得主缸内的油液在一定压力下流入制动轮缸6 ，并通过 两个轮缸活塞7 驱动制动装置中的制动蹄1 1 张开，制动蹄7 外张，制动器通过 摩擦作用产生阻力矩，汽车开始减速直至停车。当然，这一过程可随着驾驶员 踩下放开制动踏板来控制，起到主动控制车速的作用“”。 2 1 2 行车制动器 制动器是产生阻碍车辆的运动或运动趋势的力( 制动力) 的部件；它是汽 车制动过程的制动执行单元。制动器按其工作机理主要有摩擦式、液力式和电 磁式三种形式。电磁制动器具有滞后性好、易于连接和接头可靠等特点，但是 成本高，一般只在部分总质量较大的商用车上用作车轮制动器或缓速器；而液 力制动器一般只用作缓速器。目前，在汽车上广泛应用的制动器仍为摩擦式制 动器。 摩擦制动器是利用机械摩擦来进行车辆制动的，即利用旋转元件与固定元 件两工作面之间摩擦产生的制动力矩使得车辆在需要减速的时候降低车速或者 在紧急情况下迫使车辆在最短的时间内停车，在制动的过程中主要是依靠摩擦 功来消耗车辆在开始制动时所具有的动能。行车制动装置的制动器是安装在车 轮上的，故又称为车轮制动器。车轮制动器按其旋转元件的结构形式、驱动机 构的传动介质、制动蹄的属性、制动蹄张开装置的结构可以分为很多类型，如 下表2 - 1 中所示。 表2 - 1 常见制动器分类方式 序号分类方式类型 l 结构形式 鼓式盘式 2工作动力机械制动液压制动气压制动电磁制动 3制动蹄的属性领从蹄式双领蹄式双领蹄式自曾力式 4 定摩擦件结构钳盘式 全盘式 5 张开装置的结构 凸轮曲柄楔块 通常用盘式制动器和鼓式制动器来大致区分制动器的类型：鼓式制动器多 在小型轿车和载重车辆上使用，如济南重汽生产的斯太尔牌重型卡车；而盘式 制动器则以其响应均衡及良好的控制特性等特点在较重或高速轿车上使用较 多，如日本丰田生产的皇冠牌轿车。下面，我们就以鼓式制动器为例，来简单 介绍一下车辆的行车制动器的结构特点和工作原理。 目前，所有国产汽车和部分载重车辆的气压鼓式行车制动装置中，都是采 用凸轮促动车轮制动器来完成制动过程的，如下图2 2 所示。 制动器的旋转元件制动鼓4 通过圆锥滚子轴承被支撑在转向节轴颈上；同 9 时，制动鼓又通过螺栓紧固在轮毂2 上并随安装在轮毂上的车轮一起转动。作 为制动器固定元件装配基体的制动地板7 用螺栓与转向节的凸缘连接，制动蹄 3 则被安装在制动底板上。制动过程时，制动蹄由凸轮轴8 驱动以支撑销1 为 圆心旋转外张与制动鼓内圆面接触，制动蹄上的摩擦片被压在制动鼓内圆面上， 由于摩擦力的作用产生与车轮旋转方向相反制动力矩，迫使制动鼓以及连接在 其上的轮毂旋转速度降低m ，。 1 支撑销2 轮毂3 制动蹄4 转向节轴颈5 制动鼓6 制动凸轮轴支座7 制动底板 8 凸轮轴9 制动调整臂 图2 2 某国产车型前轮鼓式制动器 后桥制动器的结构及工作原理与前桥差别不大，主要区别就是后桥制动器 的制动底板是通过螺栓连接在后桥桥壳半轴套管的凸缘上，其工作原理基本上 都是相似的，因此这里我们就不再做过多的介绍。 2 1 3 制动驱动机构 行车制动装置的驱动机构主要是由供能装置、控制装置和传能装置组成。 供能装置包括供给、调节制动所需能量以及改善传能介质状态的各种部件。 其中，产生制动能量的部分就叫做制动能源，人的肌肉亦作为制动能源。供能 装置在传能装置的开始处终止。 控制装置包括产生制动动作和控制制动效果的各个部件。控制信号在控制 装置中的传递方式有机械的、气压的、液压的或电动的。如图2 1 中的踏板机 构即为一种最为简单的控制装置”，。 传动装置是制动系统中分配传递能量的部件。传能装置开始于控制装置或 供能装置的终端；它以产生阻止车辆运动或运动趋势的力的部件为终点。如图 l o 2 1 中的制动主缸4 和制动轮缸6 。 2 1 4 电子辅助制动装置 另外，如果在制动系统中还含有制动力调节装置( 如a b s 防抱死制动系统， d s c 动力制动系统，e b v 电子制动力分配装置等) 、报警装置及压力保护装置等， 这样就是一种更为完善的制动系统，它将使车辆获得更为完美的制动性能h 。 2 2 载重车辆桥总成制动装置 下图2 3 表示了制动装置在载重车辆前( 后) 桥上的安装布置方式。从图 中可以看出，前( 后) 桥总成的左、右两端均安装有一个制动鼓2 、9 ：相应的， 每个制动器都配有一个制动气室( 气压制动系统的传动装置) 。由前面的介绍我 们可以知道，制动器是被安装在制动鼓内，由制动气室通过连杆机构带动凸轮 轴旋转，从而驱使制动器工作完成制动。 蕺桥墓或 1 前桥轮毂紧固螺钉2 前桥制动鼓( 含制动器) 3 前桥制动气室4 转向横拉杆5 前桥板簧安装面6 ，后桥扳簧安装面7 制动推杆8 后桥制动气室9 后桥制动鼓( 含 制动器) 1 0 后桥轮毂紧固螺钉 图2 3 常见桥总成制动装置布置结构示意图 通常，载重车辆的前( 后) 桥总成在桥总成制造厂就是被装配成上图所示 的状态后出厂的。因此，在桥总成制造现场对前后桥总成制动性能的检验，也 就是对载重车辆气压行车制动装置中的从制动气室到制动器部分的综合制动性 能的检验，这也是本文研究内容的工作对象。 2 3 汽车行车制动过程中制动器受力分析 汽车行驶过程中，需要受到与汽车行驶方向相反的力才能够实现减速直至 停车，这个相反的力只能由地面和空气提供。但由于空气阻力相对较小且不哥 人为控制，不能满足行车过程中的主动制动要求。因此，汽车制动所需的实际 的反力主要应由地面提供的。 当汽车在行驶过程中通过实时的路况信息判断汽车需要减速时，驾驶员通 过一系列装置控制制动器产生与车轮旋转方向相反的摩擦阻力矩，即制动器制 动力。制动鼓将该力矩传递给车轮后，由于车轮与路面之间的附着作用，车轮 对路面产生一个向前的周缘力，同时路面也对车轮作用着一个向后的反作用力， 即地面制动力。地面制动力经由车轮经车桥或悬架传递给车架及车身，迫使整 个汽车产生一定的减速度来实现车辆减速阳】。 下面，通过分析地面制动力、制动器制动力、地面制动力和制动器制动力 之间的关系以及由此引出的附着力的概念，来更进一步的从理论上了解汽车行 车制动过程。 2 3 1 地面制动力 下图2 - 4 中所示的是在理想状态下，汽车在良好路面上制动时车轮的受力 情况。 图2 4 车轮在制动时的受力情况 正表示车轮制动器中摩擦片与制动鼓( 鼓式制动器) 相对滑转时的摩擦力 矩；瓦是地面制动力；w 为垂直载荷；为车轴，也就是前桥( 后桥) 的转 向节轴颈( 后桥桥壳半轴套管) 对车轮的推力；只为地面对车轮的法向地面对 车轮的法向反作用力；，为车轮半径。 显然，根据图2 2 中表示的力矩平衡关系可以得到： 1 2 瓦；互 ， ( 2 - 1 ) 地面制动力作为迫使汽车行驶减速的外力，其大小取决于以下两个因素： 1 ) 地面制动力瓦e h 地面与轮胎之间的摩擦产生，在相同的垂直载荷作用下 其大小受限于地面与轮胎之间的摩擦系数。 2 ) 制动器摩擦片与制动鼓之间的摩擦力矩e 作为制止制动鼓相对与制动鼓 相对转动的反作用力，其大小受限于摩擦片与制动鼓之间的摩擦系数。 2 3 2 制动器制动力 制动器制动力e 是在轮胎周缘为了克服制动器摩擦力矩所需的力嘲。这个 力的大小相当于把汽车架离地面进行制动，在轮胎周缘沿切线方向推动车轮直 到它能转动所需的力，即有： 已= 孚 ( 2 2 ) 制动器制动力仅由制动器的结构参数所决定，即取决于制动器的形式，结 构尺寸、制动器摩擦副的摩擦因子以及车轮半径，与制动系的液压或空气压力 成正比。本文研究的重点就是考核制动器制动力相关的参数。 2 3 3 制动器制动力、地面制动力与附着力之间的关系 在制动时，假设车轮的运动仅表现为滚动或报死拖滑两种状况o 】： 1 ) 当制动器摩擦力矩不大时，地面与轮胎之间的摩擦力即地面制动力，足以克 服制动器摩擦力矩而使车轮滚动，车轮滚动时的地面制动力就等于制动器制动 力。但地面制动力是滑动摩擦的约束反力，它的值不能超过附着力，即： y , b = e 妒 或最大地面制动力。， 民一= t p ( 2 - 3 ) ( 9 - 4 ) 其中，p 为车轮与地面之间的摩擦系数。 2 ) 当地面制动力小于附着力c 值时车轮仍有转动而出滚动现象；当地面 制动力达到附着力艺值时，车轮抱死不转而出现拖滑现象；但当作用在车 轮上的法向载荷为常数，地面制动力达到附着力兄的值后就不再增加，即 车轮所受到的地面制动力的最大值就是在一定垂直载荷作用下的地面附着力 。 图2 5 制动器制动力e 、地面制动力与踏板力耳之间的关系 2 3 4 地面附着系数 在前面的叙述中曾假设汽车在制动过程中车轮的运动仅仅表现为滚动或报 死拖滑两种状况。但是，实际道路可以证明，在汽车制动过程中，车轮的运动 存在一种介于这两种运动状况之间的运动，即车轮边滚边滑。由此便引出滑移 率的定义。滑移率是用来说明制动过程中车轮运动的滑动成分所占的比率： s ：u w - r ，- o e a wx 100。60(2-5、 其中：s 一一滑移率： 一一没有地面制动力时的车轮滚动半径。 唧一