一种基于汽车动力截止控制超载的技术模型

毛 矛

（正德职业技术学院，江苏 南京 211106）

1 研究背景

在我国的公路运输中，汽车超载现象非常严重且危害极大。《公路法》及 《超限运输车辆行驶公路管理规定》都严禁车辆超载。汽车超载诱发大量道路交通安全事故、严重损坏道路基础设施、造成运输市场的不公平竞争、导致交通堵塞并且加剧对生态环境的人为破坏［1-2］。治理公路运输中汽车超载一直是公路运输管理部门的重要事务。治理效果不佳的原因部分在于没有找到正确的方法。一直以来，治理汽车超载采用的是路政人员上路检查，对有超载嫌疑的车辆实施称重的办法。这种办法既耗费大量人力，又给正常交通运输带来阻碍，不可避免地留下许多疏漏，以至于汽车超载现象越来越严重。

汽车载运货物，载荷由车厢通过悬架传递到车桥，再由车轮作用于路面上。所谓超载是指汽车实际载荷超过了额定值，从而使得包括轴荷在内的各种作用力超过额定值。技术模型是解决某类问题的技术方案。本文提出的解决超载问题的技术模型的思路是控制汽车的动力，在超载的情况下，通过截止动力使得汽车不能运行，从而实现防止汽车超载的目的。而是否超载的判断由测量汽车轴荷来实现。本技术模型从汽车控制技术的角度寻找治理汽车超载的方法，其中包括汽车超载测定与判别、防止动载荷干扰、汽车动力截止以及防止相关装置被人为拆除的反向控制技术等。

2 汽车动力控制

汽车动力来源于发动机，而发动机的工作包含起动和运转这两个阶段。汽车动力控制就是围绕着对发动机的控制来进行。目前汽车上的发动机仍然是以汽油机和柴油机为主。汽油机有点火系统，国内有研究人员提出通过控制点火系统来防止超载的方案［3］。但是这方案不能适用于柴油发动机汽车，而载货汽车大多是以柴油发动机作为动力的。也有人提出限制货车的最大比功率 （单位汽车总质量所具有的发动机功率）来治理货车超载的技术对策［4］，但是可行性不高。汽车动力控制必须另辟蹊径。

不论装用哪种类型的内燃发动机，汽车发动机的运行离不开起动和供油这两个基本条件。本技术模型正是从这两方面入手，分别通过对起动和燃油供给两个系统的控制来实现对汽车动力的双重控制。

2.1 起动系统的控制

汽车起动系统在电路的组成上大同小异，主要由起动开关、起动继电器、控制电路和起动机组成。正常情况下，起动机的工作由起动开关控制。本技术模型在起动系统的控制电路中设置一个超载保护继电器，由电控单元ECU的信号控制其导通或者断开，实现对起动系统的控制，如图1所示。电控单元对起动系统的控制逻辑是:没有发生超载时，电控单元ECU给超载保护继电器一个控制信号使其导通，起动机能够正常起动；而一旦发生超载时，电控单元ECU给超载保护继电器一个控制信号使其断开，起动机不能起动。

2.2 燃油供给系统的控制

燃油是动力的来源，控制燃油是控制发动机动力的另一个重要途径。货运汽车中大多采用柴油发动机。本模型即主要考虑针对柴油机的燃油供给系统控制方案。当前汽车装用柴油机可以分为传统机械式供油系统和现代电控供油系统两类。虽然不同柴油机的燃油供给系统差别很大，但是都必须通过连接油箱的出油管给整个系统供油。因此，通过在燃油箱出油管上加装超载保护电磁阀，电磁阀由电控单元控制，从而实现对燃油供给系统的控制。

电控单元对燃油供给系统的控制逻辑是:没有发生超载时，电控单元ECU给超载保护电磁阀发出控制指令使其闭合，燃油系统正常供油；当发生超载时，电控单元ECU发出控制指令使超载保护继电器断开，输油泵无法从油箱吸取燃油，如图2所示。这种控制油箱出口管路的方法同样可以应用于汽油机汽车。

对于电控柴油机，除了可以采用上述在油箱出油管加装超载保护电磁阀的方法来实现对燃油供给系统的控制之外，还可以将对燃油供给系统的控制结合进柴油机电控系统之中。本文暂不探讨这种方式。

通过对起动系统和燃油供给系统的双重控制，能够保证对汽车动力的有效控制。

3 超载判别与轴荷测量

对于具体形式的货车，整车载荷与后桥的轴荷之间存在相对稳定的比例关系。虽然这种比例关系随着货物装载位置的变化而有所变化，但是对于大多数情况而言，这样的变化范围不大。本技术模型以货物载荷居中平均分布时后桥轴荷与整车载荷之间的比例关系为依据，由轴荷来推算载荷，从而判断汽车是否超载。

以两轴货车为例，如图3所示，后轴轴荷F与整车载荷P之间的关系可推导得到:F／P=（C+0.5L）／（C+L-D）。

多轴式货车的轴荷与整车载荷之间的关系同样可以通过力学分析推导得到，本文不作赘述。

此外，国家标准GB 1589—2004《道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值》对于汽车及挂车单轴的最大允许轴荷也有最大限值规定，这同样是判断汽车是否超载的一个依据。

随着微处理机的出现，称重传感器广泛应用于各个领域，是过程控制中一种常用装置。从大型料斗质量计测到混合分配多种原料的配料系统，到生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等，称重传感器都有应用。测量汽车轴荷，可以采用称重传感器，将载重信号转变为可测量的电信号，输出到电控单元ECU。测量汽车轴荷的称重传感器须能够称量较大吨位负荷，而且能够适应货运汽车复杂多变的运行环境，可供选择的传感器有液压式、电容式、磁极变形式、电阻应变式等。电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式，称量范围宽，称量精度高达1／1000～1／10000， 且结构简单，工作可靠性较高，比其他形式的传感器更加适合于本技术模型。

货运汽车的后悬架大多采用钢板弹簧式非独立悬架。根据具体货车的结构形式，首先分析后桥轴荷与整车装载量之间的关系，然后选择合适规格的电阻应变式称重传感器置于钢板弹簧与半轴套管之间，如图4所示。

4 抗动载荷干扰

汽车在运行的过程中不可避免地会有颠簸，而颠簸造成的上下振动会产生附加的动载荷，使得原本没有超载的汽车因为动载荷的效应而超载。如何排除动载荷的干扰，是有效运用动力截止技术来控制汽车超载的关键之一。一种办法是采用数字信号处理技术，用数字滤波器滤除动载荷的干扰［5］。动载荷的产生与汽车行驶状态有关，是汽车行驶速度的函数。车速为零时，动载荷亦为零。本技术模型中设计的抗干扰措施是将测量车速的传感器信号输入系统的电控单元ECU。抗干扰的控制逻辑是:只有当车速为零时，动力截止控制系统才工作；当车速大于零，即汽车在行驶过程中时，控制供油系统的超载保护电磁阀闭合接通，保证发动机供油系统正常供油；这样就排除了汽车动载荷对超载动力截止电控系统的干扰，避免系统误动作对汽车正常运行的干扰，保证系统工作的可靠性。

5 汽车超载动力截止电控系统

汽车超载动力截止电控系统的控制逻辑是:电控单元ECU接受后桥称重传感器的轴荷信号以及车速传感器信号，经过内设程序的计算，分别对汽车起动系统的超载保护继电器及发动机供油系统的超载保护电磁阀发出控制指令，实现汽车超载自动截止控制。系统的工作分为两部分。

1）汽车没有超载 当汽车没有超载时，截止系统不动作，起动系统正常起动，发动机供油系统正常工作。

2）汽车发生超载 当汽车超载，轴荷传感器信号超过限定值时，系统一方面向汽车起动系统的起动保护继电器发出控制指令，使得起动系统不能起动；系统同时向发动机供油系统超载保护电磁阀发出控制指令，停止系统供油。

这从两方面对汽车的动力系统进行超载截止控制，将系统的工作分为 “超载”与 “非超载”两部分，既不影响汽车在正常运载状态下的工作，又能对汽车进入超载状态后的运行进行控制。系统具体工作原理见图5。

称重传感器与ECU的连接电路框图如图6所示，采用MCS-51单片机作为ECU，用8031作为中央处理器，采用LM331作为V／F电压频率变换器。轴荷使称重传感器弹性体发生变形，输出与轴荷成正比的电信号，经放大器放大后，输入V／F转换器进行A／D转换，转换后的频率信号直接送入8031微处理器中，由单片机进行处理。

6 防拆除反向控制设计

因为利益的关系，车主会反对安装防超载装置，对于车上装配的防超载装置也会设法拆除。为了避免车主因利益关系拆卸超载动力截止系统，从而导致系统不能正常发挥治理超载的作用，本技术模型设计了反向控制。即装配了动力截止系统的汽车，只有该系统正常工作，发动机才能正常起动与工作。一旦系统被破坏或拆卸，汽车发动机将不能起动与工作。

防拆除反向控制设计利用动力截止控制中对起动系统和燃油供给系统的双重控制，将两者结合起来作为防止人为拆除的反向控制技术的一个手段。控制起动电路的超载保护继电器采用常开继电器，其控制逻辑是:轴荷传感器的信号显示没有超载时，电控单元ECU控制其闭合，起动电路导通。控制供油系统的超载保护电磁阀采用常闭电磁阀，其控制逻辑是:电控单元ECU接受轴荷传感器的信号显示没有超载，并且接收到超载保护继电器正常接通的反馈信号，发出信号控制电磁阀接通，使得供油管路导通。如果拆除超载保护继电器和电磁阀中的任意一个或者两个，汽车都将因为无法获得动力而不能运行。这样从技术上保证动力截止系统发挥其治理超载的作用，而不至于成为无用的摆设。

7 结束语

超载的危害人所共知。超载在我国越演越烈的原因是多方面的。本文提出的技术模型是从汽车控制技术的角度治理超载，考虑了抗动载荷干扰及防止利益驱动下的人为拆除，是一种根本性的技术措施。本技术模型应用到具体的不同型号、不同吨位的货车上，还需要做具体的计算工作。更加重要的是，技术措施能否得以应用并发挥效能，还有赖于相关法律法规的保障以及政府层面的推广。

［1］易玮.浅谈货车超限超载运输的危害及其治理对策［J］.山西建筑，2008（9）:296.

［2］马向东.公路汽车超载管理研究［J］.黑龙江交通科技，2008 （4）:110-111.

［3］高敏， 杜桢.汽车超载的控制［J］.华东公路， 2007 （1）:88-90.

［4］王洪明.货车超载的技术对策［J］.交通运输工程与信息学报， 2004 （2）:71-75.

［5］罗健宾，郭勇.汽车超载检测仪的IIR滤波器设计及仿真［J］. 微计算机信息， 2008 （2）:266-267.