长大下坡车辆连续制动温升模型研究

2015-04-21陈富坚邓伟建

交通科技与经济 2015年6期

郑峰，陈富坚，邓伟建

（桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林541004）

我国地形复杂多样，山区面积约占全国土地总面积的2／3，在山岭重丘区修建公路时，从公路的造价方面考虑，在设计时出现长大下坡路段是很常见的现象。车辆在长大下坡路段行驶时，因坡长且陡，势能转化为动能，车速越来越快。为控制车速司机频繁“点刹”，容易引发制动器出现“热衰退”现象，特别是货车。“热衰退”现象会导致制动器的制动效能下降，严重时完全消失，即制动失灵，制动失灵是长大下坡恶性交通事故频发的主要原因。在解决长大下坡公路交通安全问题的时候，对车辆制动鼓温升模型的研究显得尤为重要。本文对国内外车辆连续制动温升模型的研究进行综述。

1 长大下坡的概念界定

目前，相关标准规范及指南对长大下坡并没有明确的定义。《公路工程技术标准》（JTG B01－2014）指出:“长大纵坡对载重汽车行驶很不利，下坡会使刹车过热，制动效能减弱，更易发生交通事故，因此，各级公路必须对连续上坡和连续下坡路段按平均纵坡进行控制。”《公路路线设计规范》（JTGD20－2006）指出:“公路纵断面设计即使完全符合最大纵坡、坡长限制及缓和坡段的规定，也不能保证使用质量。不少路段虽然单一陡坡并不大，甚至也有缓和坡段，但由于平均纵坡较大，上坡使用低速挡较久，易致车辆水箱开锅，下坡则因刹车发热、失效而导致事故发生，因此，有必要控制平均纵坡。”由此可见，要研究长大下坡安全问题，应对长大下坡进行明确的界定或定义。

根据文献所述:“长大下坡路段一般是指在线形设计上出现的容易造成车辆长时间制动或空挡滑行的长距离、大坡度的坡段，通常伴随长上坡和连续弯道。”

2 车辆连续制动引起制动器热衰退的机理

当车辆下长坡且连续制动时，制动器的工作温度升高，引起制动片的成分发生热分解，致使制动器的摩擦系数变小，造成摩擦力矩显著降低，导致汽车的制动效能明显下降，这种现象就是制动效能的“热衰退”。

根据文献［7］研究:摩擦片是由大量的有机化合物经过一定的配比加工固化而成，其主要成分为有机化合物。当摩擦片的工作温度不超过300℃时，有机化合物就处于稳定状态，制动鼓与摩擦片的摩擦系数保持在0.3～0.4，即为良好的制动效能。当连续制动器工作温度超过300℃后，有机化合物就会受热分解，所产生的气体和液体存在于摩擦片与制动鼓间，起到润滑作用。即使在相同踏板力的作用下，摩擦力矩也会显著降低，进而导致制动效能下降。

3 长大下坡车辆制动过程分析

在长大下坡路段连续制动过程中，引发车辆制动器制动效能“热衰退”现象的主要原因是超过了制动器上摩擦片的工作温度。为解决长大下坡车辆制动效能“热衰退”，国内外学者进行了一系列研究。

3.1 对摩擦热的早期研究

1937年，Blook是第一个着手研究摩擦热问题的学者，自此以后，摩擦热的研究才相继开展起来，如表1所示。

表1 国内外早期对制动器摩擦热的部分研究

早期国内外研究的共同特点是依据摩擦学相关理论，建立较为复杂的温升模型，依靠一些假设或是算法简化模型。但也带来了一些问题，精度不是很高，缺乏有效的实用性。

3.2 对车辆制动器温升过程进行的软件模拟仿真

随着对摩擦热的研究深入，学者们通过对车辆制动器温升过程进行模拟仿真，建立了温升模型，如表2所示。

表2 国内部分学者对车辆制动器温升过程的模拟研究

制动器是三维复杂结构，属于非线性分析领域。上述成果利用ANSYS软件将制动器近似地划分为有限个节点处相连的单元，对制动过程中制动器的受力及传热进行了分析，还对不同工况下制动器进行了数值模拟。但模型并没有结合实际路况下的数据，缺乏实用性。

3.3 结合室内外试验及数学方法优化温升模型的各参数

学者们通过对车辆制动器温升过程进行模拟仿真，再结合室内外试验及数学方法优化温升模型的各参数，完善了制动器的温升模型。袁伟研究发现对流换热是制动器散热的主要方式，并对其进行了实验，求解得到对流换热系数。此外，基于对流换热系数，还对制动器温升模型进行了计算。顾永田对实际道路上行驶车型进行调查，将主要车型作为研究对象，并针对该车型采用的鼓式制动器进行了温升特性分析；结合试验车辆制动器温升特性的道路试验数据，建立了关于车辆装载状态、道路坡度、坡长、行驶速度制动器温升模型。苏波、方守恩等利用山区高速公路实地制动鼓测温试验的数据，对美国的GSRS模型中的制动鼓温度预测模型进行修正，并以此模型为基础，推导大货车下坡时，其制动鼓温度与坡度、坡长、车重、车速的关系。杨宏志、胡庆谊等采用DHS－130XL型红外观测机测量车辆制动毂温度，建立了货车制动毂温度预测模型。靳恩勇、杜博英为了研究在道路长大下坡上载重货车制动器热衰减的温度曲线，应用能量守恒理论建立了载重货车在发动机制动和排气制动时制动器的温度预测模型。通过试验数据检验，对模型中的部分参数，如初始温度、环境温度等进行了修正。李文亮、周炜等提出了一种实时的车辆长下坡路段与制动器温度预警算法，通过对长大下坡车辆下坡过程进行受力分析，建立整车纵向力平衡方程和能量方程，考虑车速对制动器耗散能量大小的影响，基于制动器耗散能量占总能量的比例，采用制动器吸收能量占制动器耗散能量的比例经验公式，结合试验数据，建立制动器温升计算模型。

4 长大下坡车辆连续制动温升模型的发展趋势

温升模型的构建应基于室内的台架实验，采用ANSYS软件对制动器制动过程进行热模拟，并结合实际道路上采集的车辆制动器温度数据。此外，还需考虑车辆不同制动方式、制动器散热的不同方式、制动器的初始温度及环境温度。依据该模型及摩擦片的极限温度可以确定长大下坡路段避险车道设置的位置，还能对连续长大下坡路段平均纵坡进行安全性评价。

5 结论与建议

长大下坡车辆连续制动温升模型的影响因素包括:制动器的初始温度，环境温度，车辆的载重、速度，公路的坡度、坡长。制动器制动失灵的直接原因是连续制动过程中制动器的温度超过了摩擦片的工作温度，其根本原因是驾驶员“多拉快跑”的心理因素，以及超载超速；另一个是公路纵坡设计连续采用极限值。为提高制动安全性，应提高驾驶员的文明安全驾驶意识，公路纵坡设计中应避免极限坡度坡长，多采用较大纵坡及缓和坡段组合。

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