8×4重型载货车制动性能研究与优化设计

殷祥珍，袁 晶，白志刚，杨利国，马明武

8×4重型载货车制动性能研究与优化设计

殷祥珍，袁 晶，白志刚，杨利国，马明武

（一汽解放汽车股份有限公司，吉林 长春 130011）

防抱死制动系统（ABS）和电子稳定性控制系统（ESC）作为汽车重要的主动安全系统，GB 7258 早已规定所有汽车均需配备ABS系统，随着JT-T 1178.1《营运货车安全技术条件》的实施，要求总质量大于等于12 t 且车速超过90 km/h的载货汽车需配备ESC系统。论文针对4S/4M配置形式的ABS系统在8×4重型载货车上的应用，建立数学模型，基于整车制动性能特性，通过理论计算和试验验证，得出对于8×4载货车ABS轮速传感器布置于第2轴和4轴的合理性，车辆的制动性能和ESC性能都有很大提升。

8×4载货车；4S/4M；制动性能；ABS；ESC

随着打通物流运输最后一公里的国家政策的出台，居民对新鲜农产品的需求更加旺盛，由此带来的消费升级，使市场对载货车的需求也不断上升，而8×4（四轴车，前桥为导向桥，二轴为随动导向桥，后双桥为驱动桥）驱动形式占重型载货车市场比重约60%。由于8×4重型载货车载重大惯性也大，行车制动距离长，由此带来的安全隐患也大。

随着国家对商用车安全的重视，国家法规已明确要求，所有车辆必须装备防抱死制动系统（Antilock Brake System, ABS），总质量大于等于12 t 且车速超过90 km/h的重型载货车应装备电子稳定性控制（Electronic Stability Controller, ESC）系统。从成本及性能的角度出发，主流主机厂均选择4S/4M（4 个车轮速度传感器（Wheel Speed Sensor, WSS）和4 个压力控制阀（Pressure Control Module, PCM））配置形式来开发8×4重型载货车。其中2个轮速传感器和2个压力控制阀控制前面2根轴，另外2个轮速传感器及2个压力控制阀控制三、四轴[1]。4个轮速传感器如何在车轮上布置，以及制动性能和轮速传感器的布置关系是一个值得研究的问题。

1 理论分析

1.1 整车质量参数计算

本文以某款8×4载货车作为研究对象，从理论上进行分析。要分析整车的制动性能，首先要计算车辆的整车重量、质心位置及各轴轴荷从而计算出整个车的重量和质心位置[6]。对于8×4载货车车型，后双桥为驱动桥简化等效为一根轴，等效轴位于中、后轴中间位置。已知8×4载货车的基本参数信息如表1所示。

表1 某8×4载货车的基本参数

名称符号单位数值 轴距（第一轴到第二轴）L1mm2 000 轴距（第二轴到第三轴）L2mm5 175 轴距（第一轴到第三轴）L3mm7 175 第一轴悬架刚度K1kg/mm54.38 第二轴悬架刚度K2kg/mm54.38 第三轴悬架刚度K3kg/mm300.1 第一轴自由状态车轮轮心到车架下表面的距离Z10mm303.8 第二轴自由状态车轮轮心到车架下表面的距离Z20mm303.8 第三轴自由状态车轮轮心到车架下表面的距离Z30mm256

整车空载和整车满载（按照整车满载31 000 kg计算）两种状态下的各轴非簧载质量及整车簧载质量信息，如表2所示。

表2 某8×4载货车的质量参数信息

名称符号单位空载数值满载数值 第一轴非簧载质量M1kg658658 第二轴非簧载质量M2kg642642 第三轴非簧载质量M3kg2 2762 276 整车总质量Mkg13 49031 000 整车簧载质量Mskg9 91427 424 整车质心到第一轴的距离LS1mm3 803.984 877.00 整车质心到第二轴的距离LS2mm1 803.982 877.00 整车质心到第三轴的距离LS3mm3 371.022 298.00 整车质心距地面高度距离hmm1 2941 989

1.2 轴荷计算

在建立模型时，轮胎和悬架视作弹性元件，以轮胎轮心连线为基准线，由于轮胎形变在轮心以下，可忽略轮胎变形对模型的影响。车架由于其形变很小，视作刚体元件。建立模型如图1所示。

图1 8×4载货车轴荷计算模型

令一、二、三轴轴荷分别为123，制动减速度大小为，其中分别取值[0,0.1,0.2,0.3, 0.4,0.5,0.6,0.7,0.8]。以第三轴为支点，根据力矩平衡关系为

31+22=(3-s1)+（1）

化简后为

31+22=(3-s1)+（2）

各轴轴荷之和等于整车自重：

1+2+3=（3）

第一轴的压缩变形量：

Δ1=(1-1)/1（4）

第二轴的压缩变形量：

Δ2=(2-2)/2（5）

第三轴的压缩变形量：

Δ3=(3-3)/3（6）

根据变形协调条件：

/=/（7）

式中，=(20-Δ2)-(10-Δ1)，=(30-3)-(10- Δ1)，=1，=3。

代入变形协调方程得

化简得

联立式（2）、式（3）、式（9）得矩阵方程为

代入方程中的各整车参数值即可求得整车在满载31 000 kg状态下，不同减速度时各轴的轴荷123。表3是不同减速度大小情况下计算所得轴荷。图2是不同减速度下各轴轴荷曲线。

表3 不同减速度下各轴计算轴荷

制动减速度N1/kgN2/kgN3/kg 05 6975 86819 436 0.1g6 2856 24318 472 0.2g6 8736 61917 508 0.3g7 4626 99516 544 0.4g8 0507 37015 579 0.5g8 6397 74614 615 0.6g9 2278 12213 651 0.7g9 8158 49712 687 0.8g10 4048 87311 723

对后平衡悬架进行受力分析，车体给钢板弹簧一个向下的力3，第三、第四轴分别给板簧一个向上的支撑力45，第三、第四轴到平衡悬架中间支点的距离分别为45，板簧的弧高为0。根据平衡悬架结构性质4=5，0大于0。建立第三、第四轴的轴荷模型如图3所示。

图2 不同减速度下各轴轴荷曲线

图3 平衡悬架轴荷计算模型

根据受力平衡

4+5=3（11）

以第三轴轴心为支点，进行受力分析有

43-5-30=0 （12）

将式（11）代入式（12），得

1.3 制动性能分析

由图2可以看出，无制动时，一轴轴荷和二轴轴荷基本相等，但在进行制动时，一轴轴荷大于二轴轴荷，这说明制动时，轴荷转移到一轴比二轴多。设轮胎与路面的附着系数为，一、二轴产生的附着力分别为1、2。1=1，2=2，当1>2时，1>2。在保证轮胎不被抱死的情况下，一轴所需的最大制动力大于二轴。即当ABS轮速传感器布置在二轴车轮上，ABS起作用时，产生的制动力等于二轴的附着力，此时，一轴、二轴的制动力均小于一轴、二轴的附着力，从而一轴、二轴轮胎均不会被抱死，进而提升整车制动性能，增加轮胎使用寿命。同时由于一轴、二轴均处于滚动状态，整车的转向性能不受影响，不足转向和过度转向性得以避免，车身稳定性也更优。后平衡悬架的第三、第四轴同理，在制动时，第三轴荷大于第四轴荷，所以轮速传感器应该布置于第四轴车轮上。综上所述，对于重型8×4载货车，采用4S/4M时，ABS轮速传感器应该布置在二、四轴车轮上。

2 试验测试

2.1 轴荷试验

为了验证上述理论分析的正确性，首先在车厢内平铺装上载荷，然后在轴荷测量台上进行轴荷测量，试验与计算结果比较如表4所示。

表4 实测轴荷与计算轴荷比较

项目试验轴荷/kg计算轴荷/kg计算误差/% 一轴5 9205 6973.77 二轴6 0605 8683.17 三、四轴19 04019 4362.08

从表4中很容易看出计算结果相对于试验结果的误差都是比较小的，能满足使用要求，此计算模型是比较成功的。

2.2 制动试验

为了验证制动效果，在轮胎上标记上白色标记以便观测各轴轮胎运动状态。在直线制动场地进行试验。试验时将车辆加速到80 km/h，然后紧急制动直至停车，观察各轴轮胎运动状态。首先将ABS轮速传感器布置在一、四轴进行试验，当紧急制动时，虽然装有ABS轮速传感器的车轮没有出现抱死，但是可以明显观测到二轴轮胎有抱死状态，且二轴轮胎与地面摩擦产生大量白烟，如图4所示。然后将ABS轮速传感器布置在二、四轴进行试验，当紧急制动时，各轴轮胎均无抱死现象，试验数据如图5所示。

图4 高附二轴制动抱死

图5 高附无抱死轮速与车速关系

2.3 J转向试验

ESC能够按照某种控制逻辑[2-4]，通过调用ABS制动系统[5]，可以对所有车轮单独施加制动。以保证车身行驶状态在稳定的前提下尽量满足驾驶员的意图。

为了验证对车辆车身稳定性的影响，按照《商用车辆电子稳定性控制系统性能要求及试验方法》（GB/T 38185）进行J转向试验[7]，试验场地要求及测试场地如图6所示。首先将ABS轮速传感器布置在一、四轴进行试验，当车速达到标准要求的最低车速48 km/h时，车辆进入圆形场地，此时车辆侧倾较大，且反复纠正方向盘也无法将车辆控制在圆形车道内，最终车辆冲出车道，试验失败，如图7所示，从图中可以看到，方向盘转角一直在摆动。然后将ABS轮速传感器布置在二、四轴进行试验，侧翻稳定性车速达到55 km/h，满足标准要求，且车辆能稳地行驶在车道内[8]，如图8所示，图中方向盘转角前段和后段近似平行线，中间平稳连接，反映出车辆行驶很平稳。

图6 试验场地

图7 一三轴布置侧翻试验

图8 二四轴布置侧翻试验

3 结束语

1）8×4多轴车辆进行制动时，轴荷转移到前轴相对于后轴多。

2）基于4S/4M设计的8×4载货车，其4个轮速传感器应该布置于车辆第二轴和第四轴车轮上。将轮速传感器布置于此车轴上能极大地提升整车的制动性能和稳定性能，从而提升整车的安全性。

[1] 郑太雄,马付雷,杨勇.汽车防抱死制动系统方向稳定性控制方法[J].西南交通大学学报,2014,49(2):276- 282.

[2] 陈海淼.商用车电子稳定系统研发及运用研究[J].汽 车实用技术,2018,43(19):138-140.

[3] 苏海东,梅晓波.重型车ESC系统性能浅析[J].汽车实用技术,2014,39(12):39-40.

[4] 刘子辉,赵玉超,郭鹏,等.ESC系统在某款重型汽车上的应用[J].重型汽车,2016(2):21-22.

[5] 王树韬.浅谈ABS在重型车桥中的应用[J].科技信息(科学教研),2007(27):82-83.

[6] 柴新伟,杨世文.三轴汽车轴荷计算及轴距选择[J].机械管理开发,2010,25(1):53-54,56.

[7] 国家市场监督管理总局,中国国家标准化管理委员会.商用车辆电子稳定性控制系统性能要求及试验方法:GB∕T 38185—2019[S].北京:中国标准出版社, 2019.

[8] 全国汽车标准化技术委员会.机动车和挂车防抱制动性能和试验方法:GB∕T 13594—2003[S].北京:中国标准出版社,2003.

Study and Optimization Design of Braking Performance of 8×4 Heavy-duty Cargo Trucks

YIN Xiangzhen, YUAN Jing, BAI Zhigang, YANG Liguo, MA Mingwu

( FAW Jiefang Auto Company Limited, Changchun 130011, China )

Antilock brake system(ABS) and electronic stability controller(ESC) act as important active safety systems on vehicles. GB 7258 already mandates that every vehicle is supposed to be equipped with ABS system. With the implementation of JT-T 1178.1,—1:, cargo trucks with gross mass greater than or equal to 12t and speed over 90 km/h are supposed to be equipped with the ESC systems. Aiming at the application of ABS system with the layout of 4S/4M on 8×4 heavy-duty cargo trucks, this paper establishes a mathematical model.Based on the braking performance characteristics of trucks, through theoretical calculation and experimental verification, it is concluded that the rationality of of the ABS wheel speed sensor for 8×4 cargo trucks arranged on the second and fourth axles,which can significantly increase the braking performance and ESC performance of the trucks.

8×4 cargo trucks; 4S/4M; Braking performance; ABS;ESC

U462.2

A

1671-7988(2023)11-110-06

殷祥珍（1987－），男，工程师，研究方向为智能整车设计，E-mail:yinxiangzhen@rdc.faw.com.cn。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.020