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1、基于实际载重的汽车前后轴制动力分配系统设计张吉康设计研究 d o i ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 5 - 2 5 5 0 2 0 1 2 0 6 0 0 5 基于实际载重的汽车前后轴制动力分配系统设计 张吉康 武汉科技大学武汉，4 3 0 0 8 1 摘要：汽车在生活和生产中目益变得不可或缺，对汽车安全性又提出了更高的要求。汽车前后轴制动力分配对汽车 安全性具有重大影响。针对前后轴制动力分配的问题，分析比较了目前各种分配方式的不足，并建设性地提出了基 于实际载重的汽车前后轴制动力分配的控制方法。建立并详细阐述了该控制方法的理论模型及相关的约束条件。对 该控制方法进
2、行了实例计算分析和仿真实验，并对实验结果做了说明和总结。 关键词：汽车；制动力分配；载重：制动安全性 中图分类号：U 4 6 3 2 1 6文献标志码：A文章编号：1 0 0 5 2 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 0 1 9 0 4 D i s t r i b u t i o nf o rt h eB r a k i n gF o r c eo fV e h i c l e sb a s e dO i lt h eA c t u a lL o a d Z H A N GJ i k a n g ( W u h a nU n i v e r s i t yo fS c i e n
3、 c ea n dT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 81 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：V e h i c l e sa y eb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yi n d i s p e n s a b l ei nt h el i f ea n dp r o d u c t i o n ，ah i g h e rd e m a n df o rv e h i c l es a f e t y i sn e e d e d F r o n ta n dr e a ra x l e
4、o fp o w e rd i s t r i b u t i o nh a sas i g n i f i c a n ti m p a c to nv e h i c l es a f e t y F o rf r o n ta n dr e a ra x l e b r a k i n gf o r c ea l l o c a t i o ni s s u e s ，a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h ec u r r e n tl a c ko fav a r i e t yo fm e t h o d so fd i s t
5、r i b u t i o n ，a n d c o n s t r u c t i v em a n n e rb a s e dO l lt h ea c t u a ll o a do ft h ev e h i c l ef r o n ta n dr e a ra x l eb r a k i n gf o r c ea l l o c a t i o nc o n t r o lm e t h o d E s t a b l i s h e da n de l a b o r a t e do nt h et h e o r e t i c a lm o d e lo ft l e
6、c o n t r o lm e 山o d sa n dr e l a t e dc o n s t r a i n t s T h ec o n t r o lm e t h o d s f o rt h ei n s t a n c eo ft h ec o m p u t a t i o n a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ed e s c r i b e da n d s u m m a r
7、 i z e d K e yw o r d s ：v e h i c l e ；d i s t r i b u t i o nf o rt h eb r a k i n gf o r c e ；t h ea c t u a ll o a d ；b r a k i n gs a f e t y 随着科学技术的飞速发展汽车日渐成为现代 生产劳动和生活不可或缺的交通工具。汽车制动性 能直接关系到交通安全。在汽车制动系统的设计工 作中，一个重要的技术问题就是如何确定汽车前后 轴的制动力分配。当在前轮先抱死拖滑，后轮后抱死 拖滑情况下制动时，附着条件无法充分利用，易丧失 转向能力：当在后轮先抱死拖滑，前
8、轮后抱死拖滑的 收稿日期：2 0 1 2 0 3 2 6 作者简介：张吉康( 1 9 8 8 一) ，男，湖北黄冈人，从事汽车服务领域相 关的研究工作。 基金项目：武汉科技大学大学生科技刨新基金项目 项目编号 1 0 Z R P 0 6 8 ) 。 情况下制动时，附着率低，工况不稳定，易出现侧滑。 可见，汽车前后轴的制动力分配比例直接影响汽车 制动时的方向稳定性和附着条件利用程度。 正因为汽车前后轴制动力分配情况对汽车制动 时的工况影响很大，故研究与分析汽车前后轴的制 动力分配，并针对汽车运行过程中的实际问题研制 出相应的对策，从而对制动力分配加以改善，是具有 实际意义的，也是非常有必要的。
9、1前后轴制动力分配方式的特点分析 1 1现有制动力分配方式的不足 7 J i nH oK i m ，S u kH y u n gS e o ，J u n gH o o nC h n n ，J a eW o o k J e o n D i s t r i b u t e dC l o c kS y n c h r o n i z a t i o nA l g o r i t h m f o rI n - d u s t r i a lN e t w o r k s J T h e8 t hI E E EI n t e r n a t i o n a lW o r k s h o p o nF a
10、 c t o r y C o m m u n i c a t i o nS y s t e m s 2 0 0 3 8 J _ H K i m ，S H S e o ，T Y M o o n ，K H K w o n ，J W j e o n ，S H H w a n g Am e t l l o do fT a s kS y n c h r o n i z a t i o ni nad i s t r i b u t e ds y s t e m u s i n gF l e x R a y J T h eI E E EI n t e r a t i o n a lC o n f e r e
11、 n e eo nI n d u s t r l a lI n f o r m a t i c s 2 0 0 8 ：1 1 4 9 - 1 1 5 3 r 9 F l e x R a yC o n s o r t i u m F 1 e x R a yC o m m u n i c a t i o n sS y s t e mP r o t o c o lS p e c f i c a t i o n S 2 0 0 5 ( 1 2 ) 1 0 杨福宇F l e x R a y 时钟同步的同向漂移 J 单片机与嵌 入式应用，2 0 l1 ，4 ：3 6 1 1 张利，李县军，王跃飞汽车C A
12、 N 网络时钟同步方法研 究 J 电子测量与仪器学报，2 0 1 1 ，2 5 ( 2 ) ：1 4 7 1 5 2 1 9 万方数据 没计一研究 汽车科技第6 期2 0 1 2 年1 1 月 1 1 1固定制动力分配比的分配方式 汽车的前后轴制动器制动力之比为一固定值。 该种制动力分配方法控制的汽车，只有在一 种附着系数，即同步附着系数路面上制动时才能 使前后车轮同时抱死，得到最佳的制动力分配比。 这种方式不仅没有考虑到汽车运行过程中装载质 量的变化也没有考虑汽车运行过程中道路附着 条件的多变性，因此很难满足制动力分配比的要 求。 1 1 2 电子制动力分配系统f E B D ) E B D
13、 使用特殊的E C U 功能来分配前轴和后轴 之间的制动力。当汽车制动时，中央处理器根据接收 到的轮速信号、载荷信号、踏板行程信号以及发动机 等有关信号，经处理后向电磁阀和轴荷调节器发出 控制指令，使各轴的制动力得到合理分配。 E B D 的主要缺点在于其造价昂贵，在国外也只 配备在较高档的新款汽车中，难以推广和普及，难以 投入实际应用。 1 2 基于实际载重的制动力分配方式特点 目前在对制动力分配比的研究中，很少有考虑 到汽车实际使用过程中装载质量的变化对制动力分 配的影响。而对于同一汽车在同意附着条件下，其装 载质量对制动力分配的影向是不容忽视的。 基于实际载重的制动力分配方式在目前的制动
14、 力分配方式的基础上将汽车的实际装载质量考虑进 去，从而设计出一种使汽车具有更加良好的制动稳 定性和制动效能的制动力分配方式。 2 基于实际载重的制动力分配方式原理 2 1制动力分配系统的主要构成 如图l 所示，基于实际载重的制动力分配系统 主要由车速传感器、载荷传感器等相关的传感器，电 子控制单元( E C U ) ，以及执行机构即电磁润和轴荷 调节器等组成。 车速传感器侈 l 发动机转速传感器p l 踏板行程传感器侈 E C U 载荷传感器 图1 制动力分配系统构成图 2 2 制动力分配系统的工作原理 2 2 1 制动力分配系统的工作流程 2 0 如图2 所示，为基于实际载重的制动力分配系
15、 统的工作流程图。制动力分配系统对汽车的发动机 转速、车轮速度、载重情况等运行状况进行实时监 测，并由E C U 根据实际运行状况计算出最佳的制动 力分配比口，并检测出实际的制动力分配比届。，电子 控制单元将p 与p ，进行比较，若p 印。则说明制动 力分配比正处于最佳值，无需调整；若启口，则说明 制动力分配比需要调整。 图2 制动力分配系统T 作流程图 2 3 制动力分配系统计算模型 2 3 1 制动力分配比的确定 汽车前后轴制动力分配比可用以下公式确定： 肛彘= 每 其中兄，、& 分别表示前、后制动器制动力，兄 表示汽车总制动力。 2 3 2 载重系数的定义 为了叙述方便，在此引进汽车载重
16、系数，用矗表 示。其值可用以下公式确定： 是= 詈 ( 2 ) 其中，m 为实际载物质量，肘为额定载物质量。 前后轮同时刚要抱死的情况可以获得最佳制动力分 配比，设此时减速度为警g ，则： 卜- 邛手誓酃G 1 = 其中，氏，、分别为前后轮地面制动力，z 为 制动强度。 当考虑到汽车的实际载重时，车重G 就与载重 系数存在函数关系： G 钔纠= f k M + r n t ) g1 4 ) 万方数据 基于实际载重的汽车前后轴制动力分配系统设计张吉康设计研究 由( 3 ) 、( 4 ) 两式可得： G I = F 曲，邛半产警邵鼍吐 l 如= 取z k 为自变量，口为变量，可建立函数： 芦可(
17、z 、南) = ( 妒一) 2 + ( 驴一) 2 + ( 1 - k ) ( 妒f k 噌) 2 + ( 妒r k 吖) 2 ( 6 ) 其中，妒抓讯分别为前轮在满载和空载时的附 着系数，妒钆分别为后轮在满载和空载时的附着 系数。 大量研究表明，附着系数p 在0 1 5 z 0 8 范 围内，尽可能接近防止车轮抱死所需要的附着系数， 亦即妒时，地面的附着条件发挥得越充分，汽车前 后轴制动力分配比为最佳。 故可取妒一= 0 8 ，p 血n - 0 1 5 。 因此，( 6 ) 式可写为： 卢- 厂( 石，尼) = 妒“) 2 + ( 妒私) 2J + ( 1 - k ) ( 妒I l 【屹)
18、2 + ( p r k 吆) 2 ( 7 ) 2 3 3 约束条件 根据E C E 法规对汽车制动力分配的要求可得 如下几个约束条件： 1 ) 当0 1 5 z 0 3 ，应满足名一O 0 8 9 ，z + 0 0 8 ； 2 阻 0 3 日寸I 应满足晦等等； 3 ) O 壳1 ： 4 ) 附着系数利用率e O 7 。 3 实例分析与验证 为检验基于实际载重的制动力分配方式的正确 性及实用性，特别引用实例加以分析和验证。 下面以某双轴货车为例，其原始设计参数见表l 。 表1某双轴货车原始设计参数 项目空载满载 汽车总质量k g 3 99 5 09 10 0 0 质心至前轴距离$ m m 20
19、 8 029 5 0 质心高h r a m 8 5 011 5 0 轴距L m m 40 0 040 0 0 制动力分配系数 0 - 3 9 由实例= - - 3 - 矢n ，在调整之前，即当3 = 0 3 9 时，汽车 前后轴在某载重情况下利用附着系数p 与制动强 度z 的关系如图3 所示。其中，识和鼽分别表示汽车 的前、后轴相应的曲线。 在其他条件均不变的情况下，按照基于实际 载重的制动力分配方式调整制动力分配比之后， 利用附着系数妒与制动强度彳的关系如图4 所 示。 l O 8 蜊0 6 、昭 蜥 窿0 4 0 2 O 1 O 8 蜊0 6 懈 帐 童0 4 0 2 O 0 2 0 40
20、 60 8l 制动强度 图3 调整前妒与。的关系图 O 2O 4O 60 81 制动强度 图4 调整后D 与z 的关系图 由图3 和图4 对比，可见经调整后汽车前后轮 在相同的制动强度下可以获得更高的利用附着系 数，并且在较低的制动强度下，前后车轮即可达到相 同的利用附着系数，容易实现前后轴同时抱死，获得 前后轴最佳制动力分配比。 另外，对该制动力分配系统进行了仿真实验，实 验数据如表2 所示。 表2 仿真实验数据记录表 载重系数k装载状态前后轴制动力分配比口 0 空载 0 4 62 5 1 0 - 2 5 满载的2 5 0 4 42 3 1 0 5满载的5 0 0 3 73 3 2 O 7
21、5满载的7 5 O - 3 34 3 1 1 满载 O 3 11 3 2 2 1 万方数据 设计- 矾究汽车科技第6 期2 0 1 2 年1 1 月 由表2 可见，随着载重系数k 的增大，最佳制动 力分配比减小，即后轮地面制动力比前轮地面 制动力民，增长速度快，可以保证汽车处于后轮先 抱死或前后轮同时抱死的工作状态。后轮先抱死虽 然也存在一定的不足，但基本能够满足行驶安全性 要求前后轮同时抱死则是理想的制动力分配状态。 4结语 汽车在生活及生产中越来越广泛的应用决定 了汽车的重要地位，汽车前后轴制动力分配方式也 因其对制动安全性不可忽视的影响而受到广受关 注。汽车前后轴制动力分配的方式有很多种
22、，一些 新兴的控制手段也正在不断地发展和完善之中。由 于汽车在实际应用中，其载重也是制动力分配的影 响因素之一，故在研究制动力分配时将其考虑进去 是非常有必要的，对今后的研究也是有着深远意义 的。 从上文的理论模型的建立到试验分析与验证可 以看出，在制动力分配的研究中，将汽车实际载重情 况考虑进去是可行的，具有实际意义，可使得前后轴 制动力分配更加切合实际使用情况，可提高制动力 分配控制的；隹确性。 参考文献： 1 余志生汽车理论 M 北京：机械工业出版社，2 0 1 1 2 吴光强汽车理论 M 北京人民交通出版社，2 0 0 7 3 许洪国汽车运用工程基础 M 北京清华大学出版 社2 0 0
23、 4 4 许洪国汽车运用工程 M 北京：人民交通出版社，2 0 0 9 5 蒋励基于理想制动力分配曲线的复合制动设计 J 汽车 科技，2 0 0 6 ( 0 4 ) ：1 9 2 2 6 张耀举，龚红，范鹏制动力分配优化设计研究 J 汽车科 技，2 0 1 0 ( 0 6 ) 3 3 3 7 ( 上接第1 4 页) 4 结束语 通过国内外轻量化技术的应用分析，在目前自 主品牌轻量化技术中，用C A E 仿真技术引导设计， 得出最佳设计方案，同时提升新材料、新工艺技术的 应用能力，在确保汽车综合性能指标的前提下，尽可 能降低汽车产品自身重量，以达到减重、节能减排、 安全的综合指标。 参考文献：
24、1 J o s e p hC B e n e d y k L i g h tM a t e r i a l si nA u t o m o t i v eA p p l i c a t i o n s J L i g h tM e t a lA g e ，2 0 0 0 ( 1 0 ) ：3 4 3 5 2 王利汽车用高强度I F 薄钢板 J 宝钢技术，1 9 9 7 ( 1 ) ：5 8 - 6 1 3 S c h r e t z e n m a y rH T e c h n i c a lr e p o r t ：t h ea l u m i n u mb o d yo f t h eA
25、u d iA 8 I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fV e h i c l e D e s i g n ， 1 9 9 9 ，2 1 ( 2 3 ) ：3 0 3 3 1 2 4 敖炳秋轻量化汽车材料技术的最新动态 J 汽车工艺与 材料，2 0 0 2 ( 8 9 ) ：1 2 1 5 田洪福一汽轻量化建设与前瞻性布局 D 上海： 2 0 1 1 M A D E 汽车轻量化国际高峰论坛，2 0 1 1 2 2 6 陈云霞奇瑞汽车轻量化技术新进展 J 现代零部件， 2 0 1 0 ( 1 1 ) ：3 7 - 3 9 7 沈真等碳纤维复合材料在汽车
26、领域的应用前景 D 上 海：2 0 1 1 M A D E 汽车轻量化国际高峰论坛，2 0 1 1 8 王东川汉高轻量化技术和解决方案 D 重庆：2 0 1 l 国 际汽车轻量化材料发展论坛，2 0 1 1 9 胡朝辉等多学科优化设计在拼焊板车门轻量化中的应 用 J 中国机械工程，2 0 1 0 ( 4 ) ：4 9 5 - - 4 9 9 1 0 王辉热成型技术助汽车轻量化 J 制造技术与材料， 2 0 1 0 ( 4 ) ：2 6 2 7 1 1 陈建军内高压成形工艺及其在汽车轻量化中的应用 J 锻压装备与制造技术，2 0 1 0 ( 1 ) ：1 2 1 8 1 2 i 苑世剑内高压成形技术现状与发展趋势 J 金属成形 工艺，2 0 0 3 ( 3 ) ：l - 3 1 3 1 刘继芙，李强辊压咸形在汽车轻量化中应用的关键技 术及发展 J 汽车工艺与材料，2 0 1 0 ( 2 ) ：1 8 2 1 1 4 张立玲等轿车副车架轻量化技术应用研究及应用 J 塑性工程学报，2 0 1 0 ( 5 ) ：7 1 7 5 1 5 蔡锋等优化设计在汽车零部件轻量化中的应用 J 汽 车技术，2 0 1 0 ( 4 ) 2 5 2 9 万方数据