半挂汽车列车制动力分配研究

１．２理想制动力分配
图１半挂汽车列车车型实物图
制动过程中的受力分析如图３所示。
２０１０中国汽车工程学会年会论文集
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图２电控气制动系统结构图
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图３制动过程中的受力分析
由图３显示，在附着系数相同的路面上，制动过程中理 想的各轴制动力应满足式（１）的关系：
与滑移率的关系）可知，轮胎制动过程中的制动力系数钆＝ —生在未达到峰值附着系数‰前与滑移率ｓ，即图４上的控
１２００ １８００ ５０００ ８５００
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牵引座至半挂车质心距离
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５９００
牵引座至半挂车后承载中心距离
３５９００
岛
注：上述数据来自于浙江瑞立集团调查统计数据。
图６半挂汽车列车车辆参数结构
本文建立的仿真模型由两部分组成，即车辆模型和控制 器模型。车辆模型的结构如图７所示，主要有电控气制动系 统模型（各轴压力响应特性）、制动器模型（制动气室压力转 换为车轮制动器的制动力矩）、车轮和轮胎模型（车轮减速 度计算、滑移率计算、车轮与路面附着系数计算）及车辆模型 （车辆减速度计算、车速计算、各轴载荷转移计算）。控制器 模型的结构如图８中的ＥＢＤ—ｅｏｎｔｒｌｌｅｒ所示，控制器的输入 信号为前轴、后轴、挂车轴的轮速信号和踏板位移信号（转 换为目标减速度），输出信号为前轴、后轴、挂车轴的压
随着我国经济的快速发展和高速公路网的逐步完善，半 挂汽车列车作为一种高效的长途运输工具，被越来越广泛地 使用在运输行业中。而制动性能作为车辆交通安全的一项最 重要特性，行业对此要求也越来越高。与一般双轴载货车不 同，半挂汽车列车空载和满载轴荷及质心位置变化较大， 同时制动过程中由于车辆减速度引起的载荷转移也较大，采 用传统气压控制气制动系统，不能实时根据车辆的载荷状态 来及时调整制动压力，且轴间的固定制动力分配比很难同时 保证空、满载情况下有较高的制动效率以及制动的稳定性。 以本文所研究的半挂汽车列车为例（牵引车为４×２，半 挂车为双轴的车型结构，如图１所示）。车辆的空载和满载时
Ｏ ２ ３ ４ ５ ６ ６
０
时间／ｓ 图１２空载制动时各轴的制动力变化过程
时间，ｓ 圈９空载嗣动时各轴车轮滑移率变化过程
的载荷变化一致。 由车辆的制动强度、各轴的制动力和载荷，计算得到各 轴利用附着系数（具体数值见表２、表３），结果如图１５、图 １６所示，可以看出空载和满载制动时，各轴的利用附着系 数都在理想附着系数左右，基本上达到了理想的制动力分配 效果。
ＦＦｂｌ：争：鱼＝ｔａｎ０＝立 Ｆ）１（ 只ｌ如
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制区域内是一一对应关系。
上述的关系也可表达为各轴的利用附着系数都等于制动 强度Ｚ，即式（２）所示：
车辆的制动强度：＝三，要想达到指定的车辆制动强度
ｚ
妒Ｉ＝妒２＝妒３＝彳＝了７．／
１．３制动力分配控制实现方法
（２）
７＝三，也即指定的减速度；’，只要使车辆的每个轴的利
滑移率（％）
估算得到。各轴的滑移率闭环控制使各轴的滑移率保持一 致，从而使各轴的制动力系数（利用附着系数）保持一致，
图４典型轮胎在高附着路面上的制动力系数与滑移率的关系图
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实现理想的制动力分配目标。由目标减速度可初步确定各轴 的目标滑移率（由目标减速度得到目标制动力系数，目标制 动力系数对应目标滑移率，见图４说明），对比目标减速度与
ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ
ｏｆ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｏｆ ｅａｃｈ ａｒｄｅ，ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｉｄｅａｌ ｂｒａｋｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕ—
ｔｉｏｎ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｓａｍｅ ｗｈｅｅｌ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｅａｃｈ ａｘｌｅ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｅｎｓｕｒｅｄ，ｔｏ ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ｉｎｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｉｅｓ ｉｎ ｔｉｒｅ ｗｅａｌ－． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｒａｃｔｏｒ—ｓｅｍｉｔｒａｉｌｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅ
力值。
２．２仿真结果与分析
在满载和空载时的车辆以车速６０ｋｍ／ｈ直线行驶，２ｓ 时给控制器输入一个目标减速度值（这个值从１—７ｍ／ｓ２， 间隔为１ｍ／ｓ２），使车辆制动，直到停止。在这个过程中 记录车辆各轴的制动力和载荷变化，求得各自制动过程 中的平均值（由于制动压力是调节变化的，所以导致的制 动力也是变化的），得到该制动强度下各轴的平均制动力
２０ １８ １６ １４
２０
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时间／ｓ 图ｌｌ
空载制动时各轴的载荷变化过程
１４０
……・前轴制动力ｌ
前轴军轮滑移翠ｌ 后轴车轮滑移率。 挂车轴车轮滑移率一
１２０
…一后轴制动力Ｉ
——挂车轴制动力Ｉ
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２０１０中国汽车工程学会年会论文集
半挂汽车列车制动力分配研究
任小荣‘１’ 陈慧‘１’ 汪惠林‘２’
１．同济大学汽车学院２．浙江瑞立集团
【摘要１
本文在理论分析和离线仿真验证的基础上，提出一种半挂汽车列车各轴的制动力动态分配控制方法，即采用
整车减速度闭环控制和各轴滑移率闭环控制的策略来间接分配和控制各轴制动力。该控制方法使整车的减速度不再受载荷变 化的影响，有助于提高驾驶舒适性，同时各轴的制动力比例关系与各轴的载荷比例关系维持一致，达到了理想的制动力分配 效果。此外，由于各轴的滑移率保持一致，可以避免轮胎磨损的不均一性问题。
ｇ
用附着系数等于制动强度，即妒：＝９：＝妒；＝ｚ’＝÷，即在
：’＜吼的情况下，可以通过控制各轴的车轮制动力系数接近 各轴的理想利用附着系数来实现，也使得妒：。＝妒：，妒如＝ 妒：，ｃＰ＇ｂ３＝妒；。假设各个轴的车轮和轮胎一样，如果控制各 轴的滑移率等于ｓ ７，即ｓ，－ｓ；＝ｓ；＝ｓ ７，则就可以实现上述
……・前轴载荷
…一后轴载荷
一挂车轴载荷
至１２０
篓１００
８０
图８
Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模型
６０ ４０
；
轴…一，ｊ
２ ３ ４ ５ ６
和平均载荷值。 以目标减速度为４ｍ／ｓ２时的仿真结果为例，在制动过程 中，无论空载或满载，控制各轴的滑移率维持在一个目标值 附近（图９、图１０），这样就间接使各轴的制动力是随着各轴 载荷的变化而调整的，即载荷大时制动力也大，载荷小时制 动力也小（具体过程见图１１、图１２、图１３、图１４）。
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前釉车轮滑移翠 后轴车轮滑移率 挂车轴车轮滑移率
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图７车辆仿真横型组成结构图
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时间／ｓ 图１０满载制动时各轴车轮滑移率变化过程
２２０ ２００ １８０ １６０ １４０
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
２．Ｒｕｉｌｉ
Ｇｒｏｕｐ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ
Ｐｒｏｖｉｎｃｅ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｂｙ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｏｆｆ－ｌｉｎｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ａｎ ａｐｐｒｏａｃｈ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂｙ ｗｈｉｃｈ ｂｒａｋｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｔｒａｃｔｏｒ・ｓｅｍｉｔｒａｉｌｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ，ｎａｍｅｌｙ，ｂｒａｋｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｅａｃｈ ａｘｌｅ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏＨｅｄ ｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙ ｂｙ ｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ’Ｓ ｄｅｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｅｖｅｒｙ
制动力分配系统设计
１．１制动力分配系统组成结构
实现制动力合理分配，需要一定的硬件基础。本文控制 方案的硬件结构如图２所示，由比例继动阀控制各轴压力的 基础上所组成的电控气制动系统，实现各轴的制动压力控制 的快速性和准确性，制动气室的制动压力通过制动器转换为 各个车轮的制动力矩；通过各轴的轮速传感器得到各轴的轮 速，进而判断整车的车速和减速度，估算各轴的滑移率等。
ａｘｅ’ｓ
ｓｌｉｐ ｒａｔｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌ
ｍｅｔｈｏｄ，ｖｅｈｉｃｌｅ’Ｓ ｄｅｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ’Ｓ ｌｏａｄ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｏｍｆｏｒｔ，ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｐｒｏ－ ｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｂｒａｋｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｘｌｅｓ ａｃｃｏｒｄ ｔｏ ｔｈｅ
由图４的轮胎纵向特性图（高附着路面上的制动力系数
ｌｏ；
ｏ．９ｆ
轮胎纵向特性 峰值附着系数邱
的条件，使得鲁＝万Ｆｈ２＝巧Ｙｂ３＝：’＝卫ｇ，即达到理想的制动力
分配。
１．４制动力分配控制算法实现
如图５所示，控制算法采用整车减速度闭环控制和各轴 滑移率闭环控制的双闭环控制结构。减速度闭环控制用于控 制整车减速度跟随驾驶员的减速度要求，其中踏板信号给出 了车辆目标减速度要求，车辆的实际减速度由三轴轮速信号
实际减速度的差值可实时调节各轴的目标滑移率指令，而各 轴的滑移率闭环控制则通过实时调节各轴的制动力（即制动 力分配）得以实现。
图５控制算法原理示意图
２仿真分析
２．１仿真模型
图６为半挂汽车车辆参数结构。 表１半挂汽车列车车辆结构参数表
名 称 符号 单位 参 数
名
称
符号
工１
单位
ｍｍ ｍｍ ｍｍ ｍｍ
参
３５００ ３０００ ９５０ １２００ １２６０
从图１１、图１２、图１３、图１４中可以直观地看出，空载 时各轴制动力都较小（与满载对比），并且前轴、后轴、挂 车轴的制动力与它们的载荷变化一致（即载荷大的轴制动力 大，载荷小的轴制动力小）。而满载时各轴制动力都较大（与 空载对比），并且前轴、后轴、挂车轴的制动力也与它们
ＳＡＥ．Ｃ２０１０Ｅｌ １２
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５ ６
至１２０
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８０ ６０ ４０ ２０
ｒａｔｅ
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ｌｏａｄ
ｔｒａｎｓｆｅｒ
ｂｒａｋｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
ｄｅｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ
ｓｌｉｐ
ｃｏｎｔｒｏ】
的总质量相差很大，如表１的数据显示，满载时的质量
引
言
（７０９０ｋｇ＋３５９００ｋｇ）是空载时质量（７０９０ｋｇ＋５９００ｋｇ）的３．３ 倍，在相同的制动力下，满载和空载时得到的车辆减速度有 很大差别，这样无形中增加了驾驶者对制动距离的控制难 度。另外，由于各轴的载荷差别较大，如果各轴制动力分配 不合理，制动时很容易使载荷小的轴首先抱死，而载荷大的 轴的地面附着力没有得到充分利用，导致制动效率降低（制 动效率即车辆制动时车轮不抱死时的最大制动减速度与车轮 与地面附着系数的比值）。传统的气压制动系统很难克服上 述两个缺陷。在采用电控气压制动系统实现了各轴制动同步 性和快速性的基础上，动态的合理分配和优化各轴制动力成 为可能，也为提高半挂汽车列车的制动舒适性和运输经济效 益提供了一条途径。 １
２０１０中国汽车工程学会年会论文集
２２０ ２００ １８０ １６０ １４０
Ｌ
、ｖ
目标 减速度
４
制动强度
０．３９７ ０．４９２ Ｏ．５９０ ０．６８６
前轴利用 附着系数
０．４５２ ０．５６５ ０．６４５ ０．７２５
后轴利用 附着系数
Ｏ．４４３ Ｏ．５１９ ０．６１０ ０．７０２
挂车轴利用 附着系数
０．４１９ ０．４９５ ０．５８２ ０．６７９
数
牵引车轴距 牵引车前轴距牵引座距离 牵引车质心高度 牵引车质心至前轴距离 牵引座接合面高度 半挂车空载质心高度 半挂车满载质心高度
Ｃｔ
口ｔ
ｂｌ ｈｆ
牵引车型号 半挂车型号 牵引车质量 半挂车空载质量 半挂车满载质量 Ｍ ｋｇ ｋｇ ｋｇ
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７０９０
口８
ｍｍ
【关键词】
半挂汽车列车栽荷变化动态载荷转移制动力分配减速度控制
滑移率控制
Ｂｒａｋｉｎｇ Ｆｏｒｃｅ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｒａｃｔｏｒ－ｓｅｍｉｔｒａｉｌｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ
Ｒｅｎ Ｘｉａｏｒｏｎ９１。Ｃｈｅｎ Ｊ．Ｓｃｈｏｏｌ
Ｈｕｉｌ，Ｗａｎｇ
Ｈｕｉｌｉｎ２
ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｓｔｕｄｉｅｓ，Ｔｏｎｇｊｉ