制动过程中发动机拖滞的影响分析

陈德玲 夏清飞

(上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心,200438)

1 引言

制动系统直接关系到车辆、人员的安全,是汽车重要安全件,除了要具有良好的制动效能外,还要具有良好的制动效能稳定性,工作可靠。制动过程中,驾驶员踩下制动踏板,踏板力通过传动机构到各车轮的轮缸,驱动车轮内制动器元件形成摩擦力矩阻止车轮转动。制动器制动力随踏板力成正比力增长,而地面制动力由于受地面附着情况限制不能无限增长,当达到最大的地面制动力时,车轮抱死不转,出现拖滑现象[1]。ABS系统能有效地防止车轮在制动过程中抱死,使汽车在紧急制动时仍能保持其方向稳定性和转向能力,同时有能获得较短的制动距离,但当地面附着系数很小,缺乏足够的不足力时,ABS可能失效。

现代汽车的功率越来越大,车速越来越高,车辆内部的摩擦损失越来越小,在不考虑MSR(发动机阻力控制)的情况下,发动机在制动过程中对车辆不施加驱动力矩,因此,一般情况下在进行制动性能设计及分析时都不考虑发动机的功率输出。然而,对针对试验车辆发动机进行试验,在油门开度为0的情况下,发动机的拖滞功率并不很小,在发动机3800 rpm的转速下,发动机扭矩达-59.4 N◦m。

图1 发动机拖滞力矩Fig.1 The drag torque of engine

在正常行驶时,良好路面的附着系数高达0.80～1.0,而结冰路面仅为0.1～0.25,地面制动力受地面附着力制约,达到最大的地面制动力有限。因此在从高附至低附路面制动时,可能会造成车轮打滑,导致发动机熄火。发动机熄火会导致被吸入汽缸的可燃混合气中的汽油可能凝结在汽缸壁上稀释机油,影响其润滑效能,加速发动机磨损。

2 制动过程中的受力分析

进一步从车辆动力学参数来研究其数量关系。把汽车的部分质量、车轮和制动调节装置看作一个具有两个自由度的简单调控系统,忽略滚动阻力矩,如图1,则有[2]：

图2 车轮动力学模型Fig.2 The dynamical model of the wheel

式中,J为车轮转动惯量,﹒ω为车轮角加速度,Tφ为地面对车轮的制动力矩,Tu为制动器输出的制动力矩,Tt为发动机对车轮的拖滞力矩。

考虑到车轮加速度与其角加速度的关系为：

因此在考虑发动机拖滞力矩的情况下,制动过程中车轮动态取决于三个力矩：制动器施加到车轮上的制动力矩、发动机对车轮的拖滞力矩、地面对车轮的附着力矩。

2.1 制动器施加到车轮上的制动力矩

制动轮缸驱动车轮内摩擦衬块和制动盘形成摩擦力矩阻止车轮转动。考虑制动效能因数BEF,制动轮缸对制动器的输入制动力矩Tui与制动器施加到车辆上的制动力矩关系为：

而制动器的输入制动力矩为[3]：

式中,P为轮缸压力,Ps为轮缸压力损失,D为轮缸直径,Rb为制动器有效半径。

2.2 发动机对车轮的拖滞力矩

发动机拖滞力矩经离合器、变速器(包括分动器)、传动轴、主减速器、差速器、半轴(及轮边减速器)传递至车轮,忽略轮胎和地面的变形,则发动机对车轮施加的拖滞力矩Tt有：

式中：Ttq为汽车发动机输出转矩;ig为变速器传动比;i0主减速器传动比;ηT为汽车传动系机械效率。根据汽车传动系各部件的机械传动效率,试验车传动系机械效率为0.9。

2.3 地面对车轮的制动力矩

路面对车轮作用向后的地面制动力,由车轮经车轴和悬架系统传到车架和车身,迫使整个汽车产生一定的减速度,地面制动力愈大,制动减速度愈大,制动距离就愈短,但地面制动力受地面附着系数的制约,其最大值为地面附着力矩。对于前驱车辆,前轮附着力为：

式中：FZ1为前轮地面法向反作用力;L、L2分别是汽车轴距、汽车重心至后轴的距离;hg为汽车重心距地面高度;u汽车速度。

将制动过程中制动器制动力矩、发动机拖滞力矩及地面制动力矩带入,关系如下：

随着制动缸有效压力的增加,制动器的输入制动力矩也随之增加,但地面附着力矩受φ的限制不能无限制增大,否则出现滑拖,因此制动器的最大制动力矩也受制约。考虑单边前轮制动器各有两个轮缸,带入制动器的输入制动力矩公式(8)可得

带入试验车辆的相关结构参数及试验数据,在使用四季胎情况下,有效制动缸压力须小于1.1 MPa,当超过该值时,车轮滑转,ABS失效。

3 试验验证分析

为分析制动过程中发动机拖滞对车辆制动性能的影响,进行了对比试验。试验时-30°左右情况下在冰雪路面上,以50 km/h的初速度进行制动,其中图3为变速箱挂三挡的制动情况,图4为空档的制动情况。两图中,线1为制动主缸压力,2、3、4、5分别为四个车轮的轮速。

图3 挂 3档制动Fig.3 Braking in 3rd gear

图3中,带3挡紧急制动,从高附路面进入到低附路面后,ABS正常介入,前轮(驱动轮)轮速在制动压力为0的情况时,不能及时恢复,此时轮缸压力很快下降为0,ABS退出,发动机熄火。

图4 空档制动Fig.4 Braking in neutral gear

图4中空档制动,ABS正常减压之后,轮速恢复,ABS系统可以继续正常工作。因此,初步分析对于在低附路面带档制动过程中,ABS不能正常及导致发动机熄火,是由于轮胎与地面的附着力不足,无法克服发动机的拖滞扭矩,所以无法恢复轮速,从而导致发动机熄火。

为进一步进行验证,更换抓地力较好的同型号冬季胎,在冰面带档进行制动,如图5所示。

图5 冬季胎3档制动Fig.5 Braking in 3rd gear with winter tyres

使用冬季胎后,在冰面带档进行制动时,不会发生抱死,没有发生发动机熄火现象,即冬季胎良好的抓地力,充分利用了地面附着系数,在相同的试验条件下避免了发动机拖滞引起的车轮抱死现象,基本消除了发动机熄火现象。通过计算,此时有效制动缸压力超过2.2 MPa时,车轮才滑转,基本与实际试验情况相符。

4 小结

在进行制动性能设计及分析时,通常不考虑路面阻力和发动机制动力矩。本文建立了考虑发动机拖滞力矩的制动过程动力学模型,分析在制动试验过程,从高附至低附路面情况下,发动机拖滞力矩对制动过程的影响,并与验证结果进行比较分析。

[1]汽车工程手册设计篇,人民交通出版社,2001：500-510.

[2]刘惟信,汽车设计,清华大学出版社,2001：753-754.

[3]方泳龙,汽车制动理论与设计,2005：25-28.