气压制动矿山汽车制动管长和气路容积对制动性能的影响.pdf

第5 5 卷第3 期 2003 年8 片 有色金属 N O N F E R R O U SM E T A L S V d5 5 ．N o3 A u g u s l 2 003 气压制动矿山汽车制动管长 和气路容积对制动性能的影响 傅彩明1 一，饶绮麟2 ，方湄1 1 ．北京科技大学，北京10 0 0 8 3 ；2 ．北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘 要通过模拟计算矿山汽车气压制动系统响应时问，研究制动管长度、容积和问隙窖积对制动性能的影响及改善制动性 崩的方法- 间隙容积，制动管路长度和曹路容积对话0 动性艟都有一定的彭晌，担管辟窖謇i 影响程度鞍小。音理布置贮气筒控置、 优化制动管路和制动阁位置、采用房适应动载制动系统或辅助系统是提高汽车制动性能的有效方法。 关量词矿山机械工程；矿用汽车；模拟；制莉 中田分类号T D 5 2 5 ；U 4 6 35 2 2 [ ／4 6 13 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 ～0 2 1 1 2 0 0 3 0 3 0 1 2 2 0 4 影响矿山汽车制动距离的因素有很多，主要影 响因素有制动初始车速，汽车制动系统的制动响应 时闻，不同的制动系统如气压制动系统和液压制动 系统，制动控制装置和轮胎一道路附着条件等。由 于液压制动系统的响应时间很短，对汽车制动性能 没有太明显的影响，在～般的汽车制动性能研究中 取其响应时间的典型经验值即可。无助力液压系统 的响应时问一般取0 ．I 丁， s ，助力液压制动系 统的响应时间取o ．2 T P s ，这里T P 指制动开始 至轮胎一道路摩擦力达到峰值时所需要的时间。而 气压制动系统的响应时间较长，对汽车制动性能有 很大的影响。表1 是某气压制动系统响应时间与制 动距离的模拟计算数据，相应的行车条件和制动条 件是车辆空载，制动初始车速为1 5 m ／s ，汽车行驶 在良好的道路上，轮胎一道路附着系数为0 ．8 ，除假 定制动响应时间可以任意变化外。汽车各部分包括 制动系统均处于正常技术状态。由表l 可知，当制 动响应时问从0 ．5 s 增加到1 ．0 s 时，制动距离从 1 9 ．2 2 3 m 增加到了2 2 ．3 9 5 m ，增量达3 ．1 7 2 m 。在现 实中，制动响应时间的变化量是很可能达到0 ．5 s ， 此时，制动响应时间就会对行车安全造成十分严重 的不良影响，甚至酿成交通事故。 表l 气压制动响应时间与相应的制动距离 T a b k1R e s p o n s et i m ea n db r a k i n gd i s t a n c e 。fp n e u m a t i cb r a k i n g 国内外有关汽车制动性能的研究表明，即使试 验前精心设计和组织，在汽车制动试验中也很难避 免发生危险。因此，改进汽车制动性能的研究方法， 或者从根本上改变汽车制动性能的研究手段非常必 要。汽车制动性能的研究方法，大体上可以分为试 验研究、模拟研究和纯理论研究。模拟研究囡省时、 省费用、见效侠并且能够较好地逼近其实情况，已被 很多研究者采用。2 0 世纪5 0 年代，前苏联就曾经 利用电热模拟制动器的热状况，在制动器性能研究 方面取得了良好的效果。现在，应用最为广泛的模 收稿日期2 0 0 2 1 0 2 9 作者简介傅彩明 1 9 6 4 ～ ，男，湖南宁乡人，博士生 拟方法是计算机模拟。 在矿山，很多运输车辆采用的是气压制动系统， 或者采用气压一液力混台制动系统。用模拟方法研 究气压制动响应时间对气压制动汽车的制动距离的 影响，具有十分重要的现实意义。为简化和方便分 析研究，研究中不考虑司机对制动响应时间的影响， 从而完全消除操作技术这一人为影响因素。气压制 动响应时间对汽车制动距离的影响具体表现为制动 管路长度和容积对制动性能影响，也就是说制动管 路长度和容积主要是间隙容积对气压制动响应时间 有着决定性的作用。 万方数据 第3 期傅彩明等气压制动矿山汽车制动管长和气路窑积对制动性能的影晌 1 2 3 1 制动响应时间分析 气压制动系统的响应时间主要分为4 个部分。 1 ．1 压力波在制动管路中传播引起的滞后 这部分滞后时间用丁。表示。因为压力渡的传 播速度非常快，制动管路也不会太长，因而丁。的数 值很小，并且变化量也不大，～般不考虑车型差别， T l 常取典型经验值0 ．0 1 s 。 1 ．2 压缩空气克服阻力引起的滞后 这部分滞后时间用T 表示，为典型的制动系 统在正常机械状态下，压缩空气为克服制动气室中 的活塞间隙和制动蹄回位弹簧预置弹力所需要的时 间。与此相应的制动气室中的活塞产生位移至消除 间隙的容积为V 。。T 2 由式 1 计算u j 。 T 2 ％ 0 ．8 1 2 L l 2 ．9 L 2 1 式中L ，～贮气筒至制动阀之间的制动管路长度， m ；L 2 一制动阀至制动分泵之间的制动管路长度， m ；V 。一制动气室中的活塞产生位移至消除间麒的 制动气室容积，m 3 。 I ．3 压缩空气升压引起的滞后 这部分滞后时间用T ，表示，指制动管路压力 达到贮气筒压力的规定值如9 0 ％所需要的时间，由 式 2 计算。 T 3 4 ．8 7 3 L l L 2 V 。 V 。 2 式中v ，为连接制动阀与制动气室之间的制动管路 的容积，一。 1 ．4 制动阀滞后 制动阅滞后时间常用T 。表示，其值变化非常 小，一般取典型值0 ，2 5 s 。 1 ．s 总滞后时间L 至此，可求得汽车气压制动系统总的滞后时间 T ．，由上述四部分滞后时间所组成。 T t T 1 T 2 T 3 T 。 3 其中T ，和T 。取典型经验值，在此不作深入分析， T 和T 3 是制动滞后时问模拟计算分析的主体部 分，其矩阵表达式为式 4 。 f 乃1f k l L I 2 L 2 0 1f k l 【T 3J【 3 L 1 L 2 k 4 L 1 L 2 J 【V 。J 4 式中k 1 ～k 4 为系数，女1 0 ．8 1 2 ， 2 2 ．9 ， ， k 4 4 ．8 7 3 。 2 管路长度和间隙容积 对制动性能的影响 管路长度和间隙容积都会对制动性能产生明显 的影响，但影响程度不同，作用方式也不同。 2 ．1 管路长度对制动性能的影响 制动管路长度、间隙容积和管路容积都会对制 动性能产生明显的影响，而且对不同制动系统的影 响程度不同。制动管路长度对制系统响应时问的影 响如表2 和表3 所示。由表2 可见，制动管路的长 度由2 m 增加到4 m ，制动系统1 的响应时间从 0 ．5 9 3 3 4 s 延长到0 ，6 4 9 5 6 s ，增加0 ．0 5 6 2 2 s 。表3 表 明，制动管路的长度由2 m 增加到4 m ，制动系统2 的响应时间从0 ．4 2 2 8 8 s 延长到0 ．4 9 5 8 0 s ，增加 0 ．0 7 2 9 2 s 。同一车轴不同车轮制动器的制动管路长 度存在差异，如前轴的左右车轮制动分泵与制动阀 之间的制动管路长度L 差值可能就在2 m 左右。 无论是制动系统l 还是制动系统2 ，虽然制动管路 长度增加，响应时间增量数值并不很大，但足以对制 动性能产生明显影响，甚至使汽车在制动过程中跑 偏和失去操纵稳定性。所以，制动管路长度是影响 汽车制动系统稳定性能的主要因素之一。 衷2 制动系统1 响应时间与管长的关系 T a b h2R e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e s p o t m et i m ea n dp i p e l i n el e n g t ho f1 b r a k i n gs y s t e m 2 ．2 问隙容积对制动性能的影响 间隙容积对制系统响应时间的影响如表4 所 示。间隙容积由0 ．0 0 2 m 3 增加到0 ．0 0 4 m 3 ，制动系 统2 的响应时间从0 ．4 7 2 4 9 s 延长到0 ．6 2 7 0 7 s ，增加 万方数据 有色金属 0 ．1 5 4 5 8 s 。可见制动系统的间隙容积对制动系统响 应时间的影响十分明显，制动距离随间隙容积增加 而显著地增加。现实中，间隙容积的变化是连续的 而且是不均匀的，如果各个车轮制动器相应的间隙 容积相差太大的话，会引起十分严重的制动跑偏，使 汽车制动失去稳定性，严重者会使得汽车制动过程 中出现调头、跑偏和失去操作稳定性。 2 ．3 管路容积对制动晌应时间的影响 表5 为管路容积对制系统响应时间的影响。对 于同一车型，管路容积的变化很小。管路容积由 第5 5 卷 00 0 0 5 5 m 3 变化到0 ．0 0 0 8 5 m 3 ，制动系统2 的响应 时间从05 9 5 4 8 s 变化到0 ．6 1 3 9 1 s ，增量为 0 ．0 1 8 4 3 s 。可见管路容积对制动距离有一定的影 响，但影响程度远比问隙容积和制动管路长度对制 动距离的影响程度小。值得注意的是，当管路窑积 较大时，它的变化对制动响应时间的影响会显著增 加，而在管路长度一定时，管路容积的大小是由管路 内径决定的。所以在确定制动管路内径时应该考虑 到这～点，既要兼顾到流体性能对制动管路的要求， 又要兼顾烈制动响应时间对管路容积的影响。 表4 制动系统2 的响应对间与间隙窖积的关系 T a b l e4 R e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e s p o n s et i m ea n dc l e a r a n c ev o l u m eo f2 ”b r a k i n gs y s t e m 响应时间／s 05 7 9 6 805 9 5 4 806 1 3 9 106 2 1 8 0 07 0 0 7 8 07 7 9 7 5 3 缩短制动响应时间的可行方法 综合表l ～表5 以及式 1 ～式 4 ，分析缩短 制动响应时间、提高制动性能的可行方法。 3 ．1 贮气简位置布置 从式 1 和式 4 可知，影响响应时间丁2 的主 要部分是L ，即制动阀至制动分泵之问的制动管路 长度，而L ，即贮气筒至制动阎之间的制动管路长度 对响应时间丁2 的影响程度相对小得多。但从式 2 可知，L 】和L 2 对滞后时间T 3 影响程度相同。可见， 如果过于强调缩短L l 和L 2 中的某一项都不可能获 得最小的制动响应时问，而应该通过对式 4 优化 处理，获得L ，和L 2 的最优值，即贮气筒的最佳安装 位置。 3 ．2 制动管路布置优化 在贮气筒最佳位置确定后，要进～步优化制动 管路布置。主要考虑两个方面第一，总的制动管路 长度要最小，这有利于减小制动滞后时问T 2 和T 3 ； 第二，要尽可能使前轴各制动分泵到制动闶的距离 相近，同样，还要尽可能使后轴各制动分泵到制动阀 的距离相近，这样可以使各轴的两轮制动滞后时间 尽量一致，不仅有利于缩短汽车制动系统的响应时 间，还有利于改善汽车制动的稳定性。 3 ．3 制动阀位置优化 在适当的位置安装制动阀，主要考虑不要使前 后制动管路长度相差太大，同时使前后轴各制动分 泵到制动阁的距离相近。如果不能使得前后轴到制 动阀的距离相近，那么可使制动阕更靠近前轴，这样 有利于保证汽车制动的稳定性。 3 ．4 制动系统有关间隙调整 在制动鼓回位弹簧预紧力一定时，要适当减小 制动系统的调整间隙，尤其是减小制动蹄与制动鼓 之间的间隙。表4 和表5 表明，铷动系统对制动管 路容积的反应不及对间隙容积敏感，并且管路容积 本身的数值及其变化范围都很小。所以应该着重于 合理调整制动系统间隙，尤其是制动蹄与制动鼓之 间的间隙。 3 。5 贮气筒窖积选择 台理选择贮气筒容积也是减小汽车制动滞后时 间的有效措施之一。贮气筒容积过小，制动滞后时 间丁，增加，因为在这种情况下，当踩下制动踏板 后，制动管路气压上升速度迟缓，甚至有可能根本就 达不到规定的翩动压力值。过大的贮气筒容积也没 有必要，还可能给贮气筒布置带来困难。 3 ．6 制动蹄回位弹簧预置弹力确定 制动蹄回位弹簧的预置弹力对滞后时间也有一 定的影响，因为过大的圊位弹簧预置弹力会增加间 隙窑积，从而引起滞后时间丁和丁，增大。但是， 回位弹簧的弹力也不能太小，因为太小的回位弹簧 预置弹力会引发制动拖滞现象。 万方数据 第3 期傅彩明等气压制动矿山汽车制动管长和气路容积对制动性能的影响 1 2 5 4 结语 矿山车辆制动距离的影响因翥除初始车速和轮 胎一道路附着条件等以外，气压汽车制动系统的制 动响应时间是重要影响因素．而且是可通过优化设 计方案而得到改善的影响因素。通过减小汽车行驶 速度而改善汽车制动性能的方法与现代汽车的发展 方向和要求不相适应。轮胎一道路附着条件不仅受 到轮胎性能的影响，而且还受到天气条件、矿区道路 条件和路面性能等诸多因素的影响，就汽车制动性 能而言只是外部因素。提高矿山汽车制动性能的本 质是减小汽车制动系统的响应时间。除人为因素 外，决定制动系统响应时间的主要因素是制动管路 长度和间隙容积，其次是管路容积。只有综合考虑 这些影响因素，才能使得汽车制动系统的制动性能 达到最优。合理增加汽车制动强度，研制能够自动 适应车轮动态载荷、能够根据车轮滑移率自动调整 车轮制动力的汽车制动系统或者制动辅助装置如 A B S 系统可有效改善矿山汽车制动性能，提高制动 稳定性。 参考文献 [ 1 ] 傅彩明．汽车转弯一制动性能的计算机模拟研究[ D ] 株洲中南林学院，1 9 9 5 1 9 [ 2 ] 鲁道夫L 汽车制动系统的分析与设计[ M ] 张蔚林．陈名智译北京机械工业出版杜，1 9 7 6 [ 3 ] 根波姆BB 汽车制动动力学和工作过程[ M ] 吴植民译．北京机械工业出版社．1 9 8 2 [ 4 ] 钟炳迪，杨培春矿用汽车制动时方向稳定性及制动力分配[ 』] ．武汉科技太学学报 自然科学版 ．2 0 0 2 。2 5 2 1 6 5 [ 5 ] 吉林工业大学汽车教研室．汽车设计[ M ] ，北京机械工业出版社．1 9 8 1 [ 6 ] 张文明矿用汽车故障诊断【M ] 北京机械工业出版社，1 9 9 7 E f f e c to fA i rp i p d i n eL e n g t ha n dV o l u m ea n dC l e a r a n c eV o l u m e o i lP n e u m a t i cV e h i c l eB r a k i n go fM i n i n gD u m pT r u c k F UC a l m i n 9 1 一．R A OO i l i n 2 ．刚GM e i l 1L h f t ⋯1 u 。，＆㈣a n d T e c h n o l o g y B e O i n g ，B e r i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2B e r i n g G e n e r a l R e s e a r c h I n s t i t u t eo f M i n i n ga n d ～l e t a l l u r g y ，B e i i n 9 1 0 0 0 4 4 ，C h i n a A B S T R A C T B ys i m u l a t i n gt h eb r a k i n gr e s p o n s et i m eo fp n e u m a t i cv e h i c l eb r a k i n go fm i n i n gd u m pt r u c k ，t h ee f f e c t so f a i rp i p e l i n el e n g t ha n dv o l u m e ，a n dc l e a r a n c ev o l u m eo nt h ep e r f o r m a n c eo ft h eb r a k i n gs y s t e ma r ei n v e s t i g a t e d ， a n dt h em a n n e r sf o rb r a k i n gp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n ta r ed i s c u s s e d ．T h e r ea r es o m ei n f l u e n c e so nt h er e s p o n s e t i m eieb r a k i n gd i s t a n c eb ya i rp i p e l i n el e n g t ha n dv o l u m e ，a n dc l e a r a n c ev o l u m e ，i nw h i c ht h ee f f e c to fa i r p i p e l i n ev o l u m ei s t h el e a s t ．T h ep n e u m a t i cb r a k i n gp e r f o r m a n c eo fm i n i n gd u m pt r u c kc a nb ee f f e c t i v e l ym o d i f l e db yr a t i o n a l l yc o l l o c a t i n gt h ec o m p r e s s e d a i rc o n t a i n e r ，o p t i m i z i n gt h ea i rp i p e l i n el e n g t h ，d i s t r i b u t i o na n d b r a k i n gv a l v e ，e t c ．o ra d o p t i n gt h es y s t e ma u t o m a t i c a l l ya d a p t i n gt od y n a m i c a ll o a d so fv e h i d ew h e a la n da s s i s t a n tb r a k i n gs y s t e m ． K E YW O R D s m i n i n gm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ；m i n i n gd u m pt r u c k ；m o d e l i n g ；b r a k i n g 万方数据