汽车联合制动系统制动力分配系数优化

汽车联合制动系统制动力分配系数优化 汽车联合制动系统制动力分配系数优化 2009年10月农业机械第4O卷第lO期 汽车联合制动系统制动力分配系数优化* 赵迎生1,2赵又群2魏超. (1.浙江师范大学职业技术学院,金华321019;2.南京航空航天大学能源与动力学院,南京210016 3.浙江工贸职业技术学院汽车与交通工程系,温州325003) 【摘要】由电涡流缓速器和汽车主制动器构成的联合制动系统中,变化的制动力分配系数导致控制单元 复杂.因此,分析了电涡流缓速器转子盘和制动盘以及制动鼓在不同制动工况下的温度变化过程,建立了联合制 动系统制动力分配的优化函数,确定了制动力分配系数的具体数值为0.7.在虚拟多坡度道路上进行了制动过程 的模拟计算,结果明具有优化制动力分配系数的联合制动系统的电涡流缓速器转子盘温度和主制动器的制动盘 及制动鼓的温度都处于较低的水平,且变化趋势一致. 关键词:汽车联合制动系统电涡流缓速器制动力分配系数优化 中图分类号:U463.5文献标识码:A OptimizationofBrakingForceDistributionParameter ofUnitedBrakeSystemofAutomobile ZhaoYingsheng,ZhaoYouqun2WeiChao3 (1.TechnicalCollege,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321019,China 2.CollegeofEnergyandPowerEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstrona utics,Nanjing210016,China 3.DepartmentofAutomobileandTrafficEngineering,ZhoiangIndustryandTradeProfessio nalCollege, Wenzhou325003,China) Abstract Thetemperaturechangeprocessesoffunctioningpartsoftheunitedbrakingsystemconsistof eddy-currentretarderandprimarybrakeswereanalyzedtOputforwardtheoptimalfunctionforthe brakingforcedistributionoftheunitedbrakingsystem,andthevalueofthebrakingforcedistribution parameterwassuggested.Thebrakingprocesssimulationofanactualpassengercaronavirtualmulti— gradientrampwascarriedout,andtheresultsshowedthatthefinaltemperatureofeddy— current retarderrotoranddiscbrakesanddrumbrakesoftheunitedbrakingforcewithoptimaldistribution parameterisrelativelylow,andvariesinauniformtrend.Theoptimalresultofbrakingforce distributionparametercanbereferedtofortheengineeringpracticerequirements. KeywordsAutomobile,Unitedbrakesystem,Eddy— currentretarder,Brakingforcedistribution parameter.Optimization 引言 汽车主制动系统是安全行车的主要保障.但制 动器存在着制动效能热衰退的隐患,尤其汽车在长 下坡道路上连续制动后会因制动盘和制动鼓过热导 致制动失效.为了减轻主制动器的热负荷,应在商 用汽车上加装辅助制动装置【卜.电涡流缓速器 是常用的辅助制动装置之一,但也存在因转子盘温 度高而导致制动力热衰退甚至失效的现象.目 前对电涡流缓速器的控制研究[4--5中并没有涉及 收稿Et期:2008—09—25修回日期:2009,07—15 *高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20060299010) 作者简介:赵迎生,讲师,南京航空航天大学博士后,主要从事汽车机电一体化研 究,E—mail 第10期赵迎生等:汽车联合制动系统制动力分配系数优化 合理避免热衰退的问题.将电涡流缓速器和主制动 系统共同作用于汽车上形成联合制动系统,可以使 电涡流缓速器和主制动器相互分担制动过程中产生 的热负荷[6].但文献[6]提供的联合制动系统制动 力分配系数是变化的,控制单元的设计比较复杂. 本文对联合制动系统中电涡流缓速器和主制动器承 担汽车昕需制动力的份额进行优化研究,综合出单 值的联合制动系统制动力分配系数,并对优化结果 进行模拟验证. l联合制动系统制动力分配系数 1.1联合制动系统制动力 设质量为,前后制动器制动力分配系数为口 的汽车挂入某挡位,在由电涡流缓速器和主制动器 构成的复合制动系统作用下在坡度为的坡道上 滑行,建立平衡方程 F,+F+Fc+FE—mgsinO=?via(1) 式中F——汽车滚动阻力F——汽车风阻 F——汽车联合制动系统复合制动力 F——发动机制动力 g——重力加速度a——汽车纵向减速度 式(1)可改写为 Fc=771(1+mgsinO—F一F一FE(2) 式(2)中,滚动阻力F和风阻F可参考文 献[7]计算,发动机制动力FE可参考文献[8]进行 计算.由式(2)可看出,测量出汽车的瞬时加速度, 即可确定汽车复合制动力Fc的大小.而汽车的复 合制动力是制动器制动力F和电涡流缓速器制动 力FR的和,即 Fc=FR+F(3) 1.2制动力分配系数的定义 令汽车联合制动系统制动力分配系数为电涡流 缓速器制动力和联合制动系统总制动力之比,即 =FR/Fc(4) 则汽车主制动器制动力 F"=(1一)Fc(5) 汽车前,后制动器制动力FIF2分别为 fFl:(1一)c 1F2:(1一)(卜f1)Fc(6' 2联合制动系统关键部件的热力学特性 参考牛顿冷却定律和能量守恒定理[可写出 汽车前后制动器和电涡流缓速器的热力学特性1o] 的通式…为 式中是,——前后制动器和缓速器转子盘热容量 ^,——前后制动器和缓速器转子盘的换热 系数,该参数主要是热对流和热辐射 的换热系数之和[0] A——电涡流缓速器和前后制动器的有效 散热面积 丁,——前后制动器和缓速器转子盘温度 丁..——汽车的环境温度,取25? F——制动力"——汽车的行驶速度 式中下标i表示电涡流缓速器和前,后制动器. 将式(7)转换为差分方程并整理得 T(+1)= (1一At)Ti?+%At(T.. (=1,2,…)(8) 其中".(J+1)=".()+aAt 式中".(J)——汽车某时刻速度 ?f——时间段 通过式(8),可计算出电涡流缓速器转子盘和前 后制动器的瞬时温度,是本文中需要控制的对象. 3制动力分配系数的优化 3.1优化模型的建立 3.1.1变量选取 设汽车在坡道上匀速行驶,则依据式(8),电涡 流缓速器转子盘和制动器的温度仅取决于各自产生 制动力的大小.而根据式(4)和式(6),联合制动系 统制动力分配系数又决定了电涡流缓速器和主 制动器的制动力,故选取作为唯一的变量,即 X=[](9) 3.1.2目标函数 同样依据式(4),式(6)和式(8),当联合制动系 统制动力分配系数较大时,电涡流缓速器承担的 制动力份额较大,主制动器的份额较小,那么电涡流 缓速器转子盘的温度就偏高些,主制动器的温度就 偏低些;反之,it较小时,电涡流缓速器转子盘的温 度就偏低些,主制动器的温度就偏高些.所以,可将 电涡流缓速器转子盘温度和前,后制动器温度的平 方和的平方根作为设计的目标函数,即 F()=丁+丁1+丁2(10) 3.1.3约束条件 在汽车制动系统中增加电涡流缓速器的目的是 利用它来分担连续制动过程中产生的热负荷,主制 动器的温度保持较低的水平以满足紧急制动安全 的需要.而电涡流缓速器转子盘的温度可高些 16农业机械 (350?以下),所以可将约束条件设定为 1 max(l,2)?言TR(11)厶 式(10),(11)构成了联合制动系统制动力分配系数 的选取优化模型. 3.2优化模型的求解及结果 3.2.1基本条件 优化模型求解过程中需要以下条件: (1)某汽车的基本参数 汽车总质量7250kg,前轴静载荷2280kg,后 轴静载荷4970kg,轴距4.75m.该车采用前盘后 鼓式制动系统,前后制动器制动力分配系数0.46. 制动盘与制动鼓的材料为HT260,质量分别为 9.2kg和15kg,热容量分别为5225ws/~;和 8165ws/?.该车装用了法国生产的AD50—55型 缓速器,其转子盘的材料是低碳钢,质量32kg,热容 量16064ws/?. (2)汽车运行条件 设定汽车的恒定速度分别为30,40,50km/h, 在2%,3%,…,8%的坡道上在联合制动系统作用 下行驶萁中3%以下坡道上不施加发动机拖动的 制动作用.汽车在每种坡度的道路上恒速行驶时, 从一0.2开始缓慢增加联合制动系统制动力分配 系数某速度下同一坡度上制动力分配系数每次改 变后汽车都运行足够长的时间. 3.2.2目标函数的计算结果 将汽车在不同坡道上速度为40km/h时的目标 函数F(32)随联合制动系统制动力分配系数的变 化关系绘制成曲线,如图1所示. 其他速度下获得的目标函数随制动力分配系数 的变化曲线形状与图1相同. 55O 500 45O 400 芝350 菩300 蜒250 皿 200 150 100 50 制动力分配系数 图140km/h时,目标函数随制动力分配系数变化曲线 Fig.1Curvesoftargetfunctionandbrakingforcedistribution parameteronthedifferent—gradientrampsat40km/h 图1中,不同坡道上获得的目标函数都是凹形 曲线,都有单一的最小值,它们对应的制动力分配系 数是优化结果.将不同坡道上目标函数最小值和对 应的最佳制动力分配系数列在表1中. 表1不同速度和不同坡道的优化结果 Tab.1Optimalresultsondifferentramps 3.3制动力分配系数单一值的确定 表1的数据显示,联合制动系统制动力分配系 数在不同坡道上的最佳值并不统一,但相对来说又 比较集中.如果根据坡道的坡度和汽车速度来确定 制动力分配系数,联合制动控制系统既复杂又没有 必要.事实上,工程应用中允许一定的误差.只要 制动力分配系数在应用中能满足式(11)的要求,那 就是可行的. 表1中的制动力分配系数的均值分别为: 0.701,0.707和0.702,故综合以上分析,本文制动 力分配系数的最优结果取为=0.7. 4实车模拟计算和分析 为了验证=0.7是否符合工程应用,虚拟了 一 条多坡度山路,让上述汽车在坡道上行驶,分别计 算电涡流缓速器和前后制动器关键部件的温度变化 过程. 这条道路由文献[13]提供的咸永一级公路的 K1561+800m到K1568+680m段变化而来,坡道 长6810m,落差大,平均坡度为6.3%,如表2所示. 设该车的初始速度是80km/h,目标工况是以 40km/h的速度稳定行驶. 电涡流缓速器转子盘的温度和前后制动器的温 度如图2所示,前轮制动器制动盘与电涡流缓速器 转子盘的温度之比,后轮制动器制动鼓与电涡流缓 速器转子盘的温度之比如图3所示. 图2显示,由于汽车开始的速度较高,联合制动 系统会施加较大的制动力,结果电涡流缓速器转子 盘,制动器的温度上升较快.当联合制动系统提供 的制动力仅需维持汽车40km/h的速度行驶时,数 值会较小,表现为图2中制动部件的温度升高速度 较慢.当汽车速度保持一段时间后,由于制动部件 砉詈批 第l0期赵迎生等:汽车联合制动系统制动力分配系数优化17 制动距离/m 图2制动部件的温度变化过程 Fig.2Brakingpartstemperatureprocess 3制动盘,制动鼓与缓速器转子盘温度之比 Fig.3Discs,drumsandretarderrotortemperatureratio 的散热和吸热趋于平衡,温度的变化不明显.在汽 车驶过坡道后,电涡流缓速器转子盘,前轮制动盘和 后轮制动鼓温度分别为243,89和103?,这样的结 果可保证电涡流缓速器和主制动器持续发挥应有的 制动效能. 总体上,制动部件的温度变化趋势是一致的,这 是由联合制动系统固定的制动力分配系数决定的. 图3中制动盘,制动鼓与电涡流缓速器转子盘的温 度比率变化过程也反映了这种趋势,前者比较稳定, 最高值为0.37,后者变化较明显,最高值为0.42,但 都满足式(11)的要求. 5结束语 联合制动系统在汽车主制动系统的基础上,增 加了辅助制动装置,可有效减轻主制动器的制动热 负荷.本文从控制汽车联合制动系统制动部件温度 的角度,对联合制动系统制动力分配系数进行了优 化研究,确定了具体的单一数值.在虚拟的多坡度 道路上汽车制动过程中制动部件温度的计算结果显 示,优化结果能使联合制动系统中的主制动器和辅 助制动装置的温度保持在合理的范围之内,有利于 两种制动装置持续有效地发挥制动作用.显然,相 对于数值变化的情况,具有单一确定的制动力分配 系数的联合制动系统的控制单元更便于设计. 参考文献 lMeyerHO.Hydrodynamischedauerbremsachsefueranhaengerundsattelauflieger[J] 2JT/T325--2006营运客车类型划分及等级评定[s]. JT/T325--2006Typedividingandclassratingforcommercialmotor— vehiclesofpassengertransport[S](inChinese) 3何仁.刘成哗.衣丰艳.车用电涡流缓速器转子盘温度场计算方法[J].江苏大学:自 然科学版,2005,26(2):117,120. HeRen,LiuChengye,YiFengyan.Computationmethodforthermalfieldofeddycurrentretarderinautom.bile[J].Joumal ofJiangsuUniversity:NaturalScienceEdition,2005,26(2):117,120.(inChinese) 4SimeuE,GeorgesD.Modelingandcontrolofaneddy— currentbrake[J].ControlEngineeringPractice,1996,4(1):19,26. 5KapjinLee,KyihwanPark.Optimalrobustcontrolofacontactlessbrakesystemusinganeddy-currentretarder[J]. Mechatronics,1999,9(6):615,631. 6赵迎生,何仁,王永涛.恒速下坡汽车联合制动系统制动力的模糊分配[J]. 中国机械工程,2008.19(8):1003,1007. ZhaoYingsheng,HeRen,WangYongtao.Fuzzydistributionofbrakingforcesinunitedhrakingsvstemofdownhill automobileatconstantspeed[J].ChinaMechanicalEngineering,2008,19(8):1003, 1007.(inChinese) 7余志生.汽车理论[M].3版.北京:机械工业出版社.2000. 8朱访君,吴坚.内燃机工作过程数值计算及其优化[M].北京:国防工业出版 社.1997. 9[美]因克罗普拉FP,德威特DP,传热基础[M].陆大有,于广经,朱谷军,等,译. 北京:字肮出版社,1987. 10ScottKB.Optimalcontrolofelectromagneticbrakeretarder[C].SAEPaper942325.1994. 11赵迎生.辅助制动和汽车主制动装置联合控制理论和方法的研究[D]. 镇江:江苏大学,2008. ZhaoYingsheng.Studyonunitedcontroltheoryandmethodofauxiliarybrakeandautomobil eprimarvbrakeset[D]. Zhenjiang:JiangsuUniversity,2008.(inChinese) 12[美]鲁道夫I.汽车制动系统的分析与设计[M].张蔚林,陈名智,译北京:机械工业出版社. 1985. 13袁伟.鼓式制动器温升计算模型及其应用研究[D].西安:长安大学.2003.