一种鼓式制动器制动力分配方法及系统与流程

1.本发明属于重型载货汽车制动控制技术领域，涉及一种基于制动器温度对制动力进行二次分配而提高整车制动性能恒定性的方法，具体涉及一种鼓式制动器制动力分配方法及系统。


背景技术：

2.鼓式制动器的散热性能较差，在长大下坡路段频繁制动时，容易产生热衰退现象，使制动装置失效。相关试验研究表明，制动器装配误差或者结构磨损不均匀导致某一制动器或某一轴制动器温度快速升高，而降低整车制动性能恒定性。为此抑制局部制动器温度快速升高保障整车制动性能恒定性提高整车制动安全性是有效途径。
3.目前为了提高整车制动安全性能主要依赖于制动器结构优化设计、应用耐高温制动器材料和安装制动器温度监测及预警系统等技术，虽然部分运用优化整车制动控制策略方法，基于轴荷依靠感载比例阀调节重型载货汽车制动力分配，但是忽略了整车制动热衰退的失效演变机理。无法有效发挥制动系统的制动性能。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种鼓式制动器制动力分配方法及系统，以克服现有技术的不足，本发明能够提升鼓式制动器的可靠性，充分发挥制动系统的制动性能，提高重型载货汽车在长大下坡路段整车制动效能恒定性。
5.一种鼓式制动器制动力分配方法，包括以下步骤：
6.s1，基于鼓式制动器温度模型建立鼓式制动器的制动力观测模型；
7.s2，根据鼓式制动器温度模型建立鼓式制动器的制动力观测模型，利用鼓式制动器制动力观测模型和整车纵向动力学模型获取制动器各轴真实制动力，根据制动力分配系数边界条件以及制动力分配系数进行制动动力分配。
8.进一步的，依据数学方法构建鼓式制动器的温度模型，模拟观测在制动过程中鼓式制动器温度随时间的变化。
9.进一步的，鼓式制动器制动过程中摩擦工作表面的温度随时间变化的表达式为：
[0010][0011]
t
*
为摩擦工作表面温度，λi为导热系数；bi是制动时摩擦副构件参与吸热的有效厚度，单位为m；τn为摩擦功率比，τn＝2(1-τ)，τw是摩擦功与制动功的比，τw＝2τ-τ2，τn是时间比，f
oi
为鼓式制动器上i点上的傅立叶准数；φ
vi
是热影响系数；s
ai
为制动时的实际摩擦面积，单位为m2；t
t
为持续制动时间，单位为s；a
tni
为热场分配系数，a
tn1
a
tn2
＝1；w
τn
为制动功，单位为j。
[0012]
进一步的，得到制动器摩擦做功与速度随时间变化的关系：
[0013][0014]
进一步的，根据制动器摩擦做功、制动器温度变化，获得制动器的制动力观测模型表示为：
[0015][0016]
进一步的，利用鼓式制动器制动力观测模型获取制动器各轴制动力，从而获得真实的制动力分配系数，为了保证车辆的制动安全真实制动力分配系数β满足的条件：
[0017]
β≤hgφ/l [bφ/(0.85φ-0.07)l]；
[0018]
前轴附着系数的利用曲线位于后轴利用曲线上方：φ0＝(lβ-b)/hg≥0.3。
[0019]
进一步的，制动力分配系数β∈[0.45,0.9]。
[0020]
进一步的，β取0.9。
[0021]
一种鼓式制动器制动力分配系统，包括真实制动力观测模块和动力分配模块；
[0022]
制动力观测模块基于基于鼓式制动器温度模型建立鼓式制动器的制动力观测模型；
[0023]
动力分配模块用于根据鼓式制动器温度模型建立鼓式制动器的制动力观测模型，利用鼓式制动器制动力观测模型和整车纵向动力学模型获取制动器各轴真实制动力，根据制动力分配系数边界条件以及制动力分配系数进行制动动力分配。
[0024]
进一步的，制动力分配系数β∈[0.45,0.9]。
[0025]
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0026]
本发明一种鼓式制动器制动力分配方法，基于鼓式制动器温度模型建立鼓式制动器的制动力预测模型，根据鼓式制动器的制动力预测模型建立鼓式制动器制动力观测器和整车纵向动力学仿真模型，利用鼓式制动器制动力观测器获得制动器各轴真实制动力，通过设置制动力分配系数边界条件以及优化制动力分配系数，在满足制动强度的前提下实现合理的分配制动力，充分发挥制动器的制动性能稳定性，能够有效防止部分制动器过热失效而引起整车制动效能迅速降低的问题，从而保证鼓式制动器车辆整车制动效能的稳定性。
[0027]
进一步的，依据数学方法构建鼓式制动器的温度模型，建立温度与制动力模型，在保证制动安全性及操纵稳定性的前提下，使得制动鼓的热衰退现象发生的概率降低，充分发挥了制动器的制动性能。
[0028]
本发明一种鼓式制动器制动力分配系统，结构简单，能够对汽车制动器的制动力进行调节分配，提高重型载货汽车在长大下坡路段整车制动效能恒定性。
附图说明
[0029]
图1是本发明实施例中动力分配方法流程图。
[0030]
图2是本发明实施例中实际测量的制动器摩擦表面温度图。
[0031]
图3是本发明实施例中未调整分配系数二轴、三轴制动力仿真对比图。
[0032]
图4是本发明实施例中制动力分配系数求解图。
[0033]
图5是本发明实施例中制动策略仿真制动力变化图。
[0034]
图6是本发明实施例中未调整分配系数的二轴、三轴温度对比图。
[0035]
图7是本发明实施例中制动策略仿真温度变化图。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0037]
如图1所示，一种鼓式制动器制动力分配方法，其包括以下步骤：
[0038]
s1，基于鼓式制动器温度模型建立鼓式制动器的制动力观测模型；
[0039]
s2，根据鼓式制动器温度模型建立鼓式制动器的制动力观测模型，利用鼓式制动器制动力观测模型和整车纵向动力学模型获取制动器各轴真实制动力，根据制动力分配系数边界条件以及制动力分配系数进行制动动力分配。
[0040]
依据数学方法构建鼓式制动器的温度模型，模拟观测在制动过程中鼓式制动器温度随时间的变化。建立鼓式制动器制动过程中制动力摩擦做功与温度之间的关系，利用数学关系推导出制动力与速度、温度之间的关系，得到鼓式制动器的制动力预测模型。
[0041]
确定鼓式制动器的材料属性：
[0042]
材料属性包括热扩散系数(即导温系数)αi，导热系数λi，密度ρi，比热容ci和零件厚度。
[0043]
建立鼓式制动器温度模型：
[0044]
鼓式制动器制动过程中摩擦工作表面的温度随时间变化的表达式，具体表示为：
[0045][0046]
t
*
为摩擦工作表面温度，λi为导热系数；bi是制动时摩擦副构件参与吸热的有效厚度，单位为m；τn为摩擦功率比，τn＝2(1-τ)，τw是摩擦功与制动功的比，τw＝2τ-τ2，τn是时间比，f
oi
为鼓式制动器上i点上的傅立叶准数；φ
vi
是热影响系数；s
ai
为制动时的实际摩擦面积，单位为m2；t
t
为持续制动时间，单位为s；a
tni
为热场分配系数，a
tn1
a
tn2
＝1；w
τn
为制动功，单位为j。设摩擦工作表面初始温度为t，制动过程中实际的温度变化为：
[0047]
tz＝t t
*
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0048]
鼓式制动器制动力fb与制动过程中的速度、温度的关系为：
[0049][0050]
v为制动过程中重载汽车速度随时间变化的数据。
[0051]
制动时鼓式制动器的温度ti与制动时间t及次数的关系和与摩擦副材料向外围环境介质散发出的热量有关，建立的简易温度场模型为：
[0052][0053][0054]
r是制动鼓半径，ti是制动时鼓式制动器的，t是制动时间，αi为热扩散系数，i＝1表
示为制动鼓，i＝2表示为制动蹄片。
[0055]
鼓式制动器制动摩擦的温度场模型中，随着时间的变化，摩擦元件沿径向上任一点的温度均与其体积温度成正比。
[0056]
计算鼓式制动器i点的温度t的表达公式为：
[0057][0058][0059]
εi为鼓式制动器温度场模型径向坐标值与bi之比；bi为制动时摩擦副构件参与吸热的有效厚度，i＝1为制动鼓，i＝2为制动蹄片,单位为m，其计算公式可以为：
[0060][0061]
ρi为制动器材料的密度；ci为制动器材料的比热容。t
t
为持续制动时间，单位为s。
[0062]foi
为鼓式制动器上i点上的傅立叶准数，i＝1为制动鼓，i＝2为制动蹄片,计算公式为：
[0063][0064]
εi是鼓式制动器温度场模型径向坐标值与bi之比。φ
vi
为热影响因数，可以用下述公式进行数值计算：
[0065][0066]
上式中，d2为摩擦直径,b
iφ
是摩擦副构件的实际厚度。
[0067]
重型载货汽车在制动过程中，制动器产生大量的热量对外界低温介质释放。在短时间内，如果不考虑鼓式制动器的散热问题，则制动时产生的热量被制动鼓和制动蹄片吸收。将被制动鼓(或是制动蹄片)吸收的热量与制动过程中产生的总热量之比称为热分配系数，该热分配系数可通过下述公式计算其数值：
[0068][0069][0070][0071]atnz
a
tn1
＝1
[0072]
在道路试验测量温度时，温度传感器仅能够测量鼓式制动器摩擦表面的温度，所
以公式中，参数εi的值取0。
[0073]fo1
、f
o2
分别是制动鼓和制动蹄片上的傅里叶准数
[0074]
于是此时能够得到，鼓式制动器制动过程中摩擦工作表面的温度随时间变化的表达式，具体表示为：
[0075][0076]
实际的制动过程中，制动力是不断变化的过程，利用微积分，制动功w
τn
可以用下述公式表示为：
[0077]wτn
＝fb*s＝∫fbds
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0078]
s是制动距离；
[0079]
将制动功转化为关于时间的积分：
[0080][0081]
v为制动过程中重载汽车速度随时间变化的数据；
[0082]
得到制动功与速度随时间变化的关系：
[0083][0084]
结合上式得到制动力与制动过程中的速度、温度的关系，通过下述公式表示为：
[0085][0086]
建立鼓式制动器制动力观测模型及整车纵向动力学仿真模型，利用鼓式制动器制动力观测模型获取制动器二轴和三轴的真实制动力，得到制动器二和三轴在制动过程中制动力大小，求出制动力分配系数真实值。
[0087]
汽车各轴制动器制动力之比称为制动器制动力分配系数，以符号β来表示：
[0088][0089]fμ2
是二轴制动器制动力，f
μ3
是三轴制动器制动力。
[0090]
根据汽车理论，前轮先抱死时前轮制动效率可用下式计算：
[0091]ef
＝z/φf＝b/(lβ-φfhg)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)
[0092]
其中：z为制动强度，φf为前轴利用附着系数，b是质心到后轴距离，l是轴距，hg是质心高度；
[0093]
即将抱死时的最大制动强度，表示为：
[0094]
j＝bφf/(lβ-φfhg)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)
[0095]
β为利用附着系数，在β∈[0.2,0.8]的范围以内时，对于重载汽车而言，其制动强度应满足：
[0096]
z≥0.1 0.85(φ-0.2)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(22)
[0097]
推出前轮抱死时β满足的条件：
[0098]
β≤hgφ/l [bφ/(0.85φ-0.07)l](23)
[0099]
汽车处于各种载荷状态时的前轴附着系数的利用曲线应该位于后轴利用曲线上方。由此可知，φ≥0.3可满足要求，即：
[0100]
φ＝(lβ-b)/hg≥0.3
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(24)
[0101]
为满足整车制动强度以及稳定性的要求，汽车在空载、满载的状态下β必须同时满足式(23)和式(24)。
[0102]
取以上满载计算值的交集，得到满载时符合安全法规要求的制动力分配系数β∈[0.45,0.9]，为使各轴的制动器充分发挥制动效能，应使各轴的制动器温升过程相近，在满足安全要求的前提下调整制动压力尽可能使各轴的制动力相近，即制动力分配系数尽量接近1。因此，β取0.9。
[0103]
鼓式制动器材料属性影响轴的升温特性，利用这一特性，根据传热学和汽车摩擦学基本知识建立适宜的温度场模型和制动力预测模型，通过对制动力分配系数的优化，合理的分配各轴制动力的大小，避免热衰退等现象的产生。
[0104]
根据制动力分配系数边界条件以及制动力分配系数进行制动动力分配进行仿真获取温度变化，与采集到的温度以及未调整前的仿真温度变化进行对比分析。
[0105]
实施例：
[0106]
试验路段为：京昆高速雅安-西昌段k25-k174段，其中右线：k25-k174(荥经服务区-菩萨岗服务区)；左线：k174-k25(菩萨岗服务区-荥经服务区)；全程149km。
[0107]
整车参数为：
[0108][0109]
对上述车辆实际制动过程中的制动器摩擦表面温度尽心测量，结果如图2所示，从图2数据可以看出在未调整制动力分配系数时二轴和三轴的制动力差距较大，求解出此时的制动力分配结果如图3所示，从图2和图3中可以看到此时的二轴和三轴温度上升差距较大，三轴的鼓式制动器温度温升快，而二轴的制动器温升较慢，相应的结果就是，在持续制动时，三轴制动器较二轴制动器更容易发生热衰退现象，从而造成整车制动力的热衰退失效。
[0110]
图4是制动策略仿真后制动力分配系数，可以看到调整制动力分配系数后，结果如图5、图6所示，三轴和二轴的制动力更加接近，从图7制动策略仿真温度变化可以看到此时，二轴和三轴的温度差减小，同时升温均匀。在保证制动安全性及操纵稳定性的前提下，使得制动鼓的热衰退现象发生的概率降低，充分发挥了制动器的制动性能。