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      整車駐車制動時載荷及制動距離分析

      2019-06-13 06:25:48王偉
      汽車零部件 2019年5期
      關(guān)鍵詞:駐車坡道車速

      王偉

      (上海汽車變速器有限公司,上海 201807)

      0 引言

      駐車系統(tǒng)是自動變速器和新能源減速器中的一種安全裝置,其作用是將變速器輸出軸鎖止在變速器殼體,以確保整車安全制動[1-2]。目前國內(nèi)對駐車系統(tǒng)制動載荷及制動距離研究較少,文獻[3]中雖然分析了駐車系統(tǒng)動態(tài)載荷,但未考慮制動加速度影響,也沒有分析動態(tài)載荷與駐車鎖止車速的影響。我國制動系統(tǒng)強制性標(biāo)準(zhǔn)GB 7258-2017《機動車運行安全技術(shù)條件》[4]規(guī)定了行車制動距離的要求,但未對坡度駐車制動距離進行規(guī)定。針對以上情況,結(jié)合駐車制動運動狀態(tài),引入整車靜態(tài)振蕩臨界速度、“拒絕溜坡”車速,優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。并推導(dǎo)出動態(tài)載荷、制動距離和駐車鎖止車速等關(guān)系,為后續(xù)駐車系統(tǒng)開發(fā)提供一定指導(dǎo)。

      1 靜態(tài)載荷分析

      駐車系統(tǒng)靜態(tài)載荷是指汽車停止在坡道上駐車齒輪需承受的最大扭矩。

      圖1為車輛停在坡度上的受力情況,車輛在坡道時受到靜態(tài)載荷——地面摩擦力Ff和重力分力的作用保持相對靜止。

      圖1 車輛靜態(tài)載荷分析

      整車受到的靜態(tài)載荷——地面摩擦力Ff:

      Ff=mgsinα1

      (1)

      駐車齒輪受到靜態(tài)載荷——最大靜態(tài)扭矩Tt:

      (2)

      式中:m為汽車總質(zhì)量(kg);α1為靜態(tài)最大坡道傾角(°);R1為汽車車輪靜態(tài)半徑(m);i為駐車齒輪至半軸傳動比。

      2 動態(tài)載荷分析

      駐車系統(tǒng)動態(tài)載荷是指汽車以安全速度鎖止時,駐車齒輪所受到的沖擊載荷。按照整車工況可分為平路前行工況、平路倒車工況、坡道上坡工況、坡道下坡工況。

      2.1 平路前行工況

      圖2為平路前行工況的整車受力分析情況。

      圖2 平路前行工況整車受力分析

      整車受到動態(tài)載荷——地面摩擦力Ff:

      Ff=ma

      (3)

      由上式可得:

      (4)

      在平路前行工況下,駐車齒輪受到動態(tài)載荷Tsf1:

      (5)

      式中:a為駐車制動加速度(m/s2);μ為駐車制動摩擦因數(shù);l為整車軸距(m);lv為汽車總質(zhì)量下質(zhì)心至驅(qū)動軸距離(m);h為汽車總質(zhì)量下質(zhì)心高度(m);Nf為汽車驅(qū)動軸受到正壓力(N);Nh為汽車非驅(qū)動軸受到正壓力(N);R2為汽車車輪滾動半徑(m)。

      由公式(3)也可計算出制動摩擦因數(shù)

      (6)

      當(dāng)整車以一安全速度駐車制動時,車輛會出現(xiàn)兩種制動狀態(tài):(1)整車滑行+靜態(tài)振蕩制動;(2)靜態(tài)振蕩制動。當(dāng)處于整車滑行階段,制動摩擦因數(shù)μ=車輛滑行摩擦因數(shù)μslip;當(dāng)處于這兩種狀態(tài)的靜態(tài)振蕩時,制動摩擦因數(shù)μ與整車制動頻率f有關(guān),且小于滑行摩擦因數(shù)μslip。

      當(dāng)整車靜態(tài)振蕩制動時,可將整車運動簡化為圖3所示簡諧振動。

      圖3 整車靜態(tài)振蕩可簡化為一簡諧振動

      靜態(tài)振蕩時位移Xv:

      (7)

      靜態(tài)振蕩時彈簧剛度K:

      K=m(2πf)2

      (8)

      靜態(tài)振蕩時地面最大摩擦力Ff:

      Ff=KXvmax=2πfvvm

      (9)

      靜態(tài)振蕩時,駐車齒輪受到動態(tài)載荷Tsf1:

      (10)

      式中:vv為整車振蕩制動時初始速度(m/s);f為整車制動頻率(Hz);t為整車振蕩時間(s)。

      由式(6)—式(8)可計算出整車由滑行運動向靜態(tài)振蕩運動轉(zhuǎn)變時臨界速度vs:

      (11)

      駐車制動摩擦因數(shù)μ可表示為

      (12)

      則平路前行工況的駐車系統(tǒng)動態(tài)載荷Tsf1也可表示為

      (13)

      式中:vp為駐車鎖止車速(m/s)。

      2.2 平路倒車工況

      圖4是平路倒車工況的整車受力分析情況,則駐車齒輪受到動態(tài)載荷Tsf2:

      (14)

      整車由滑行運動向靜態(tài)振蕩運動轉(zhuǎn)變時臨界速度vs:

      (15)

      則平路倒車工況的駐車系統(tǒng)動態(tài)載荷Tsf2也可表示為

      (16)

      圖4 平路倒車工況整車受力分析

      2.3 坡道下坡工況

      圖5是坡度下坡工況的整車受力分析情況,則駐車齒輪受到動態(tài)載荷Tsf3:

      (17)

      圖5 坡度下坡工況整車受力分析

      同樣,若整車在坡道上駐車振蕩制動時,其振蕩距離與振蕩剛度計算公式與平路工況一致。

      整車由滑行運動向靜態(tài)振蕩運動轉(zhuǎn)變時臨界速度vs:

      (18)

      則坡度下坡工況的駐車系統(tǒng)動態(tài)載荷Tsf3也可表示為

      (19)

      式中:α為動態(tài)最大坡道傾角(°)。

      2.4 坡道上坡工況

      圖6是坡度上坡工況的整車受力分析情況,則駐車齒輪受到動態(tài)載荷Tsf4:

      (20)

      圖6 坡道上坡工況整車受力分析

      整車由滑行運動向靜態(tài)振蕩運動轉(zhuǎn)變時臨界速度vs:

      (21)

      則平路倒車工況的駐車系統(tǒng)動態(tài)載荷Tsf4也可表示為

      (22)

      3 坡道制動距離計算

      當(dāng)車輛掛入P擋停在最大坡度上,由于存在不利的“齒對齒”位置,棘爪和駐車齒輪齒頂接觸,在坡道方向分力作用下,棘爪必須安全地嚙入到下一個齒中,到齒輪下一個齒的旋轉(zhuǎn)角度必須被設(shè)計或滿足由車輛自身引起的瞬時驅(qū)動速度不會導(dǎo)致“拒絕需求”,若駐車鎖止車速vp小于此驅(qū)動速度vd時,可能會發(fā)生車輛在坡度溜坡現(xiàn)象,致使車輛無法入P擋。因此要求驅(qū)動速度vd需不大于駐車鎖止車速vp,此驅(qū)動速度vd即為“拒絕溜坡”車速或最小駐車鎖止車速。

      當(dāng)整車在坡道上靜態(tài)駐車制動時,若“拒絕溜坡”車速vd>vs時,整車運動狀態(tài)分三個階段:第一階段,棘爪嚙入駐車齒輪齒槽前,由于存在不利的“齒對齒”位置,整車滾動向前運動,此階段整車移動距離為滾動行駛距離sro;第二階段,棘爪嚙入駐車齒輪齒槽中,整車滑行前行,此階段整車移動距離為滑行行駛距離sslip;第三階段,整車車輪停止運動,但整車車身會處于圖3所示靜態(tài)振蕩運動,此階段車身振蕩位移如公式(7)所示。若“拒絕溜坡”車速vd≤vs時,整車運動僅有第一和第三階段,無第二階段滑行制動。

      當(dāng)vd>vs時,整車在第二、三階段運動滿足動能守恒定律:

      (23)

      由公式(7)(9)(23)可求得整車滑行距離:

      (24)

      由上述所知,若只考慮車輪制動距離s1:

      (25)

      另一方面,當(dāng)整車駐車制動時,若需評估整車與前車安全距離s,則需要考慮第三階段——整車靜態(tài)振蕩。

      (26)

      4 案例分析

      某新能源整車總質(zhì)量m=4 325 kg,軸距l(xiāng)=4 150 mm,質(zhì)心距驅(qū)動軸距離lv=2 338 mm,質(zhì)心高度h=760 mm,輪胎滑行摩擦因數(shù)μslip=0.85,制動頻率f=1.4 Hz,輪胎半徑R=354 mm,靜態(tài)最大坡度為25%,動態(tài)最大坡度為11.6%,駐車系統(tǒng)至半軸速度i=9.99,計算此駐車系統(tǒng)靜動態(tài)載荷和臨界速度,并分析當(dāng)駐車齒輪齒數(shù)z=6、7、8、9、10、11、12時,整車車輪最大制動距離s1和整車需求得最大安全距離s。

      表1為動態(tài)工況的臨界速度,圖7為駐車系統(tǒng)載荷與鎖止車速關(guān)系。

      由表1和圖7可得:

      (1)當(dāng)駐車鎖止車速vp≥vs時,整車制動會出現(xiàn)先滑行再靜態(tài)振蕩制動,在4種工況中,最大動態(tài)沖擊載荷出現(xiàn)在平路前行工況,最小動態(tài)沖擊載荷出現(xiàn)在坡度上坡工況。

      (2)當(dāng)駐車鎖止車速vp

      (3)在4種工況下,坡度上坡臨界速度vs最小,平路前行臨界速度vs最大。

      圖8為駐車齒輪齒數(shù)與駐車制動距離的關(guān)系。

      圖8 駐車齒輪齒數(shù)與駐車制動距離的關(guān)系

      由圖8可得:

      (1)駐車齒輪齒數(shù)z越大時,整車車輪最大制動距離和整車需求最大安全距離越小;

      (2)坡道上坡制動距離大于坡道下坡制動距離,主要是由于坡道上坡臨界速度vs小于坡道下坡臨界速度,導(dǎo)致其滑行距離較大。

      5 結(jié)束語

      (1)當(dāng)整車以一安全速度駐車制動時,整車會存在兩種制動狀態(tài):滑行+靜態(tài)振蕩及靜態(tài)振蕩,據(jù)此引入臨界速度vs(滑行運動向靜態(tài)振蕩運動轉(zhuǎn)變時的速度),分析了動態(tài)載荷、駐車鎖止車速vp、臨界速度vs之間關(guān)系。

      (2)當(dāng)整車掛入P擋在坡道上靜態(tài)駐車時,根據(jù)“拒絕溜坡”車速vd與臨界速度vs關(guān)系,整車存在兩種運動狀態(tài):若vd>vs時,整車先滾動,再滑行,最后是靜態(tài)振蕩;若vd≤vs時,整車滾動+靜態(tài)振蕩。文中分析了制動距離、“拒絕溜坡”車速、臨界速度之間的關(guān)系。并得出隨著齒數(shù)越大,“拒絕溜坡”車速越小,制動距離及安全距離越小。

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