摘要：本文对客车山区行驶过程中排气制动与缓行器联合作用时的下坡能力进行了试验和理论分析，结果表明采用排气制动与缓行器联合作用的持续制动方式可以使汽车在坡度不断变化的坡道上连续下坡行驶时满足持续制动的要求，同时车速在正常行驶的速度范围内。为汽车山区行驶的制动安全性提供了一个合理的解决方案。
关键词：客车 持续制动 联合作用 下坡能力
汽车持续制动系统是与主制动系统和驻车制动系统并列的一个重要的制动系统。它的作用是其它制动系统不可替代的。特别是在山区道路上行驶的汽车，这一点尤为突出。汽车的主制动系统的特点是在短时间内可以产生很大的制动能量，但是随着制动时间的增长，制动器的热负荷不断增加，而它不能及时将产生的热量传递给周围环境，使得自身温度不断升高，制动能力不断下降，所以无法满足长时间连续制动的要求。而商用汽车在山区道路连续下坡行驶时，虽然要求的制动功率比较小（与紧急制动相比较），但是需要的制动时间很长。如果采用主制动器实施制动过程，会使得制动毂和制动蹄的温度大幅度升高，当温度过高时，制动器将失去或部分失去制动效能。结果使得在连续下坡坡道上交通事故发生的频率高于其它道路。实际上，在汽车连续下坡行驶时的制动工作应由持续制动系统（也称为辅助制动系统）来主要承担。这是由于它与主制动系统相比较，虽然在短时间可以吸收的功率比较小，但是，它吸收的功率可以在很长时间内保持不变（或基本保持不变），所以持续制动系统可以满足汽车连续下坡时的持续制动要求。在这方面国外已得到充分的重视。例如：在联邦德国道路交通法规中规定：客车总重在5.5 吨以上，载重车总重在9 吨以上必须加装持续制动装置(Dauerbremse)，或称为第三制动装置(dritte Bremse)[2]。而在国内，长期以来依靠给轮毂浇水，对它实施强行冷却，来满足汽车连续下长坡时的制动要求。这种方法一方面可靠性不高，另一方面冬季行驶时水流到地面上结冰直接影响到后续车辆的安全性。为改善运输条件，提高商用汽车在山区行驶的安全性，汽车上持续制动系统的加装及其对它的制动性能的研究是非常必要的。
我国山区公路中，大部分等级在三级到四级之间，上下行多为单车道且不分隔，道路中回头曲线比较多、且半径比较小。通过调研及分析得到商用车在山区道路上连续下坡行驶的车速在30～40km/h 之间[3]。
持续制动装置包括发动机制动、排气制动、电涡流缓行器、液力缓行器等。而发动机制动和排气制动是最简单、成本最低的持续制动装置。随着国内客车技术的发展和道路条件的改善，客车行驶速度不断提高，要求客车的比功率不断增加，而它对排气制动的应用起到了积极的作用。但是，排气制动的制动功率有限，且随变速器档位的增加制动扭矩大幅度减小。无法满足汽车在上述速度范围内各种坡度的坡道上连续下坡行驶时的持续制动要求[4]。电涡流缓行器的安装使汽车的价格、总质量和使用过程中消耗增加，且增加的幅度随缓行器的容量（制动扭矩）的增加而加大。
由于各持续制动装置单独使用时存在着一定的缺陷，所以，本文提出采用排气制动与缓行器联合作用的持续制动方式来弥补各自的缺陷。并对它在下坡行驶时的制动能力进行了定量分析。
1 排气制动和缓行器制动性能试验研究
排气制动过程制动力的大小，受到许多因素的影响，例如：发动机的额定功率、发动机的工作容积、行程、气门大小、气门定时和排气制动阀安装位置等。所以对于一种车型其制动性能要通过实验进行测定。
本文对江苏省扬州市亚星客车集团公司特种车辆厂生产的JS6820C32D1 中型客车进行实验分析。
JS6820C32D1 中型客车主要技术参数如下：
车宽：2420mm；车高：3255mm；最大总质量：9685kg
主减速器传动比：ih=5.148；轮胎滚动半径：rd=0.485m
发动机型号：Phaser-160T；额定功率：118kW/2600r/min；最大扭矩：516Nm/1600r/min
客车上安装的缓行器型号为HE50，安装位置在传动轴之间，其制动扭矩特性通过试验测定。试验在水平的水泥混凝土路面上进行，试验道路长度为2000m。通过试验得到变速器分别处于III、IV 档，排气制动工作时汽车行驶车速随时间变化的曲线。由于在山区道路上变速器I 档、II 档时汽车行驶车速过低[4]，而V 档时行驶车速过高，所以在此不予考虑。同时通过试验还得到缓行器制动时车速随时间变化的曲线以及汽车脱档自由滑行时车速随时间变化的关系曲线。
取t=f(V)为试验中速度随时间变化曲线的逆函数，则减速度随速度变化关系为：
J(V) = 1/f'(V)
其中：J 为减速度
根据汽车纵向动力学方程（在水平路面上）得到：
Fb + Ff + Fw = δiGaJ
式中 FB——制动力；
Ff——滚动阻力；
FW——空气阻力；
δi——相应档位的旋转质量换算系数；
Ga——客车总质量。
通过对试验数据的处理、计算，得到排气制动时的制动力（包括空气阻力和滚动阻力）随汽车行驶速度变化的关系如图1 和缓行器的制动扭矩随传动轴转速变化关系如图2 所示。图1 中：Gang III 为变速器III 档排气制动；Gang IV 为变速器IV 档排气制动；3%、4%、5%、6%、7%、8%为根据：
图1 排气制动时制动力随车速变化关系曲线
图2 缓行器制动扭矩与传动轴转速之间关系曲线
得到的该坡度下汽车的下滑力。图2 中：Gang1 为缓行器1 档（二组线圈工作）的扭矩特性；Gang2为缓行器2 档（四组线圈工作）的扭矩特性；Gang3 为缓行器3 档（六组线圈工作）的扭矩特性；Gang4为缓行器4 档（全部八组线圈工作）的扭矩特性。而空气阻力与滚动阻力之和随速度的变化关系为：
Ff + Fw = 0.0115V2 + 5.09141V + 943.8111
通过坡道坡度与制动力之间关系：
其中：i 为下坡坡度。
得到各档排气制动与缓行器不同档位联合作用时下坡坡度与稳定车速之间关系如图3 和图4 所示，而这里的制动力为各档位排气制动力与各档位缓行器制动力之和：
式中 FMbi——变速器i 档排气制动的制动力；
MRej——缓行器j 档的制动扭矩；
IH——主减速器传动比；
rd——车轮的动力半径。
图3 III 档排气制动与缓行器联合作用时下坡坡度与稳定车速之间关系
其中：A3-III 档排气制动；A3+R1-III 档排气制动+缓行器1 档；A3+R2-III 档排气制动+缓行器2 档；
A3+R3-III 档排气制动+缓行器3 档;A3+R4-III 档排气制动+缓行器4 档
图4 IV 档排气制动与缓行器联合作用时下坡坡度与稳定车速之间关系
其中：A4-IV 档排气制动；A4+R1-IV 档排气制动+缓行器1 档；A4+R2-IV 档排气制动+缓行器2 档；
A4+R3-IV 档排气制动+缓行器3 档;A4+R4-IV 档排气制动+缓行器4 档
2 结果分析
由图3、4 可以看出，在发动机有效的转速范围内，不同档位上的排气制动与缓行器不同档位的联合作用，可以使汽车在坡度从2.92％到13.39％之间的任意一个坡度的坡道上以一定的车速稳定行驶。我国公路工程技术标准规定在四级公路上的最大坡度不超过9%[5]。这样采用排气制动与缓行器联合作用的持续制动方式，可以满足汽车在各种坡度的坡道上下坡行驶的制动要求。如果在一定坡度的坡道上，采用适当变速器档位的排气制动和不同档位的缓行器制动，同时使车速尽量在汽车正常下坡行驶的速度范围之内，可以有多个不同的组合方式满足汽车下坡行驶的制动要求。
将各种坡度下不同制动方式组合起来就形成了不同的制动方案，各制动方案中汽车在坡度不断变化的坡道上连续下坡行驶的稳定车速与下坡坡度之间关系如图5、图6 和图7 所示。其中：图5 为III 档排气制动与缓行器联合作用持续制动方案；图6 为IV 档排气制动与缓行器联合作用的持续制动方案；图7 为III、IV 档排气制动与缓行器联合作用的持续制动方案。由此可以看出，三种联合作用的制动方案都可以满足汽车在各种坡度的坡道上下坡稳定行驶的要求，但是有时车速变化范围比较大，超出了汽车正常下坡行驶的速度范围。
图5 IV 档排气制动与缓行器联合作用时稳定车速与下坡坡度之间关系
其中：1-IV 档排气制动；2-IV 档排气制动+缓行器1 档；3-IV 档排气制动+缓行器2 档;
4-IV 档排气制动+缓行器3 档;5-IV 档排气制动+缓行器4 档
图6 III 档排气制动与缓行器不同档位联合作用时下坡稳定车速与坡道坡度之间关系
其中：1-III 档排气制动;2-III 档排气制动+缓行器1 档;3-III 档排气制动+缓行器1 档; 4-III 档排气制动+
缓行器3 档;5-III 档排气制动+缓行器4 档
图7 III、IV 档排气制动与缓行器不同档位配合时下坡稳定车速与坡道坡度之间关系
其中：1-IV 档排气制动；2-IV 档排气制动+缓行器1 档；3-IV 档排气制动+缓行器2 档； 4-III 档排气
制动；5-III 档排气制动+缓行器1 档；6-III 档排气制动+缓行器2 档； 7-III 档排气制动+缓行
器3 档；8-III 档排气制动+缓行器4 档；
三种持续制动方案相比较，IV 档排气制动与缓行器联合作用的方案在坡度变化时，稳定车速变化范围比较大，并且达到的最大坡度比较小。III 档排气制动与缓行器联合作用的方案虽然在坡度变化时，稳定车速变化范围相对比较小，但是在坡度比较小时，由于制动力过大而必须关闭持续制动系统，汽车处于驱动状态，增加了燃料的消耗。III 档、IV 档排气制动与缓行器联合作用的方案在坡道比较小时，稳定车速变化范围比较大，但在坡度比较大时速度在正常行驶的速度范围内。并且在坡度变化时会出现变速器换档操作，一方面增加了驾驶员的劳动强度，另一方面也影响到汽车下坡行驶的安全性。
3 结语
试验及计算结果表明，汽车在各种坡度的坡道下坡行驶时，选择合适的变速器档位，可以在不利用主摩擦制动器的情况下，通过排气制动与缓行器不同档位联合作用的持续制动方式，稳定下坡行驶。这样可以有效地降低主制动器的温度，提高了汽车连续下长坡行驶的制动安全性。同时，可以充分利用排气制动这种低成本、无消耗的持续制动方式，使得汽车上可以选装制动容量小的缓行器，降低安装缓行器的成本和使用过程中的消耗，也减小了它对汽车整备质量的影响，并且延长了主制动器摩擦片的使用寿命。但是在有些坡度的坡道上，难于保证行驶车速在正常速度范围内。尽管如此，此方法还是解决中、低档客车在山区公路上连续下坡行驶安全问题的比较理想的方案，对于有些坡度速度不满足正常行驶要求的问题，可采用与其它持续制动方式组合的方法来解决。
参考文献
1 C. R. Webb; J.G. Lavender. 各种发动机制动方法的对比分析[R]. 国外排气制动资料汇编。重庆：重庆汽车研究所，1980
2 Hans Otto Meyer. Hydrodynamische Dauerbremsachse fuer Anhaenger und Sattelauflieger[J]. ATZ, 1972.1
3 余强.客车连续下坡持续制动性能试验研究. 长安大学博士论文，2000.6
4 余强、陈荫三、马建、郭荣庆、张庆余.客车排气制动下坡能力的研究[J].汽车技术，2003.1
5 中华人民共和国交通部发布. 公路工程技术标准[R]. 1997.11.26
作者：长安大学汽车学院 余强 陈荫三 马建 郭荣庆 张庆余(end)
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