张佳琛　赵鹏昌　钱治富　路遥　肖磊

摘 要：当前重型商用车辆应用多种辅助制动装置成为提高行驶安全的主流方案，但是对于驾驶员提出了很高要求，同时也存在一些使用不当可能造成的风险。文章对采用发动机缸内制动和液力缓速器两种辅助制动装置的联合制动控制系统进行分析和探讨，结合车辆动力学理论和实际使用工况等内容找到一种合理的控制方案。关键词：商用车;发动机缸内制动;液力缓速器;联合制动中图分类号：U463.53  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）08-105-03

Abstract： At present， the application of a variety of auxiliary braking devices in heavy-duty commercial vehicles has become the mainstream scheme to improve driving safety， but it puts forward high requirements for drivers， and there are also some risks caused by improper use. This paper analyzes and discusses the combined brake control system with two kinds of auxiliary brake devices， engine in cylinder brake and hydraulic retarder， and finds a reasonable control scheme based on the vehicle dynamics theory and practical application conditions.Keywords： Commercial vehicle; Engine in cylinder brake; Hydraulic retarder; Combined brakingCLC NO.： U463.53  Document Code： A   Article ID： 1671-7988（2020）08-105-03

引言

随着近几年交通和物流运输的快速发展，商用车的保有量高速上升，极大的推动了汽车行业和市场各行业经济的发展。然而，大量商用车辆交通事故的发生，造成严重的人员伤亡和财产损失，商用车的制动安全问题越来受到人们的关注和担忧。这些年，商用车厂商逐渐在中、重型货车和客车上采用发动机缸内制动、发动机排气制动、缓速器缓速制动等辅助制动技术方案，更有者在高配置车型上配置了电子制动系统（EBS）、电子稳定控制系统（ESC）以及自动紧急刹车系统（AEBS）等先进的主动安全系统。

1 配辅助制动装置车辆的联合制动控制的必要性

不论是发动机缸内制动、发动机排气制动还是缓速器缓速制动，制动力矩均通过传动系统传至驱动轮，利用地面附着条件产生制动力实现车辆减速。对于配置辅助制动的车辆，如果仅仅设置独立的开关由驾驶员控制是否使用辅助制动，驾驶员在使用辅助制动系统进行车辆缓速制动的时候，若使用行车制动器进行紧急制动容易导致车辆发生侧滑和甩尾。因为使用辅助制动的同时进行行车制动器制动，前后轴的制动力分配系数β'小于制动器制动力分配系数β。这样在车辆进行制动时，由于驱动轮地面制动力更快达到地面附着力的极限，后轮更容易抱死从而导致车辆发生侧倾甚至侧翻。此外，完全由驾驶员操作是否使用辅助制动，很难合理利用辅助制动达到理想的车速和减速效果，这样就会导致行车制动器使用次数的增加，无法充分发挥辅助制动的制动效能来最大限度减轻对行车制动器的依赖。

所以，在配置辅助制动系统的车辆上，需要根据车辆行驶工况以及制动需求对辅助制动与制动器制动的联合制动控制策略进行开发，以保证在充分发挥辅助制动的作用前提下保证车辆行车安全。

2 辅助制动装置介绍

目前，行业内大都采用排气制动或发动机缸内制动和缓速器制動的辅助制动方案。下面，对这几种辅助制动机构作简单介绍。

发动机缸内制动是当前柴油机主流的发动机制动技术，它的原理是：柴油机在压缩行程终了时将排气门打开使高压气体从排气系统释放能量，这样发动机一个工作循环中压缩行程对曲轴的制动力矩成为主要力矩，对车辆传动系统输出制动力矩。发动机缸内制动比排气制动的制动功率更大，而且可以通过调节发动机参与缸内制动的气缸数改变当前的发动机制动力矩，更便于实现不同坡度和车速状态时下长坡的持续制动。由于发动机缸内制动的制动力矩要经过变速器和后桥主减速器增扭后作用到轮胎上，因此在中低车速发动机高转速下，效果较好，而在高车速时，由于变速器档位高速比小，其制动力矩略显不足。

发动机排气制动是在排气管路中设置一个蝶阀，打开排气制动开关后蝶阀关闭，这样就会增大发动机排气行程的排气阻力，发动机排气制动力矩通过传动系传至车轮对车辆进行减速。发动机排气制动装置的结构简单，成本低，易布置，但制动功率很低，且发动机转速越低制动功率越低，很难单独靠排气制动实现较大坡度的持续下坡制动。

液力缓速器是一种依靠液体冲击产生阻力矩的机械结构，定子与缓速器壳体固联，转子与空心轴、传动轴相连接。缓速器工作时，通过气压将一定量的专用油液充入腔体，油液在转子带动下冲击定子，对转子产生阻力矩，通过传动系传至车轮对车辆进行缓速，油液的热量通过发动机的水循环冷却系统带走。液力缓速器可长时间工作，无热衰退，制动功率大，恒速档可以实现下坡定速巡航;但其体积较大，响应和退出有明显延迟，低转速时制动力矩不足，对于整车的散热系统提出了更高的要求。

电涡流缓速器利用电磁感应原理，定子采用非磁性材料，其上均匀分布了多个铁芯线圈，转子采用磁性材料，工作时对线圈通电，产生磁场，转子的旋转运动切割磁感线从而在内部产生涡旋状的感应电流，感应电流产生的电磁力与转子旋转的方向相反，因此，产生制动力矩通过传动系传至车轮对车辆进行缓速。电涡流缓速器制动力矩大、线性可调且制动力矩范围广、响应时间短，但长时间工作时制动热量无法及时散发导致温度升高，励磁线圈出现大幅退磁，因此制动力矩大幅降低。

永磁缓速器与电涡流缓速器利用物理原理相同，但是结构有很大不同。永磁缓速器由定子和转子等部件组成，定子由定子铸体，磁铁外保持架、永磁体、固定磁铁支架、活动磁铁支架和气缸组件组成，转子由转子鼓、转子臂和支撑架组成。当驾驶员打开缓速器开关或推动手柄后，气缸通过活塞推动永久磁铁进入工作位置，在定子磁极、转子鼓和支架之间形成闭合磁场，转子鼓的旋转运动在转子内部产生方向相反的两种涡电流，磁场对转子鼓产生阻止其运动方向的力，这种制动力矩通过传动系传至车轮对车辆进行减速。永磁缓速器结构紧凑、免维护但价格高昂，制动力矩小，存在漏磁现象。

3 发动机缸内制动和缓速器辅助制动的联合制动控制分析

与发动机排气制动相比，发动机缸内制动的制动功率高，力矩可调，更利于持续下坡时进行车辆减速，液力缓速器相比其他类型缓速器，更适用于高速、大功率车辆的长时间的连续制动。而且发动机缸内制动适用于中低速发动机高转速的特性与液力缓速器适用于高车速的特性互相补充，使得车辆的持续下坡的车速和坡度范围越广泛，是一种比较理想的辅助制动解决方案。接下来对采取发动机缸内制动和液力缓速器的辅助制动方案进行联合制动控制分析。

发动机缸内制动根据参与缸内制动的气缸数组合成不同的档位，以八缸柴油发动机为例，1档时有两个气缸在压缩行程终了前打开排气门进行压力释放，2档时有4个气缸在压缩行程终了前打开排气门进行压力释放，以此类推，4档时所有气缸参与缸内制动。这样使用发动机缸内制动对车辆进行缓速时，选择不同档位下，制动功率不同，可以根据坡度和车速控制需求合理选择档位。液力缓速器一般分为5个档位，1档为恒速档，2、3、4、5档的缓速器工作腔的充液量不同，制动功率不同，可以根据坡度和车速控制需求合理选择档位。

显然，如果给车辆设计发动机缸内制动和液力缓速器的档位切换开关，并完全由驾驶员操作，联合制动时的档位选择对驾驶员来说堪称是一种挑战。因此，可以将发动机缸内制动和液力缓速器制动进行档位匹配，利用联合制动自动控制系统进行自动控制，降低对驾驶员的操作要求，提高车辆持续下坡时的缓速和制动能力，合理分配制动功率还可以控制液力缓速器工作温度在合理范围内。

通常，在持续下长坡的工况下，驾驶员会根据坡度和路况条件，选择不同的变速箱档位。

在变速箱低档位时，变速箱输出轴转速低，液力缓速器在此转速下几乎无法利用液体冲击定子产生阻力矩作用从而输出制动力矩。而低档位时发动机转速较高，发动机缸内制动单位时间内泵气损失大，因此制动功率大。所以，低档位状态，自动控制系统使用发动机缸内制动进行车辆缓速，根据驾驶员需求切换发动机缸内制动的工作档位。

在变速箱中档位时，将发动机缸内制动的制动功率图转换成输出到传动轴的转速和制动力矩曲线图，与缓速器的制动力矩图进行比较，根据制动力矩大小排列发动机缸内制动和缓速器各档位的顺序，然后将两者档位进行组合。对于八缸发动机和5档缓速器（恒速档不计），理论上可以组合出16种档位组合，制动力矩大小接近的可以先以缓速器高档的组合方案为选择，与另一组合方案作为缓速器升温后该组合方案的备选方案。将制动力矩差值较大的档位组合划分为变速箱中档时辅助制动联合制动控制系统的档位。

在变速箱高档位时，发动机转速降低，发动机缸内制动功率降低，经变速箱增扭后制动力矩降低，因此，不再使用发动机缸内制动参与车辆缓速。在高转速下，使用缓速器制动可以充分发挥缓速器的大功率制动效果。自动控制系统根据驾驶员需求选择缓速器档位。

在辅助制动联合控制系统中，提供给驾驶员一个机械开关即可，由驾驶员选择是否启动辅助制动。当驾驶员打开辅助制动开关后，辅助制动的联合制动自动控制系统可以根据坡度信号、变速箱信号、车速信号、缓速器油温信号等，对发动机缸内制动的控制模块和缓速器的控制单元发送控制指令，车辆开始缓速制动，同时，自动控制系统会根据车辆状态的变化实时修正控制档位，使车辆车速稳定。

另外，在高附着路面，由于辅助制动系统工作时对于车辆驱动轮地面附着力的利用，驾驶员进行制动踏板进行制动器制动时，易触发后轮抱死，车辆ABS功能可以避免车辆后轮抱死，防止发生后轴侧滑甚至引起车辆侧翻。但在车辆行驶在低附着路面时，尤其是湿滑路面、冰雪路面时，由于辅助制动的制动力矩可能超出地面附着条件可支持的最大制动力矩，导致后轮抱死拖滑，ABS控制将完全失效，车辆发生极端危险的侧滑或侧翻情况。

4 结论

本文首先分析了当前商用车辅助制动系统的联合制动的自动控制需求，然后对常见辅助制动系统进行了一一介绍。最后，从理论上详细分析了对发动机缸内制动和液力缓速器的联合控制自动控制系统的开发流程。由于本人知识和能力的有限，尚不能完成对辅助制动联合控制系统的控制模块进行开发，后续将深入对联合制动控制系统进行研究和设计开发。

参考文献

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