主掛制動協調性應用與實踐

摘 要： 牽引車和半掛車組成了牽引列車，其制動效能主要表現在以下兩個方面：1、常規制動情況下的制動能量的分配；2、緊急制動情況下的車輛姿態的穩定。制動能量合理分配的具體表現就是列車所有車輪制動器溫升的平衡，如果由於個別車輪溫升過高造成制動熱衰退，緊急制動時就會出現牽引列車的推頭或甩尾。針對國內推廣甩掛運輸的趨勢，在工作實踐中對主掛制動協調性進行了長期研究與探索致力於摸索出一種科學的理論依據與評測方法。

關鍵詞：主掛制動協調性；制動強度；制動能量；熱衰退；掛接力控制系統CFC（Coupling Force Control system）；制動響應時間；制動相容性範圍帶

一、 甩掛運輸背景

甩掛運輸是指牽引車按照預定的執行計劃，在貨物裝卸作業點甩下所拖掛車，掛接另外掛車繼續執行的運輸組織方式。與傳統運輸方式相比，甩掛運輸具有以下明顯優勢：

（1） 減少裝卸等待時間，加速牽引車週轉，提高運輸效率和勞動生產率；

（2）減少車輛空駛和無效運輸，降低能耗和廢氣排放；

（3）節省貨物倉儲設施，方便貨主，可減少百分之40左右的成本。

甩掛運輸在國際上得到了廣泛的推廣應用。在歐州，牽引車和半掛車組成的拖掛比約為1：3，新加坡由於特殊的地理位置此比例高達1：8。我國甩掛運輸起步較晚，拖掛比較低，約為1：1。2。道路貨物運輸仍然以普通單體貨車或者是定掛牽引列車為主，與節能減排和發展現代物流的要求不相適應。其主要原因是行業主管部門職責分工不夠明確，形成了‘九龍治水’的局面，牽引車和掛車是由不同的汽車製造商生產的，各自都有自己的技術路線，主掛車制動協調性的法規及檢測手段也處於缺失狀態。業內專家對此有以下普遍共識：汽車列車的制動效能較差，其中汽車列車的制動協調性最差，現行法規內容也有衝突，尚未形成科學合理的法規體系。

為此，交通部連續出臺了系列行業標準，力圖改進目前標準落後的現狀，如：JT/T 886-2014《道路甩掛運輸車輛技術要求》、JT/T 1178。1-2018《營運貨車安全技術條件 第1部分：載貨汽車》、JT/T 1178。2-2019《營運貨車安全技術條件 第2部分：牽引車輛與掛車》。

國際上，普遍採用ECE R13（UN R13）《關於M、N、O類機動車制動的統一規定》作為主掛制動協調性的法規基礎。GB 12676-2014《商用車輛和掛車制動系統技術要求及試驗方法》是參照2005年生效的ECE R13 10系列修訂生效的。

GB 12676是商用車制動標準的核心和基礎，其它與制動相關的標準與技術要求是其內容的延伸和細化。ECE R13和GB 12676均明確了其目標與意義在於：

（1）定義了適用於每個車輛的效能要求；

（2）定義了牽引車與掛車之間的介面；

（3）重效能，輕結構，鼓勵新技術的應用而不是限制設計；

二、 制動強度的原理介紹

商用車多采用氣壓制動，司機透過制動踏板促動制動總閥，總閥按照司機意圖線性輸出不同大小的氣壓去推動制動氣室，氣室透過機械機構壓緊摩擦片和制動鼓產生阻止車輪旋轉的摩擦力，這個摩擦力就是車輪制動力T。

車輪載荷垂直作用於地面上，與不同附著係數的路面，會形成地面反力P。

制動時，當車輪制動力大於地面反力時，車輪會抱死並在路面上拖滑，此時ABS應介入調節；車輪制動力小於地面反力時，車輪線速度低於車身速度，其差異叫做車輪滑移率WSS（Ｗheel-Ｓpeed Ｓlip），這個車輪滑移率是評價和控制主車車軸之間以及主掛之間制動力分配的重要引數。

上圖為制動時車輪受力簡圖

車輪制動力（T）的影響因素：控制氣壓、氣室型號、調整臂長度、摩擦片的摩擦係數

地面反力（P）的影響因素：車輪載荷（這裡的載荷指制動時軸荷轉移後的動載荷）、路面附著係數

制動強度（brakerate）是指制動時，車輪制動力T與地面反力P的比值。

在制動強度的影響因素中，車輪端的制動氣壓應該是體現司機意圖的線性控制引數，制動器摩擦片的摩擦係數是摩擦片的特徵引數，其熱衰退的負面特性對制動的穩定性影響很大；車輪的動載荷與減速度的大小及車輛重心高度及懸架型式有關，制動過程中，路面附著係數也是個不可控變數。由此，制動強度是受制動器溫度及路面附著係數等綜合因素影響的變數，制動過程屬於開環控制，這也是主掛制動協調的複雜性所在。

三、 主掛制動協調性的目標與法規要求

１、主掛制動協調性的目標：牽引車和掛車制動強度相等（TM/PM = TR/PR），主掛車各自制動各自的‘重量’，這裡的‘重量’是指制動進行時軸荷轉移後的‘動態重量’。這裡制動強度也應考慮制動器溫升的影響。

對全掛車而言，理想的制動協調性

D＝０

對半掛車而言，理想的制動協調性

D＝Ps＊減速度

Ps＝半掛車作用在牽引車上的垂直載荷

TM / PM = 牽引車制動強度；（TM：牽引車所有車輪周緣上的制動力之和；PM：路面對牽引車所有車輪的靜態法向反力之和）

TR / PR = 掛車或半掛車制動強度；（TR：掛車所有車輪周緣的制動力之和；PR：路面對掛車所有車輪的醉在法向反力之和）

D = 作用在掛接裝置上的推力（拉力取正值，推力取負值）

如上圖所示，隨著制動強度的增大，前軸的‘動態重量’增大，後軸的減少。有資料表明，在六軸（６×４主車＋３軸掛車）的牽引列車上，前軸制動器對總制動效率的貢獻率超過25％，在歐洲新車型上，前橋制動器（或制動盤）尺寸大於後橋的趨勢也越來越明顯。

２、法規對主掛制動協調性要求

ECE R13附錄10（GB12676-2014附錄E）要求：牽引車和掛車的制動強度均位於‘相容性範圍帶’內。只有這樣，主掛車制動才是‘協調的’。

ECE R13附錄６（GB12676-2014附錄B）要求：響應時間要求確保主掛車所有軸之間的制動力同步，以保證良好的制動穩定性。所有的車軸都應該同時制動，以達到最佳制動效果；掛車可以先制動，這種可以“拉伸”的組合，有助於防止出現摺疊現象。

３、相容性範圍帶及響應時間的測試方法

利用轉鼓試驗檯進行‘相容性範圍帶’測繪。利用轉鼓試驗檯測軸荷及制動力：

Pｍ＝掛車控制管路壓力，也叫基準制動力（支起車輪，用手不能轉動車輪時的氣壓）

響應時間測試裝置及要求：

對於掛車，從模擬裝置向控制管路提供壓力達到0。65MPa時起至掛車制動氣室中的壓力達到其穩態值的75％時所經歷的時間≤0。4s。

主車響應時間測試裝置 掛車響應時間測試裝置

四、主掛制動協調性解讀

從能量角度來看，制動能量就是降低車速所消耗的車輛動能，減速制動過程就是將動能轉換為熱能的過程。制動‘相容性範圍帶’保證了主、掛車之間制動器的制動能量平衡，避免熱衰退。制動響應時間的要求保證了主、掛車在緊急制動時的穩定性（主掛車均須安裝ABS）。

法規在制動相容性及響應時間的要求，主要是針對主掛制動協調性的以下兩方面的情況：

正常制動情況下（ 比如 ＜ 2 m/s ），制動能量的平衡

緊急制動情況下（ 比如 ＞ 4m/s ），主掛車的穩定性

１、制動能量平衡的目的在於均衡所有車輪制動器溫升，避免出現熱衰退

溫度對效率和磨損的影響

隨著摩擦片溫度的上升，摩擦係數會逐漸降低，達到‘衰退溫度’後，摩擦係數急劇下降，產生嚴重的熱衰退；

隨著摩擦片溫度的上升，摩擦片的磨損量也會逐漸加大，達到‘衰退溫度’後，摩擦片碳化現象會加劇；

‘衰退溫度’拐點與摩擦片的成分有關，鼓式制動器的此值一般在150-180℃之間

制動溫度對主、掛車磨損的影響

制動溫度對列車磨損的影響

上圖所示，制動器溫度升高會導致制動器熱衰退，同時制動蹄片磨損加劇。正常制動下制動能量的分配，是主、掛制動協調性的關鍵因素。透過設計、試驗合格的車輛，制動強度在‘協調性範圍帶’內，可以避免主、掛車制動器溫度過高而產生熱衰退，同時所有車輪的蹄片磨損也保持在合理範圍內。

２、響應時間的要求，保證了緊急制動情況下，主掛車的穩定性

主掛制動強度一致，磨損和發熱同樣很小，列車制動時筆直且穩定。

3、制動協調性總結：

‘相容性範圍帶’（準靜態制動分配） + 響應時間（動態響應） + ABS （在所有工況下穩定的效能（魯棒性robustness ）= 主掛制動協調

五、掛接力控制系統 Coupling Force Control system （CFC）

掛接力控制系統是一種自動平衡牽引車和掛車制動強度的系統（功能）。與ABS只能在制動時車輪出現抱死才介入的控制原理不同， EBS可以參照車輪滑移率資訊WSS（ Wheel-Speed Slip）主動控制輪端制動器的氣壓，最佳化制動力分配BFD（Brake Force Distribution）。因此，主掛車均安裝EBS並實現通訊，可以認為是閉環的控制過程，並能實現最最佳化的掛接力控制。主掛車EBS通訊協議為ISO 11992。

推薦甩掛運輸的主掛都安裝EBS，這樣的列車組合具用以下優勢：

透過主掛之間快速的CAN通訊，降低了制動距離和提高了響應時間；

基於ESC，給主掛整體匹配帶來最好穩定性控制；

透過輪速進行掛接力控制來實現最最佳化的掛接力控制；

透過EBS的制動管理功能，整合緩速器控制，降低摩擦片的磨損；

可以將更多的資訊傳輸到牽引車儀表上（例如：掛車胎壓、掛車制動系統壓力、掛車摩擦片磨損、報警燈、穩定干預、掛接力控制時的輪速等）

掛接力控制原理

以牽引車前軸為基準，調節後軸的制動壓力，使得前後軸速度差為0 ，牽引車前後軸的制動強度相同

調節握手閥的壓力，使得掛車和牽引車前軸的速度差為0，主掛車制動強度相同

備註：掛車需要裝配感載閥

六、目前市場現狀

長期以來，在‘多拉快跑’的大背景下，主掛的制動協調性沒有引起足夠的重視，由超載帶來的‘制動力不足恐懼症’短時間內難以消除。下面就實際工作中遇到的以下兩個方面的問題為例做個解釋：

1、主、掛車氣壓。各車輛主管部門唯恐制動力不足，以GB7258-2017《機動車執行安全技術條件》為代表的強制性法規要求提高主車的系統氣壓到10bar，出於法規與國際接軌的考慮，掛車系統壓力維持在8。5bar不變。主車氣壓提高了掛車氣壓不變，從維持制動強度不變的角度來考慮，主車的制動氣室應做相應減小。如果牽引車生產廠家不做制動力匹配，帶來的後果就是主車制動強度過大，主車制動摩擦片磨損過快，制動時‘推頭’。對定掛運輸的列車，為了避免推頭造成的危險，司機只能解除主車前橋制動來減小主車制動強度或者透過改裝掛車制動系統來加大掛車的制動強度，一般會改裝非線性輸出的‘剎車大王’，這樣的掛車容易熱衰退，在緊急制動時剎車失效。

建壓過程

曲線定義與上圖相同；

標準的掛車ABS是4S/2M，採用的是低選側控的控制邏輯。ABS感測器裝在1、3軸上，左右兩側各由一個電磁閥控制，如果有車輪制動抱死，同一側的制動氣室均釋放氣壓，避免車輪抱死；

背景：主掛車均為EBS，主車三軸均為盤剎，掛車兩軸均為鼓剎。司機反應平時制動可以，偶爾緊急制動無剎車。

《半掛車互換性引數對甩掛運輸的影響》 --- 謝良富 程軍