​期刊 | 一种商用车挂车用制动模块研究

摘要：近年来我国经济取得了突飞猛进的发展，给商用车运输行业的发展带来了新的机遇，同时对货物运输过程中的驾驶安全提出了更高的要求。为了满足载货量的需要，运输车辆通常采用牵引车加装挂车的方式，挂车因此得到了广泛的应用。挂车制动系统作为挂车的关键系统，其性能的好坏直接关系到整车运行性能；而作为该系统最关键部件之一的挂车制动模块，其质量将直接影响到挂车制动系统的性能。

关键词：挂车；制动系统；商用车

作者简介：
史延涛，瑞立集团瑞安汽车零部件有限公司高级工程师，研究方向为机电制造（设计开发） ；
杨柳，瑞立集团瑞安汽车零部件有限公司高级工程师，研究方向为汽车零部件设计；
张惠，瑞立集团瑞安汽车零部件有限公司工程师，研究方向为汽车零部件机加工工艺设计。

1项目概况

在经济发展的强劲背景下，汽车运输行业为经济的发展做出了突出贡献，作为商用车运输行业的代表，牵引车和挂车所做的贡献尤为突出。牵引车就是车头和车箱之间是用工具牵引的一般大型货车或半挂车，也就是说该车的车头可以脱离原来的车箱而牵引其他的车箱，而车箱也可以脱离原车头被其他的车头所牵引。目前，牵引车根据其连接方式主要可分为全挂牵引车和半挂牵引车。半挂牵引车主要用来进行长途货物运输。随着近年来我国经济的不断发展，居民可支配收入不断提升，居民消费能力也随之增强，加上近年来电商行业兴起带动快递业务量的增长，使得我国物流市场规模不断扩大，间接促进了我国半挂车行业的发展。据资料显示，2021年我国社会物流总额达335.2万亿元，同比增长11.7%。对于使用空气制动系统的车辆而言，挂车或半挂车在车辆行驶过程中的制动安全很重要。挂车必须要搭配牵引车才能行使，当车辆行驶过程中需要行车制动时，牵引车与挂车分别有独立制动系统，而交通法规要求牵引车与挂车应同时制动。由于挂车是连接在牵引车后面的，所以挂车的制动管路较长，在行车制动时，挂车制动会滞后于牵引车。制动过程中牵引车会先制动，挂车后制动，挂车会对牵引车进行冲撞，引发行车安全。而作为该系统最关键的部件之一——商用车挂车制动模块，它的质量就直接影响到挂车制动系统的性能。

2项目背景

2.1国外研究现状国外商用车发展比我国早，经历了由机械制动到电子制动的过程，电子制动目前采用的是EBS电子制动系统。电子制动系统主要由中央控制模块、EBS单通道模块、ABS电磁阀、EBS双通道模块、EBS挂车控制阀、制动信号输出器等零部件组成。当驾驶员踩动制动踏板时，制动信号输出器内置的位移传感器记录驾驶员踩踏板的行程，输出制动位移电信号，并将此信号传送中央控制模块，中央控制模块根据输入的电信号判断驾驶员需要减的速度。此时中央控制模块控制牵引车上的EBS单通道模块、EBS双通道模块进行电子制动。与此同时，中央控制模块根据车辆减速度控制EBS挂车控制阀的工作，确保牵引车上的EBS单通道模块、EBS双通道模块与挂车上的EBS挂车控制阀同步制动，保障车辆行驶过程中的制动安全。

2.2国内研究现状目前，国内牵引车与挂车制动系统具体表现为，当车辆在行驶过程中需要制动时，牵引车与挂车分别有独立的制动系统，而交通法规要求牵引车与挂车应同时制动。但目前牵引车的制动气源是依靠牵引车的储气筒提供，挂车制动气源也是依靠牵引车的储气筒提供。由于挂车是连接在牵引车后面的，所以挂车的制动管路较长，在行车制动时，挂车制动会滞后于牵引车。制动过程中牵引车会先制动，挂车后制动，挂车会对牵引车进行冲撞引发行车安全。国内商用车主机厂为了解决牵引车与挂车刹车制动时间不协调的问题，经过分析发现导致制动不协调的原因是挂车制动管路过长。在空气制动系统中，在管路长度一定的前提下，控制腔压力增大则输出腔压力也将增大。因此现在国内挂车为了解决挂车输出管路气压低于牵引车输出气压而产生拖刹现象，设置了一个越前功能来解决这个问题。其方法是通过挂车制动阀控制腔活塞面积差的设计，使得挂车制动阀控制管路输出口P22的压力比挂车制阀第一回路控制口P41的压力大20～30 KPa，进而实现越前量的调节。国内EBS电子制动系统还未普遍应用于牵引车与挂车，其中一部分原因也是由于加装EBS电子制动系统会增加车辆出厂成本。以下商用车挂车制动模块的研发，成本低，质量可靠，能够很好地解决牵引车与挂车制动不同步的问题。

3 商用车挂车制动系统

商用车挂车制动系统是挂车独立制动系统，整个系统安装在挂车上，如图1所示。挂车上各部件所需的气源均由牵引车上的挂车控制阀提供。本挂车制动系统由挂车进气接头、挂车控制接头、挂车指示灯、挂车制动模块、挂车组合阀、轮速传感器、制动气室等组成。挂车所有的气压均来自于挂车进气接头与挂车控制接头。安装在牵引车上的挂车控制阀设置有进气口P1、行车制动控制口P4、驻车控制口P43、第一输出口P21、第二输出口P22.挂车进气接头与安装在牵引车上的挂车控制阀的第一输出口P21相导通，牵引车上的挂车控制阀的第一输出口P21与自身挂车控制阀进气口直接导通，所以挂车进气接头的气压不需要牵引车上挂车控制阀工作，就可以直接从牵引车上导入气压，气压始终保持在挂车进气接头处。当进气接头与牵引车对应的气管接通时，牵引车上储气筒的气压从牵引车挂车控制阀第一输出口P21，经过挂车进气接头，再经过挂车制动模块第一输出口P21到达挂车储气筒。挂车控制接头与安装在牵引车上的挂车控制阀的第二输出口P22相导通。牵引车上的挂车控制阀的第二输出口P22气压的输出，是由于当司机需要进行行车制动而踩下脚阀时，脚阀输出口的气压到达牵引车挂车控制阀的控制口P4，此时牵引车挂车控制阀控制口P4的活塞下移，使自身进气口P1的气压导入到第二输出口P22，气压再到达挂车控制接头。当牵引车挂车控制阀的第二输出口P22与挂车控制接头之间的气管连通时，挂车控制接头将来自牵引车的控制气压输出至挂车制动模块的控制口。

图1 商用车挂车制动系统管路

4 商用车挂车制动模块关键技术

这种商用车挂车制动模块，利用电控系统将挂车的制动气源从牵引车改为挂车，缩短了制动距离，通过压力传感器标定，确保牵引车与挂车制动时间同步，能够最大程度地保证车辆及驾驶人的安全。商用车挂车制动模块的技术方案：采用商用车挂车制动模块外接中央ECU、压力传感器的模式来实现功能，如图2所示。本商用车制动模块包括上壳体6、下壳体7，上下壳体之间由螺钉9连接，下壳体7设置有第一输出口P21和第二输出口P22，两个输出口分别设置在 下阀体5的后部和下部，并分别外接对应的压力传感器，两个压力传感 器均与ECU相连接。第一输出口P21向挂车储气筒输送压力，第二输出口P22控制车轮制 动器。上壳体6与下壳体7之间设置有电枢组件8、弹簧2、活塞3、单向阀片4、运动堵头5。为了方便安装，进气口P1、控制口P4、第一输出口P21、第二输出口P22，均设置有相同结构的接头1。

图2 商用车制动模块安装结构电枢组件8包括线圈、进气铁芯组件11、排气铁芯组件12。进气铁芯组件11包括对应的弹簧、动铁芯及静铁芯，排气铁芯组件12则包括对应的弹簧、动铁芯及静铁芯，进气铁芯组件与排气铁芯组件的内部组成零部，在此不做一一细述。本商用车挂车制动模块具体接口定义如下。进气口P1承接来自牵引车挂车制动阀输出口P21的气压；控制口P4承接来自牵引车持车制动阀输出口P22的气压。第一输出口P21接挂车储气筒，将来自牵引车的气压通过本商用车挂车制动模块，经P21口到达挂车储气筒，然后挂车储气筒成为挂车制动的源头，缩短了气路长度。第二输出口P22接挂车组合阀控制口，为挂车制动气室提供控制压力。电枢接头10的下方接电枢组件8的控制线圈，控制进气铁芯组件11、排气铁芯组件12的相应动作。电枢接头10的上方接中央ECU，ECU控制整个电枢组件做相应动作；排气口P3用于本商用车挂车制动模块压力的卸荷。商用车挂车制动模块通过电控控制刹车制动，商用车挂车制动模块活塞主剖面图如图3所示。当车辆正常行驶时 ，进气口P1始终保持有气压状态，在进气口P1气压及弹簧2的作用下，推动活塞3向右移动。此时，关闭F通道，打开E通道，使通道C、通道D、通道E与第二输出口P22导通。

图3 商用车挂车制动模块活塞主剖面当需要刹车时，司机踩下脚制动阀，此时挂车尾部刹车灯亮，中央ECU接收到刹车信号后，控制电枢接头10通电 ，电枢接头10通电后控制进气铁芯组件11及排气铁芯组件12触动工作。此时，进气铁芯组件11通电后，对应的动铁芯吸合，使与第一输出口P21相通的通道A与通道B连通，排气铁芯组件12也同步通电，关闭排气口P3以确保通道B的压力得到保持，如图4所示。与此同时，通道B的压力推通运动堵头5，使运动堵头5封堵住控制口P4，通道B的气压经通道C、通道D、通道E到达第二输出口P22，最终P22口的气压到达挂车组合阀控制口，使持车组合阀向挂车制动气室进行压力输出，使制动气室对车轮产生制动。

图4  制动示意由于电信号快于气信号，而且与商用车挂车制动模块第一输出口P21相连接的挂车储气筒安装在挂车上， 距离挂车制动气室较近，因此商用车挂车制动模块第二输出口P22的气体压力建立速度较快，能够弥 补制动压力从牵引车储气筒向挂车输送气体压力时气体压力建立速度过慢的技术问 题，从而满足道路交通安全法规的要求。商用车挂车制动模块内部电气原理如图5所示。图中电枢接头61.3、61.2控制进气电磁阀，电枢接头61.1、61.2控制排气电磁阀。其中进气电磁阀是常闭式，排气电磁阀是常开式。

图5 商用车挂车制动模块内部电气原理当刹车结束后，司机松开脚制动阀 ，刹车灯关闭 ，电枢接头10断电 ，进气铁芯组件11及排气铁芯组件12恢复初始工作状态，第二输出口P22的气压依次经通道E、通道D、通道C、通道B、排气铁芯组件12后，从排气口P3排出，此时电控控制制动过程结 束。本商用车挂车制动模块主要运用电信号快于气压信号的原理，以及将储气筒由牵引车优化至挂车的方法，达到牵引车与挂车制动同步的效果。此外，为了防止电信号出现故障而影响行车安全，本商用车挂车制动模块又设计了机械制动功能，机械制动的工作原理如下。当需要行车制动时 ，司机踩下脚制动阀 ，挂车尾部刹车灯亮，此时若商用车挂车制动模块电枢接头10失效，脚制动阀输出口的气压作用在牵引车挂车控制阀控制口P4，牵引车挂车控制阀第二输出口P22的气压推动本商用车挂车制动模块控制口P4的气压，推动运动堵头5向上运动并封堵住通道C，此时控制口P4的气压依次经通道D、通道E到达P22输出口，然后向制动气室 输送压力。当刹车结束后，司机松开脚阀 ，第二输出口P22的气压依次经通道E、通道D、 控制口P4后，从脚制动阀排气口排出，此时机械控制制动过程结束。本商用车挂车制动模块除了电控制动、机械制动外，还设置了紧急制动。当牵引车挂车控制阀输出口管路发生断裂时，商用车挂车制动模块进气口P1气体压力迅速降低， 当气体压力值下降到规定的气压值时，活塞4在挂车储气筒第一输出口P21的气压作用下，克 服弹簧2的压力，使活塞3向左移动，在活塞4向左移动的同时打开通道F，关闭通道E，此时挂车储气筒第一输出口P21的气压依次经通道F到达第二输出口 P22，并向制动气室输送气压，从而实现紧急制动，确保了行车过程中制动管路破裂的情况下车辆及驾驶员的安全。

5 结束语

在经济快速稳步发展的今天，汽车物流运输行业得到了快速发展，牵引车挂车以其载重量大、可操控性强等特点，搭载经济发展的便车得到了广泛的应用。商用车挂车制动模块作为挂车制动系统的重要部件，采用外接中央ECU控制器、压力传感器及合理优化气路布置等措施，解决了牵引车与挂车制动不同步、制动过程中挂车对牵引车产生冲撞等安全问题。同时，还考虑到电控失效、制动管路断裂等影响驾驶安全的问题，设置了机械控制回路、紧急制动控制回路，进一步提升了挂车制动系统的可靠性，确保了车辆行车安全，为社会经济发展保驾护航。

参考文献：

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