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重型卡车排列驾驶的制动系统新概念及其预评估

Hiroyuki ISHIZAKA, Yoshitada Suzuki, Atsushi Sakuma, Keiji Aoki, Masahiko Aki, Kimihiko Nakano, Yoshihiro Suda

【摘要】：以前的ITS系统或ITS技术的目标是一些新的制动技术。这对于ITS的开始是相当重要的。目前ITS工程师需要更多的考虑大规模生产方面，如能耗较低，成本效率，系统冗余等。然而，这些很难同时成功。特别地，制动系统不容易实现冗余和成本效率。另一个卡车列车需要考虑的方面是，当系统未能保持短距离范围时需要独立的的减速度G.自然地，避免碰撞的唯一方式是驾驶员自愿地启动其制动。然而，如果所有排卡车具有相同的最大减速度G，则由于距离太近而会发生碰撞。因此，用于列车的短距离范围内的单独减速度G是避免碰撞的关键点。在本文中，提出了一个新的制动系统的概念来解决这些困难。此外，为了满足制动系统的一些必要条件，作者集中于使用以前的EBS系统特性和添加主动制动气流控制。该系统可以实时控制制动空气，这是基于个别车辆的所需减速度G，有效载荷等。

1.前言

ITS 是汽车科技的热点话题之一。不用说，许多工程师或研究人员在这个领域工作了许多年。特别是，开发自动排驱动系统是每个人的梦想，也是ITS的最好的主题。因为它可以通过先进的技术和安全的系统来建立。相反，它不简单，也不容易开发。也许，对于ITS开发的开始，只有研究新的制动技术或开发新的方法是最优先的任务。这个概念也许是以前的工程师或研究人员的一个普通观念。然而我们，新能源和工业技术开发组织（NEDO），日本汽车研究所（JARI），许多大学和公司已经合作并且选择了另一种方法来完成我们的ITS概念，也就是“节能”[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]。以前，我们为Energy-ITS列车做了很多讨论，这种Energy-ITS列车可以自动保持车辆与车辆之间处于一个较短距离，10m。通常，如果系统全部工作正常，则控制距离和改变车道程序将完美地执行。但是，假设系统中的一个或全部不能被正确地控制，则驾驶员需要通过转向或制动来避免事故。然而，在短距离中，如果每个车辆的最大减速度G相同，则事故无法避免。当然，需要考虑长距离的情况。但它有足够的距离使得停车没有任何困难。避免碰撞的方法之一就是调整每个车辆的减速度G，这也是比较容易和简单的解决方案。例如，第一辆车具有最小的减速度G，最后一辆车具有最高的G值。基于这样的概念，我们建立了基本的新概念并且进行预评估，以确保概念的方向是正确的。

2.关于Energy-ITS卡车排的概述

a.卡车排的目的

Energy-ITS列车的基本概念是减少燃油消耗。不必说，从空气动力学方面来说，只有单人驾驶需要一定量的燃料。然而，在短距离内增加另一排车辆可以降低空气阻力，因此可以精确地减少更多的燃料消耗。

接收人A

运输公司设备

与高速公路相连的物流码头

与高速公路相连的物流码头

运输公司设备

托运人A

接收人B

托运人B

接收人C

到达货物交换

出发货物交换

托运人C

图1. 排列驾驶卡车节能示意图

图1显示了我们的节能排卡车系统的想法的全貌。 每辆卡车只是单独从他们的客户那里接收商品。接收商品后，每辆卡车开始加入卡车排在高速公路行驶来减少燃料消耗。完成排列驾驶后，也就是节能行驶结束后，每辆卡车分开并分别到达最终目的地。

图2. Energy-ITS 排卡车行驶图

图2展示了Energy-ITS卡车排。三辆卡车自动保持在短距离内，10m。每辆车的总重量为25吨。它有三个轴（前1，后2）与空气悬架。

3. 矿企对最新排制动系统忧虑

通常，普通重型卡车至少配备ABS或EBS（电子制动系统）。作为大规模生产系统，ABS或EBS已经满足所有安全要求，如故障安全，冗余等。最新的Energy-ITS列车也已经被设计出来并且能满足个人安全。因此，Energy-ITS列车配备了两个EBS系统。安装两个EBS系统的基本概念只是确保列车更安全。即使其中一个EBS系统有问题或不能改变模式来降低驾驶速度，另一个EBS系统也可以确保列车的安全。表1展示出了不同类型的制动系统的比较。第一种情况展示了一个简单的例子，与大批量生产车辆相同。配备ABS系统是一种对制动系统的简化和降低成本非常有效的方式。然而，大多数排系统需要与EBS系统一起工作，因为ABS不能在没有驾驶员的制动器激活的情况下降低车辆的速度。因此，Energy-ITS排系统（排ECU）还需要与EBS系统（情况2）一起工作。使用EBS系统的一个问题是存在驾驶员需求碰撞的可能性。如果排系统的ECU停止工作或转移到某种疲劳模式，驾驶员可能需要激活车辆的制动以避免其需求的碰撞。假设，每个排的车辆能够具有相同的最大减速度G，通常约为0.7G。如果排ECU不能保持车辆与车辆之间的特定距离（对于Energy-ITS列车来说小于10m），那么至少一辆车或所有车将发生碰撞。情况3也不能避免碰撞。最新的Energy-ITS列车的制动系统与案例3的配置相同，配备了两个EBS系统。情况3的其他问题是系统的简化性和成本效率。使用两个EBS系统会同时需要复杂的软件或两个EBS之间的协调的系统设计。不必说，它的成本也很贵。案例4是未来的全新设计系统。它需要更多的发展成本和投资。

表1. 不同类型制动系统的比较

4. 新型制动系统的概念和目标

新概念制动系统的动机是改善当前情况或消除问题，特别是情况3中始料未及的问题。首先，新制动系统的主要目标是在系统冗余，保证简单性和成本效率的范围内避免车辆碰撞。 表2展示了新制动器的功能及其各自的要求。以前的制动系统（EBS）已经满足冗余和简单性了，这在前面已经叙述过。因此，满足制动系统的冗余，制动系统的简单性和对前制动系统尺寸的修改，这些概念与之前的制动系统并无二致。接下来需要考虑的是去满足其他的要求，比如排队驾驶能力和在驾驶员需要时避免碰撞。

表2. 新制动系统的特征和要求

表3显示了排列车驾驶能力和驾驶员需求下避免碰撞的目标。排行驶能力是由排系统决定的。 当列车在载货行驶时，Energy-ITS的最大减速度为0.2G。因此，新的制动系统需要使用EBS系统来使车辆达到0.2G的减速度。有这样的能力绝对没有问题。对任何EBS系统来说都很容易达到。但是通过驾驶员的需求来避免的碰撞中确定最大减速度G并不是一个简单的过程。然而简单的概念可以帮助确定它。这种驾驶员的需求减速度G的基本思想是达到无碰撞的目的。

表3. 新制动系统各项目标

在新的制动系统概念中，每个排的车辆将在进入实际的成排车辆之前被给予单独的减速度G.这样，第一车辆具有0.4G，第二车辆0.5G，最后车辆具有0.6G的减速度。在这种特殊情况下，即使第一辆车的驾驶员突然启动自己的车辆制动而忽略了其他车辆，也不会发生碰撞。考虑所有的情况，在任何时间行驶在任何道路，只是分配单独的减速度G还不足以来保证交通安全。但是，排行驶应在特定情况下，如只有在高速公路，低减速度G才能不对其他车造成影响等。因此，在有限的情况下，对“仅形成排行驶”来说就足够了。当然，在调整所分配的单独减速度G之前，需要检查排列驾驶的排列模式标志。

5.新型制动系统设计

乘用车的制动系统和重型卡车的制动系统之间的区别是传播材料。大多数客车使用水合物。 另一方面，重型卡车在制动系统使用空气。能量ITS排也使用空气过度制动。图3展示出了前EBS制动系统的一个典型制动图。它还显示了制动器空气从空气压缩机到制动气室的流动。首先，空气压缩机产生高压空气。高压空气将单独保存在两个空气罐中，一个用于前制动室，另一个用于后制动开关。如果驾驶员踩下制动踏板，那么相当大量的气流将单独输送到前制动器的EBS模块和后制动器的EBS模块。每个EBS模块基于有效载荷和车辆速度调整期望的空气压力量。最后，经调节的空气将被输送到每个制动气室并开始降低轮胎的转速。

轮胎

制动气室

制动踏板阀

前后EBS调制器

后轮

前轮

空气罐

空气压缩机

图3. 老式制动系统示意图

基本上，新制动系统的概念可以通过每个车辆的单元的特性来确定，而这些特性会受到一些可变参数（例如有效载荷，速度和天气）的影响。表4展示出了每个车辆单元的特性。即使所有参数由于某些原因而改变，空气压缩机，气罐和踏板力也不会改变。然而，制动气室中的压力会因为有效载荷和速度的变化而剧烈地改变。剩余的，轮胎和路面情况会稍微有些变化。除非天气状况不同，例如下雪或严重的雨。现实中，制动蹄的衰老退化，厚度变化，生锈的机械部件可能在思考新概念的时候成为考虑因素，但它不会造成或不影响系统的主要风险或差异。

表5. 汽车每个单元的特性