帶有空氣懸掛的超靜定牽引車(chē)異步制動(dòng)鎖死研究_第1頁(yè)
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1、帶有空氣懸掛的超靜定牽引車(chē)異步制動(dòng)鎖死研究摘要:本文旨在解決采用空氣懸架的超靜定牽引車(chē)輪胎的異步制動(dòng)鎖死的實(shí)際問(wèn)題。首先,提出兩種在制動(dòng)力和垂直力共同作用下的懸架變形計(jì)算模型;一個(gè)模型考慮安裝在前軸的鋼板彈簧懸架的變形,另一模型研究提升軸和傳動(dòng)軸空氣彈簧的變形。第二,基于前述模型構(gòu)建多軸牽引機(jī)半掛車(chē)的一個(gè)12自由度超靜定制動(dòng)力分配。第三,模型中每個(gè)軸的理想制動(dòng)力是同時(shí)計(jì)算的,而每個(gè)軸的實(shí)際制動(dòng)力是通過(guò)道路測(cè)試衡量的。理想與實(shí)際制動(dòng)力分配曲線在不同制動(dòng)率的比例已經(jīng)被描述。這個(gè)對(duì)比的結(jié)果表明,提升軸的過(guò)度制動(dòng)力會(huì)導(dǎo)致過(guò)早制動(dòng)鎖死,這是車(chē)輪異步鎖死的主要原因。最后,由于理想和實(shí)際制動(dòng)力的分配率分析,

2、本文描述了如何根據(jù)CEC R13,SAE J992b和JASO C514來(lái)重新設(shè)計(jì)牽引車(chē)半掛車(chē)的制動(dòng)力分配。本文提出了一個(gè)擬合程度(FD)的定義和計(jì)算方法,以及提升軸的擬合程度從61.2%提升至91.8%。與傳統(tǒng)牽引-半掛車(chē)相比,不僅是實(shí)際的制動(dòng)力分配更合理,而且制動(dòng)穩(wěn)定性也得到提高。關(guān)鍵詞: 超靜定牽引-半掛車(chē)、提升軸 、空氣懸掛、 制動(dòng)力分配 、制動(dòng)穩(wěn)定性 、貨車(chē)1 引言作用于車(chē)輪的異步制動(dòng)鎖死是工程師在處理車(chē)輛制動(dòng)安全的基本問(wèn)題。當(dāng)一個(gè)制動(dòng)測(cè)試被應(yīng)用到ECE規(guī)則第13章中指提出的一輛負(fù)載多軸牽引車(chē),過(guò)早制動(dòng)鎖死會(huì)發(fā)生在提升軸的車(chē)輪上。此時(shí),制動(dòng)壓力只有0.4MPa,這明顯低于前、后軸的鎖

3、死壓力。因此,車(chē)輛制動(dòng)效率急劇下降,車(chē)胎磨損嚴(yán)重加劇。為了分析和解決問(wèn)題,本文構(gòu)造了一個(gè)多軸牽引車(chē)模型,仔細(xì)分析了每根軸的制動(dòng)力分配。在模型中,如圖1.所示,前軸有一個(gè)鋼板彈簧懸架結(jié)構(gòu),提升軸和傳動(dòng)軸采用帶有鋼板彈簧縱臂的空氣懸架。多軸牽引車(chē)在靜態(tài)和制動(dòng)過(guò)程中遭受來(lái)自地面的過(guò)大反作用力限制,它是一個(gè)超靜定系統(tǒng)。制動(dòng)過(guò)程中牽引-半掛車(chē)的質(zhì)量傳遞導(dǎo)致馬鞍承受的軸荷的動(dòng)態(tài)增加,而且會(huì)跟制動(dòng)率增長(zhǎng)一起增長(zhǎng)。與此同時(shí),牽引車(chē)的總負(fù)載質(zhì)量和重心的高度動(dòng)態(tài)改變。有關(guān)這話(huà)題的早期研究報(bào)告已經(jīng)由Limpert【2】和Adas et al.【3】提出。Limpert分析了分別帶有活動(dòng)梁、鋼板彈簧和多葉多杠懸掛的多

4、軸車(chē)輛制動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)軸荷,但帶有空氣懸架的多軸車(chē)輛的制動(dòng)力分配的分析卻沒(méi)有得到描述。Adas et al. 做了一個(gè)在制動(dòng)過(guò)程中關(guān)于前軸、后軸和半掛車(chē)的動(dòng)態(tài)軸荷載的研究,但這種多軸車(chē)輛不是超靜定系統(tǒng)。Rossmann【4】計(jì)算了每根軸的理想制動(dòng)力以及不同粘附系數(shù)下SIMPACK提供的戴姆勒、克萊斯勒834重型貨車(chē)的制動(dòng)率。建立在圖1.的車(chē)輛制動(dòng)計(jì)算模型對(duì)于特定問(wèn)題更有效,而且它更好地揭示各種變量對(duì)制動(dòng)力分配的影響。帶有空氣懸架的超靜定多軸牽引車(chē)被確定為研究對(duì)象。這個(gè)牽引車(chē)模型考慮兩個(gè)方面:一是來(lái)自地面垂直力的過(guò)度車(chē)輛限制,另一個(gè)是在制動(dòng)力和垂直力聯(lián)合作用下空氣懸架的變形。本文為了分析每個(gè)輪子的異

5、步制動(dòng)鎖死而建立一個(gè)牽引車(chē)-半掛車(chē)的動(dòng)態(tài)制動(dòng)力分配模型。組織如下。第二節(jié)討論應(yīng)用于在制動(dòng)力和垂直聯(lián)合作用下的車(chē)輛的不同懸掛結(jié)構(gòu)的撓度。在第三節(jié),構(gòu)建了一個(gè)超靜定牽引-半掛車(chē)的制動(dòng)力分配計(jì)算模型,可以得到所有軸的理想制動(dòng)力。第四節(jié)側(cè)重于每根軸的實(shí)際和理想制動(dòng)的比較,這確定了異步制動(dòng)鎖死發(fā)生的原因。首先,第五節(jié)基于若干制動(dòng)法規(guī)要求改善了牽引-半掛車(chē)的制動(dòng)力分配;其次,本節(jié)對(duì)制動(dòng)性能各種標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)來(lái)確定異步鎖死壓力;第三,根據(jù)同步鎖死壓力-理想制動(dòng)力曲線提出項(xiàng)目的的改進(jìn);第四,最后一部分對(duì)牽引-半掛車(chē)的制動(dòng)力分配和制動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行調(diào)整核查。第六節(jié)給出了一個(gè)結(jié)論和總結(jié)了本文的科學(xué)貢獻(xiàn)。圖1.帶有

6、空氣懸掛的超靜定多軸牽引車(chē)2 垂直力和制動(dòng)力作用下懸架系統(tǒng)撓度分析為了計(jì)算車(chē)輛制動(dòng)性能,有必要分析制動(dòng)過(guò)程中每根軸的動(dòng)態(tài)軸荷。對(duì)于這樣一個(gè)帶有空氣懸掛的超靜定多軸牽引車(chē)來(lái)說(shuō),每根軸的動(dòng)態(tài)軸荷分析必須通過(guò)在垂直力與制動(dòng)力作用下的懸架撓度研究來(lái)完成。在這一節(jié)中,本文將完成安裝在前軸的鋼板彈簧懸架以及安裝在提升軸和傳動(dòng)軸的空氣懸架的偏差分析,這些都是在制動(dòng)力和垂直力的聯(lián)合作用下的。2.1 鋼板彈簧懸架這個(gè)鋼板彈簧懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及從維護(hù)的觀點(diǎn)來(lái)講也是方便的;不僅是作為一個(gè)彈性元件或是作為一個(gè)指導(dǎo)組件,它現(xiàn)在被廣泛地應(yīng)用于重型車(chē)輛。鋼板彈簧的撓度分析已在SAE彈簧設(shè)計(jì)手冊(cè)【5】中闡述。圖2.表明,在垂直

7、力和發(fā)條扭矩作用下鋼板彈簧的偏移方式應(yīng)該要分析。DFZ是來(lái)自于地面作用在鋼板彈簧上垂直力的增加,PA和PB分別表示前、后彈簧孔的反作用力,TS是由地面制動(dòng)力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,fA和fB分別是鋼板彈簧的前、后彈簧孔的垂直撓度。圖2.在垂直力和制動(dòng)力作用下鋼板彈簧的變形基于所有這些參數(shù),計(jì)算垂直力與制動(dòng)力作用下鋼板彈簧懸架撓度f(wàn)的公式可以這樣表示:當(dāng)2.2縱臂鋼板彈簧懸架 空氣彈簧只可以承受垂直荷載,鋼板彈簧縱臂和橫向穩(wěn)定桿在空氣懸架中被設(shè)計(jì)成支撐縱向力與橫向力,如圖3. (a)所示。當(dāng)同時(shí)考慮鋼板彈簧跟空氣彈簧時(shí),提升軸的硬度是162000N/m,當(dāng)單獨(dú)考慮空氣彈簧時(shí)它是162600N/m。在誤差范圍

8、內(nèi),引導(dǎo)作用的鋼板彈簧的剛度是可以忽略的。圖3.(b)表示在垂直力與制動(dòng)力同時(shí)作用下空氣懸架的撓度計(jì)算模型。計(jì)算空氣懸掛變形的公式是:當(dāng)將等式(2b)代入等式(2a),空氣懸掛軸的直角偏轉(zhuǎn)可為:與傳統(tǒng)空氣懸架對(duì)比,車(chē)輛裝置的電子控制的空氣懸掛系統(tǒng)(ECAS)能確定瞬時(shí)轉(zhuǎn)速以致于進(jìn)行動(dòng)態(tài)或靜態(tài)荷載的識(shí)別。在車(chē)輛校正過(guò)程中,凹凸不平的道路、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)或者加速都可能導(dǎo)致動(dòng)態(tài)荷載改變。在這種情況下,承載空氣囊的瞬時(shí)放棄或者膨脹都是不被期望的。因此,高度傳感器會(huì)在60秒后將信號(hào)傳送至ECAS的電子控制單元(ECU),電子控制單元會(huì)通過(guò)電磁閥給出氣囊充氣或放氣的指示,使氣囊回到預(yù)定的高度。充氣或放氣過(guò)程所

9、耗費(fèi)的實(shí)踐叫做延誤時(shí)間。由此,制動(dòng)過(guò)程中車(chē)輛的負(fù)重氣囊被認(rèn)為是充氣或者放氣的恒定體積。因此,氣囊的剛度是一個(gè)固定值【6】。圖3.垂直力和制動(dòng)力作用下空氣懸掛的變形3.帶有空氣懸架的超靜定半掛-牽引車(chē)制動(dòng)力分配分析制動(dòng)過(guò)程中,當(dāng)每根軸的車(chē)輪利用最大縱向胎-路摩擦?xí)r,作用于車(chē)軸的理想制動(dòng)力出現(xiàn),而每根軸的輪胎縱向摩擦是伴隨胎-路摩擦系數(shù)和動(dòng)態(tài)軸荷的結(jié)果【7】。假設(shè)空氣阻力和滾動(dòng)阻力可以忽略不計(jì),本文對(duì)牽引車(chē)與半掛車(chē)進(jìn)行了力學(xué)/機(jī)械分析。半掛車(chē)與牽引鞍座的連接裝置上的摩擦影響忽略。圖4.描述了12自由度的超靜定牽引-半掛車(chē)制動(dòng)力分配計(jì)算模型以及每根軸理想制動(dòng)力計(jì)算公式如下。圖4. 超靜定多軸牽引-半

10、掛車(chē)的制動(dòng)力分配計(jì)算模型3.1牽引車(chē)的理想制動(dòng)力根據(jù)作用在牽引車(chē)體的力分析【8】,車(chē)輛動(dòng)力學(xué)方程可以寫(xiě)成:前輪的力矩平衡是:由于短尺跟高剛度,牽引車(chē)框架被假設(shè)為精確的【8】。因此,框架只有在每個(gè)軸懸掛支撐壓縮時(shí)才能傾斜而且不能彎曲?;趫D2.中在垂直力和制動(dòng)力作用下的懸架撓度,框架的傾斜度的方程如下:3.2半掛車(chē)的理想制動(dòng)力在X和Z軸方向的方程以及半掛車(chē)的力矩平衡的公式表示為:3.3牽引-半掛車(chē)的理想制動(dòng)力當(dāng)所有車(chē)輪利用最大縱向胎-路摩擦力時(shí)車(chē)輛處于理想制動(dòng)條件下,每根軸的動(dòng)態(tài)理想制動(dòng)力FXi (i = 1, 2, 3, 4)可由下式獲得:3.4線性系統(tǒng)分析矩陣上述所有公式都是線性的,可以一個(gè)

11、適用于線性系統(tǒng)分析的矩陣更簡(jiǎn)便地表示它們。聯(lián)立公式(4)和公式(8),每跟軸上的動(dòng)態(tài)垂直荷載的矩陣公式表示為:每軸的理想動(dòng)態(tài)制動(dòng)力FXi (i=1, 2, 3, 4) 可由下式計(jì)算:Cj (j = 1, ., 7) 是一個(gè)中間變量且由下式給出:在理想制動(dòng)條件下,道路粘附系數(shù)可由下式定義:許多道路測(cè)試已經(jīng)驗(yàn)證了牽引-半掛車(chē)的制動(dòng)率z不超過(guò)0.6【10】,所以z值得范圍可以固定在0到0.6。根據(jù)公式(10)和(11),每根軸的理想制動(dòng)力FXi(i=1,2,3,4)與制動(dòng)率z的曲線可以提出,見(jiàn)圖5.。檢查圖5.可得,提升軸的理想制動(dòng)力緩緩增大,而制動(dòng)力分配率隨著制動(dòng)率z增加而逐漸降低。當(dāng)制動(dòng)率z達(dá)到

12、0.6時(shí),提升軸的制動(dòng)力分配率只有10%。因此,道路測(cè)試是用來(lái)測(cè)量每根軸的實(shí)際制動(dòng)力分配率。圖5. 每根軸的理想制動(dòng)力與制動(dòng)率z的曲線4 衡量每個(gè)軸的實(shí)際制動(dòng)力配比的道路測(cè)試根據(jù)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(ECE)法規(guī)第13版,附錄13,附件2,項(xiàng)目1.1(關(guān)于制動(dòng)統(tǒng)一規(guī)定的批準(zhǔn)車(chē)輛類(lèi)別M,N和O)【1】,道路測(cè)試應(yīng)用于確定每個(gè)軸的實(shí)際制動(dòng)力。就制動(dòng)測(cè)試網(wǎng)站而言,超靜定多軸牽引-半掛車(chē)具有較高的需求,因?yàn)榈孛娴拈L(zhǎng)度和寬度應(yīng)滿(mǎn)足要求,以確保測(cè)試安全。因?yàn)槟壳爸挥幸环N柏油路滿(mǎn)足這種需求,制動(dòng)力的動(dòng)態(tài)適應(yīng)只有在一種道路條件下存在。該種測(cè)試方法是,制動(dòng)系統(tǒng)只作用于測(cè)試車(chē)輛的一個(gè)軸,制動(dòng)力應(yīng)在左、右車(chē)輪之間取得平均

13、。初始速度為50千米/小時(shí),車(chē)輛制動(dòng)減速取決于測(cè)試數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)是根據(jù)車(chē)輛速度從40千米/小時(shí)到20千米/小時(shí)所計(jì)算出的每個(gè)軸的制動(dòng)力所獲得的。制動(dòng)管壓力從0.1MPa逐漸增加至分離制動(dòng)軸鎖定。實(shí)驗(yàn)測(cè)量如圖6所示。圖6.實(shí)際測(cè)量所得的每軸制動(dòng)力曲線圖6的分析揭示了當(dāng)單個(gè)軸制動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)提升軸的車(chē)輪首先鎖死,以及鎖死壓力只有0.4MPa。在整個(gè)牽引車(chē)-半掛車(chē)制動(dòng)實(shí)驗(yàn)中,結(jié)果與這些獲得數(shù)據(jù)一致。這可以推斷出在一個(gè)單獨(dú)制動(dòng)率z時(shí),理想和實(shí)際制動(dòng)力分配比例曲線,見(jiàn)圖7。根據(jù)圖7,牽引車(chē)-半掛車(chē)的前、后軸實(shí)際制動(dòng)力分配比例相對(duì)接近于理想的比率,但在提升軸的理想的和實(shí)際的制動(dòng)力分配比例中也有明顯的差異。當(dāng)司機(jī)稍

14、微壓低了制動(dòng)踏板,提升軸上車(chē)輪的制動(dòng)力會(huì)超過(guò)其道路粘附力,結(jié)果導(dǎo)致過(guò)早鎖死,以及每個(gè)車(chē)輪未能同步鎖死。因此,在制動(dòng)過(guò)程中,提升軸的實(shí)際制動(dòng)力應(yīng)該在其理想制動(dòng)力的基礎(chǔ)上減少。圖7.每軸的制動(dòng)力分配比率關(guān)于制動(dòng)力比率z的曲線5 基于制動(dòng)法規(guī)每個(gè)軸的制動(dòng)力分配 提升軸的各種制動(dòng)率理想制動(dòng)力值可以從圖5中得到。它們是目標(biāo)值和提升軸上實(shí)際制動(dòng)力的交點(diǎn)。檢查圖7顯示,牽引車(chē)-掛掛車(chē)的前、后軸的制動(dòng)力分配一般滿(mǎn)足需求,只有提升軸制動(dòng)力需要重新分配。制動(dòng)系統(tǒng)其它軸的參數(shù)不變。5.1牽引-掛掛車(chē)的制動(dòng)法規(guī)定的制動(dòng)減速要求幾個(gè)國(guó)內(nèi)外制動(dòng)法規(guī)(聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)汽車(chē)法規(guī)R13,美國(guó)機(jī)動(dòng)工程師協(xié)會(huì)J922b,JAS

15、O C514,等)對(duì)一個(gè)牽引-掛掛車(chē)的制動(dòng)減速提出具體要求,見(jiàn)圖8。根據(jù)法規(guī)減速要求,以及一些牽引-掛掛車(chē)通過(guò)道路測(cè)試的若干制動(dòng)減速測(cè)量值,例如奔馳和沃爾沃,此類(lèi)車(chē)的平均完全成熟減速時(shí)5.4m/s2。換言之,最大制動(dòng)率zmax是0.55。圖8.不同的車(chē)輛初速度制動(dòng)力減速要求(MFDD,是充分發(fā)展的減速度)5.2 牽引-半掛車(chē)的制動(dòng)管路(剎車(chē)油管)壓力制動(dòng)管路的同步鎖死壓力應(yīng)該在確認(rèn)改進(jìn)后的提升軸上制動(dòng)參數(shù)前被確定【11】。然后,采用類(lèi)似的車(chē)輛類(lèi)型作標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試確定這臺(tái)牽引車(chē)-半掛車(chē)的參數(shù)。一些典型的國(guó)內(nèi)外掛拉機(jī)在水泥路上前、后管道的壓力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在圖9顯示,測(cè)試方法使用ECE法規(guī)第13版,目錄13

16、,附錄2,條目1.1的附著系數(shù)的規(guī)定。因?yàn)閷?shí)際制動(dòng)過(guò)程中的制動(dòng)減速比以上測(cè)試方法的測(cè)量要大,會(huì)發(fā)生更多來(lái)自軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)換。因此前軸的實(shí)際鎖死壓力略大于試驗(yàn)值,后軸實(shí)際的鎖死壓力小于試驗(yàn)值。然而,前、后軸的鎖死壓力幾乎沒(méi)有差別,可以認(rèn)為是作為設(shè)計(jì)的引用數(shù)據(jù)。圖9.由道路測(cè)試所得的幾個(gè)牽引機(jī)的同步鎖死壓力圖10.每軸的制動(dòng)力分配比例關(guān)于制動(dòng)比率的改進(jìn)曲線分析圖6和圖9表明,車(chē)輛制動(dòng)管的同步鎖死壓力幾乎是0.7MPa,顯示在圖5的結(jié)果表明提升軸的理想制動(dòng)力是34.5KN。根據(jù)上述輸入條件和現(xiàn)存的制動(dòng)產(chǎn)品范圍,提升軸的參數(shù)是重新設(shè)計(jì)的。Suhet al.【13】支出車(chē)輪制動(dòng)力可以表示為:Pb是室內(nèi)剎車(chē)

17、壓力,A是室內(nèi)域,SAL是調(diào)整臂長(zhǎng)度,BF是制動(dòng)系數(shù),即傳遞到S凸輪的轉(zhuǎn)矩的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩比率。事實(shí)上,鼓式制動(dòng)器的機(jī)械損失是微不足道的,方程(12)關(guān)于計(jì)算制動(dòng)力的適合制動(dòng)力的計(jì)算精度僅僅約是70%。同理,文獻(xiàn)【14】提出一個(gè)詳細(xì)描述動(dòng)態(tài)模型和修改公式的適當(dāng)方法。在文獻(xiàn)【14】,制動(dòng)氣室,制動(dòng)凸輪軸和剎車(chē)制動(dòng)片與各種抗摩擦性,慣性和復(fù)位彈簧都被考慮。這些模型的輸入是室內(nèi)空氣壓力,最終的輸出是實(shí)際總動(dòng)態(tài)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和車(chē)輪制動(dòng)力。依據(jù)改進(jìn),關(guān)于測(cè)量制動(dòng)力的計(jì)算制動(dòng)力的計(jì)算精度接近90%。根據(jù)文獻(xiàn)【14】,提升軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了如下優(yōu)化:制動(dòng)氣室16的有效面積, 95cm2;松緊調(diào)整器長(zhǎng)度,117mm;內(nèi)層

18、弧角,60º;制動(dòng)鼓直徑,400mm。當(dāng)管路壓力為0.7MPa,中間提升軸的實(shí)際制動(dòng)力是28kN,基本上接近理想制動(dòng)力。制動(dòng)力分配比率改進(jìn)后的曲線與這牽引車(chē)-掛掛車(chē)的制動(dòng)率z對(duì)比如圖10.。擬合程度(FD)是應(yīng)用于評(píng)估圖7和圖10這個(gè)重新設(shè)計(jì)的車(chē)輛的制動(dòng)力分配,擬合程度的結(jié)果由此得出:ARj_L是實(shí)際制動(dòng)力分配比的下限,ARj_U是實(shí)際制動(dòng)力分配比的下限,fARj (z) 是一個(gè)圖7和圖10的實(shí)際制動(dòng)力飛配比曲線的變形的制動(dòng)率z的函數(shù),同樣地,fIRj (z) 是一個(gè)從理想制動(dòng)力分配比曲線變形的制動(dòng)率z的函數(shù)。車(chē)軸的FD值從圖7和圖10可算出,結(jié)果在表1.列出。結(jié)果表明:車(chē)軸的FD值明顯增強(qiáng);特別地,中期提升軸的值從61.2%上升至91.8%。主要原因是高精度的鼓式制動(dòng)器模型被用于優(yōu)化提升軸制動(dòng)結(jié)構(gòu)參數(shù),這些顯示,改進(jìn)的制動(dòng)力分配比例與理想比率基本對(duì)應(yīng)。為了協(xié)調(diào)牽引車(chē)跟半掛車(chē)的制動(dòng)力分配,13號(hào)ECE法規(guī)給出了一個(gè)確保牽引車(chē)和掛掛車(chē)制動(dòng)穩(wěn)定性的受限制動(dòng)力區(qū)域。經(jīng)改進(jìn)過(guò)制動(dòng)力分配的原車(chē)和牽引-掛掛車(chē)的制動(dòng)穩(wěn)定性調(diào)節(jié)測(cè)試的結(jié)果如圖11和圖12。表1每軸的FD值圖11.牽引機(jī)在制動(dòng)力規(guī)則下

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