一種輪胎與地面最佳剎車滑移點的確定方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及機輪剎車系統控制領域，具體是一種輪胎與地面最佳剎車滑移點的確 定方法，用于對防滑剎車系統的工作效率進行評價。
【背景技術】
[0002] 常見汽車或者飛機的剎車系統，為了縮短剎車距離，提高工作效率，保證對行駛方 向的控制能力和飛機的剎車安全，大都配有防滑控制系統，飛機的防滑剎車系統主要由剎 車指令傳感器、剎車控制器（綜合完成剎車控制和防滑控制功能）、液壓伺服閥、剎車裝置、 機輪、機輪速度傳感器等組成，防滑剎車系統結構原理見圖1。
[0003] 剎車指令傳感器安裝在座艙內，一般由飛行員腳踩剎車踏板進行控制，飛行員腳 踩剎車，通過連接管路給剎車裝置施加一定的剎車壓力，便機輪由于受到剎車裝置產生的 剎車力矩而減速，從而造成輪胎與地面之間的相對滑動，由此產生的摩擦力給飛機一個向 后的阻力即制動力，剎車系統中稱其為結合力，結合力與機輪滾動半徑的乘積就構成結合 力矩，機輪的轉動其實就是由結合力矩和剎車裝置產生的剎車力矩來共同控制的，當結合 力矩大于剎車力矩時，機輪轉動加速，機輪的相對滑移率逐步減小；當結合力矩小于剎車力 矩時，機輪處于減速狀態，機輪的相對滑移率逐漸增大；當結合力矩等于剎車力矩時，機輪 恒速轉動。機輪輪胎與地面的摩擦系數在剎車系統中被稱為結合系數，它與很多因素都有 關系，尤其是輪胎與地面之間的相對滑移率；所述的相對滑移率是指飛機速度與機輪在與 地面結合部位的線速度的差值與飛機速度的比，顯然滑移率最小為0,代表機輪自由滾動， 最大為1，代表機輪完全剎死。不同速度階段相對滑移率λ與結合系數μ的大致關系見圖 2,曲線1為高速階段，曲線2為中速階段，曲線3為低速階段。
[0004] 由圖2可見：當飛行員施加的剎車壓力較小時，機輪的線速度與飛機的速度差也 就小，滑移率較小時，說明輪胎滑移的工作點在峰值點的左側偏下的位置，對應圖中所示可 以看出這時地面提供給機輪的結合系數較小，所以產生的制動力也就不是很大；隨著剎車 壓力的增大，機輪進一步減速，滑移率相應增大，輪胎滑移的工作點沿著曲線朝著結合系數 的峰值點方向向右向上攀升，結合系數也逐漸變大，地面提供給飛機的制動力也隨之增加， 工作效率逐步提高，當剎車壓力增加到使機輪產生的滑移率達到對應于最大的峰值結合系 數的滑移率時，達到最佳剎車滑移點，此時不僅地面提供給機輪的制動力達到最大，而且輪 胎的摩擦也很小，系統的工作效率也就上升至100% ;如果還繼續提高剎車壓力，機輪繼續 減速，輪胎滑移工作點便會沿圖2所示曲線朝著遠離最佳剎車滑移點的方向向右向下漂 移，導致結合系數的下降，并加劇機輪的減速，機輪滑移率進一步增大，若防滑系統還不能 及時解除剎車，則機輪很快便會剎死，出現所謂的拖胎現象；若機輪出現剎死趨勢時，防滑 系統能控制剎車壓力快速下降，則機輪會逐漸加速，輪胎滑移工作點便會朝著最佳剎車滑 移點的方向沿圖2所示曲線向左向上移動，到達結合系數峰值點；如果機輪工作在峰值點 時，結合力矩仍然大于剎車力矩，機輪會繼續加速，滑移率繼續減小，輪胎滑移工作點便會 朝著遠離最佳剎車滑移點的方向沿圖2所示曲線向左向下移動，直到本輪防滑過程結束， 剎車系統又重新升壓，讓輪胎滑移的工作點沿著圖2所示曲線朝著結合系數的峰值點方向 再一次向右向上攀升。
[0005] 剎車系統的防滑控制過程就是要實時調節控制剎車壓力，使輪胎滑移的工作點保 持在結合系數的峰值點附近，使輪胎和地面之間結合系數產生的結合力矩達到或者說接近 最大值以提高工作效率的過程。
[0006] 在機輪完全剎死時，相對滑移率達到最大值1，這時不僅工作效率很低，而且輪胎 磨損非常嚴重，對飛機來說，由于飛機的慣性極大，飛機的動能要全部在輪胎上轉化為剎車 熱，因此拖胎稍一嚴重就會發生爆胎，威脅到飛機的安全，很可能由此引發事故，因此必須 及時快速地降壓，并待機輪轉速恢復以后再次進行剎車，逐步再一次逼近最大工作效率點。 而對于象汽車、摩托車等地面交通工具，除了輪胎發生拖胎后剎車距離將大幅延長，工作效 率低下以外，還會讓機動車失去對方向的操控能力。
[0007] 真實的機輪輪胎與跑道之間的摩擦特性遠比圖2要復雜得多，圖2僅示出了隨著 飛機速度的降低和滑移率的改變，曲線在幅值上和形狀上發生的變化；而跑道在干、濕、積 水及結冰狀態下其結合系數曲線還會有類似圖3的變化，曲線4為結冰狀態，曲線5為濕跑 道狀態，曲線6為干跑道狀態。另外跑道的材料（水泥、瀝清或者土跑道）也極大地影響 著μ值的大小（見圖1-2);除此之外，輪胎的彈性、材質、花紋、充氣壓力對其也有不同程 度的影響，而且在剎車過程申，由于剎車時輪胎要產生大量的磨擦熱，會造成輪胎彈性的降 低，因此μ值還要不斷地發生變化，使對應于最佳滑移點的相對滑移率和峰值結合系數實 時地發生變化，因此這個最佳剎車滑移點是非常難以確定的。
[0008] 飛機在剎車過程中，空氣動力、舵面、起落架的結構、飛機著陸重量和重心的位置、 跑道的不規則、剎車系統本身產生的剎車力矩、發動機的剩余推力、阻力傘的阻力等等因素 都會造成機輪載荷的不斷重新分配，從而改變地面提供在機輪上的結合力矩，結合力矩與 飛行員操控的剎車力矩一起會使機輪的轉動狀態發生復雜的變化。
[0009] 本發明所述的一種輪胎與地面最佳剎車滑移點的確定方法，涉及到對防滑剎車系 統的工作效率評價，國家軍用標準GJB2879A《飛機機輪防滑剎車控制系統通用規范》對防 滑剎車系統的工作效率有壓力效率、力矩效率、阻力效率和距離效率與結合系數利用率等5 種定義，并給出圖4的工作效率示意曲線，分別定義如下：
[0010] 壓力效率：第一次臨界滑動與最后一次臨界滑動之間沿實測剎車壓力曲線的積分 與沿壓力各峰值點連線積分之比。
[0011]力矩效率：第一次臨界滑動與最后一次臨界滑動之間沿實測剎車力矩曲線的積分 與沿力矩各峰值點連線積分之比。
[0012] 阻力效率：第一次臨界滑動與最后一次臨界滑動之間沿實測剎車阻力曲線的積分 與沿阻力各峰值點連線積分之比。
[0013] 距離效率：機輪時時處于最佳滑動狀態（即時時有最大結合系數）所獲得的制動 距離與防滑剎車系統實際工作獲得的制動距離之比。
[0014] 結合系數利用率：瞬時有效結合系數對時間的積分與最大結合系數對時間積分之 比。
[0015] 這五種有關剎車系統工作效率的定義，均要求以機輪時時處于最佳的臨界滑動點 為理想的100%工作效率作基準；而圖4中曲線7代表剎車過程中實際記錄的剎車壓力，或 者剎車力矩，或者剎車阻力，連接各峰值點的近似直線8代表剎車壓力，或者剎車力矩或剎 車阻力的三種定義的臨界滑動點連線，對應于這三個參數峰值點的瞬時，機輪未必會處于 最佳滑移點。通常都采用的是前兩種評價方法，因為在試驗過程中，剎車壓力和剎車力矩都 是最基本的試驗參數，而剎車阻力檢測對試驗臺要求較高，不容易測量，所以很少采用阻力 效率；嚴格來說，距離效率最能反映客戶對剎車系統的工作效率評價要求，但是要得到機輪 時時處于最佳滑動狀態的制動距離這個要求都很難實現，也缺乏實際的測試及計算方法， 所以距離效率評價方法很少采用，只有理論研究價值；結合系數利用率能體現系統對輪胎 利用地面最大摩擦力的控制水平，但是由于結合系數在整個剎車過程中的實際值和最大值 很不穩定，而且不便于測量，所以這種結合系數利用率的工作效率評價方法也很少采用。
[0016] 壓力效率會因為防滑控制系統的靈敏性而使計算結果顯得不很合理。比如，當防 滑系統調節比較遲鈍，則會出現當機輪已經處于打滑狀態，而防滑控制盒還不能及時地驅 動伺服閥使剎車裝置的剎車壓力解除，在這段時間內建立的剎車壓力按照壓力效率進行計 算時仍可以使剎車系統表現出較高的壓力效率；另一方面當防滑系統調節過于靈敏時，會 造成系統在機輪還沒有達到打滑狀態時就提前泄壓，計算壓力效率時仍然會將壓力的峰值 點作為最佳剎車滑移點進行計算，這個顯然不合理。圖5就是某型飛機的防滑剎車系統在 廠內慣性試驗臺上的剎車過程曲線，圖中曲線9為鼓輪速度，用來模擬飛機速度，曲線10為 作用在機輪上的垂直載荷，曲線11為剎車力矩，曲線12為剎車壓力，這個曲線按標準所述 的壓力效率計算可達到86%，但其阻力效率還不到60%，這就是用壓力效率來衡量防滑剎 車系統工作效率的一個主要弊端。
[0017] 力矩效率和阻力效率都與壓力效率同樣存在這個問題，因為剎車系統在慣性臺上 或者在飛機上直接進行防滑剎車試驗時，檢測到的剎車力矩只是剎車裝置對剎車壓力的響 應，剎車力矩的峰值點并不代表機輪達到了最佳剎車滑移點。即使剎車過程中能檢測到剎 車阻力，因為剎車阻力是作用在機輪上的徑向載荷與結合系數的共同作用的結果，因此剎 車阻力的峰值并不能說明機輪一定達到了最佳剎車滑移點，因為剎車過程中徑向載荷是不 斷變化的，它的突然變小也會造成剎車阻力出現