一种轮胎与地面最佳刹车滑移点的确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机轮刹车系统控制领域，具体是一种轮胎与地面最佳刹车滑移点的确 定方法，用于对防滑刹车系统的工作效率进行评价。
【背景技术】
[0002] 常见汽车或者飞机的刹车系统，为了缩短刹车距离，提高工作效率，保证对行驶方 向的控制能力和飞机的刹车安全，大都配有防滑控制系统，飞机的防滑刹车系统主要由刹 车指令传感器、刹车控制器（综合完成刹车控制和防滑控制功能）、液压伺服阀、刹车装置、 机轮、机轮速度传感器等组成，防滑刹车系统结构原理见图1。
[0003] 刹车指令传感器安装在座舱内，一般由飞行员脚踩刹车踏板进行控制，飞行员脚 踩刹车，通过连接管路给刹车装置施加一定的刹车压力，便机轮由于受到刹车装置产生的 刹车力矩而减速，从而造成轮胎与地面之间的相对滑动，由此产生的摩擦力给飞机一个向 后的阻力即制动力，刹车系统中称其为结合力，结合力与机轮滚动半径的乘积就构成结合 力矩，机轮的转动其实就是由结合力矩和刹车装置产生的刹车力矩来共同控制的，当结合 力矩大于刹车力矩时，机轮转动加速，机轮的相对滑移率逐步减小；当结合力矩小于刹车力 矩时，机轮处于减速状态，机轮的相对滑移率逐渐增大；当结合力矩等于刹车力矩时，机轮 恒速转动。机轮轮胎与地面的摩擦系数在刹车系统中被称为结合系数，它与很多因素都有 关系，尤其是轮胎与地面之间的相对滑移率；所述的相对滑移率是指飞机速度与机轮在与 地面结合部位的线速度的差值与飞机速度的比，显然滑移率最小为0,代表机轮自由滚动， 最大为1，代表机轮完全刹死。不同速度阶段相对滑移率λ与结合系数μ的大致关系见图 2,曲线1为高速阶段，曲线2为中速阶段，曲线3为低速阶段。
[0004] 由图2可见：当飞行员施加的刹车压力较小时，机轮的线速度与飞机的速度差也 就小，滑移率较小时，说明轮胎滑移的工作点在峰值点的左侧偏下的位置，对应图中所示可 以看出这时地面提供给机轮的结合系数较小，所以产生的制动力也就不是很大；随着刹车 压力的增大，机轮进一步减速，滑移率相应增大，轮胎滑移的工作点沿着曲线朝着结合系数 的峰值点方向向右向上攀升，结合系数也逐渐变大，地面提供给飞机的制动力也随之增加， 工作效率逐步提高，当刹车压力增加到使机轮产生的滑移率达到对应于最大的峰值结合系 数的滑移率时，达到最佳刹车滑移点，此时不仅地面提供给机轮的制动力达到最大，而且轮 胎的摩擦也很小，系统的工作效率也就上升至100% ;如果还继续提高刹车压力，机轮继续 减速，轮胎滑移工作点便会沿图2所示曲线朝着远离最佳刹车滑移点的方向向右向下漂 移，导致结合系数的下降，并加剧机轮的减速，机轮滑移率进一步增大，若防滑系统还不能 及时解除刹车，则机轮很快便会刹死，出现所谓的拖胎现象；若机轮出现刹死趋势时，防滑 系统能控制刹车压力快速下降，则机轮会逐渐加速，轮胎滑移工作点便会朝着最佳刹车滑 移点的方向沿图2所示曲线向左向上移动，到达结合系数峰值点；如果机轮工作在峰值点 时，结合力矩仍然大于刹车力矩，机轮会继续加速，滑移率继续减小，轮胎滑移工作点便会 朝着远离最佳刹车滑移点的方向沿图2所示曲线向左向下移动，直到本轮防滑过程结束， 刹车系统又重新升压，让轮胎滑移的工作点沿着图2所示曲线朝着结合系数的峰值点方向 再一次向右向上攀升。
[0005] 刹车系统的防滑控制过程就是要实时调节控制刹车压力，使轮胎滑移的工作点保 持在结合系数的峰值点附近，使轮胎和地面之间结合系数产生的结合力矩达到或者说接近 最大值以提高工作效率的过程。
[0006] 在机轮完全刹死时，相对滑移率达到最大值1，这时不仅工作效率很低，而且轮胎 磨损非常严重，对飞机来说，由于飞机的惯性极大，飞机的动能要全部在轮胎上转化为刹车 热，因此拖胎稍一严重就会发生爆胎，威胁到飞机的安全，很可能由此引发事故，因此必须 及时快速地降压，并待机轮转速恢复以后再次进行刹车，逐步再一次逼近最大工作效率点。 而对于象汽车、摩托车等地面交通工具，除了轮胎发生拖胎后刹车距离将大幅延长，工作效 率低下以外，还会让机动车失去对方向的操控能力。
[0007] 真实的机轮轮胎与跑道之间的摩擦特性远比图2要复杂得多，图2仅示出了随着 飞机速度的降低和滑移率的改变，曲线在幅值上和形状上发生的变化；而跑道在干、湿、积 水及结冰状态下其结合系数曲线还会有类似图3的变化，曲线4为结冰状态，曲线5为湿跑 道状态，曲线6为干跑道状态。另外跑道的材料（水泥、沥清或者土跑道）也极大地影响 着μ值的大小（见图1-2);除此之外，轮胎的弹性、材质、花纹、充气压力对其也有不同程 度的影响，而且在刹车过程申，由于刹车时轮胎要产生大量的磨擦热，会造成轮胎弹性的降 低，因此μ值还要不断地发生变化，使对应于最佳滑移点的相对滑移率和峰值结合系数实 时地发生变化，因此这个最佳刹车滑移点是非常难以确定的。
[0008] 飞机在刹车过程中，空气动力、舵面、起落架的结构、飞机着陆重量和重心的位置、 跑道的不规则、刹车系统本身产生的刹车力矩、发动机的剩余推力、阻力伞的阻力等等因素 都会造成机轮载荷的不断重新分配，从而改变地面提供在机轮上的结合力矩，结合力矩与 飞行员操控的刹车力矩一起会使机轮的转动状态发生复杂的变化。
[0009] 本发明所述的一种轮胎与地面最佳刹车滑移点的确定方法，涉及到对防滑刹车系 统的工作效率评价，国家军用标准GJB2879A《飞机机轮防滑刹车控制系统通用规范》对防 滑刹车系统的工作效率有压力效率、力矩效率、阻力效率和距离效率与结合系数利用率等5 种定义，并给出图4的工作效率示意曲线，分别定义如下：
[0010] 压力效率：第一次临界滑动与最后一次临界滑动之间沿实测刹车压力曲线的积分 与沿压力各峰值点连线积分之比。
[0011]力矩效率：第一次临界滑动与最后一次临界滑动之间沿实测刹车力矩曲线的积分 与沿力矩各峰值点连线积分之比。
[0012] 阻力效率：第一次临界滑动与最后一次临界滑动之间沿实测刹车阻力曲线的积分 与沿阻力各峰值点连线积分之比。
[0013] 距离效率：机轮时时处于最佳滑动状态（即时时有最大结合系数）所获得的制动 距离与防滑刹车系统实际工作获得的制动距离之比。
[0014] 结合系数利用率：瞬时有效结合系数对时间的积分与最大结合系数对时间积分之 比。
[0015] 这五种有关刹车系统工作效率的定义，均要求以机轮时时处于最佳的临界滑动点 为理想的100%工作效率作基准；而图4中曲线7代表刹车过程中实际记录的刹车压力，或 者刹车力矩，或者刹车阻力，连接各峰值点的近似直线8代表刹车压力，或者刹车力矩或刹 车阻力的三种定义的临界滑动点连线，对应于这三个参数峰值点的瞬时，机轮未必会处于 最佳滑移点。通常都采用的是前两种评价方法，因为在试验过程中，刹车压力和刹车力矩都 是最基本的试验参数，而刹车阻力检测对试验台要求较高，不容易测量，所以很少采用阻力 效率；严格来说，距离效率最能反映客户对刹车系统的工作效率评价要求，但是要得到机轮 时时处于最佳滑动状态的制动距离这个要求都很难实现，也缺乏实际的测试及计算方法， 所以距离效率评价方法很少采用，只有理论研究价值；结合系数利用率能体现系统对轮胎 利用地面最大摩擦力的控制水平，但是由于结合系数在整个刹车过程中的实际值和最大值 很不稳定，而且不便于测量，所以这种结合系数利用率的工作效率评价方法也很少采用。
[0016] 压力效率会因为防滑控制系统的灵敏性而使计算结果显得不很合理。比如，当防 滑系统调节比较迟钝，则会出现当机轮已经处于打滑状态，而防滑控制盒还不能及时地驱 动伺服阀使刹车装置的刹车压力解除，在这段时间内建立的刹车压力按照压力效率进行计 算时仍可以使刹车系统表现出较高的压力效率；另一方面当防滑系统调节过于灵敏时，会 造成系统在机轮还没有达到打滑状态时就提前泄压，计算压力效率时仍然会将压力的峰值 点作为最佳刹车滑移点进行计算，这个显然不合理。图5就是某型飞机的防滑刹车系统在 厂内惯性试验台上的刹车过程曲线，图中曲线9为鼓轮速度，用来模拟飞机速度，曲线10为 作用在机轮上的垂直载荷，曲线11为刹车力矩，曲线12为刹车压力，这个曲线按标准所述 的压力效率计算可达到86%，但其阻力效率还不到60%，这就是用压力效率来衡量防滑刹 车系统工作效率的一个主要弊端。
[0017] 力矩效率和阻力效率都与压力效率同样存在这个问题，因为刹车系统在惯性台上 或者在飞机上直接进行防滑刹车试验时，检测到的刹车力矩只是刹车装置对刹车压力的响 应，刹车力矩的峰值点并不代表机轮达到了最佳刹车滑移点。即使刹车过程中能检测到刹 车阻力，因为刹车阻力是作用在机轮上的径向载荷与结合系数的共同作用的结果，因此刹 车阻力的峰值并不能说明机轮一定达到了最佳刹车滑移点，因为刹车过程中径向载荷是不 断变化的，它的突然变小也会造成刹车阻力出现