汽車附著能力提升的理論與應(yīng)用探討

何太碧 (西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院,四川成都610039)

1 汽車驅(qū)動原理

根據(jù)汽車行駛平衡方程式:

汽車起動后能夠向前行駛,要求式(1)成立。為了提高汽車行駛的動力性,可采取增加發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩和加大傳動比等措施來增大汽車驅(qū)動力。這些措施只有在驅(qū)動輪與路面不發(fā)生滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象時才有效。當(dāng)汽車在泥漿路面行駛時,輪胎表面被泥漿填滿,汽車不能前進(jìn),即使通過踩油門使發(fā)動機(jī)向外輸出的功率達(dá)到最大,驅(qū)動輪仍在原地加速滑轉(zhuǎn),驅(qū)動力并沒有增加。由驅(qū)動力產(chǎn)生機(jī)理可知,驅(qū)動力為地面作用于輪胎的切向靜摩擦力。根據(jù)物理學(xué)知識,在一定正壓力下,兩物體之間靜摩擦力有最大值,當(dāng)推動力超過此最大值時,兩物體便會發(fā)生相對滑動。對于汽車而言,該最大值稱為地面附著力FΨ,該推力就是驅(qū)動力Ft。汽車能夠前進(jìn),還受輪胎與路面附著條件的限制,即Ft≤FΨ。因此,汽車行駛條件[1～2]為:

通常講FΨ=ΨFz(Ψ為附著系數(shù);Fz為驅(qū)動輪法向反作用力)。從汽車行駛條件可看出,提高汽車在起動和行駛中通過能力,同時不會出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象,一方面,可通過減少阻力,增大驅(qū)動力來實(shí)現(xiàn);另一方面,應(yīng)使FΨ值盡可能達(dá)到最大。依據(jù)附著力公式,在Fz為定值時,應(yīng)使Ψ值達(dá)到最大,也就是說當(dāng)附著系數(shù)Ψ增加時,增大了汽車輪胎在路面上的附著能力,提高汽車通過能力。

2 汽車制動原理

汽車行駛過程中,遇到紅綠燈或者障礙物時,需要制動。在這個制動過程中,駕駛員先接受到停車信息,并對信息進(jìn)行處理,接著操控手和腳,手操控方向盤,腳開始踩制動踏板,消除踏板間隙后,使踏板力由零逐漸增大,增大到地面給車輪的制動力最大,持續(xù)這個狀態(tài),使汽車快速停下來,與前面車輛或障礙物保持最安全距離。在這個制動過程中,關(guān)鍵是使地面制動力達(dá)到最大,如何控制這個狀態(tài)?下面分析影響地面制動力[3～5]的因素 (見圖1)。

圖1 地面制動影響因素分析圖

由圖1看出,制動時,當(dāng)踩下制動踏板,首先消除制動系間隙后,制動器制動力Fu開始增加。開始時踏板力較小,制動器制動力也較小,車輪還在滾動,此時,地面制動力Fb等于制動器制動力Fu,且隨著橫坐標(biāo)踏板力增加而成線性增加。當(dāng)增加到C點(diǎn)時,制動器制動力Fu仍然隨著踏板力呈線性增加,而地面制動力Fb不會隨著踏板力增加而增加,此時已達(dá)到最大值Fbmax,等于地面附著力FΨ,這時車輪抱死不轉(zhuǎn)而出現(xiàn)拖滑現(xiàn)象。分析表明:地面制動力Fb取決于制動器的制動力Fu和輪胎與地面的附著力FΨ,就是說當(dāng)踏板力比較小時,地面制動力取決于制動器制動力,隨著踏板力的增加,增大至一定值時,地面制動力取決于地面附著力。要使地面制動力Fu盡可能達(dá)到最大,也就是使地面附著力FΨ達(dá)到最大,根據(jù)地面附著力表達(dá)式:FΨ=ΨFz[1],在車輪法向反作用Fz一定的條件下,地面附著力FΨ主要取決于附著系數(shù) Ψ,即地面附著力FΨ隨著地面附著系數(shù) Ψ增大而增大,對應(yīng)的地面制動力Fu的最大值也就越大,與前面障礙物相碰的幾率就越小。

3 提高地面附著系數(shù)措施

通過以上分析可知,為了提高汽車行駛通過能力和制動安全性,可從提高汽車輪胎附著能力方面采取措施,在車輛裝置、負(fù)荷和輪胎一定的條件下,最終歸結(jié)為從提高地面的附著系數(shù)方面著手。筆者從ABS(汽車防抱死制動)及ARS(汽車驅(qū)動防滑)系統(tǒng)工作原理、輪胎、車速、駕駛技術(shù)和路面幾個層面研究提高地面附著系數(shù)。

3.1 ABS及ARS系統(tǒng)工作原理

圖2 附著系數(shù)與滑移率關(guān)系圖

在制動過程中的汽車,附著系數(shù) Ψ主要取決于車輪的運(yùn)動狀態(tài) (用滑移率表示制動車輪的運(yùn)動狀態(tài))。附著系數(shù)與滑移率關(guān)系圖如圖2所示。由圖2可看出,當(dāng)滑移率s較小時,縱向附著系數(shù)隨著s近似線性關(guān)系增加,隨著s的增加,縱向附著系數(shù)增加緩慢,直到達(dá)到最大值 Ψp,然后隨著s繼續(xù)增加,縱向附著系數(shù)開始下降,直到s=100%時,即車輪完全處于拖滑狀態(tài)時,縱向附著系數(shù)等于滑動附著系數(shù) Ψs。由此可知,在制動過程中,應(yīng)該控制制動時車輪的運(yùn)動狀態(tài),將車輪的運(yùn)動狀態(tài)控制在滑移率s為15%～25%范圍內(nèi),縱向附著系數(shù)接近最大 Ψp,也就是車輪的縱向附著系數(shù)達(dá)到最大,使車輪地面制動力最大值Fbmax達(dá)到最大,減小制動距離。而橫向附著系數(shù)隨著s增加而下降,并降幅很大,當(dāng)車輪完全抱死,橫向附著系數(shù)幾乎為0,此時,汽車在運(yùn)行中失去抗側(cè)滑能力,只要有一點(diǎn)側(cè)向作用力,汽車就會發(fā)生側(cè)滑。

為提高汽車制動的安全性,汽車上配置的ABS系統(tǒng),制動時控制車輪滑移率s在15%～25%范圍,獲得最大地面制動力;同理,ARS系統(tǒng)將滑移率s保持在10%～30%之間,可獲得最大側(cè)向附著系數(shù),提高抗側(cè)滑能力,在起動加速時,驅(qū)動力得到的充分的發(fā)揮,驅(qū)動輪也不會在路面上打滑。

3.2 輪胎

在松軟路面上行駛時,降低輪胎氣壓,可以使輪胎接地面積增加,降低對路面的單位壓力,使?jié)L動阻力減少,附著系數(shù)增加。低壓輪胎較高壓輪胎具有更大的附著系數(shù)。

汽車行駛在潮濕的硬路面、山地道路、泥濘道路、冰雪道路和松軟的土路上時,應(yīng)選用越野花紋輪胎,因?yàn)樵揭盎y輪胎溝槽深,突出面積小,抓地作用強(qiáng),使附著系數(shù)提高。

人字形越野花紋輪胎安裝在驅(qū)動輪時,要使人字尖在滾動時先著地,這樣可使花紋嵌入土壤的能力強(qiáng),與地面的附著能力強(qiáng),排泥性好。拱形輪胎的斷面比普通輪胎斷面寬,在沙漠、雪地、沼澤和田間行駛有良好的行駛通過能力,在專用越野車上得到廣泛的應(yīng)用。

在冰凍等形成的滑溜路面上,為了防止車輪滑轉(zhuǎn),應(yīng)增加車輪與路面的附著能力,在驅(qū)動輪上裝防滑鏈,以提高汽車通過能力。

3.3 車速

雨天在硬路面上行駛,車速提高,很容易產(chǎn)生輪胎在路面上的滑轉(zhuǎn)。這是因?yàn)檩喬ジ咚龠\(yùn)行時形成的水楔作用強(qiáng),輪胎與路面還沒來的接觸,使附著系數(shù)嚴(yán)重下降。因此,在雨天應(yīng)降低車速,提高地面的附著系數(shù)。

在松軟的土路上行駛,應(yīng)降低車速,使土壤的抗剪切能力增強(qiáng),從而提高附著系數(shù)。

3.4 駕駛技術(shù)

通過沙地、泥濘地和雪地時,應(yīng)用低速檔,保持平穩(wěn)車速,避免換擋、加速,盡量保持直線行駛,否則將難于通過。后輪雙胎的汽車,當(dāng)雙胎間夾泥石而滑轉(zhuǎn),可適當(dāng)提高車速,以求甩掉夾泥,提高地面的附著系數(shù)。沒有配置ABS系統(tǒng)的汽車,在制動時,采用點(diǎn)剎將車輪的運(yùn)動狀態(tài)控制在使地面制動力最大的狀態(tài),也就是將s控制在15%～25%范圍,提高縱向附著系數(shù)。

當(dāng)汽車傳動系統(tǒng)裝有差速鎖時,在有可能使車輪滑轉(zhuǎn)的地區(qū)將差速鎖住。因?yàn)檐囕喴坏┗坪?土壤表面就會被破壞,附著系數(shù)下降,再鎖住差速鎖不會起顯著作用。

3.5 路面

由于長期使用,路面由于磨損和風(fēng)化作用,附著系數(shù)下降。因此,在行駛中,不宜高速行駛。干燥而粗糙的水泥混凝土路面比不平整的低級路面附著系數(shù)高,汽車在干燥而粗糙的水泥混凝土路面上行駛時,輪胎被堅(jiān)硬礦質(zhì)小顆粒壓入胎面橡皮內(nèi),阻止輪胎與路面間相對滑移;而在不平整的低級路面上,路面粗糙度不夠。

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