汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的分析

楊章林

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000）

引言

隨著汽車的迅速普及，對(duì)汽車的安全性能提出了更高的要求。汽車在行駛中，經(jīng)常需要進(jìn)行制動(dòng)，受道路條件、汽車載荷、實(shí)施制動(dòng)的作用力等因素影響，在很多情況下很難獲得最佳的制動(dòng)效果。尤其在緊急制動(dòng)時(shí)，很容易出現(xiàn)不恰當(dāng)制動(dòng)導(dǎo)致車輪完全抱死的情況，造成重大交通事故。目前在汽車中廣泛采用的防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS），使人們對(duì)制動(dòng)安全性的要求得到進(jìn)一步的滿足[1]。

一、制動(dòng)時(shí)車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析

分析車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)我們需要了解滑移率的概念，汽車制動(dòng)時(shí)與地面產(chǎn)生摩擦力，在摩擦力的作用下才能產(chǎn)生減速作用。制動(dòng)時(shí)車輪速度降低，在車速與輪速之間產(chǎn)生一個(gè)速度差。車速與輪速之間存在著速度差稱為滑移現(xiàn)象。滑移的大小用滑移率表示，其公式如下[2]：

根據(jù)這個(gè)公式，能夠分析車輪在制動(dòng)過程中主要經(jīng)歷的三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。第一種為車輪與地面之間作純滾動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)車輪的速度與車身的速度是相等的，對(duì)應(yīng)的滑移率為0，此時(shí)產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦；第二種為車輪與地面之間作純滑動(dòng)狀態(tài)（即輪速為0），此時(shí)車輪被抱死，對(duì)應(yīng)的滑移率為100%，產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦；第三種為車輪與地面之間作邊滑邊滾狀態(tài)，滑移率介于前二者之間。其中車輪抱死是一種危險(xiǎn)的狀態(tài)，圖1為車輪抱死時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖 1汽車制動(dòng)車輪抱死時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況

當(dāng)車輛直線行駛車輪抱死時(shí)，車輛出現(xiàn)了制動(dòng)跑偏或甩尾側(cè)滑的現(xiàn)象；當(dāng)車輛彎道行駛僅前輪抱死時(shí)，車輛會(huì)出現(xiàn)失去轉(zhuǎn)向能力的現(xiàn)象，無法進(jìn)行正常的轉(zhuǎn)向操作。當(dāng)車輛彎道行駛僅后輪抱死時(shí)，車輛就會(huì)出現(xiàn)甩尾側(cè)滑的現(xiàn)象。

二、制動(dòng)時(shí)的力學(xué)分析

汽車制動(dòng)時(shí)，隨著制動(dòng)踏板的踩下，制動(dòng)器形成了制動(dòng)力矩。同時(shí)，輪胎和地面之間的地面摩擦力使車輪產(chǎn)生一個(gè)與制動(dòng)力矩相反方向旋轉(zhuǎn)的力矩，此力矩稱為車輪轉(zhuǎn)矩。汽車制動(dòng)時(shí)，影響車輪旋轉(zhuǎn)的主要因素是制動(dòng)力矩和車輪轉(zhuǎn)矩。如圖2所示。車輪轉(zhuǎn)矩大小取決于車輪載荷W、車輪半徑r和制動(dòng)附著系數(shù)μB。即車輪轉(zhuǎn)矩=μBWr。

圖2 制動(dòng)力矩和車輪轉(zhuǎn)矩

當(dāng)制動(dòng)力矩比車輪轉(zhuǎn)矩大時(shí)，輪速會(huì)降低，當(dāng)制動(dòng)力矩比車輪轉(zhuǎn)矩小時(shí)，輪速會(huì)增加，車輪的制動(dòng)力矩在這個(gè)過程中產(chǎn)生了很大的作用，由上面的公式可知，影響制動(dòng)力矩的大小與很多因素有關(guān)，其中制動(dòng)附著系數(shù)尤為重要。附著系數(shù)越大，地面制動(dòng)力越大、能在較短的制動(dòng)距離內(nèi)使汽車停下。而附著系數(shù)又分為二種情況，第一種情況為橫向附著系數(shù)。它能影響左右地面的制動(dòng)力，當(dāng)左右地面制動(dòng)力不等時(shí)，繞汽車質(zhì)心產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)力矩，會(huì)使制動(dòng)跑偏。第二種情況為側(cè)向附著系數(shù)，它影響車輪的側(cè)滑摩擦力，和橫向摩擦力不同的是它作用在車輪橫方向上，可以使車輪產(chǎn)生側(cè)向力和轉(zhuǎn)彎力。如圖3所示，直線行駛時(shí)，側(cè)向力與橫向干擾力平衡，維持車子直線行駛；汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，前輪在側(cè)滑摩擦力的作用下會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)彎力，它能克服離心力的作用維持汽車的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。

圖3 汽車直線和轉(zhuǎn)彎制動(dòng)時(shí)的平面受力簡圖

一般來說，側(cè)向力影響汽車的轉(zhuǎn)向性能，側(cè)向力越大汽車的方向穩(wěn)定性越好；轉(zhuǎn)彎力影響汽車的安全操作性，轉(zhuǎn)彎力越大，操縱性越好。反之，側(cè)向力和轉(zhuǎn)彎力很小或消失時(shí)，汽車不受駕駛員的控制，會(huì)發(fā)生重大事故。比如，汽車在冰雪道路上制動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)生跑偏或甩尾現(xiàn)象。因此橫向和縱向附著系數(shù)同時(shí)影響汽車的安全行駛。

三、防抱死的控制

通過上面的分析，汽車在制動(dòng)過程中如果想實(shí)現(xiàn)安全有效的制動(dòng)，就必須把附著系數(shù)和滑移率聯(lián)系起來。大量的實(shí)驗(yàn)證明，在汽車的制動(dòng)過程中，附著系數(shù)的大小是隨著滑移率的變化而變化。[3]圖4是附著系數(shù)與滑移率之間的關(guān)系。

圖4 附著系數(shù)與滑移率的關(guān)系

如圖4所示為在干燥路面上時(shí)附著系數(shù)與滑移率的關(guān)系。對(duì)于縱向附著系數(shù)，隨著滑移率的迅速增加，并在S=20%左右時(shí)，縱向附著系數(shù)最大，此時(shí)可以保持最大的縱向制動(dòng)力，制動(dòng)距離就會(huì)減??；如果滑移率進(jìn)一步增加，當(dāng)s=100%時(shí)，即車輪抱死時(shí)，縱向附著系數(shù)有所下降，縱向制動(dòng)力減小，制動(dòng)距離會(huì)增加，制動(dòng)效能下降。而對(duì)于橫向附著系數(shù)，S=0%時(shí)，橫向附著系數(shù)最大，此時(shí)可以獲得汽車轉(zhuǎn)向和防止橫向側(cè)滑所需要的側(cè)向附著力；然后隨著滑移率的增加，橫向附著系數(shù)逐漸下降，并在S=100%，即車輪抱死時(shí)橫向附著系數(shù)下降為零。此時(shí)車輪即將完全喪失抵抗外界側(cè)向力作用的能力。如果存在側(cè)向力干擾（如路面不平產(chǎn)生的側(cè)向力、汽車重力的側(cè)向分力、側(cè)向風(fēng)力等），汽車會(huì)失去轉(zhuǎn)向能力，并且產(chǎn)生側(cè)滑，甚至側(cè)翻。因此，車輪抱死將導(dǎo)致制動(dòng)時(shí)汽車的方向穩(wěn)定性變差。

從以上分析可知，制動(dòng)時(shí)車輪抱死，制動(dòng)效果和制動(dòng)方向的穩(wěn)定性都將迅速惡化。想要獲得最理想的制動(dòng)狀態(tài)，就必須同時(shí)兼顧橫向和縱向附著系數(shù)，不能片面的顧及一個(gè)方面。如果制動(dòng)時(shí)將車輪的滑移率控制在20%左右，此時(shí)縱向附著系數(shù)最大，可得到最好的制動(dòng)效能；同時(shí)橫向附著系數(shù)也保持較大值，使汽車也具有良好的制動(dòng)方向穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)向前輪不抱死，就能使車輛不會(huì)失去操縱轉(zhuǎn)向能力；車輪不抱死，也防止了輪胎局部磨損的不良現(xiàn)象發(fā)生。

四、結(jié)論

綜上所述，汽車在制動(dòng)過程中，為了防止車輪抱死帶來的危害，可以通過監(jiān)測和控制滑移率來實(shí)現(xiàn)。通過制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器對(duì)制動(dòng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)“保壓-減壓-增壓”過程的循環(huán)，即當(dāng)有車輪趨于抱死時(shí)，ABS進(jìn)入制動(dòng)壓力保持階段，如果車輪進(jìn)一步趨于抱死，控制制動(dòng)壓力減小，使車輪抱死狀態(tài)解除，然后再增加制動(dòng)壓力，往復(fù)循環(huán)，直到車速減小到很低或者制動(dòng)主缸的壓力不再使車輪趨于抱死為止。

[1]柯愈志.現(xiàn)代汽車防抱死（ABS）技術(shù)[M].成都:四川科技術(shù)出版社,2000：3.

[2]齊志鵬.汽車制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理與檢修[M].北京.人民郵電出版社,2002.

[3]張紅偉.汽車底盤構(gòu)造與維修[M].北京.高等教育出版社,2007：6.