防抱死制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用研究及參數(shù)設(shè)計(jì)

林 瑾

(無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214153)

防抱死系統(tǒng)(ABS)最早應(yīng)用在飛機(jī)上，后來逐步使用在汽車、摩托車上，成為了這些交通工具的主動(dòng)安全設(shè)施之一. 它的主要功能是可以有效提高各類交通工具的制動(dòng)性能，降低交通事故發(fā)生的幾率. 據(jù)“中國(guó)工業(yè)新聞網(wǎng)”報(bào)到，47%以上的摩托車事故是由于制動(dòng)不正確或不及時(shí)而造成的. 2016年，歐洲將對(duì)所有排量超過50ml的摩托車強(qiáng)制配備ABS.

1 防抱死系統(tǒng)應(yīng)用原理

駕駛?cè)藛T一般都知道，在行駛過程中剎車盡量不要一腳踩死，應(yīng)該分步剎車. 但當(dāng)遇到緊急情況的時(shí)候，人的自然反應(yīng)會(huì)對(duì)車輛進(jìn)行急剎. 急剎時(shí)，如果沒有ABS，當(dāng)制動(dòng)力超過路面最大附著力時(shí)，車輪與路面之間趨于打滑，會(huì)發(fā)生抱死的現(xiàn)象. 此時(shí)，原先的滾動(dòng)摩擦變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦，制動(dòng)力迅速下降. 同時(shí)如果前車輪抱死，會(huì)使車輛失去轉(zhuǎn)向能力，如果后車輪抱死，車輛會(huì)左右甩尾，速度快的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)調(diào)頭等易造成嚴(yán)重交通事故的現(xiàn)象.

ABS可以通過安裝在車輪或者傳動(dòng)軸上的傳感器來檢測(cè)前后車輪的轉(zhuǎn)速，并計(jì)算出車輪實(shí)時(shí)的滑移率，將之與理想的滑移率(15%～20%)比對(duì)，從而發(fā)出增大或減小制動(dòng)器制動(dòng)壓力的指令，命令執(zhí)行機(jī)構(gòu)及時(shí)調(diào)整制動(dòng)壓力，使車輪處于理想的制動(dòng)狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)抱死不轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，有效提高汽車的制動(dòng)性能和穩(wěn)定性能[1]57-58，[2]8-22.

2 機(jī)械式防抱死系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定

ABS分為機(jī)械式和電子式兩種，電子式的性能較好，但價(jià)格較貴. 因此，從經(jīng)濟(jì)性考慮，應(yīng)用于摩托車上可選擇機(jī)械式ABS(MABS). 下面對(duì)MABS的結(jié)構(gòu)特征和參數(shù)設(shè)定進(jìn)行分析研究.

2.1 結(jié)構(gòu)介紹

圖1所示節(jié)流瞬時(shí)穩(wěn)壓式ABS是我國(guó)MABS最具代表性的類型之一[3]21-31. 它的殼體由鋁合金制成，進(jìn)油通道位于頂部P1處，出油通道位于側(cè)面P2處. 殼體上方有一活塞，活塞內(nèi)部有倒F形狀孔，此孔為調(diào)節(jié)制動(dòng)力大小的關(guān)鍵. 活塞下方設(shè)置了彈簧組，起到預(yù)緊調(diào)節(jié)的作用. 當(dāng)剛開始制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)力小于彈簧預(yù)設(shè)的控制力，MABS不起作用，制動(dòng)液從進(jìn)油通道進(jìn)入殼體，從活塞下方橫向通道流至出油通道. 當(dāng)制動(dòng)力增大超過預(yù)設(shè)控制力時(shí)，活塞推動(dòng)彈簧下行，此時(shí)活塞孔與出油通道錯(cuò)位，出油通道節(jié)流，P1處壓力繼續(xù)增大，推動(dòng)彈簧繼續(xù)下行，直至活塞上方橫向通道與出油通道相通，制動(dòng)液可以流通，殼體上方輸入壓力下降. 彈簧彈力超過輸入制動(dòng)力，彈簧推動(dòng)活塞上下振蕩，MABS輸出壓力產(chǎn)生波動(dòng)，從而可達(dá)到防止制動(dòng)力過大而出現(xiàn)車輪抱死的現(xiàn)象.

為了保證制動(dòng)液不會(huì)泄露，在活塞中部設(shè)置了密封圈，它跟隨活塞做上下運(yùn)動(dòng)，與出油通道口產(chǎn)生摩擦，因此較容易損壞，甚至?xí)绊懗鲇屯ǖ赖臅惩ǎ@就造成了此類MABS在使用過程中最常見的失效形式之一.

要避免這一現(xiàn)象，可將活塞與殼體內(nèi)表面設(shè)計(jì)為緊配合，將密封圈安裝位置移至活塞下方，避免其與出油口接觸，如此設(shè)計(jì)可以有效改善以上弊端.

圖1 節(jié)流瞬時(shí)穩(wěn)壓式ABS

2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 制動(dòng)時(shí)受力分析

摩托車在水平路面上行駛的受力分析如圖2所示(忽略滾動(dòng)阻力、空氣阻力以及減速時(shí)慣性力矩等)，根據(jù)平衡方程可得[4]4-23：

圖2 摩托車水平路面上行駛時(shí)受力分析圖

G=N1+N2；F=X1+X2；X1=N1×φx

(1)-(3)

X2=N2×φx；G=N1+N2；G×L2+F×h=N1×L

(4)-(6)

(7)

(8)

式中，G——摩托車、駕駛?cè)说瓤傊亓浚籐——前后輪中心距離；L1、L2——前后車輪中心至質(zhì)心的水平距離；

N1、N2——前后車輪受到地面的法向反力；h——摩托車質(zhì)心高度；φx——車輪與地面的附著系數(shù)；

F——摩托車慣性力.

從公式(7)(8)中可見，若摩托車質(zhì)心位置不變，前輪所受法向反力大小由附著系數(shù)φx確定.φx越大，前輪法向反力越大，后輪法向反力越小.

2.2.2 制動(dòng)壓力計(jì)算

若摩托車前車輪半徑為r，其摩擦力矩大小為：M=X1×r=N1×φx×r

(9)

(10)

式中，μ——摩擦片與制動(dòng)盤間摩擦系數(shù)(可選0.35～0.4之間)；

F′——摩擦片與制動(dòng)盤間的壓緊力；r1——制動(dòng)盤有效半徑；

r2——制動(dòng)鉗活塞半徑；p——制動(dòng)器制動(dòng)壓力

車輪正常轉(zhuǎn)動(dòng)，未抱死時(shí)，M=M′

(11)

(12)

2.2.3 彈簧預(yù)緊力計(jì)算

彈簧是MABS內(nèi)部非常重要的零件，它的選擇和安裝會(huì)直接影響制動(dòng)效果.

彈簧預(yù)緊力P=p×S

(13)

式中，S——控制器閥芯有效面積

由式(12)可見，若摩托車行駛中質(zhì)心位置不變，那么影響制動(dòng)器制動(dòng)壓力的就是車輪與地面的附著系數(shù)[5]31-34. 但行駛過程中質(zhì)心會(huì)發(fā)生變化，若質(zhì)心前移，前輪受到的制動(dòng)力要增大，此時(shí)剎車會(huì)增大摩托車制動(dòng)的距離；反之，前輪受到的制動(dòng)力減小，剎車時(shí)前輪可能會(huì)抱死. 據(jù)此，在設(shè)置MABS預(yù)緊力的時(shí)候要適當(dāng)考慮摩托車質(zhì)心位置的變化，根據(jù)變化量的情況設(shè)置修正系數(shù)，對(duì)預(yù)緊力進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)更多情況.

修正后的預(yù)緊力P′=λ×p×S

(14)

式中，λ——修正系數(shù)

3 實(shí)例

選擇110cc排量的摩托車作為研究對(duì)象，其滿載在瀝青(干)路上行駛，制動(dòng)系統(tǒng)為前碟后鼓，計(jì)算摩托車前輪剎車盤最佳預(yù)緊力. 相關(guān)參數(shù)如下：G=2 250 N；L1=0.81 m；L=1.24 m；h=0.52 m；r1=0.11 m；r2=0.017 m；r=0.23 m；活塞直徑d=0.01 m；μ取值0.38；瀝青(干)路上摩托車輪胎與地面的峰值附著系數(shù)φx=0.8.

先不考慮質(zhì)心的變化情況，假定其為固定位置，根據(jù)公式(7)可以計(jì)算出：

根據(jù)公式(12)可計(jì)算出：

考慮到制動(dòng)過程中摩托車的質(zhì)心會(huì)發(fā)生變化等情況，需要給出修正系數(shù)，使MABS在使用過程中可以適應(yīng)多種情況.

為保證前輪有足夠的制動(dòng)力，一般取β理論=0.73來設(shè)計(jì)制動(dòng)系統(tǒng).

修正后的預(yù)緊力P′=λ×P=1.074×292=313.61N

根據(jù)計(jì)算結(jié)果預(yù)設(shè)彈簧預(yù)緊力為313.61N，此時(shí)車輪不抱死的最大制動(dòng)壓力為3.72 MPa. 由此結(jié)果可知，在制動(dòng)壓力小于3.72 MPa時(shí)，MABS不參與調(diào)節(jié)，剎車盤正常工作. 若制動(dòng)壓力超過了3.72 MPa，MABS開始工作，調(diào)節(jié)制動(dòng)器的制動(dòng)壓力處于3.72 MPa上下波動(dòng)，有效避免車輪出現(xiàn)抱死現(xiàn)象，確保摩托車獲得較好的制動(dòng)效果.

4 結(jié)論

將ABS應(yīng)用在摩托車領(lǐng)域可以提高駕駛中的安全系數(shù)，這是今后摩托車行業(yè)需要改進(jìn)的一個(gè)重要方面. 考慮到摩托車的生產(chǎn)成本不宜大幅度增加，優(yōu)先使用MABS對(duì)其進(jìn)行改進(jìn). 選用改良的節(jié)流瞬時(shí)穩(wěn)壓式ABS，對(duì)其主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并將此應(yīng)用在實(shí)際情況中，有效改善現(xiàn)階段普遍存在的問題.

[1] 溫金中.裝有防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)車輛的制動(dòng)性能檢測(cè)[J].山西交通科技, 2002(03).

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[4] 陳長(zhǎng)生.機(jī)械基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

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