基于不同路面下坡制動對汽車穩(wěn)定性分析

熊藜，曹明月，楊森淼，陳前彬

（重慶交通大學(xué)機電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074）

引言

汽車在下坡行駛過程中，制動性能的好壞是評價汽車安全性能的重要評價指標(biāo)。在長下坡制動過程中，有時會出現(xiàn)制動跑偏、后軸側(cè)滑或者前軸失去轉(zhuǎn)向能力致使汽車失去控制。引起這些情況的因素包括：汽車左右車輪（尤其是前軸）制動器制動力不相等、懸架導(dǎo)向桿系與轉(zhuǎn)向系拉桿相互干涉、地面制動力、輪胎側(cè)偏剛度等。在不同的地面附著系數(shù)上，引起前后車輪垂直載荷的變化從而導(dǎo)致車輪不同的抱死順序?qū)ζ嚪€(wěn)定性的影響。

1 汽車在下坡制動時的前后輪力學(xué)分析

在下坡路段，汽車的制動性能不僅受制動器所發(fā)出的的制動力與制動器所作用的時間的制約，它還受到輪胎與地面附著條件的限制。而地面制動力決定于地面附著系數(shù)與驅(qū)動輪的法向反力的作用。如圖1 所示為汽車在下坡路面上制動時的受力圖。

圖1 汽車下坡制動受力圖

圖中，G 為汽車載重重力；i 為道路坡度角；L 為車身長度，a 為質(zhì)心距前軸的距離，b 為質(zhì)心距后軸的距離；Fw 為空氣阻力；Fzw1、Fzw2為前后輪空氣升力；Fz1、Fz2為前后輪法向反力；Tjw1、Tjw2為作用在前后車輪上的慣性阻力偶矩；Tf1、Tf2為前后軸滾動阻力偶矩；Txb1、Txb2為前后車輪所受到的地面制動力。

利用力學(xué)分析，分別對前后車輪與地面接觸點中心建立力矩平衡方程式，可以得到：

2 制動跑偏的力學(xué)分析

2.1 汽車制動跑偏的原因

汽車制動跑偏的原因主要有兩個，一是汽車左右輪的制動器制動力不相等，從而導(dǎo)致汽車偏離原來的行駛方向。其二就是懸架桿系與轉(zhuǎn)向系拉桿的干涉，當(dāng)汽車在緊急制動的情況下，前軸會沿著行駛的方向向前旋轉(zhuǎn)一定的角度θ，由于球頭銷連接著縱向方向的轉(zhuǎn)向拉桿的約束作用，使得轉(zhuǎn)向節(jié)上節(jié)臂上的球頭銷不能隨著前軸轉(zhuǎn)動的角度向前移動，從而使得拉桿產(chǎn)生彈性形變，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向節(jié)臂相對于主銷向右偏轉(zhuǎn)，造成跑偏。

2.2 防范制動跑偏的基本方法

針對跑偏防范措施可以從設(shè)計上面入手，將轉(zhuǎn)向節(jié)上節(jié)臂處的球頭銷安裝位置下移，當(dāng)前鋼板彈簧旋轉(zhuǎn)相同角度時，可以減少球頭銷的位移量，同時在增強鋼板彈簧的強度的基礎(chǔ)上可以使得這種跑偏現(xiàn)象消除。

3 前后輪抱死拖滑順序?qū)?cè)滑的影響

3.1 前后輪抱死拖滑順序?qū)?cè)滑的作用

如圖2 所示，假定在方向盤不轉(zhuǎn)動的情況下，汽車突然受到一個側(cè)向力的作用使得汽車前軸發(fā)生側(cè)向滑動，此時前軸中心A 的速度與汽車縱軸產(chǎn)生一個夾角，而后軸中心B 的速度與縱軸方向一致，從而使得整車會繞著瞬時回轉(zhuǎn)中心O作瞬時回轉(zhuǎn)運動。由于前軸出現(xiàn)側(cè)滑，因此前軸的側(cè)向力幾乎為零，根據(jù)剛體平面運動微分方程，后軸側(cè)向力Fy2對整車中心的力矩Fy2b=-Izwr，使得汽車回轉(zhuǎn)運動的角速度減少，汽車恢復(fù)原來的直線行駛狀態(tài)趨于穩(wěn)定；對于汽車后輪側(cè)滑，后軸的側(cè)向力約為零，前輪側(cè)向力對質(zhì)心的矩增大了汽車的角速度，加劇后軸側(cè)滑的可能性。

圖2 左：前軸側(cè)滑運動狀況（右：后軸側(cè)滑運動狀況）

3.2 不同路面附著系數(shù)下制動過程的分析

汽車在下坡制動過程中，車輪同時抱死對汽車的穩(wěn)定性與地面附著率均是最高的，但實際制動過程中只有在一種情況下前后車輪才會出現(xiàn)同時抱死。此時地面的附著系數(shù)為同步附著系數(shù)。

圖3 以一輛BJ1041 貨車的結(jié)構(gòu)參數(shù)，作出f 與r 線組、β 線與I 曲線分析汽車在不同ψ 值路面上的制動過程。其中，I 曲線的獲得是根據(jù)前后車輪同時抱死時前后制動器制動力之和等于地面附著力，同時前后輪前后輪制動器制動力等于各自的附著力，即：

得到理想的前后制動器制動力分配曲線，同時求出的ψ0=0.716。實際路面上制動器制動力分配線是根據(jù)分配系數(shù)β獲得的一條直線。f 線組是在后輪未抱死時，前輪在各種路面上抱死時前、后地面制動力的關(guān)系曲線；r 線組則是在前輪未抱死的情況下所獲得的曲線。

圖3 不同ψ值路面上制動過程分析

圖中給出了0.1、0.2、0.3、0.8f 線組，0.2、0.8、0.9、1.0r 線組。1）當(dāng)汽車在路面附著系數(shù)ψ＜ψ0時，以ψ=0.2 為例，制動開始后，前后地面制動力與制動器制動力均隨著β線上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)A 點后，前輪達(dá)到了抱死的狀態(tài)，則前后輪地面制動力會隨著0.2f 線上升；隨著制動踏板力的增大，當(dāng)0.2f 線與I 曲線相交A1 點時，后輪達(dá)到了抱死所需要的地面制動力，此時達(dá)到最大的制動減速度0.2g，汽車始終處于穩(wěn)定工況，但前輪會失去轉(zhuǎn)向能力，對于下坡制動的汽車若前方遇到大的障礙物是不利的。2）當(dāng)?shù)孛娓街禂?shù)ψ＞ψ0時，以ψ=0.8 為例，制動開始后，前后地面制動力與制動器制動力會按照上述相同的規(guī)律變化，不同的是β 線會率先與0.8r線相交于B 點，后輪達(dá)到了抱死的狀態(tài)，此后地面制動力會隨著0.8r 線變化，直到0.8r 線與I 曲線相交于B1 點，達(dá)到前輪抱死的條件，此時最大的制動減速度為0.8g，汽車在后輪抱死后的過程中會一直處于一種危險工況下。

4 不同路面附著系數(shù)的制動效率

圖4 前后制動效率曲線

評價制動時地面制動力附著情況，根據(jù)制動效率描述地面附著條件的利用程度，其定義為不發(fā)生任何車輪抱死時的最大制動強度于地面附著系數(shù)的比值。圖4 為前后輪抱死時實際的制動效率，當(dāng)ψ=0.2，滿載時前輪制動效率為0.82，說明在不抱死的情況下制動減速度只有0.164g。

5 結(jié)語

汽車下坡制動造成汽車跑偏與側(cè)滑是發(fā)生安全事故致命的敵人，因此駕駛者只有在掌握好不同工況下出現(xiàn)側(cè)滑與跑偏的原因，才能有效作出應(yīng)對措施。