汽車防抱死制動系統(tǒng)對制動距離的影響

孫建濤,劉浪,崔洋

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

近年來 ，中國汽車保有量不斷增加，但道路交通死亡人數(shù)一直在下降。汽車保有量從1995年的0.1億臺升到2012年的1.2億臺，增長了12倍；但交通事故數(shù)從27萬起降低到20萬起，降低了26%。這不僅是由于道路限速和禁止酒駕等法律規(guī)定，同時也與汽車防抱死制動系統(tǒng)ABS安裝普及率息息相關(guān)，大大提高了主動安全性。

發(fā)生事故時，被動安全系統(tǒng)通過使用諸如側(cè)面碰撞保護(hù)、安全帶預(yù)緊器和安全氣囊等系統(tǒng)來保護(hù)乘客，并減少事故的后果，而主動安全系統(tǒng)則可防止和避免事故的發(fā)生：防止發(fā)生或降低撞擊速度。

主動安全最重要的方面之一是通過優(yōu)化制動和制動距離性能來預(yù)防事故。

1 ABS對車輪滑移率的影響分析

ABS在汽車制動時，根據(jù)車輪滑移率自動調(diào)節(jié)制動器的壓力和制動力的大小，使車輪不被抱死，處于邊滾邊滑的狀態(tài)最佳，以充分利用車輪與地面的附著力。ABS具有縮短制動距離、保持制動時可轉(zhuǎn)向性、增強制動時車身穩(wěn)定性三大作用。

ABS對車輪滑移率的控制，基礎(chǔ)是對制動器制動力的控制。根據(jù)BOSCH在1978年發(fā)表的關(guān)于滑移率的基本算法以及車輪動力學(xué)，可知車輪的制動力矩取決于輪胎和地面的附著系數(shù)，而附著系數(shù)主要與輪胎的效率有關(guān)。車輪滑移率在制動情況下定義為：

λ=(v-ωR)/v

式中：λ為車輪滑移率;v為車速;ω為車輪角速度;R為輪胎滾動半徑。

當(dāng)車輪滑移率為1時，車輪角速度為0，處于抱死純滑動狀態(tài);當(dāng)車輪滑移率為0時，車輪處于純滾動狀態(tài)[2]。根據(jù)車輪滑移率與路面附著系數(shù)的關(guān)系，當(dāng)車輪滑移率在一定范圍內(nèi)，能達(dá)到輪胎附著系數(shù)的最大值，即車輛能達(dá)到最大的制動減速度。

1.1 車輪附著系數(shù)與滑移率占比關(guān)系

最佳的制動距離通過輪胎達(dá)到最大的路面附著系數(shù)來實現(xiàn)。 除絕對制動距離外，滑動直方圖是可以評估ABS控制器控制質(zhì)量的一種方法。 圖1顯示了在干瀝青路面以0～100 km/h的制動作用下，通過穩(wěn)定的ABS控制在10～80 km/h的主減速階段中車輪滑移率的變化，通過測試得到輪胎滑移率和附著系數(shù)曲線，并對各滑移率占比進(jìn)行統(tǒng)計。

圖1 車輪附著系數(shù)與滑移率占比的變化曲線

由圖可知，在最大可傳遞縱向力的范圍內(nèi)，滑移率占比越多，ABS控制器在制動過程中對輪胎潛力的利用就越好，而ABS的質(zhì)量就越好，同等條件下，能得到最優(yōu)的制動距離。

1.2 不同路面的車輪滑移率與附著系數(shù)關(guān)系

當(dāng)駕駛員開始制動時，隨著制動力矩增加，制動器力矩也隨著增加，車輪角速度開始下降，車輪滑移率也開始上升，由圖2的輪胎特性可以看出：隨著滑移率的上升，附著系數(shù)也開始上升[3]。在達(dá)到最大峰值附著系數(shù)以前，車輪處于穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)，這時制動器制動力與地面附著力達(dá)到平衡，制動器制動力與地面的附著力成正比。

圖2 不同路面的車輪滑移率與附著系數(shù)關(guān)系

1.3 車輪橫向和縱向附著系數(shù)關(guān)系

在比較濕滑的路面上全力制動時，制動器制動力則要超過地面最大附著力，這時，如果制動器制動力不能及時減小時，車輪則完全處于輪胎特性曲線的不穩(wěn)定區(qū)域，車輪會很快抱死。在高速濕滑路面上制動抱死時，路面附著系數(shù)會大大小于峰值處的附著系數(shù)，這樣車輪制動力大大減小。而在轉(zhuǎn)彎情況下，抱死車輪會使輪胎橫向力迅速減小，如圖3所示，這樣車輪的穩(wěn)定性很容易喪失。

圖3 車輪縱向和橫向附著系數(shù)關(guān)系

2 ABS控制原理

ABS的主要任務(wù)是確保輪胎在最佳滑移范圍內(nèi)以最大的縱向制動力傳遞，以確保ABS制動距離性能，以及可以在各種輪胎以及具有不同摩擦因數(shù)表面上的最佳滑移范圍內(nèi)實現(xiàn)車輪的穩(wěn)健調(diào)節(jié)[4]，從而可以在最佳附著力附近敏感地調(diào)節(jié)車輪打滑。ABS控制器不僅需要保證在均勻的路面條件下實現(xiàn)最佳的制動距離，還應(yīng)在不同條件變化的情況下，保證最短的制動距離，需要考慮的路面變化和路面狀況包括：凸起和凹坑，路面不平整，礫石，摩擦因數(shù)的變化以及車輪兩側(cè)的不同摩擦因數(shù)。 車輛造成的影響包括：例如改變制動摩擦因數(shù)，輪胎的溫度特性，車輛的負(fù)載狀況，駕駛員對制動系統(tǒng)的不同應(yīng)用(起始坡度、作用力)，ABS控制器可以滿足車重在一定范圍的變化，并能很好地適應(yīng)制動系統(tǒng)的要求。此外，ABS控制邏輯還包括確保轉(zhuǎn)彎時在穩(wěn)定性和減速之間取得最佳平衡的功能。

圖4顯示了ABS控制器的減速原理，控制器可以在不同的摩擦因數(shù)下利用各種輪胎的最佳附著力。

圖4 ABS控制器減速原理

ABS觸發(fā)后，后繼的ABS循環(huán)，在開始的增壓階段要有較小的增壓速率，因為這時車輪處于輪胎特性的穩(wěn)定區(qū)域，有較大的縱向力和橫向力，要盡量使該運動保持久些，增壓速度應(yīng)減小，但太小的增壓速率將會導(dǎo)致過長時間的增壓，使車輪處于較小的路面附著系數(shù)，導(dǎo)致制動距離增加，所以應(yīng)有一個適當(dāng)?shù)脑鰤核俣?。?dāng)車輪由保壓變換為增壓時，第一次增壓要有適當(dāng)?shù)拇笮?，這樣做可以使系統(tǒng)很快達(dá)到最佳附著系數(shù)90%左右。

如果在開始制動后，車輛的俯仰和制動扭矩的建立相互精確地協(xié)調(diào)，則可以通過將地面附著力逐漸增加到車輪的摩擦力，從而使輪胎的附著系數(shù)在最佳范圍內(nèi)長時間調(diào)節(jié)，車輪在附著系數(shù)的穩(wěn)定范圍內(nèi)長時間運動。 如果輪胎能夠在接近制動后盡可能地長時間保持在附著系數(shù)的穩(wěn)定范圍內(nèi)運動，那么通過精細(xì)的ABS標(biāo)定可以獲得最佳的制動距離，而無需考慮不斷變化的車輛影響和環(huán)境條件。然而，這種變化通常很難控制，無法在變化的條件下保證最佳的制動距離，比如在制動過程中，對于車輪俯仰過程中的制動力損失，會導(dǎo)致ABS控制難度加大，進(jìn)而降低ABS的控制效率，給駕駛員產(chǎn)生的主觀感覺，即車輛的制動器被松開。

為了獲得在各路面的最佳制動距離，需要充分利用輪胎附著系數(shù)特性。除有足夠的制動器制動力獲得足夠的制動力矩外，ABS對輪胎滑移率的控制至關(guān)重要，為獲得最佳的制動距離，一般車輪滑移率控制在10%～20%之間。

有了ABS的電子控制，駕駛員不用擔(dān)心車輪的抱死狀態(tài)，所需要做的就是保持踩踏制動踏板，提供足夠的制動器制動力，使車輪快速達(dá)到ABS觸發(fā)條件，讓ABS系統(tǒng)接管，以便精確控制，達(dá)到最優(yōu)的制動距離。

3 結(jié)束語

ABS作為制動系統(tǒng)重要的安全部件，自誕生以來對車輛的安全性能明顯提升，特別在縮短制動距離方面，樹立了安全的旗幟。通過配備ABS，無須駕駛員進(jìn)行控制，ABS控制器會通過精細(xì)計算，精確對每一個車輪進(jìn)行制動控制，保持每個車輪在最佳的滑移率范圍，最大限度地利用輪胎與地面的附著系數(shù)，進(jìn)而盡可能地縮短制動距離，提升車輛的安全性能。