汽車理論第四章汽車的制動性

1、汽車行駛時能在短距離內停車且維持行駛方向穩(wěn)定性和在下長坡時能維持一定車速的能力，稱為汽車的制動性。汽車的制動性主要由以下三方面來評價：1）制動效能良好路面上，汽車以一定初速度制動到停車的制動距離或制動時汽車的減速度。2）制動效能的恒定性汽車高速行駛或下長坡連續(xù)制動時，制動效能的保持程度，也稱抗熱衰退性能。涉水行駛后，制動器存在水衰退問題。3）制動時汽車的方向穩(wěn)定性制動時汽車不發(fā)生跑偏、側滑以及失去轉向能力的性能。一、制動器制動力在輪胎周緣為了克服制動器摩擦力矩所需的力稱為制動器制動力。TFr二、地面制動力（忽略滾動阻力時）地面制動力是使汽車制動而減速行駛的外力，它取決于兩個摩擦副的摩擦力：一個

2、是制動器內制動摩擦片與制動鼓或制動盤之間的摩擦力，一個是輪胎與地面間的摩擦力。1uZxzZdFJFFFrdtFFFjdTJdt制動過程中地面制動力、制動器制動力及附著力之間的關系制動時的整車受力圖四、硬路面上的附著系數(shù)下圖是汽車制動過程中逐漸增大踏板力時輪胎留在地面上的印痕。印痕基本上可分三段：第一段內，印痕的形狀與輪胎胎面花紋基本上一致，車輪還接近于單純的滾動，可以認為第二段內，輪胎花紋的印痕可以辨別出來，但花紋逐漸模糊，輪胎不只是單純滾，胎面與地面發(fā)生一定程度的相對滑動，即車輪處于邊滾邊滑的狀態(tài)0WrWur0WrWur隨著制動強度的增加，滑動成分的比例越來越大第三段形成一條粗黑的印痕，看不

3、出花紋的印痕，車輪被制動器抱住，在路面上作完全的拖滑0WrWur0W可以用滑動率 s 來說明這個過程中滑動成分的多少?；瑒勇实亩x是0100%WrWWursu輪胎從純滾動到邊滾邊滑，再到最終完全滑動而不滾動，是一個變化的過程。在這個過程中，其縱向力特性和側向力特性發(fā)生了明顯的變化幾個重要的參數(shù)制動力系數(shù)b定義：地面制動力與垂直載荷之比。峰值附著系數(shù)p定義：制動力系數(shù)的最大值。滑動附著系數(shù)s定義：s = 100%的制動力系數(shù)。側向力系數(shù)l定義：側向力與垂直載荷之比。7.75-14斜交輪胎，干瀝青路面，車速64.4km/h松礫石路面，車速64.4km/h光滑的冰路面，車速32.2km/h滑動率s（

4、%）各種路面上的bs曲線滑動率s（%）車速對制動力系數(shù)的影響瀝青路面10.0020F5km/h1632486488附著系數(shù)的數(shù)值主要決定于道路的材料、路面的狀況與輪胎結構、胎面花紋、材料以及汽車運動的速度。bb裝用防抱死裝置后，滑移率保持在20左右，與不裝用防抱裝置相比，側向力系數(shù)下降不大，因此大大改善了制動過程中的方向穩(wěn)定性。這是裝用防抱裝置的最主要的目的。至于能否減少制動距離，則不一定。防抱裝置起作用，制動器反復制動、放松，制動器放松時，制動力會減少，使平均制動力下降，如果制動力系數(shù)曲線隨滑移率的增加變化很緩慢，防抱裝置反而會使制動距離變長。如果制動力系數(shù)曲線隨滑移率的增加變化很劇烈，則防

5、抱裝置會縮短制動距離。汽車制動時可能遇到兩種側向力很小的危險情況：1）剛開始下雨，路面上只有少量的雨水時，雨水與路面上的塵土、油污相混合，形成粘度很高的水液，滾動的輪胎無法排擠出胎面與路面間的水液膜。由于水液膜的潤滑作用，附著性能將大為降低，平滑的路面有時會同冰雪路面一樣滑溜。2）高速行駛的汽車經(jīng)過有積水層的路面出現(xiàn)了滑水（Hydroplaning）現(xiàn)象。中輪胎胎面的前部將越過楔形水膜滾動。車速提高后，高速滾動的輪胎迅速排擠水層，由于水的慣性，接觸區(qū)的前部水中產(chǎn)生動壓力，其值與車速的平方成正比。壓力使胎面與地面分開，即隨著車速的增加，A區(qū)水膜在接觸區(qū)中向后擴展，B、C區(qū)相對縮??；在某一車速下，

6、在胎面下的動水壓力的升力等于垂直載荷時，輪胎將完全漂浮在水膜上面而與路面毫不接觸，B、C區(qū)不復存在。這就是滑水現(xiàn)象。輪胎低速滾動時，由于水的粘性，接觸面前部的水需要一定時間才能擠出，所以接觸面估算滑水車速的公式：pi輪胎充氣氣壓（kPa）滑水車速與路面結構、水層厚度、水液粘度和密度、輪胎充氣壓力、垂直載荷、花紋形式及輪胎磨損程度有關。6.34hiup汽車的制動效能是指汽車迅速降低車速直到停車的能力。評定制動效能的指標是制動距離s和制動減速度ab。一、制動距離與制動減速度制動距離：汽車速度為u0時，從駕駛員開始操縱制動控制裝置（制動踏板）到汽車完全停住為止所駛過的距離。制動距離與制動踏板力、路面

7、附著條件、車輛載荷、發(fā)動機是否接合等許多因素有關。一般制動距離是在冷試驗條件下測得的。制動減速度是制動時車速對時間的導數(shù)。不管前后車輪工作狀態(tài)是否一致，在不同路面上，根據(jù)定義，最終前后車輪抱死時，地面制動力為XbsFG如果前、后車輪的工作狀態(tài)不一致，就不能用xFG12xxFFF2111222112xZxxZJduFFFFrdtJduFFFrdt一個統(tǒng)一的公式來表示整個制動過程，而只能用：來表示。如果前輪先抱死，則有：直到后輪也抱死后，才能按附著力來計算后輪的制動力：222xxFF嚴格地講，因為前后輪不同步，因此，在完全抱死之前，前后輪的附著系數(shù)1、2 也不一定相同，因此精確地講，整車制動仍不能

8、表示成：xFG只有前后車輪同時開始抱死，并且制動過程是一致的，才有：xFG采用防抱裝置時，地面制動力最大可保持在xpFG左右。評價方法我國行業(yè)：平均制動減速度歐洲及GB7258：充分發(fā)出的平均減速度21211( )ttaa t dttt22()25.92()beebuuMFDDss式中：ub0.8u0的車速（km/h）；u0 起始制動車速（km/h） ；ue 0.1u0的車速（km/h） ；sb u0到ub車輛經(jīng)過的距離（m）；se u0到ue車輛經(jīng)過的距離（m）。二、制動距離的分析駕駛員反應時間制動器作用時間持續(xù)制動時間制動釋放時間11122234一般所指制動距離是開始踩著制動踏板到完全停車

9、的距離。它包括制動器起作用和持續(xù)制動兩個階段中汽車駛過的距離s2和s3。設前后車輪同步抱死：202max2202021212besudukdakuukuuk 20203022202max2121()2001616bdsukddsukdssuksua 而時,時的距離為因此，在2時間內的制動距離為在持續(xù)制動階段，汽車以abmzx作勻減速運動，其初速度為ue，末速度為零，故代入ue值得：22220202max216bsssuua23max2ebusa22002max23max228bbuuasa總制動距離為因為 很小，可略去 項，車速單位取km/h，則2220max22320max()2224bbu

10、asssua22max224ba22020max1()3.6225.92aabusua從上式可以看出，決定汽車制動距離的主要因素是：制動器起作用的時間、最大制動減速度即附著力（或最大制動器制動力）以及起始制動車速。附著力（或最大制動器制動力）越大、起始制動車速越低，制動距離越短。三、制動效能恒定性汽車在繁重的工作條件下制動時（例如在下長坡時，制動器就要較長時間連續(xù)地進行較大強度的制動），制動器溫度常在300以上，有時高達600700。高速制動時，制動器溫度也會很快上升。制動器溫度上升后，摩擦力矩常會有顯著下降，這種現(xiàn)象稱為制動器的熱衰退。制動效能的恒定性主要是指抗熱衰退性能。制動器抗熱衰退性能

11、一般用一系列連續(xù)制動時制動效能的保持程度來衡量。國家行業(yè)標準ZBT24007-89要求以一定車速連續(xù)制動15次，每次的制動強度為3ms-2，最后的制動效能應不低于規(guī)定的冷試驗制動效能（5.8ms-2）的60%（在踏板力相同的條件下）。抗熱衰退性能與制動器摩擦副材料及制動器的結構有關。常用制動效能因數(shù)（單位制動輪缸推力Fpu所產(chǎn)生的制動器摩擦力F）與摩擦因數(shù)的關系曲線來說明各種類型制動器的效能及其穩(wěn)定程度。雙向自動增力蹄制動器雙領蹄制動器領、從蹄制動器雙從蹄制動器盤式制動器制動效能因數(shù)曲線幾個基本概念：跑偏：制動時汽車自動向左或向右偏駛。側滑：制動時汽車的某一軸或兩軸橫向移動。失去轉向能力：彎道

12、制動時汽車不再按原來的彎道行駛而沿彎道的切線方向駛出；直線行駛制動時，雖然轉動轉向盤，但汽車仍按直線方向行駛的現(xiàn)象。a)b)制動時汽車跑偏的情形a）制動跑偏時輪胎在地面上留下的印跡b）制動跑偏引起后軸輕微側滑時輪胎留在地面上的印跡制動跑偏時的受力圖一、汽車的制動跑偏制動時汽車跑偏的原因有兩個：1）汽車左、右車輪，特別是前軸左、右車輪（轉向輪）制動器的制動力不相等。2）制動時懸架導向桿系與轉向系拉桿在運動學上的不協(xié)調（互相干涉）。二、制動時后軸側滑與前軸轉向能力的喪失制動時發(fā)生側滑，特別是后軸側滑，將引起汽車劇烈的回轉運動，嚴重時可使汽車調頭。由試驗與理論分析得知，制動時若后軸車輪比前軸車輪先抱

13、死拖滑，就可能發(fā)生后軸側滑。若能使前、后軸車輪同時抱死或前軸車輪先抱死，后軸車輪再抱死或不抱死，則能防止后軸側滑。但前軸車輪抱死后將失去轉向能力。汽車側滑時的運動情況a）前軸側滑 b）后軸側滑本節(jié)的幾個重要問題：1：理想的制動器制動力曲線2：具有固定比值的制動器制動力曲線3：地面制動力線4：同步附著系數(shù)5：制動過程分析 6：制動效率 7：前后制動器制動力的分配原則制動過程中，可能出現(xiàn)如下三種情況：1：前輪先抱死拖滑，然后后輪抱死2：后輪先抱死拖滑，然后前輪抱死3：前、后輪同時抱死拖滑其中，1是穩(wěn)定情況；2是不穩(wěn)定情況；3可避免側滑，同時只有在最大制動強度時才會失去轉向能力，同時附著條件利用較好

14、。所以，前、后制動器制動力分配的比例將影響汽車制動時的方向穩(wěn)定性和附著條件利用程度，是設計汽車制動系統(tǒng)必須妥善處理的問題。一、地面對前、后車輪的反作用力圖中忽略了汽車的滾動阻力偶矩、空氣阻力以及旋轉質量減速時產(chǎn)生的慣性力偶矩。下面的分析中還忽略制動時車輪邊滾邊滑的過程，附著系數(shù)只取一個定值0。對后輪接地點取力矩得對前輪接地點取力矩得令 ，z稱為制動強度，則地面法向反作用力為1zgduF LGbmhdt2zgduF LGamhdtduzgdt12()/()/zgzgFG bzhLFG azhL若在不同附著系數(shù)的路面上制動，前、后輪都抱死（不論是同時抱死或分別先后抱死），最終地面制動力均為附著力，

15、即 FXb = F= G，或 du / dt = g此時制動強度 z 等于。二、理想的前、后制動器制動力分配理想：前、后制動器同時抱死理想的條件：前、后制動器制動力之和等 于整車的附著力，且前、后制動器制動力分別等于各自的附著力。理想條件的數(shù)學描述：121122zzFFGFFFF1212ggFFGFbhFah理想的前、后制動器制動力分配消去變量，得22114122gggh LGGbFbFFhGh三、具有固定比值的前、后制動器制動力與同步附著系數(shù)不少兩軸汽車的前、后制動器制動力之比是一固定值。通常用前制動器制動力與汽車總制動器制動力之比來表明分配的比例，稱為制動器制動力分配系數(shù)。即1121221

16、:,11tanFFFFFFFFFFF 因為:故上式為一條直線。這條直線稱為實際前、后制動器制動力分配線，簡稱 線。00.768( 滿載 )線()I曲線 空載I曲線 滿載一貨車的 線與 I 曲線我們稱線與I 曲線交點處的附著系數(shù)為同步附著系數(shù)，所對應的減速度稱為臨界減速度。同步附著系數(shù)是由汽車結構參數(shù)決定的、反映汽車制動性能的一個參數(shù)。同步附著系數(shù)的意義：說明前、后制動器制動力為固定比值的汽車，只有在一種附著系數(shù)，即同步附著系數(shù)路面上制動時才能使前、后車輪同時抱死。也可用分析法求得同步附著系數(shù)。設汽車在同步附著系數(shù)路面上制動，此時前、后車輪同時抱死，則0001gggbhahLbh經(jīng)整理得四、前、

17、后制動器制動力具有固定比值的汽車地面制動力f 線組后輪沒有抱死，前輪抱死時在各種 值路面的前、后地面制動力關系曲線；前輪抱死時111212121XbgXbZXbXbXbXbXbXbggXbXbggF hGbFFLLFFFGbFFFhLLLhGbFFhh 由于故整理得r 線組前輪沒有抱死，后輪抱死時在各種 值路面的前、后地面制動力關系曲線。當后輪抱死時這就是在不同值路面上只有后輪抱死時的前、后地面制動力的關系式。221221,XbgXbZXbXbXbgXbXbggF hGaFFLLFFFhGaFFLhLh代入並經(jīng)整理 得r線組 f線組f 線組與 r 線組不同 值路面上汽車制動過程的分析5 制動過

18、程分析00 . 4 1）當 0時，設0.8，開始制動時，前、后車輪均未抱死，前、后輪地面制動力和制動器制動力一樣均按線增長。當線與0.8的r線相交時，地面制動力FXb1、FXb2符合后輪先抱死的狀況，后輪開始抱死，此時的制動減速度為0.735g。從B點以后，再增加踏板力， FXb1、FXb2將沿0.8的r線變化。但繼續(xù)制動時，后輪法向反作用力有所減少，因而后輪地面制動力沿r線稍有下降。但前輪未抱死，當沿F1、F2沿線增長時，始終有FXb1F1 。當?shù)紹點時，r線與I曲線相交，達到前輪抱死的地面制動力，前后輪均抱死，汽車獲得的減速度為0.8g。3）當 0時，制動時汽車的前、后輪將同時抱死，此時的

19、減速度為0g，也是一種穩(wěn)定工況，但也失去轉向能力。五、路面附著系數(shù)與制動效率汽車以一定減速度制動時，除去制動強度z=0以外，不發(fā)生車輪抱死所要求的（最小）路面附著系數(shù)總大于其制動強度。路面附著系數(shù)如前所述為：XbiiZiFF通常以附著系數(shù)與制動強度的關系曲線來描述汽車制動力分配的合理性。最理想的情況是附著系數(shù)總是等于制動強度。設汽車前輪剛要抱死或前、后輪同時剛要抱死時產(chǎn)生的減速度為du / dt = zg，則111111ZbZgXbfZgG duFFGzg dtGFbzhLFzFbzhL而故后軸剛抱死時：通常還用制動效率的概念來描述地面附著條件的利用程度，并說明實際制動力分配的合理性。制動效率

20、定義為車輪不抱死的最大制動減速度與車輪和地面間摩擦因數(shù)的比值。22221111ZbZgXbrZgG duFGzg dtGFazhLzFFazhL而故前軸的制動效率為（f 0路面上）00/1/11/11/rrrgggggrrgza LEhLLLaaLLbhhhhLEhL 六、對前、后制動器制動力分配的要求固定前、后制動力比值的制動器的缺陷：1）有可能失去方向；2）有可能后軸側滑；3）制動效率低；4）當載質量發(fā)生變化時，前后分配關系不能改變，從而有可能完全改變制動特性。對策：1）對具有固定的前、后制動器制動力比值的制動器：根據(jù)路面條件合理選擇同步附著系數(shù)0。山區(qū)用車，彎道多，車速不可能太高，方向更

21、為重要，同步附著系數(shù)0要適當小一些，以減少前輪抱死的概率。良好路面上用的車，車速高，容易發(fā)生側滑，同步附著系數(shù)0要適當選大一些，以減少后輪先抱死的可能性。2）前后制動器制動力分配比例可變。3）制動防抱死裝置。第四章要點1）制動性能指標2）基本概念：滑移率s，制動力系數(shù)b，峰值附著系數(shù)p ，側向力系數(shù)l ，I曲線，曲線，f線，r線，同步附著系數(shù)0，側滑，跑偏，制動強度z，制動效率Ef、Er3）制動受力分析4）制動過程分析5）制動器制動力分配原則擴展：汽車縱向力的綜合分析汽車驅動時，隨著驅動力的增大，最終傳遞到車輪的上力會達到附著力，此時地面也給予了車輪最大力，此時，車輪滑轉。與制動時相同，地面的

22、驅動力系數(shù)達到最大，側向力系數(shù)接近與0，車輪不再能承受側向力，由此會引發(fā)交通事故。與制動同樣，前輪滑轉，汽車會失去方向；后輪滑轉，汽車會側滑。l xzayzFFRusRFF驅動力系數(shù)：滑轉率：側向力系數(shù)：因此，對4輪驅動力而言，將滑轉率控制在20左右，即可得到最大的驅動力，同時又可保持較大的側向力，是4輪車最理想的驅動狀態(tài)。采用與制動力分析相同的方法進行力分析，假設車輛在平直路面上加速前后輪驅動力同時達到附著力，并且整車驅動力等于前后輪驅動力之和，就可以得到4輪驅動加速時的理想驅動力曲線。111212121xzxxxxxxd uFFG bmhLd tG bFFhLFhG bh FLLLbhFG

23、FLhLh設前輪先達到附著力：這是一個斜率為負、截距為正的直線方程。當Fx1為0時，F(xiàn)x2為Gb/h；當Fx2為0時，F(xiàn)x1為路面附著系數(shù)的函數(shù)。221212121xzxxxxxxd uFFG amhLd tG aFFhLhhFFG aLLLLhG aFFhh當后輪驅動力先達到地面附著力時這是一個斜率為正，截距為負的直線方程當Fx20時，F(xiàn)x1=Gz/h；當Fx10時， Fx2是路面附著系數(shù)的函數(shù), 且隨附著系數(shù)的增大而增大。前輪達到附著力的線與后輪達到附著力的線的相交處，為兩輪同時達附著力的理想驅動力線。在理想曲線上方，前輪地面驅動力等于發(fā)動機傳遞過來的名義驅動力，在理想線的下方，前輪達附著

24、力的線不再有實際意義。在理想線的下方，后輪地面附著力等于發(fā)動機傳過來的名義驅動力，在理想曲線上的上方，后輪地面附著力不再有物理意義。實際的驅動力線如下圖所示。在4輪驅動的汽車設計中，如果前后輪驅動力的分配在急加速時能按理想驅動力線來設計，則在任何路面下都能達到最佳的加速性能，同時如有可控的防滑裝置，就可使滑轉率總處于指定的范圍，保持良好的方向穩(wěn)定性。121112xxxtxtFGbGhLFGaGhLFFbhFFah驅動理想曲線的數(shù)學表達式為：（特別要注意：僅對急加速正確）驅動過程分析名義驅動力分配：121212111ttttttttFFFFFFFF如制動過程的分析方法同樣，可以得到如下結論：設同

25、步附著系數(shù)為0.5，當路面附著系數(shù)小于同步附著系數(shù)為0.2時，驅動初時，前后輪名義驅動力和地面驅動力一一對應，當達到A點時，后輪驅動力達到地面附著力，后輪開始滑轉，此時，盡管后輪的名義驅動力增大，但后輪的地面驅動力卻不再增大，而前輪驅動力仍隨名義驅動力的增大而增大，直到驅動力達到A點，前輪也達附著力。在這個過程中，在0-A的驅動階段，地面驅動力與名義驅動力一一對應，在A-A階段，地面驅動力按A-C線變化，名義驅動力按A-A變化。同樣的分析方法可知，當路面附著系數(shù)大于同步附著系數(shù)時，前輪先滑轉。因此改善4輪驅動加速過程的動力性和方向穩(wěn)定性的方法與制動過程的思路相同，按不同情況改變前后驅動力分配，

26、或安裝防滑裝置都可以有效地達到目的。將驅動急加速和制動曲線畫在一起則有：理想曲線隨車輛重心位置（a, b, h)而變，也隨路面附著系數(shù)而變，因此無論是防抱死還是防滑，關鍵在于能實時監(jiān)控車輛的滑轉率或滑移率，前后軸重及路面附著系數(shù)。ABS 中有關滑移率的計算1、測缸壓法（機械與液壓2001.3，p25）一般用參考車速來計算滑移率。需要測油壓、初始車速，車輪角速度和角加速度。原理如下：uref = u0 +（ du / dt）dt （1）某一輪的制動力Fb： Mdu / dt = Fb （2）Fb = MjJd / dt （3）（一般MjKp, （3）式中的不等于ur,因為有滑移因素。先由（3）算

27、出Fb，再由（2）算出du / dt，代入（1）求出uref。式中，uref為參考車速，F(xiàn)b為地面制動力，Mj為制動器制動壓力。因此，如果通過檢測油壓確定了Mj，并測出車輪轉速，將（2）、（3）代入（1）則可得知uref ，從而確定滑移率。附著系數(shù)滑移率曲線的測定華南理工大學學報（自然科學版）20019，曾建謀，吳誥同理可求得2。關于Mj和du / dt的處理見前一篇論文。111= bZjgFFdMJdtr mdub ghLdtABS路面自動識別：農業(yè)機械學報，20015，上海交大，張建武識別方法：某一輪Tb1=FZ1r + J1d / dt ，Tb：制動器制動力矩。 ：制動附著系數(shù)。事先，將

28、幾種s曲線貯存在計算機中。測試時，由上式計算出的d / dt 與實測的d / dt 相比，兩者最為接近時所對應的被確定為實際路面的 。式中Fz1 = mg（b+ hg）/ L4.3題1）計算并繪制利用附著系數(shù)曲線與制動效率曲線。1()(1)1()fgrgzbzhLzazhL空車滿載frfr0.10.0775910.1215080.1343780.0864450.20.1486870.2536510.2432740.1803390.30.2140720.3978880.3333090.2826860.40.2744060.5559590.4089920.3946820.50.3302530.7299550.4735020.5177590.60.3820960.9224110.5291420.6536480.70.430351.1364270.5776250.8044580.80.4753761.3758430.62024