【正文】 時車輪受力分析 Ｍ μ — 制動中的摩擦力矩； Ｖ F— 汽車瞬時速度； Ｆ B— 地面制動力； Ｇ —車輪垂直載荷； Ｇ Z— 地面對車輪的反作用力； Υ車輪的滾動半徑； Ｖ R— 車輪的圓周速度； Ｆ S— 側(cè)向力； ω — 車輪的角速度； α — 側(cè)偏角 （ 2）制動器制動力 由于地面制動力是由地面提供的外力，若將汽車架離地面，地面制動力就不存在了。圖中忽略了滾動阻力矩和減速時的 慣性力、慣性力矩。 總之，對于在一種路面上制動的汽車，車輪附著系數(shù)和滑移率之間的非線性特性是決定汽車制動性能的主要因素。一般干燥潔凈的平整水泥、瀝青路面縱向峰值附著系數(shù)高達 ，而冰雪路面的縱向峰值附著系數(shù)低至 。 圖 24 滑移率與附著系數(shù)關(guān)系 實驗證明，道路的附著系數(shù)受車輪結(jié)構(gòu)、材料，道路表面形狀、材料有關(guān)，不同性質(zhì)道路其附著系數(shù)變化很大。另外 ,隨著滑移率增大 ,橫向附著系數(shù)急劇下降 ,當(dāng)車輪抱死時 ,橫向附著系數(shù)幾乎為零。 滑移 率與附著系數(shù)的關(guān)系 圖 24 給出車輪與路面縱向附著系數(shù)和橫向附著系數(shù)隨滑移率變化的典型曲線。 r — 汽車車輪的滾動半徑。汽車的實際車速與車輪滾動的圓周速度之間的差異稱為車輪的滑移率。地面對輪胎切向反作用力的極限值稱為輪胎 道路附著力 ,大小等于地面對輪胎的法向反作用力與輪胎 道路附著系數(shù)的乘積。 從上面對出現(xiàn)這些危險運動情況的簡單分析可以看出，制動時車輪抱死導(dǎo)致汽車出現(xiàn)各種危險運動情況，實質(zhì)上是汽車因失去相應(yīng)的維持本身方向穩(wěn)定性方向操縱性的側(cè)滑摩擦力而使汽車出現(xiàn)這些運動情況，即車輪抱死導(dǎo)致汽車的側(cè)滑摩擦力為零。汽車不能保持原來的行駛方向，由于離心力和前輪轉(zhuǎn)向力的作用，汽車將一面旋轉(zhuǎn)一面沿曲線行駛 (這種運動叫外旋轉(zhuǎn) )。 （ 1）汽車在一種路面上直線運動制動車輪抱死時可能出現(xiàn)的運動情況如圖22 所示。因此，汽車行駛時，要根據(jù)冰路、雪路、砂石路、壞路、水濕路、干路、直路、彎曲路等道路條件，根據(jù)汽車速度、方向轉(zhuǎn)角等行駛條件進行制動操作，必須時常注意不能讓車輪完全抱死 。轉(zhuǎn)彎力越大，汽車的方向操縱性越好 。地面制動力決定制動距離的長短，側(cè)滑摩擦力則決定了汽車制動時的方向穩(wěn)定性。所有車輪上所受地面制動力的總和作為地面給汽車的總的地面制動力，他是使汽車在制動時減 速并停止的主要作用 力。 7 第二章：防抱死制動 系統(tǒng)基本原理 制動時汽車的運動 制動時汽車受力分析 汽車在制動的過程中主要受到地面給汽車的作用力、風(fēng)的阻力和自身重力的作用。 清華大學(xué)研制的適用于中型客車的氣制動 ABS 由于資源價格和性能上的優(yōu)勢 ,陶瓷材料的應(yīng)用將迅速擴展 。 西安博華公司主要產(chǎn)品是適用于大中型客車和貨車的氣壓四通道 ABS 和適用中型面包車的液壓三通道 ABS 及其相關(guān)零部件。另外 ,在滑移率和附著系數(shù)之間的 關(guān)系、汽車整車技術(shù)條件和試驗方法方面也有獨到見解。該實驗室針對 ABS 做了多方面的研究 ,其中 ,在 ABS 控制量、輪速信號抗干擾處理、輪速信號異點剔除、防抱死電磁閥動作響應(yīng)研究等方面的研究處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。 國內(nèi) ABS 系統(tǒng)研究的理論狀態(tài)和具有代表的 ABS 產(chǎn)品公司 我國 ABS 的研究開始于 80 年代初。其主要作用就是通過控制車輛的橫向運動狀態(tài)，使車輛處于穩(wěn)定的運動狀態(tài)，使人能夠更容易地操縱車輛。 VDC 系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)向角、油門、制動壓力，通過觀測器決定出車輛應(yīng)具有的名義運動狀態(tài)。為改善這些，出現(xiàn)了電子制動控制系統(tǒng)EBS (Electronics Break System)它是將氣壓傳動改為電線傳動，縮短了制動響應(yīng)時間。防滑控制系統(tǒng)包括兩部分 :制動防滑與發(fā)動機牽引力控制。它不同于傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)，其傳遞的是電， 而不是液壓油或壓縮空氣，可以省略許多管路和傳感器，縮短制動反應(yīng)時間，維護簡單，易于改進，為未來的車輛智能控制提供條件。 圖 11 BOSCH防抱死制動 系統(tǒng) 防抱死制動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 （ 1） ABS 本身控制技術(shù)的提高現(xiàn)代制動防抱死裝置多是電子計算機控制，這也反映了現(xiàn)代汽車制動系向電子化方向發(fā)展。所幸第二年即成長到76000 套。 “ABS 2” 在 3 年的努力后誕生！有別于 ABS 1 采用模擬式電子組件， ABS 2 系統(tǒng)完全以數(shù)字式組件進行設(shè)計，不但控制單元內(nèi)組件數(shù)目從 1000 個銳減到 140 個，而且有造價降低、可靠性大幅提升與運算速度明顯加快的三大優(yōu)勢。 1964 年（也是集成電路誕生的一年） Bosch 公司再度開始 ABS的研發(fā)計劃，最后有了 “ 通過電子裝置控制來防止車輪抱死是可行的 ” 結(jié)論，這是 ABS（ Antilock Braking System）名詞在歷史上第一次出現(xiàn)！世界上第一具 ABS 原型機于 1966 年出現(xiàn)，向世人證明 “ 縮短剎車距離 ” 并非不可能完成的任務(wù)。接下來的 30 年中，包括 Karl Wessel 的 “ 剎車力控制器 ” 、 Werner Mhl 的 “ 液壓剎車安全裝置 ”與 Richard Trappe 的 “ 車輪抱死防止器 ” 等嘗試都宣告失敗。 ABS防抱死制動系統(tǒng)發(fā)展歷史 ABS 裝置最早應(yīng)用在飛機和火車上，而在汽車上的應(yīng)用比較晚。 另外， ABS 使用方便，工作可靠。這是因為在同樣緊急制動的情況下，ABS 可以將滑移率（汽車華東距離與行駛的比）控制在 20%左右，即可獲得最大的縱向制動力的結(jié)果。汽車制動時，四個輪子上的制動力是不一樣的，如果汽車的前輪抱死，駕駛員就無法控制汽車的行駛方向，這是非常危險的；倘若汽車的后輪先抱死，則會出現(xiàn)側(cè)滑、甩尾，甚至使汽車整個掉頭等嚴(yán)重事故。 ABS 防抱死制動裝置就是為了防止上述缺陷的發(fā)生而研制的裝置，它有以下幾點好處：增加制動穩(wěn)定性，防止方向失控、側(cè)滑和甩尾；提高制動效率，縮短制動距離（松軟的沙石路面除外）；減少輪胎磨損，防止爆胎。 1 第一章：防抱死制動系統(tǒng)概述 ABS 的功能 汽車 ABS 在高速制動時用來防止車輪抱死， ABS 是英文 Antilock Brake Syetem 的縮寫，全文的意思是防抱死制動系統(tǒng)，簡稱 ABS?？傊囍苿訒r車輪如果抱死將產(chǎn)生以下不良影響：方向失去控制，出現(xiàn)側(cè)滑、甩尾，甚至翻車；制動效率下降，延長了制動距離；輪胎過度磨損，產(chǎn)生 “ 小平面 ” ，甚至爆胎。 ABS 的第一個優(yōu)點是增加了汽車制動時候的穩(wěn)定性。 ABS 的第二個優(yōu)點是能縮短制動距離。因此，裝有 ABS 具有一定的經(jīng)濟效益和安全保障。目前 ABS已經(jīng)在國內(nèi)外中高級轎和客車上得到了廣泛使用。 1908 年英國工程師 J. E. Francis 提出了 “ 鐵路車輛車輪抱死滑動控制器 ” 理論，但卻無法將它實用化。 精于汽車電子系統(tǒng)的德國公司 Bosch（博世）研發(fā) ABS 系統(tǒng)的起源要追溯到 1936 年，當(dāng)年 Bosch 申請 “ 機動車輛防止剎車抱死裝置 ” 的專利。 1973 年 Bosch 公司購得 50％的 Teldix GmbH 公司股權(quán)及 ABS 領(lǐng)域的研發(fā)成果， 1975 年 AEG、 Teldix 與 Bosch 達成協(xié)議，將 ABS 系統(tǒng)的開發(fā)計劃完全委托Bosch 公司整合執(zhí)行。從 1978到 1980 年底， Bosch 公司總共才售出 24000 套 ABS 系統(tǒng)。到了 1985 年代中期，全球新出廠車輛安裝 ABS 系統(tǒng)的比例首次超過 1％，通用車廠也決定把 ABS 列為旗下主力雪佛蘭車系的標(biāo)準(zhǔn)配備。 全電制動控制系統(tǒng) BBW (BrakeByWire)是未來制動控制系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。 （ 2）防滑控制系統(tǒng)防滑控制系統(tǒng) ASR (Acceleration Slip Regulation)或稱為牽引力控制系統(tǒng) TCS(Traction Control System)是驅(qū)動時防止車輪打滑，使車輪獲得最大限度的驅(qū)動力，并具有行駛 穩(wěn)定性，減少輪胎磨損和發(fā)動機的功耗，增加有效的驅(qū)動牽引力。 （ 3）電子控制制動系統(tǒng)由于 ass 在功能方面存在許多缺陷，如氣壓系統(tǒng)的滯后，主車與接車制動相容性問題等。 （ 4）車輛動力學(xué)控制系統(tǒng)車輛動力學(xué)控制系統(tǒng) VDC (Vehicle Dynamics Control)是在 ABS 的基礎(chǔ)上通過測量方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度和側(cè)向加速度對車 5 輛的運動狀 態(tài)進行控制。車輛動力學(xué)控制系統(tǒng)目的是改善車輛操縱的穩(wěn)定性，它可以在車輛運動狀態(tài)處于危險狀態(tài)下自動進行控制。目前 多使用 CAN 控制器局域網(wǎng)絡(luò) (Controller Area Network)用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室有宋健等多名博導(dǎo)、教授 ,有很強的科技實力 ,他們還配套有一批先進的儀器設(shè)備 ,如汽車力學(xué)參數(shù)綜合試驗臺、汽車彈射式碰撞試驗臺及翻轉(zhuǎn)試驗臺、模擬人及標(biāo)定試驗臺、 Kodak 高速圖像運動分析系統(tǒng)、電液振動臺、直流電力測功機、發(fā)動機排放分析儀、發(fā)動機電控系統(tǒng)開發(fā)裝置及工況模擬器、計算機工作站及 ADAMS、 IDEAS 軟件、非接觸式速度儀、噪聲測試系統(tǒng)、轉(zhuǎn)鼓試驗臺、電動車蓄電池試驗臺、電機及其控制系統(tǒng)試驗臺等。還可以通過輪缸等效壓力函數(shù)計算防抱死制動時的滑移率。 重慶聚能公司產(chǎn)品包括汽車、摩托車系列 JN111FB 氣制動電子式單通道、JN144FB 氣制動電子式四通道和 JN244FB 液壓電子式四通道等類型 ABS 裝置及其相關(guān)零部件 30 多個品種 ,其 ABS 產(chǎn)品已通過國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢測中心和國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢測中心的認(rèn)定 ,獲得國家實用新技術(shù)專利 ,并正式被列為國家火炬項目計劃。 重慶公路研究所研制的適用于中型汽車的氣制動 FKX ACI 型 ABS 裝置已通過國家級技術(shù)鑒定 ,但各種制動情況的適應(yīng)性還有待提高。人們所希望的既有高速鋼、硬質(zhì)合金的強度和韌性 ,又有超硬材料的硬度和耐磨性的新刀具材料也完全有可能出現(xiàn)。其中 Fx 為地面作用在每個車輪上的地面制動力，他的大小決定于路面的縱向附著系數(shù)和車輪所受的載荷。若汽車在轉(zhuǎn)彎時制動或在制動時轉(zhuǎn)彎，也將產(chǎn)生側(cè)滑摩擦力使汽車能夠轉(zhuǎn)向，如圖 21 (b)所示。側(cè)向力和汽車的方向穩(wěn)定性有關(guān)，它保證了汽車的行進方向。制動強度過大，是汽車發(fā)生各種危險運動狀況的主要原因。下面從汽車在一種路面上直線和轉(zhuǎn)彎制動兩方面簡單討論一下當(dāng)車輪抱死時汽車的運動情況。圖 22 (b)為只有后輪抱死時，后輪的側(cè)向力接近于零，汽車仍具有方向操縱性，但會因后輪抱死而失去方向穩(wěn)定性使汽車側(cè)滑。所有這些運動情況若在制動時出現(xiàn)，都是極其危險的。另一種阻力是輪胎與道路表面之間產(chǎn)生的摩擦阻力 ,也稱為地面 制動力。當(dāng)制動器產(chǎn)生的制動系制動力增大到一定值 (大于附著力 )時 ,汽車輪胎將在地面上出現(xiàn)滑移。 ω — 汽車車輪的角速度 。當(dāng) 0 S 100 %時 ,車輪既滾動又滑動。當(dāng)滑移率繼續(xù)增大 ,縱向附著系數(shù)持續(xù)下降 ,直到車輪抱死 ( S = 100 %) ,縱向附著系數(shù)降到一個較低值。 ABS 即是基于這一原理而研制的?；坡屎涂v向附著系數(shù)之間的關(guān)系曲線隨路面類型的不同，出現(xiàn)峰值的滑移率的取值也會不一樣，并且對應(yīng)不同路面 類型的滑移率 縱向附著系數(shù)曲線在峰值附著系數(shù)后曲線下降的速度也不相同，在干燥的路面上下降的快些，在濕滑的路面上略微有些下降。 但在同一路面上以不同制動初速度制動時車輪的附著系數(shù) 滑移率關(guān)系曲線不會有太大變化。 如圖 26： 制動時車輪受力分析 （ 1）地面制動力 （ FB） 如圖 12 所示是汽車在良好的路面上制動時，車輪的受力情況。 提示：地面制動力的大小取決于制動器制動力的大小和輪胎與地面之間的附著力。 提示：制動器制動力是由制動器的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的，并與制動踏板力成正比。此時，制動器的制動力可全部轉(zhuǎn)化為地面制動力。當(dāng)再加大制動系壓力時，制動器制動力隨著制動器摩擦力矩的增長仍 14 按直線關(guān)系繼續(xù)上升，但是，地面制動力已達到輪胎與地面的附著力值，因此地面制動力不再隨制動器制動力的增加而增加。 采用防抱死制動系統(tǒng)的必要性 汽車直線行駛過程中，突然緊急制動，汽車車輪一下子抱死，汽車仍然向前行滑，輪胎和地面之間發(fā)出嚇人的磨擦聲，汽車最后終于停了下來。當(dāng)輪胎的滑移率在 8%~25%時，輪胎和她面的摩擦力 (附著力 )最大。由于車輪抱死，汽車的側(cè)向附著力變成了零，汽車輪胎出現(xiàn)側(cè)向滑動，汽車喪夫了控制方向的能力，這是十分危險的。最后，