【正文】 時(shí)車輪受力分析 Ｍ μ — 制動(dòng)中的摩擦力矩； Ｖ F— 汽車瞬時(shí)速度； Ｆ B— 地面制動(dòng)力； Ｇ —車輪垂直載荷； Ｇ Z— 地面對(duì)車輪的反作用力； Υ車輪的滾動(dòng)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(dòng)器制動(dòng)力 由于地面制動(dòng)力是由地面提供的外力，若將汽車架離地面，地面制動(dòng)力就不存在了。圖中忽略了滾動(dòng)阻力矩和減速時(shí)的 慣性力、慣性力矩。 總之，對(duì)于在一種路面上制動(dòng)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(dòng)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(dá) ，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(shí)驗(yàn)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(shí) ,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(dòng)半徑。汽車的實(shí)際車速與車輪滾動(dòng)的圓周速度之間的差異稱為車輪的滑移率。地面對(duì)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(duì)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(duì)出現(xiàn)這些危險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)情況的簡單分析可以看出，制動(dòng)時(shí)車輪抱死導(dǎo)致汽車出現(xiàn)各種危險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)情況，實(shí)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)叫外旋轉(zhuǎn) )。 （ 1）汽車在一種路面上直線運(yùn)動(dòng)制動(dòng)車輪抱死時(shí)可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)情況如圖22 所示。因此，汽車行駛時(shí)，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(jìn)行制動(dòng)操作，必須時(shí)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(dòng)力決定制動(dòng)距離的長短，側(cè)滑摩擦力則決定了汽車制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性。所有車輪上所受地面制動(dòng)力的總和作為地面給汽車的總的地面制動(dòng)力，他是使汽車在制動(dòng)時(shí)減 速并停止的主要作用 力。 7 第二章：防抱死制動(dòng) 系統(tǒng)基本原理 制動(dòng)時(shí)汽車的運(yùn)動(dòng) 制動(dòng)時(shí)汽車受力分析 汽車在制動(dòng)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(dòng) ABS 由于資源價(jià)格和性能上的優(yōu)勢(shì) ,陶瓷材料的應(yīng)用將迅速擴(kuò)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(yàn)方法方面也有獨(dú)到見解。該實(shí)驗(yàn)室針對(duì) ABS 做了多方面的研究 ,其中 ,在 ABS 控制量、輪速信號(hào)抗干擾處理、輪速信號(hào)異點(diǎn)剔除、防抱死電磁閥動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使車輛處于穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)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(dòng)壓力，通過觀測(cè)器決定出車輛應(yīng)具有的名義運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。為改善這些，出現(xiàn)了電子制動(dòng)控制系統(tǒng)EBS (Electronics Break System)它是將氣壓傳動(dòng)改為電線傳動(dòng)，縮短了制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間。防滑控制系統(tǒng)包括兩部分 :制動(dòng)防滑與發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力控制。它不同于傳統(tǒng)的制動(dòng)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(dòng)反應(yīng)時(shí)間，維護(hù)簡單，易于改進(jìn)，為未來的車輛智能控制提供條件。 圖 11 BOSCH防抱死制動(dòng) 系統(tǒng) 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) （ 1） ABS 本身控制技術(shù)的提高現(xiàn)代制動(dòng)防抱死裝置多是電子計(jì)算機(jī)控制，這也反映了現(xiàn)代汽車制動(dòng)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(jìn)行設(shè)計(jì)，不但控制單元內(nèi)組件數(shù)目從 1000 個(gè)銳減到 140 個(gè)，而且有造價(jià)降低、可靠性大幅提升與運(yùn)算速度明顯加快的三大優(yōu)勢(shì)。 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(jì)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(jī)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(dòng)系統(tǒng)發(fā)展歷史 ABS 裝置最早應(yīng)用在飛機(jī)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?yàn)樵谕瑯泳o急制動(dòng)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(dòng)力的結(jié)果。汽車制動(dòng)時(shí)，四個(gè)輪子上的制動(dòng)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(xiǎn)的；倘若汽車的后輪先抱死，則會(huì)出現(xiàn)側(cè)滑、甩尾，甚至使汽車整個(gè)掉頭等嚴(yán)重事故。 ABS 防抱死制動(dòng)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(diǎn)好處：增加制動(dòng)穩(wěn)定性，防止方向失控、側(cè)滑和甩尾；提高制動(dòng)效率，縮短制動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)概述 ABS 的功能 汽車 ABS 在高速制動(dòng)時(shí)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(dòng)系統(tǒng)，簡稱 ABS?？傊囍苿?dòng)時(shí)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(dòng)效率下降，延長了制動(dòng)距離；輪胎過度磨損，產(chǎn)生 “ 小平面 ” ，甚至爆胎。 ABS 的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是增加了汽車制動(dòng)時(shí)候的穩(wěn)定性。 ABS 的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能縮短制動(dòng)距離。因此，裝有 ABS 具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和安全保障。目前 ABS已經(jīng)在國內(nèi)外中高級(jí)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(dòng)控制器 ” 理論，但卻無法將它實(shí)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(qǐng) “ 機(jī)動(dòng)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(dá)成協(xié)議，將 ABS 系統(tǒng)的開發(fā)計(jì)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(dòng)控制系統(tǒng) BBW (BrakeByWire)是未來制動(dòng)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(dòng)時(shí)防止車輪打滑，使車輪獲得最大限度的驅(qū)動(dòng)力，并具有行駛 穩(wěn)定性，減少輪胎磨損和發(fā)動(dòng)機(jī)的功耗，增加有效的驅(qū)動(dòng)牽引力。 （ 3）電子控制制動(dòng)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(dòng)相容性問題等。 （ 4）車輛動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)車輛動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng) VDC (Vehicle Dynamics Control)是在 ABS 的基礎(chǔ)上通過測(cè)量方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度和側(cè)向加速度對(duì)車 5 輛的運(yùn)動(dòng)狀 態(tài)進(jìn)行控制。車輛動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)處于危險(xiǎn)狀態(tài)下自動(dòng)進(jìn)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(cè)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室有宋健等多名博導(dǎo)、教授 ,有很強(qiáng)的科技實(shí)力 ,他們還配套有一批先進(jìn)的儀器設(shè)備 ,如汽車力學(xué)參數(shù)綜合試驗(yàn)臺(tái)、汽車彈射式碰撞試驗(yàn)臺(tái)及翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)、模擬人及標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)、 Kodak 高速圖像運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)、電液振動(dòng)臺(tái)、直流電力測(cè)功機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)排放分析儀、發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)開發(fā)裝置及工況模擬器、計(jì)算機(jī)工作站及 ADAMS、 IDEAS 軟件、非接觸式速度儀、噪聲測(cè)試系統(tǒng)、轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)、電動(dòng)車蓄電池試驗(yàn)臺(tái)、電機(jī)及其控制系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)等。還可以通過輪缸等效壓力函數(shù)計(jì)算防抱死制動(dòng)時(shí)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(dòng)電子式單通道、JN144FB 氣制動(dòng)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(gè)品種 ,其 ABS 產(chǎn)品已通過國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心和國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心的認(rèn)定 ,獲得國家實(shí)用新技術(shù)專利 ,并正式被列為國家火炬項(xiàng)目計(jì)劃。 重慶公路研究所研制的適用于中型汽車的氣制動(dòng) FKX ACI 型 ABS 裝置已通過國家級(jí)技術(shù)鑒定 ,但各種制動(dòng)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(qiáng)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(gè)車輪上的地面制動(dòng)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(shí)制動(dòng)或在制動(dòng)時(shí)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(jìn)方向。制動(dòng)強(qiáng)度過大，是汽車發(fā)生各種危險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)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(dòng)兩方面簡單討論一下當(dāng)車輪抱死時(shí)汽車的運(yùn)動(dòng)情況。圖 22 (b)為只有后輪抱死時(shí)，后輪的側(cè)向力接近于零，汽車仍具有方向操縱性，但會(huì)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(yùn)動(dòng)情況若在制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)，都是極其危險(xiǎn)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(dòng)力。當(dāng)制動(dòng)器產(chǎn)生的制動(dòng)系制動(dòng)力增大到一定值 (大于附著力 )時(shí) ,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(shí) ,車輪既滾動(dòng)又滑動(dòng)。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(gè)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(huì)不一樣，并且對(duì)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(dòng)初速度制動(dòng)時(shí)車輪的附著系數(shù) 滑移率關(guān)系曲線不會(huì)有太大變化。 如圖 26： 制動(dòng)時(shí)車輪受力分析 （ 1）地面制動(dòng)力 （ FB） 如圖 12 所示是汽車在良好的路面上制動(dòng)時(shí)，車輪的受力情況。 提示：地面制動(dòng)力的大小取決于制動(dòng)器制動(dòng)力的大小和輪胎與地面之間的附著力。 提示：制動(dòng)器制動(dòng)力是由制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的，并與制動(dòng)踏板力成正比。此時(shí)，制動(dòng)器的制動(dòng)力可全部轉(zhuǎn)化為地面制動(dòng)力。當(dāng)再加大制動(dòng)系壓力時(shí)，制動(dòng)器制動(dòng)力隨著制動(dòng)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(dòng)力已達(dá)到輪胎與地面的附著力值，因此地面制動(dòng)力不再隨制動(dòng)器制動(dòng)力的增加而增加。 采用防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的必要性 汽車直線行駛過程中，突然緊急制動(dòng)，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(shí)，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(dòng)，汽車喪夫了控制方向的能力，這是十分危險(xiǎn)的。最后，