第四章-制动性新.ppt

汽车的制动性 汽车的制动性 影响汽车行驶安全 谷志杰 公路与汽运 汽车的制动性能与交通安全 汽车的制动性 评价指标 随着道路条件的改善和汽车制造水平的不断提高 汽车的平均行驶速度日趋加快 汽车在高速行驶中突然制动将产生侧滑 特别是后轴侧滑将引起汽车剧烈的回转运动 使之部分地或完全失去操纵 严重地威胁着交通安全 据有关资料统计 在潮湿路面上约有三分之一的交通事故与侧滑有关 在冰雪路面上70 80 的交通事故与侧滑有关 而根据对侧滑事故的分析发现有50 是由于制动引起的 可见 制动时产生的侧滑现象是影响交通安全的一个重要因素 因而制动时的侧滑问题愈来愈多地被人们所关注 汽车的制动性 影响汽车行驶安全 谷志杰 公路与汽运 汽车的制动性能与交通安全 汽车的制动性 影响汽车行驶安全 2005年12月4日20许 内蒙古自治区一辆装载电石的大货车 行至北京昌平区八达岭高速公路进京方向49公里处时 因制动失灵 追撞上同方向行驶的北京长途汽车有限公司大客车 翻入道路左侧约20余米的册沟后 两车及货车内拉载的电石起火 造成24人死亡 1人重伤 2人轻伤 6人轻微伤 汽车的制动性 影响汽车行驶安全 袁泉 等人 道路交通与安全 八达岭高速路恶性交通事故与超越大货车制动性研究 八达岭高速公路返京线的山区路段坡陡 弯急特别是56 51公里处 连续弯路下坡 陡坡落差可达300余米 汽车的制动性 制动标准 被标准GB12676 1999汽车制动系统结构 性能和试验方法所取代 GB12676 1999要求的制度性能是在车轮不抱死 不偏离3 7m通道 无异常振动现象 制动控制力不大于规定值的条件下得到的 允许在车速 15km h时车轮抱死 汽车的制动性 制动标准 制动性能与汽车安全性密切相关 很多关于汽车制动的标准都是强制执行的 我国的主要国家标准有 GB12676 1999汽车制动系统结构 性能和试验方法 本标准中有关汽车制动系统结构 性能方面的内容在技术上是等效采用ECE第13 06号法规 有关汽车制动系统性能试验方法方面的内容在技术上是等效采用ISO6597 1991 ISO7634 1995和ISO7635 1991标准 该三项国际标准是按照ECE第13号法规的要求制定的 GB21670 2008乘用车制动系统技术要求及试验方法 标准修改采用ECER13 H GB12676 1999 ECER13 本身对乘用车制动系统的适用性方面存在一定的局限性 取代GB12676 1999中的乘用车部分 GB7258 2010机动车运行安全技术条件 技术内容与GB12676 1999基本等效 汽车的制动性和动力性的关系 相同点 纵向动力学都是两者研究的重点不同点 1 动力性是研究向前的运动2 制动性是研究向后的减速运动3 紧急制动时 制动力往往很大 因此制动性能更多地受到路面附着条件的限制 附着条件是本章的研究重点之一 制动时车轮受力 汽车制动力的产生 制动蹄对制动鼓产生磨擦力矩T 磨擦力矩使车轮对路面产生向前的力F 同时路面给车轮一个向后的力Fxb Tu r Fxb是路面给车轮的制动力 制动力越大 汽车的减速度越大 影响制动力的因素有 磨擦力矩T 和路面附着条件 汽车制时受力与研究汽车动力性时受力的关系 汽车动力性 汽车行驶方程式 制动时 这些因素有些仍然存在 但是还存在制动力矩Tu 很多情况下Tu起主要作用 因此本课程主要研究制动力和制动力矩 并且不考虑旋转质量的影响 即 4 2制动时车轮的受力 1地面制动力 地面对车轮 轮胎 的切向作用力 2制动器制动力 在轮胎周缘为了克服制动器摩接力矩 使车轮能够转动 所需的力 3地面制动力 制动器制动力与附着力的关系 地面制动力首先取决与制动器制动力 但同时受到地面附着条件 力 的限制 它们同时大Fxb才大 制动系液压力p 踏板力Fp 不同滑动率轮胎印迹变化规律 随着制动强度的增加 车轮的滑动成分越来越大 它通常用滑动率s表示 滑移率 GB T12549一90 路面与胎面间的相对速度和行走速度的比值 制动时 路面与胎面间的相对速度与轮胎圆周速度的比值 驱动时 2010 滑移率包括此处的滑动率和第7章的滑转率 驱动时 2010 0A段没有滑动 无侧向力 纵向附着系数 各种路面平均附着系数 有侧向力时的情况 侧偏角的概念 道路的类型 路况 水 油 汽车运动速度 轮胎结构 花纹 材料 附着系数的影响因素 轮胎的磨损会降低其附着能力 增大轮胎与地面的接触面积可提高附着能力 低气压 宽断面和子午线轮胎附着系数大 路面的宏观结构应有一定的不平度而有自排水能力 路面的微观结构应是粗糙且有一定的棱角 以穿透水膜 让路面与胎面直接接触 两种危险情况 刚开始下雨 路面没有被冲刷 尘土 油 水形成粘度高的水膜 不易被轮胎挤压排出 路面的附着系数大大下降 滑水现象 Hydroplaning 路面积水多 高速行驶的汽车轮胎由于排水形成动压力 高速行驶经过积水层出现滑水现象 A水膜区B过渡区C接触区 滑水现象 Hydroplanning 对于光滑胎面 细花纹胎面等胎面无排水沟槽的轮胎以及一般花纹轮胎 当路面水层深度超过沟槽深度时 可以根据流体动力学的原理确定发生滑水现象的车速 出现滑水现象时的车速 Fh 可设动水压力的升力A 轮胎接地面积r 水密度ua 车速 出现滑水现象时 动水压力的升力分量等于作用于轮胎的垂直载荷W 即 出现滑水现象时的车速 4 3汽车制动效能及其恒定性 制动过程 充分发出的平均减速度 MFDD meanfullydevelopedbrakingdeceleration 4 3汽车制动效能及其恒定性 汽车制动效能 是指汽车迅速降低车速直至停车的能力 汽车制动效能的评价指标是制动距离s 单位m 和制动减速度ab 单位m s2 1 制动距离制动距离s 是指汽车以给定的初速u0 从踩到制动踏板至汽车停住所行驶的距离 影响因素 踏板力 或者制动系管路压力 路面附着条件车辆载荷离合器 发动机 是否结合车辆状态 制动器的冷热工况 4 3汽车制动效能及其恒定性 2 制动减速度制动减速度反映了地面制动力的大小 因此与制动器制动力 车轮滚动时 及附着力 车轮抱死拖滑时 有关 不同制动工况时的地面制动减速度 不同制动工况时的地面制动减速度 平均制动减速度 瞬时减速度曲线的形状复杂 不好用某一点的值来代表 所以我国行业标准采用平均减速度的概念 即 t1 制动压力达到75 最大压力pmax的时刻t2 到停车总时间2 3的时刻 平均制动减速度 ECER13和国家标准GB7258采用充分发出的平均减速度 MFDD meanfullydevelopedbrakingdeceleration 4 3汽车制动效能及其恒定性 制动过程 充分发出的平均减速度 MFDD meanfullydevelopedbrakingdeceleration 0 3 1s 反应驾驶员操作速度和制动系结构调整情况 0 2 0 9s 0 2 1s 反应制动系调整情况 特别是制动踏板的自由行程 还有各铰链和摩擦片之间的间隙 约0 04s 间接反应制动性能的优劣 约0 2s GB7258液压 0 35s气压 0 6s 制动协调时间急踩制动时从脚接触制动踏板时起至机动车减速度达到标准规定的75 时所需的时间 决定汽车制动距离的主要因素是 制功器起作用的时间 最大制动减速度即附着力 或最大制动器制动力 以及起始制动车速 式 4 6 是制定制动法规的依据 反应制动减速度要求5 015 发动机接合的0型试验性能要求 摘自GB12676 反应制动器起作用时间要求 3 993 式 4 6 是制定制动法规的依据 反应制动减速度要求5 758 0型试验 摘自GB21670乘用车 反应制动减速度要求6 43004 制动器作用时间对制动距离影响 轿车制动效能的统计 90年代 80年代 高速制动或下长坡制动 制动器温度迅速上升 摩擦力矩显著下降 即热衰退现象 要求汽车以规定车速连续制动15次 制动强度为3m s2 最后不低于冷试验效能的60 5 8m s2 3制动效能的恒定性 试验是在北京西北部山区高崖口选择10km长的连续下坡的长坡道上进行的 制动器的抗热衰退性能不仅受摩擦材料摩擦因数下降的影响 而且同制动器的结构形式有密切关系 3制动效能的恒定性 常采用制动效能因数与摩擦因数 系数 的关系常来说明各种类型制动器的效能及其稳定程度 制动效能因数 单位制动轮缸推力Fpu所产生的制动器摩擦力F 不是F 即 3制动效能的恒定性 双向自动增力蹄制动器 双领蹄制动器 领 从蹄制动器 双从蹄制动器 盘式制动器 3制动效能的恒定性 盘式制动器的热稳定性好涉水后 制动器中的水分会被制动盘甩出 或被摩擦块挤出和擦干 或被蒸发掉 因此 盘式制动器抗水衰退性和恢复性明显优于鼓式制动器 3制动效能的恒定性 盘式制动器的热稳定性好 3制动效能的恒定性 盘式制动器的水稳定性好 3制动效能的恒定性 由于盘式制动器直接由制动缸驱动衬片压向制动盘 省却了鼓式制动器中的制动轴 推杆及制动缸架 传力部件少 受力简单 反应灵敏 盘式制动器反应灵敏 3制动效能的恒定性 盘式制动左右轮制动力差异较小 制动时方向稳定性较好 当汽车涉水后 因水进入制动器 短时间内制动效能的降低 称为水衰退现象 3制动效能的恒定性 4 4制动时汽车的方向稳定性 汽车制动过程中维持直线行驶或按预定弯道行驶的能力为制动时汽车的方向稳定性汽车试验中 常规定一定宽度的试验通道 如1 5倍车宽或3 7m 制动时方向稳定性合格的车辆 在试验过程中不允许产生不可控制的效应使它离开这条通道 有时候也限制偏航角 车辆停止行驶时的中心线与行驶基准线所构成的夹角 4 4制动时汽车的方向稳定性 驾驶员平均每英里进行1 5次制动 其中大部分是在制动强度在中等以下 超过0 5g的概率小于0 1 制动方向失稳的表现 跑偏 制动时汽车自动向左或向右偏驶称侧滑 制动时汽车的某一轴或两轴发生横向移动前轮失去转向能力 指弯道制动时汽车不再按原来的弯道行驶而沿弯迫切线方向驶出 直线行驶制动时 虽然转动转动转向盘但汽车仍按直线方向行驶的现象 各种失稳现象是有联系的 跑偏与侧滑 严重的跑偏有时会引起后轴侧滑 易于发生侧滑的汽车也有加剧跑偏的趋势 失去转向能力与侧滑 一般如果汽车后轴不会侧滑 前轮就可能失去转向能力 后轴侧滑 前轮常仍有转向能力 相关标准要求 GB7258 2004制动减速度和制动稳定性的要求 GB12676 规定的制动性能必须在车轮不抱死 任何部位不偏离出3 7m通道宽且无异常振动的条件下获得 当车辆的车速低于15km h时 允许车轮抱死 最大控制力不得超过规定值 GB21670 应在车速大于15km h时未发生车轮抱死 车辆未偏离3 5m宽的试验通道 偏航角小于等于15 及无异常振动的情况下达到规定的性能 跑偏与跑偏引起的侧滑 我国某城市 一年内发生的250起重大事故中 由于 制动距离太长 紧急制动车辆跑偏 等原因造成的事故就近100起 约占40 因制动时汽车掉头的有16起 约占6 4 又如 我国北方某城市统计的400多起汽车引起的交通事故中 因制动距离延长 制动跑偏如侧滑所引起的事故 约占总数的15 其中由于 侧滑 引起的事故约占一半以上 制动跑偏 制动时汽车跑偏的原因有两个 1 汽车左 右车轮 特别是前轴左 右车轮 转向轮 制动器的制动力不相等 2 制动时悬架导向杆系与转向系拉杆在运动学上的不协调 互相干涉 其中 第一个原因是制造 调整误差造成的 汽车究竞向左或向右跑偏 要根据具体情况而定 是非系统性的而第二个原因是设计造成的 制动时汽车总是向左 或向右 一方跑偏 是系统性的 制动跑偏 转向系统的结构图 转向系统中存在间隙和弹性杆件 制动跑偏 左右轮制动力不相等引起的跑偏受力分析纵向制动力横 侧 向力 主销 FXb FY 主销 FY FX1l FX1r 制动跑偏 制动跑偏 制动跑偏 后轮未抱死 后轮抱死 制动跑偏 左右轮制动力不相等引起的跑偏受力分析 FXb 具有负的主销偏置距 制动跑偏 悬架导向和转向杆系干涉等引起的跑偏 安装钢板弹簧 球头销 L 制动跑偏 悬架导向和转向杆系干涉等引起的跑偏 安装钢板弹簧 球头销 L 制动跑偏 悬架导向和转向杆系干涉等引起的跑偏 安装钢板弹簧 球头销 L 制动跑偏 悬架导向和转向杆系干涉等引起的跑偏 安装钢板弹簧 球头销 L 制动跑偏 悬架导向和转向杆系干涉等引起的跑偏 安装钢板弹簧 球头销 L 后轴 侧滑 动力学分析 vA A B vB O 瞬心 侧滑动力学分析 FY1 ua 两点补充 Fy FY FY2 FY1 FY2 侧滑动力学分析 FY1 ua 两点补充 Fy FY FY2 FY1 FY2 后轴侧滑 制动时发生侧滑 特别是后轴侧滑 将引起汽车剧烈的回转运动 严重时可使汽车调头 试验条件 1 试验道路有2 5 的横向坡度2 在地面上洒了水为 降低附着系数使之容易发生侧滑3 试验用的轿车有调节各个车轮制动器制动力的装置 可以使得制动力为零 只有一轴车轮抱死 A 后轮抱死 前轮无制动力 B 前轮抱死 后轮无制动力 两轴先后抱死 附着系数对侧滑的影响 侧滑结论 1 制动过程中 若是只有前轮抱死或前轮先抱死拖滑 汽车基本上沿直线向前行驶 减速停车 汽车处于稳定状态 但丧失转向能力 2 若后轮比前轮提前一定时间 如对试验中的汽车为0 5s以上 先抱死拖滑 且车速超过某一数值 如试验中的汽车车速超过48km h 时 汽车在轻微的侧向力作用下就会发生侧滑 3 路面越滑 制动距离和制动时间越长 后轴侧滑越剧烈 对 后轴 侧滑的要求 1 首先不能出现只有后轴车轮抱死或后轴车轮比前轴车轮先抱死的情况 以防止危险的后轴侧滑 首先避免最坏情况出现 2 其次 尽量少出现只有前轴车轮抱死或前 后车轮都抱死的情况 以维持汽车的转向能力 避免不理想情况出现 3 最理想的情况就是防止任何车轮抱死 前 后车轮都处于滚动状态 这样就可以确保制动时的方向稳定性 4 5前后制动器制动力分配 对于一般 没有安装制动防抱死装置 汽车而言 根据其前 后轴制动器制动力的分配 载荷情况及道路附着系数和坡度等因素 当制动器制动力足够时 制动过程可能出现如下三种情况 即 1 前轮先抱死拖滑 然后后轮抱死拖沿 2 后轮先抱死拖滑 然后前轮抱死拖滑3 前 后轮同时抱死拖滑 4 5前后制动器制动力分配 由第一章知道 驱动过程中要满足附着条件才行 即 制动过程中 要避免车轮抱死 同样也要满足附着条件 即 或 1汽车制动时的受力图 4 5前后制动器制动力分配 考虑水平路面制动 忽略惯性力偶 空气阻力 滚动阻力偶 只考虑地面制动力FXb 附着系数只取一个f 可以认为是滑动附着系数fs 有 1地面对前后车轮的法向反作用力 可以结合第一章附着率时的受力分析 制动过程分析相当于四轮驱动时逆向行驶 4 5前后制动器制动力分配 制动强度Z 4 5前后制动器制动力分配 前后轮都抱死时 有 4 5前后制动器制动力分配 前后轮都抱死时 有 要使汽车稳定 则有 理想的前 后制动器制动力分配曲线 前 后车轮同时抱死 同时抱死的条件是 前 后轮制动器制动力之和等于附着力 并且前 后轮制动器制动力分别等于各自的附着力 即 4 5前后制动器制动力分配 4 5前后制动器制动力分配 载货后 一般至心后移 既a增大 b减小 整个曲线更上凸 4 5前后制动器制动力分配 载货后 一般至心后移 既a增大 b减小 整个曲线更上凸 I曲线为同时抱死的F 2与F 1之间的关系曲线 称为理想的前 后轮制动器制动力分配曲线 I曲线还是同时抱死和抱死后地面制动力FXb2和FXb1的关系曲线 哪个轮先抱死 利用b线与I曲线的配合 就可以分析前 后制动器制动力具有固定比值的汽车在各种路面上的的制动情况 为了便于分析 再引入两组线组 f线组与r线组 f线组 前轮抱死时 在各种 值路面上 前后轮地面制动力关系曲线 r线组 后轮抱死时 在各种 值路面上 前后轮地面制动力关系曲线 在同一 值的f线和r线的交点既满足前轮抱死条件 又满足后轮抱死条件 所以是前后轮同时抱死的条件 各交点组成的曲线即为I曲线 车轮抱死后 各个车轮的地面制动力不再增加 所以I曲线以上的f线组和I曲线以下的r线组已无物理意义 实际中不可实现的 r线 f线 A A 0 等地面制动力线等制动减速度线 A点既在 线 满足式 4 11 又在f线上 满足式 4 13 且在A点时制动器制动力等于地面制动力 0制动过程分析 A点既在 线 满足式 4 11 且在A点时制动器制动力等于地面制动力 有 A点又在f线上 满足式 4 13 根据以上两式可以求出A点的制动减强度z 上式确定了在 0的路面上 不发送车轮抱死的时一定路面附着系数 能够产生的最大制动强度z z越接近于 制动力分配越合理 具有理想制动力分配的汽车 z 反过来说 如果要产生的制动减强度为z 则要求车轮不抱死时所需要的最小路面附着系数 也可以由上式确定 所以还可以写为 上式确定的 称为 利用附着系数 又称为被利用的附着系数 利用附着系数 又称为被利用的附着系数 的定义 也就是当制动强度为z时 i 前或后 轴的地面制动力FXbi与地面法向反力之比 也就是当提供一定地面制动力Fxbi时所需要 或者所要求 的最小路面附着系数 当实际地面附着系数与利用附着系数相同时 车轮处于临界抱死状态 前轴 利用附着系数与第一章附着率的概念本质上是一样的 式 4 15 与P26下面的C 2有相同的形式 前轴 同样可以写出后轴 因为车轮抱死对汽车的制动稳定性不利 所以下面要考查在一定附着系数 的路面上所能够达到的最大制动减速度abmax或制动强度z 当地面附着系数与利用附着系数相同时 车轮处于临界抱死状态 在同一z下 前后轴的利用附着系数不一样 一个大于z 一个小于z 问题 利用 需要 附着系数 或者附着率 大的还是小的先抱死 路面附着系数f一定时 分别令ff f和fr f 可以求出不同的z 其中一个z f 另一个z f 而只有z f才是有物理意义的 f r z z z1 z2 利用附着系数与制动力 强度 之间的关系 f r z A C B D f r z A C B D z z z1 z2 利用附着系数曲线可以表示汽车制动性能的 横坐标为附着系数 纵坐标为制动强度的关系曲线也可以说明制动性能 车轮即将抱死时 z与 越接近 说明 附着力 被利用的越充分 所以又有制动效率的概念 说明车轮即将抱死时地面附着力被利用的程度 制动效率 车轮不锁死的最大制动强度与车轮和地面间摩擦因数的比值 制动效率 是对整车而言的 同样 根据以上两式 在同一z下 计算得到的Ef和Er可能不一样 根据物理意义 只有Ef Er 100 才是有意义的 制动效率与利用附着系数之间的关系 f r z A C B D f r z A C B D z z z1 z2 E E 对前 后制动器制动力分配的要求 1 首先 防止后轮抱死 防止侧滑 保持制动时的方向稳定性2 其次 减少前轮抱死的机会 充分利用地面附着力制动 提高制动效能 因此 要对b线进行改造 使其不穿过I曲线并且尽可能接近I曲线 对前 后制动器制动力分配的要求 f r z z 为了防止后轮抱死 前轴利用附着系数曲线应总在45 对角线 z 上方 即总在后轴利用附着系数曲线的上方 为了提高制动效率同时还应靠近图中的对角线 z 具有变比值的前 后制动器制动力的分配特性 制动防抱死装置ABS的组成 制动防抱死装置ABS的工作过程 制动防抱死装置ABS的工作过程 常规制动过程 ABS不工作 制动防抱死装置ABS的工作过程 制动防抱死装置ABS的工作过程 制动防抱死装置ABS的工作过程 制动防抱死装置ABS的分类 制动防抱死装置ABS的分类 1 四通道ABS对应于双制动管路的H型 前后 或X型 对角 两种布置形式 四通道ABS也有两种布置形式 见下图 为了对四个车轮的制动压力进行独立控制 在每个车轮上各安装一个转速传感器 并在通往各制动轮缸的制动管路中各设置一个制动压力调节分装置 通道 由于四通道ABS可以最大程度地利用每个车轮的附着力进行制动 因此汽车的制动效能最好 但在附着系数分离 两侧车轮的附着系数不相等 的路面上制动时 由于同一轴上的制动力不相等 使得汽车产生较大的偏转力矩而产生制动跑偏 因此 ABS通常不对四个车轮进行独立的制动压力调节 制动防抱死装置ABS的分类 2 三通道ABS四轮ABS大多为三通道系统 而三通道系统都是对两前轮的制动压力进行单独控制 对两后轮的制动压力按低选原则一同控制 其布置形式见下图 c d e 图 c 所示的按对角布置的双管路制动系统中 虽然在通往四个制动轮缸的制动管路中各设置一个制动压力调节分装置 但两个后制动压力调节分装置却是由电子控制装置一同控制的 实际上仍是三通道ABS 由于三通道ABS对两后轮进行一同控制 对于后轮驱动的汽车可以在变速器或主减速器中只设置一个转速传感器来检测两后轮的平均转速 制动防抱死装置ABS的控制 成熟的防抱死控制产品采用逻辑门限值控制方法 课本P123 其基本的原理是根据设定的车轮加减角速度门限及参考滑移率 调节制动压力的大小 防止车轮抱死 图4 44 制动防抱死装置ABS的制动效能 红旗轿车CA7220系列 采用奥迪车身 CA7220红旗轿车为四个传感器四通道式布置形式 四个传感器分别控制各轮信号 防抱死制动系统的控制通道数对其控制效果的影响 司利增 BOSCH关于制动防抱死装置ABS的作用 制动防抱死系统功能演示视频 用户关于 制动防抱死装置ABS的作用 凌晨4点左右 南北高架从南往北走 准备转内环武宁路下 走过南北转内环武宁路方向的那个转盘的朋友都应该知道 那个弯道非常的大 而且带有一定坡度与倾斜角度 也就是说我的视野方向是与弯道内侧的外切线相同 由于内侧弯道上方有绿化 并且高于我坐在车内的水平视线 也就是说在我通过整个弯道前我的视野范围内永远有盲区 当时已经是凌晨4点左右 弯道上有部分露水凝结 导致地面潮湿 由于急着赶回家睡觉 不知不觉的在弯道上加速了 事后估计速度超过90迈 就在即将通过弯道最高处的时候 突然在视野前方最左侧发现车辆尾灯 此时距离我最多5米远 人顿时一个激灵 立即大力刹车 本能的猛打方向 由于路面潮湿 车子明显