第十章-汽车制动及其防抱系统动力学

第十章汽车制动及其防抱系统动力学

10.1制动系统功能及其评价指标

10.2制动过程动力学

10.3制动率,附着系统利用率,品质系数

10.4制动力分配

10.5制动防抱系统及其控制动力学

第十章汽车制动及其防抱系统动力学10.1制动系统功能及其评价指标10.2制动过程动力学10.3制动率,附着系统利用率,品质系数10.4制动力分配10.5制动防抱系统及其控制动力学返回10.1制动系统功能及评价指标10.1制动系统功能及评价指标制动系统是影响汽车行驶安全的重要部分。

其功能是：

1、减少行驶汽车的车速，必要时，可使其在一定距离内停车。

2、在下长坡时能维持一定车速。

3、对已停驶（特别是在坡道上停驶）的汽车，应使其可靠地驻留原地不动。

回主目录一、制动系统原理

作用在行驶汽车上的滚动阻力、上坡阻力、空气阻力都对汽车起制动作用，但这些外力的大小都是随机的，不可控制的,，这里所指的制动系统是指在汽车上设置一套专门的装置，由驾驶员操纵，对汽车进行可控制的强制制动。它由供能装置、操纵机构、传动机构和制动器等部件组成，较为完善的制动系统还具有制动力调节装置、制动防抱死装置、压力保护装置和报警装置等，图10-1示出了一种轿车所用的制动系统。回主目录图１０-１图10-1表示轿车上所用的制动系统回主目录二、制动系统的评价指标

由于汽车的制动性能的优劣直接影响行车的安全性，故各国对制动性能的评价和要求都制定了一些法规，表１０-１列出了一些国家对轿车行车制动系的要求。由以上法规可见,制动系统的评价指标主要有以下两项：（１）制动效能，即制动距离与制动减速度。（２）制动稳定性，即制动时汽车不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力（方向稳定性）。此外制动系统还应有抗热衰退、抗水衰退等恒定性要求，这里不予讨论。

回主目录各国评价指标

项目

中国欧洲共同体

(EEC)

71/320瑞典Ｆ18美国联邦105试验路面干水泥路面附着良好Φ=０.８SkidN081

载重

满载一个驾驶员或满载任何载荷轻、满载制动初速８０km/h

30km/h80km/h96.54km/h(60mile/h)制动时的稳定性不许偏出３.7

m通道不抱死跑偏不抱死跑偏不抱死跑偏３.６６m(12ft)制动距离或制动减速度

≤50.7m≤50.7m≥5.8m/s²≥5.8m/s²≤65.8m(216ft)踏板力<500N<490N<490N66.7~667N(15~150lb)回主目录表10-110.2制动过程动力学

10.2.1车轮上所受的制动力

10.2制动过程动力学

10.2.1车轮上所受的制动力当驾驶员踩下制动踏板时，踏板上的力经过传动机构至车轮的轮缸，将驱使车轮内制动器中元件（指摩擦片与制动鼓或盘相对滑转时）形成摩擦力矩Tμ阻止车轮转动，称这种作用在车轮上的摩擦力矩为制动器制动力矩。由于车轮与路面间有附着作用，车轮对路面作用一个向前的周缘力Ｆμ也称制动器制动力，其大小为回主目录地面制动力、踏板力及地面附着力三者之间的关系式中Ｔμ——制动器的摩擦力矩，Ｎ·ｍ；ｒ——车轮半径，ｍ。同时路面对车轮作用一个向后的作用力Ｆｂ，我们称为地面制动力。正是这个力由车轮经车轴传给车架和车身，迫使整个汽车产生一定的减速度，地面制动力愈大，制动减速度也愈大，制动距离就愈短。如忽略滚动阻力偶和减速时的惯性力，则地面制动力与Ｔμ应有以下关系，即

制动器的制动力与踏板力成正比，但地面制动力却受车轮与地面间附着力Ｆφ的限制，图１０-２表示了三者的关系。回主目录图１０-２图10-2回主目录制动力表达式

当踏板力在0~Ｆp1之间时，有Ｆμ＝Ｆｂ地面制动力等于制动器制动力。

当踏板力大于Ｆp1时，制动器制动力Ｆμ随踏板力成正比例继续增长，而地面制动力由于受地面附着力限制不再增长，故有以下关系式：Ｆｂ≤Ｆφ＝Ｆｚ·µ

(10

—1)即得到最大地面制动力(10

—2)Ｆｂｍａｘ＝Ｆｚ·µ式中Ｆｚ——地面垂直反作用力

µ——附着系数

回主目录１０.２.２制动距离与制动减速此时车轮即抱死不转而出现拖滑现象。10.2.2制动距离与制动减速制动距离是与行驶安全直接有关的一项制动效能指标，制动减速度是反映地面制动力的大小，是决定制动距离的一项重要因素，通常，制动距离是指驾驶员开始踩踏板到完全停车的距离，这个距离可从分析制动过程中求得。图１０—３画出了制动过程中的汽车减速度、行驶速度和行驶距离的时间历程。图１０—３(a)为经过简化后的制动减速度曲线。对这一加速度求其时间积分，即可得到速度时间历程。再积分得到制动过程所走的路程，图１０—３(b)和１０—３(c)所示。

按图１０—３(c)停车距离是由相应于时间回主目录图10-3在制动过程中，汽车减速度，行驶速度，和行驶距离的时间历程回主目录间隔为Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３的四段距离s0、s1、s2、s3组成。Ｔ０是驾驶员接到制动停车信号后的反应时间，一般需０.４～１.５秒，这与驾驶员反应快慢和不同处境有关，这段时间内，汽车仍以原来的速度v0行驶。在反应时间Ｔ０之后是从加速踏板移到制动踏板所需的换位时间０.１５～０.３s以及为消除制动装置中的间隙和弹性所需的接合时间，然后才开始制动压力的增长，这些时间的总和为Ｔ１，可取０.２～０.４５s，在这段时间内，一旦驾驶员将脚从加速踏板移开后，由回主目录反应时间分析于发动机的阻力矩和汽车行驶阻力，

将会出现一定的减速度

ax1，约为0.5~1.5s²之间，之后随着驾驶员踩踏板的动作，踏板力迅速增大，制动力也随之增大到最大(图3(a)中②点)。这段时间Ｔ２称之为制动器增力时间(约为0.2s)，减速度增大至

ax2，速度减至v2。由②点到③点，即汽车停止时的时间为全制动时间Ｔ３，此时减速度保持ax2，速度由v2降至零，所需距离s3，从③点到④点为制动力消除时间约为0.2~1.4s之间,这段时间过长会耽误随后起步行驶的时间。从以上分析可见，制动距离是停车距离的一部分。回主目录停车距离计算根据图１０-３不难算出其停车距离

s=s0+s1+s2+s3=v0[T0+T1+T2/2-(ax1T1)/(ax2T2)]+v0²/(2ax2)-ax2T2²/24+(ax1T1²/24)(4+6T2/T1-3ax1/ax2)(10-3)

通常，由发动机阻力矩引起的减速度ax1和式(10-3)中最后三项可忽略不计，简化后的停车距离为

s=v0[T0+T1+T2/2-(ax1T1)/(ax2T2)]+v0²/(2ax2)(10-4)

在不计ax1的停车时间为

T=T0+T1+T2/2+v0/2ax2(10-5)

简化计算带来的误差在0.46%~0.66%范围内，在工程上是允许的。回主目录10.3制动率、附着系数利用率，品质因数10.3制动率，附着系数利用率，品质因数为了评价制动强度，引入制动率Z的概念，它是制动力与汽车重力之比。

Z=Fb/Ga=(Fb1+Fb2)

如果此制动力产生减速度dv/dt，考虑到Ga=mg,则

Z=(dv/dt)/g(10-6)

这是一个无量纲的评价制动强度的数值，在欧洲共同体法规中也已采用，Z在有的文献中还称为相对减速度或制动强度的。上面已经提到，地面制动力由于受到附着力限制，其最大回主目录制动率、附着系数利用率定义值为

Fbmax=μGa=μFz故最大制动率为Zbmax=μ在一般情况下，制动力小于最大制动力，故其制动率小于μ。

现定义汽车达到的制动率与峰值附着系数μH之比为附着系数利用率ε，则有

ε＝Z/μH≤1(10-7)

前、后轮所能达到的附着系数利用率取决于轮胎与路面间的附着特性及制动力在各轮分配，还取决于驾驶员对制动系的操纵，只有在四个车轮都是在μ-λ曲线上峰值μH情况下制动回主目录品质因数定义时才能使ε=1。这是一种理想情况，此时制动率称为理想制动率Z=ZI。汽车所能达到的最大制动率与理想制动率之比，称为制动系统的品质系数εmax。

εmax=Zmax/ZI=Zmax/μH(10-8)

品质系数愈高，制动距离就愈短，但从安全性角度出发，品质系数还不是用来判断制动系数性能的充分条件，因为它没有考虑制动稳定性。特别是制动转弯时，品质系数高会导致稳定性变差，从而对安全不利。品质系数与附着系数利用率不同，它不包含驾驶员的影回主目录10.4制动力分配１０.４.１理想制动力分配响，与驾驶员是否用高的减速度制动无关。理想情况下所能达到的最短停车距离可用s1d来表示，此时减速度ax=μh·g。

ｓ1d=v0(T0+T1+T2/2)+v0/(2μh·g)(10-9)10.4制动力分配前、后轮动力分配直接影响到附着条件的利用率和稳定性问题，是设计制动系统时必须重视的问题，要妥善的处理和解决。10.4.1理想制动力分配回主目录回主目录图10-4作用在制动汽车上的力回主目录回主目录回主目录图10-5图10-5在制动力分配简图中的特征线：制动率常数线，摩擦系数常数线，制动力固定分配线回主目录回主目录回主目录回主目录回主目录回主目录回主目录图10-6不同μ

值路面上汽车制动过程的分析回主目录10.4.3附着系数-滑移率曲线对制动的影响回主目录图10-7制动时的抱死过程图10-7制动时的抱死过程当附着摩擦系数μH=0.8时，前轴在1点处抱死，此时制动率Z=0.77。如果进一步增强制动，则后轴在2点处也抱死，最大可能达到的制动率为Z=0.8。如果摩擦系数μG

小于附着摩擦系数μH，则最大可能的制动减速率也下降，本例中降到点3处Z=0.75回主目录图10-8不同轮胎-道路组合的-μ滑动曲线

图10-8不同轮胎-道路组合的-μ滑动曲线回主目录回主目录图10-9回主目录回主目录图10-10图10-10限压阀及其静特性

(a)结构；(b)特性曲线1—阀盖；2—阀门；3—活塞；4—活塞密封圈；5—弹簧；6—阀体；Ⅰ—满载理想特性；Ⅱ—空载理想特性回主目录图10-11比例阀的原理及静特性

(a)结构；(b)特性曲线1—阀门；2—活塞；3—弹簧Ⅰ—满载理想特性；Ⅱ—空载理想特性回主目录10.5制动防抱系统及其控制动力学回主目录10.5.1制动防抱装