汽車?yán)碚摰谒恼缕嚨闹苿有阅夸浿苿有缘脑u價指標(biāo)制動時車輪的受力汽車的制動效能及其恒定性第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)制動時汽車的方向穩(wěn)定性第四節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系汽車制動性的試驗(yàn)第五節(jié)第六節(jié)第一節(jié)制動性的評價指標(biāo)汽車的制動性主要由下列三方面來評價:1)制動效能,即制動距離與制動減速度。2)制動效能的恒定性,即抗熱衰退性能。3)制動時汽車的方向穩(wěn)定性,即制動時汽車不發(fā)生跑偏、側(cè)滑以及失去轉(zhuǎn)向能力的性能。

制動效能是指在良好路面上,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。它是制動性能最基本的評價指標(biāo)。汽車高速行駛或下長坡連續(xù)制動時制動效能保持的程度,稱為抗熱衰退性能。因?yàn)橹苿舆^程實(shí)際上是把汽車行駛的動能通過制動器吸收轉(zhuǎn)換為熱能,所以制動器溫度升高后能否保持在冷狀態(tài)時的制動效能,已成為設(shè)計(jì)制動器時要考慮的一個重要問題。此外,涉水行駛后,制動器還存在水衰退問題。制動時汽車的方向穩(wěn)定性,常用制動時汽車按給定路徑行駛的能力來評價。若制動時發(fā)生跑偏、側(cè)滑或失去轉(zhuǎn)向能力,則汽車將偏離原來的路徑。第一節(jié)制動性的評價指標(biāo)表4-1列出一些國家乘用車制動規(guī)范對行車制動器制動性的部分要求。第二節(jié)制動時車輪的受力汽車受到與行駛方向相反的外力時,才能從一定的速度制動到較小的車速直至停車。這個外力只能由地面和空氣提供。但由于空氣阻力相對較小,所以實(shí)際上外力主要是由地面提供的,稱之為地面制動力。地面制動力越大,制動減速度越大,制動距離也越短,所以地面制動力對汽車制動性具有決定性影響。一、地面制動力圖4-1所示為在良好的硬路面上制動時車輪的受力情況。圖中滾動阻力偶矩和減速時的慣性力、慣性力偶矩均忽略不計(jì)。Tμ是車輪制動器中摩擦片與制動鼓或制動盤相對滑轉(zhuǎn)時的摩擦力矩,單位為N·m;FXb是地面制動力,單位為N;W為車輪垂直載荷,Fp為車軸對車輪的推力,FZ為地面對車輪的法向反作用力,它們的單位均為N。顯然,從力矩平衡可得到式中,r為車輪半徑(m)。第二節(jié)制動時車輪的受力第二節(jié)制動時車輪的受力圖4-1車輪在制動時的受力情況第二節(jié)制動時車輪的受力二、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,以符號Fμ表示。它相當(dāng)于把汽車架離地面,并踩住制動踏板,在輪胎周緣沿切線方向推動車輪直至它能轉(zhuǎn)動所需的力,顯然有式中,Tμ為制動器摩擦力矩(N·m)。

由式(4-2)可知,制動器制動力僅由制動器結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定,即取決于制動器的形式、結(jié)構(gòu)尺寸、制動器摩擦副的摩擦因數(shù)以及車輪半徑,并與制動踏板力,即制動系的液壓或空氣壓力成正比。圖4-2所示為試驗(yàn)得到的某四座轎車的制動器制動力與踏板力的關(guān)系曲線。第二節(jié)制動時車輪的受力圖4-2制動器制動力與制動踏板力的關(guān)系曲線第二節(jié)制動時車輪的受力三、地面制動力、制動器制動力與附著力之間的關(guān)系在制動時,若只考慮車輪的運(yùn)動為滾動與抱死拖滑兩種狀況,當(dāng)制動踏板力較小時,制動器摩擦力矩不大,地面與輪胎之間的摩擦力即地面制動力,足以克服制動器摩擦力矩而使車輪滾動。顯然,車輪滾動時的地面制動力就等于制動器制動力,且隨踏板力增長成正比地增長(圖4-3)。但地面制動力是滑動摩擦的約束反力,它的值不能超過附著力,即FXb≤Fφ=FZφ(4-3)或最大地面制動力FXbmax

為FXbmax=FZφ(4-4)第二節(jié)制動時車輪的受力當(dāng)制動器踏板力FP或制動系液壓力p上升到某一值(圖4-3中為制動系液壓力pa)、地面制動力FXb達(dá)到附著力Fφ值時,車輪即抱死不轉(zhuǎn)而出現(xiàn)拖滑現(xiàn)象。制動系液壓力p>pa時,制動器制動力Fμ由于制動器摩擦力矩的增長而仍按直線關(guān)系繼續(xù)上升。但是,若作用在車輪上的法向載荷為常數(shù),地面制動力FXb達(dá)到附著力Fφ的值后就不再增加。由此可見,汽車的地面制動力首先取決于制動器制動力,但同時又受地面附著條件的限制,所以只有汽車具有足夠的制動器制動力,同時地面又能提供高的附著力時,才能獲得足夠的地面制動力。第二節(jié)制動時車輪的受力圖4-3制動過程中地面制動力、制動器制動力及附著力的關(guān)系第二節(jié)制動時車輪的受力四、硬路面上的附著系數(shù)上面曾假設(shè)車輪的運(yùn)動只有滾動和抱死拖滑,但仔細(xì)觀察汽車制動過程,發(fā)現(xiàn)胎面留在地面上的印痕從車輪滾動到抱死拖滑是一個漸變的過程。圖4-4所示為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。印痕基本上可分為三段:第一段內(nèi),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(rèn)為uw≈rr0ωw式中,uw

為車輪中心的速度;rr0為沒有地面制動力時的車輪滾動半徑;ωw

為車輪的角速度。第二節(jié)制動時車輪的受力第二段內(nèi),輪胎花紋的印痕可以辨別出來,但花紋逐漸模糊,輪胎不只是單純的滾動,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),此時有uw>rr0ωw且隨著制動強(qiáng)度的增加,滑動成分的比例越來越大,即uw>>rr0ωw第三段形成一條粗黑的印痕,看不出花紋的印痕,車輪被制動器抱住,在路面上做完全的拖滑,此時有ωw=0第二節(jié)制動時車輪的受力從這三段的變化情況可以看出,隨著制動強(qiáng)度的增加,車輪滾動成分越來越少,而滑動成分越來越多。一般用滑動率s來說明這個過程中滑動成分的多少?；瑒勇?或稱滑移率)的定義是在純滾動時,uw=rr0ωw,滑動率s=0;在純拖滑時,ωw=0,s=100%;邊滾邊滑時,0<s<100%。所以,滑動率的數(shù)值說明了車輪運(yùn)動中滑動成分所占的比例?；瑒勇试酱?滑動成分越多。第二節(jié)制動時車輪的受力若令地面制動力與垂直載荷之比為制動力系數(shù)φb,則在不同滑動率時,φb的數(shù)值不同。圖4-5給出了試驗(yàn)所得的制動力系數(shù)曲線,即φb-s曲線。曲線在0A段近似于直線,隨s的增加而迅速增大;過A點(diǎn)后上升緩慢,至B點(diǎn)達(dá)到最大值。制動力系數(shù)的最大值稱為峰值附著系數(shù)φp。一般出現(xiàn)在s=15%~20%處?；瑒勇试僭黾?制動力系數(shù)有所下降,直至滑動率為100%。s=100%的制動力系數(shù)稱為滑動附著系數(shù)φs,在干燥路面上,φp與φs的差別較小,而在濕路面差別較大。若令γ=φs/φp,則γ在1/3~1之間。第二節(jié)制動時車輪的受力在φb-s的0A段,雖有一定的滑動率,但輪胎并沒有與地面發(fā)生真正的相對滑動?；瑒勇蚀笥诹愕脑蚴禽喬サ臐L動半徑變大。當(dāng)出現(xiàn)地面制動力時,輪胎前面即將與地面接觸的胎面受到拉伸而有微量的伸長,滾動半徑rr

隨地面制動力的加大而加大,故uw=rrωw>rr0ωw,或s>0。顯然,滾動半徑與地面制動力成正比地增大,φb-s曲線0A段近似直線。至A點(diǎn)后,輪胎接地面積中出現(xiàn)局部的相對滑動,φb值的增大速度減慢。因?yàn)槟Σ粮遍g的動摩擦因數(shù)小于靜摩擦因數(shù),故φb值在B點(diǎn)達(dá)最大值后又逐漸降低。圖4-5制動力系數(shù)曲線第二節(jié)制動時車輪的受力圖4-5中的數(shù)據(jù)是在輪胎沒有受到側(cè)向力的條件下測得的。實(shí)際行駛中制動時,輪胎常常受到側(cè)向力而側(cè)偏或發(fā)生側(cè)滑現(xiàn)象(第五章第二節(jié)將對側(cè)偏現(xiàn)象做詳細(xì)介紹)。圖4-6中給出了試驗(yàn)得到的、有側(cè)向力作用而發(fā)生側(cè)偏時的制動力系數(shù)φb、側(cè)向力系數(shù)φl與滑動率s的關(guān)系曲線。側(cè)向力系數(shù)為側(cè)向力與垂直載荷之比。曲線表明,滑動率越低,同一側(cè)偏角條件下的側(cè)向力系數(shù)φl越大,即輪胎保持轉(zhuǎn)向、防止側(cè)滑的能力越大。所以,制動時若能使滑動率保持在較低值(例如圖4-6中側(cè)偏角為1°時,s≈15%),便可獲得較大的制動力系數(shù)與較高的側(cè)向力系數(shù)。這樣,制動性能最好,側(cè)向穩(wěn)定性也很好。具有一般制動系的汽車是無法做到這一點(diǎn)的,但近年來發(fā)展起來的制動防抱裝置能實(shí)現(xiàn)這個要求,從而顯著地改善汽車在制動時的制動效能與方向穩(wěn)定性。第二節(jié)制動時車輪的受力附著系數(shù)的數(shù)值主要取決于道路的材料、路面的狀況、輪胎結(jié)構(gòu)、胎面花紋、輪胎材料以及汽車運(yùn)動的速度等因素。圖4-7a為7.75-14斜交輪胎在各種路面上的φb-s曲線。圖4-7b、c所示為不同輪胎花紋深度的米其林215/75R15輪胎,在兩種水膜深度中峰值附著系數(shù)隨速度的變化曲線。圖4-8所示為車速對貨車輪胎φb-s曲線的影響。表4-2是各種路面上的平均附著系數(shù)。圖4-9所示為三種車速下日本各地潮濕瀝青路面滑動附著系數(shù)的分布情況,可以看出附著系數(shù)的分散性。圖4-6有側(cè)偏時的φb-s、φl-s曲線第二節(jié)制動時車輪的受力圖4-7輪胎的φb-s曲線和峰值附著系數(shù)隨速度的變化曲線注:1in=25.4mm第二節(jié)制動時車輪的受力圖4-8車速對貨車輪胎φb-s曲線的影響圖4-9三種車速下日本各地潮濕瀝青路面滑動附著系數(shù)的分布情況第二節(jié)制動時車輪的受力圖4-10所示為三種胎面的輪胎在四種潮濕路面上測得的φp與φs值。可以看出,在良好、平整的瀝青路面上,對于有胎面花紋的輪胎,其附著性能比無花紋光胎面的輪胎要好得多;另外,車速對附著系數(shù)的影響也不小。但在排水能力強(qiáng)的石英巖路面上,不同胎面輪胎的附著性能差別很小。當(dāng)然,輪胎的磨損會影響它的附著能力。隨著胎面花紋深度的減小,它的附著系數(shù)將顯著下降(圖4-7b、c)。路面的結(jié)構(gòu)對排水能力當(dāng)然也有很大的影響。為了增加路面潮濕時的附著能力,路面的宏觀結(jié)構(gòu)應(yīng)具有一定的不平度而有自動排水的能力;路面的微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)是粗糙且有一定的尖銳棱角,以穿透水膜,使路面與胎面直接接觸。第二節(jié)制動時車輪的受力增大輪胎與地面的接觸面會提高附著能力。因此,低氣壓、寬斷面和子午線輪胎的附著系數(shù)較一般輪胎要高。

汽車行駛時可能遇到兩種附著能力很小的危險(xiǎn)情況:一種情況是剛開始下雨,路面上只有少量雨水時,雨水與路面上的塵土、油污相混合,形成黏度高的水液,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,附著性能大為降低,平滑的路面有時會同冰雪路面一樣滑溜。另外一種情況是高速行駛的汽車經(jīng)過有積水層的路面,出現(xiàn)了滑水(Hydroplaning)現(xiàn)象。第二節(jié)制動時車輪的受力輪胎在有積水層的路面上滾動時,其接觸面如圖4-11所示,分為三個區(qū)域:A區(qū)是水膜區(qū),C區(qū)是胎面與路面直接接觸產(chǎn)生附著力的主要區(qū)域,B區(qū)是A區(qū)與C區(qū)的過渡區(qū),是部分穿透的水膜區(qū),路面的突出部分與胎面接觸,提供部分附著力。輪胎低速滾動時,由于水的黏滯性,接觸面前部的水需要一定時間才能擠出,所以接觸面中輪胎胎面的前部將越過楔形水膜即A區(qū)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(kuò)展,B區(qū)、C區(qū)相對縮小;在某一車速下,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區(qū)、C區(qū)不復(fù)存在。這就是滑水現(xiàn)象。第二節(jié)制動時車輪的受力圖4-10三種胎面的輪胎在四種潮濕路面上測得的φp和φs值Sm—無花紋光胎面Rbd—有溝槽胎面Spd—有溝槽且有小切縫的胎面第二節(jié)制動時車輪的受力圖4-11路面有積水層時輪胎接地面中的三個區(qū)域第二節(jié)制動時車輪的受力對于光滑胎面、細(xì)花紋胎面等胎面無排水溝槽的輪胎以及一般花紋輪胎,當(dāng)路面積水層深度超過溝槽深度時,可以根據(jù)流體動力學(xué)的原理確定發(fā)生滑水現(xiàn)象的車速。這時輪胎可以假定作為一個傾斜的板,完全由水支承在道路上,設(shè)動水壓力的升力Fh與輪胎接地面積A、水密度ρ及車速ua的平方成正比,即出現(xiàn)滑水現(xiàn)象時,動水壓力的升力分量等于作用于輪胎的垂直載荷。因此,剛出現(xiàn)滑水的車速與平均接地壓力W/A的平方根值成正比。據(jù)此,Horne等人(1968年)根據(jù)研究給出下式來估算滑水車速(單位為km/h,參看圖4-12):式中,pi為輪胎充氣氣壓(kPa)。第二節(jié)制動時車輪的受力對于一般胎面花紋的輪胎,在積水層深度小于胎面溝深時,滑水車速的估算更為復(fù)雜。它與路面結(jié)構(gòu)、積水層厚度、水液黏度和密度、輪胎充氣壓力、垂直載荷、花紋形式及輪胎磨損程度有關(guān)。圖4-12中還給出了實(shí)際測得的一些輪胎滑水車速?；F(xiàn)象減小了胎面與地面的附著能力,影響汽車的制動、轉(zhuǎn)向等性能。圖4-13所示為兩種轎車輪胎在不同積水層深度下滑動附著系數(shù)與車速的關(guān)系曲線。由圖可見,車速為100km/h,水膜厚度為10mm時,滑動附著系數(shù)接近于零,即已發(fā)生了滑水現(xiàn)象。第二節(jié)制動時車輪的受力圖4-12滑水車速與輪胎氣壓的關(guān)系1—165SR13

2—645-13

3—磨耗的1100-20縱向花紋4—磨耗的1100-20橫向花紋5—磨耗的750-16縱向花紋6—磨耗的750-16橫向花紋7—1000-20子午胎8—750-16橫向花紋9—750-20縱向花紋10—1000-20橫向花紋11—1000-20縱向花紋圖4-13兩種轎車輪胎在不同水膜深度下滑動附著系數(shù)與車速的關(guān)系曲線第三節(jié)汽車的制動效能及其恒定性汽車的制動效能是指汽車迅速降低車速直至停車的能力。評定制動效能的指標(biāo)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與汽車的行駛安全有直接的關(guān)系,它指的是汽車速度為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、路面附著條件、車輛載荷、發(fā)動機(jī)是否接合等許多因素有關(guān)。在測試制動距離時,應(yīng)對制動踏板力或制動系壓力、路面附著系數(shù)以及車輛的狀態(tài)做一個規(guī)定。制動距離與制動器的熱狀況也有密切關(guān)系,若無特殊說明,一般制動距離是在冷試驗(yàn)的條件下測得的,即起始制動時制動器的溫度在100℃以下。由于各種汽車的動力性不同,對制動效能也提出了不同的要求:一般轎車、輕型貨車行駛車速高,所以要求制動效能也高;重型貨車行駛車速低,制動效能要求就稍低一點(diǎn)。第三節(jié)汽車的制動效能及其恒定性制動減速度是制動時車速對時間的導(dǎo)數(shù),即du/dt。它反映了地面制動力的大小,因此與制動器制動力(車輪滾動時)及附著力(車輪抱死拖滑時)有關(guān)。在不同路面上,由于地面制動力為FXb=φbG故汽車能達(dá)到的減速度(m/s2)為abmax=φbg若允許汽車的前、后車輪同時抱死,則abmax=φsg若裝有理想的制動防抱裝置來控制汽車的制動,則制動減速度為abmax=φpg第三節(jié)汽車的制動效能及其恒定性在評價汽車的制動性能時,由于瞬時減速度曲線的形狀復(fù)雜,不好用某一點(diǎn)的值來代表,所以我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB7258—2017和ECER13中采用的是充分發(fā)出的平均減速度(m/s2),即式中,ub為0.8u0的車速(km/h),u0為起始制動車速(km/h);ue為0.1u0的車速(km/h);sb為u0到ub車輛經(jīng)過的距離(m);se為u0到ue車輛經(jīng)過的距離(m)。下面假設(shè)在φ值不變的條件下,對制動距離進(jìn)行粗略的定量分析,以研究各種因素對制動距離的影響。第三節(jié)汽車的制動效能及其恒定性二、制動距離的分析圖4-14所示為駕駛員在接收到緊急制動信號后的制動踏板力、汽車制動減速度與制動時間的關(guān)系曲線。其中,圖4-14a所示為實(shí)際測得的曲線,圖4-14b所示為經(jīng)過簡化后的曲線。圖4-14汽車的制動過程第三節(jié)汽車的制動效能及其恒定性駕駛員接到緊急停車信號時,并沒有立即行動(圖4-14b中的a點(diǎn)),而要經(jīng)過τ′1后才意識到應(yīng)進(jìn)行緊急制動,并移動右腳,再經(jīng)過τ″1后才踩著制動踏板。從a點(diǎn)到b點(diǎn)所經(jīng)過的時間τ1=′τ1+τ″1稱為駕駛員反應(yīng)時間。這段時間一般為0.3~1.0s。在b點(diǎn)以后,隨著駕駛員踩踏板的動作,制動踏板力迅速增大,至d點(diǎn)時達(dá)到最大值。不過由于制動蹄是由回位彈簧拉著的,蹄片與制動鼓間存在間隙,所以要經(jīng)過′τ2,即至c點(diǎn),才有地面制動力起作用,使汽車開始產(chǎn)生減速度。由c點(diǎn)到e點(diǎn)是制動器制動力增長過程所需的時間τ″2

。τ2=τ′2+τ″2,總稱為制動器的作用時間。制動器作用時間一方面取決于駕駛員踩踏板的速度,另外更重要的是受制動系結(jié)構(gòu)形式的影響。τ2一般在0.2~0.9s之間。由e點(diǎn)到f點(diǎn)為持續(xù)制動時間3,其減速度基本不變。到f點(diǎn)時駕駛員松開踏板,但制動力的消除還需要一段時間,τ4

一般在0.2~1.0s之間。這段時間過長會耽誤隨后起步行駛的時間。另外,若因車輪抱死而使汽車失去控制,駕駛員采取措施放松制動踏板時,又會使制動力不能立即釋放。第三節(jié)汽車的制動效能及其恒定性從制動的全過程來看,總共包括駕駛員見到信號后做出行動反應(yīng)、制動器起作用、持續(xù)制動和放松制動器四個階段。一般所指制動距離是開始踩著制動踏板到完全停車的距離。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。

在制動器起作用階段,汽車駛過的距離s2估算如下:第三節(jié)汽車的制動效能及其恒定性第三節(jié)汽車的制動效能及其恒定性在持續(xù)制動階段,汽車以abmax做勻減速運(yùn)動,其初速度為ue,末速度為零,故有因?yàn)棣印?

很小,故略去項(xiàng),且車速的單位為km/h,則總制動距離s(m)又可寫為第三節(jié)汽車的制動效能及其恒定性從式(4-6)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(或制動器制動力)越大、起始制動車速越低,制動距離越短,這是顯而易見的。

下面僅對制動器起作用的時間加以分析。真正使汽車減速停車的是持續(xù)制動時間,但制動器起作用時間對制動距離的影響也是不小的。制動器起作用時間與制動系的結(jié)構(gòu)形式有密切的關(guān)系。當(dāng)駕駛員急速踩下制動踏板時,液壓制動系的制動器起作用時間可短至0.1s或更短;真空助力制動系和氣壓制動系起作用時間為0.3~0.9s;貨車有掛車時,汽車列車的制動器起作用時間有時竟長達(dá)2s,但精心設(shè)計(jì)的汽車列車制動系起作用時間可縮短到0.4s。第三節(jié)汽車的制動效能及其恒定性從1993年斯堪尼亞(Scania)公司和博世(Bosch)公司面向歐洲市場發(fā)布了電子制動系統(tǒng)(ElectronicBrakingSystem,EBS),采用電傳動和控制方式,縮短了氣制動的反應(yīng)時間。例如,奔馳Actros3341S牽引車在沒有EBS時,后左輪、后右輪的反應(yīng)時間分別0.569s和0.568s,而配有EBS時縮短反應(yīng)時間到0.401s和0.395s。因此EBS系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)在先進(jìn)的重型汽車和掛車上廣泛采用。改進(jìn)制動系結(jié)構(gòu),減少制動器起作用時間,是縮短制動距離的一項(xiàng)有效措施。例如紅旗CA770轎車由真空助力制動系改為壓縮空氣助力(氣頂液)制動系后,以30km/h起始制動車速所做的制動試驗(yàn)結(jié)果見表4-3。第三節(jié)汽車的制動效能及其恒定性圖4-15轎車的制動距離曲線第三節(jié)汽車的制動效能及其恒定性由表4-3可見,采用壓縮空氣-液壓制動系后,制動距離縮短了32%,制動時間減少31.6%。但最大減速度只提高3.5%。雖未單獨(dú)給出制動器起作用時間2的變化情況,但試驗(yàn)結(jié)果說明,最大減速度提高不多,即持續(xù)制動時間3變化不大。因此,可認(rèn)為制動器起作用時間的減少是縮短制動距離的主要原因。由于解放貨車采用新型制動閥(總泵),使進(jìn)氣時間縮短了40%~50%,因此也使制動距離有一定的縮短。圖4-15所示為根據(jù)《Autocar》雜志在1993—1998年對48輛裝有真空助力器的各種轎車在干燥、良好的路面上進(jìn)行制動試驗(yàn)的結(jié)果,并按最小二乘法原理擬合得到的制動距離曲線。擬合得到的公式為式中,ua0為起始制動車速(km/h);s為制動距離(m)第三節(jié)汽車的制動效能及其恒定性按照新的國家標(biāo)準(zhǔn),制動距離考核的是初速度為100km/h制動到0km/h的距離。根據(jù)易車網(wǎng)測試數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)了近三年國內(nèi)21家企業(yè)生產(chǎn)的40種乘用車(沒有考慮同品牌的進(jìn)口車)的制動距離,平均值為40.5m,標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.90m,最長制動距離為45.98m,最短制動距離為37.83m。表4-4列出了制動距離小于40m的10種汽車的數(shù)據(jù),從這些數(shù)據(jù)可以觀察到目前國產(chǎn)汽車的制動性能水平。第三節(jié)汽車的制動效能及其恒定性三、制動效能的恒定性以上的討論僅限于在冷制動情況(制動器起始溫度在100℃以下)下的制動效能。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(jìn)行較大強(qiáng)度的制動),制動器溫度常在300℃以上,有時高達(dá)600~700℃。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。例如LexusLS400汽車在冷制動時,起始制動車速為195km/h,制動距離為163.9m,減速度為8.5m/s2;而經(jīng)過下山中的26次制動后,前制動器溫度達(dá)693℃,這時以同樣的起始車速制動,減速度為6.0m/s2,制動距離加長了80.6m,達(dá)到244.5m。熱衰退是目前制動器不可避免的現(xiàn)象,只是程度上有所差別。制動效能的恒定性主要指的是抗熱衰退性能。第三節(jié)汽車的制動效能及其恒定性制動器抗熱衰退性能一般用一系列連續(xù)制動時制動效能的保持程度來衡量。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn),要求以一定車速連續(xù)制動15次,每次的制動減速度為3m/s2,最后的制動效能應(yīng)不低于規(guī)定的冷試驗(yàn)制動效能的60%(在制動踏板力相同的條件下)。

山區(qū)行駛的貨車和客車對抗熱衰退性能有更高的要求。GB7258—2017中規(guī)定,車長大于9m的客車(對專用校車為車長大于8m)、總質(zhì)量大于或等于12000kg的貨車和專項(xiàng)作業(yè)車、所有危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸車,應(yīng)裝備緩速器或其他輔助制動裝置,以保持其在山區(qū)道路上行駛的制動效能?？篃崴ネ诵阅芘c制動器摩擦副材料及制動器結(jié)構(gòu)有關(guān)。第三節(jié)汽車的制動效能及其恒定性一般制動器的制動鼓、制動盤由鑄鐵制成,而摩擦片由石棉、半金屬和無石棉等幾種材料制成。按照ECER13的規(guī)定,由于石棉有害于人體健康,因此不允許使用含石棉的摩擦片。正常制動時,摩擦副的溫度在200℃左右,摩擦副的摩擦因數(shù)為0.3~0.4。但在更高的溫度時,有些摩擦片的摩擦因數(shù)會有很大程度的降低而出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象。另外,制動器結(jié)構(gòu)不合理或使用不當(dāng)會引起制動液的溫度急劇上升,當(dāng)溫度超過制動液的沸點(diǎn)時會發(fā)生汽化現(xiàn)象,使制動完全失效。制動器的抗熱衰退性能不僅受摩擦材料摩擦因數(shù)的影響,而且同制動器的結(jié)構(gòu)形式有密切關(guān)系第三節(jié)汽車的制動效能及其恒定性常用制動效能因數(shù)與摩擦因數(shù)的關(guān)系曲線來說明各種類型制動器的效能及其穩(wěn)定程度。圖4-16所示為具有典型尺寸的各種形式制動器制動效能因數(shù)與摩擦因數(shù)的關(guān)系曲線。由圖可知,對于雙向自動增力蹄及雙領(lǐng)蹄制動器,由于結(jié)構(gòu)上的幾何力學(xué)的關(guān)系產(chǎn)生增力作用,具有較大的制動效能因數(shù)。摩擦因數(shù)變化時,制動效能按非線性關(guān)系迅速改變。因此,摩擦因數(shù)的微小改變能引起制動效能大幅度變化,即制動器的穩(wěn)定性差。雙從蹄制動器情況與之相反。領(lǐng)、從蹄式制動器介于二者之間。圖4-16制動效能因數(shù)與摩擦因數(shù)的關(guān)系曲線第三節(jié)汽車的制動效能及其恒定性這里要特別強(qiáng)調(diào)的是盤式制動器,其制動效能沒有鼓式制動器大(一般盤式制動器常加裝真空助力器以增大制動效能),但其穩(wěn)定性好。高強(qiáng)度制動時,摩擦材料的摩擦因數(shù)雖有下降,但對制動效能影響不大。同時盤式制動器和鼓式制動器相比,反應(yīng)時間短且不會因?yàn)闊崤蛎浂黾又苿娱g隙。因此,盤式制動器已普遍用作轎車的前后制動器;目前各種噸位的貨車,包括重型貨車(行駛于公路上做長途運(yùn)輸?shù)?、牽引車采用盤式制動器的也日益增多?？傊?盤式制動器越來越廣泛地用于高速轎車、重型礦用車。當(dāng)汽車涉水時,水進(jìn)入制動器,短時間內(nèi)制動效能的降低稱為水衰退。此時,汽車應(yīng)在短時間內(nèi)迅速恢復(fù)原有的制動效能。第四節(jié)制動時汽車的方向穩(wěn)定性制動過程中,有時會出現(xiàn)制動跑偏、后軸側(cè)滑或前輪失去轉(zhuǎn)向能力而使汽車失去控制,離開原來的行駛方向,甚至發(fā)生撞入對方車輛行駛軌道、下溝、滑下山坡的危險(xiǎn)情況。一般稱汽車在制動過程中維持直線行駛或按預(yù)定彎道行駛的能力為制動時汽車的方向穩(wěn)定性。汽車試驗(yàn)中常規(guī)定一定寬度的試驗(yàn)通道[如(車寬+0.5m)或2.5m],制動時方向穩(wěn)定性合格的車輛,在試驗(yàn)過程中不允許產(chǎn)生不可控制的效應(yīng)而使它離開這條通道。第四節(jié)制動時汽車的方向穩(wěn)定性制動時汽車自動向左或向右偏駛稱為“制動跑偏”。側(cè)滑是指制動時汽車的某一軸或兩軸發(fā)生橫向移動。最危險(xiǎn)的情況是在高速制動時發(fā)生后軸側(cè)滑,此時汽車常發(fā)生不規(guī)則的急劇回轉(zhuǎn)運(yùn)動而失去控制。跑偏與側(cè)滑是有聯(lián)系的,嚴(yán)重的跑偏有時會引起后軸側(cè)滑,易于發(fā)生側(cè)滑的汽車也有跑偏加劇的趨勢。圖4-17中給出了單純制動跑偏和由跑偏引起后軸側(cè)滑時輪胎留在地面上的印跡示意圖。第四節(jié)制動時汽車的方向穩(wěn)定性前輪失去轉(zhuǎn)向能力,是指彎道制動時汽車不再按原來的彎道行駛而沿彎道切線方向駛出;直線行駛制動時,雖然轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤但汽車仍按直線方向行駛的現(xiàn)象。失去轉(zhuǎn)向能力和后軸側(cè)滑也是有聯(lián)系的,一般如果汽車后軸不會側(cè)滑,前輪就可能失去轉(zhuǎn)向能力;后軸側(cè)滑,前輪常仍有轉(zhuǎn)向能力。制動跑偏、側(cè)滑與前輪失去轉(zhuǎn)向能力是造成交通事故的重要原因。例如,我國某市市郊一山區(qū)公路,根據(jù)兩周(雨季)發(fā)生的七起交通事故分析,發(fā)現(xiàn)其中六起是由于制動時后軸發(fā)生側(cè)滑或前輪失去轉(zhuǎn)向能力造成的。西方一些國家的統(tǒng)計(jì)表明,發(fā)生人身傷亡的交通事故中,在潮濕路面上約有1/3的事故與側(cè)滑有關(guān);在冰雪路面上有70%~80%的事故與側(cè)滑有關(guān)。根據(jù)對側(cè)滑事故的分析,發(fā)現(xiàn)有50%的事故是由制動引起的。第四節(jié)制動時汽車的方向穩(wěn)定性一、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(zhuǎn)向輪)制動器的制動力不相等。2)制動時懸架導(dǎo)向桿系與轉(zhuǎn)向系拉桿在運(yùn)動學(xué)上的不協(xié)調(diào)(互相干涉)。其中,第一個原因是制造、調(diào)整誤差造成的,汽車究竟向左或向右跑偏,要根據(jù)具體情況而定;而第二個原因是設(shè)計(jì)造成的,制動時汽車總是向左(或向右)一方跑偏。圖4-18中給出了由于轉(zhuǎn)向軸左、右車輪制動力不相等而引起跑偏的受力分析。為了簡化,假定車速較低,跑偏不嚴(yán)重,且跑偏過程中轉(zhuǎn)向盤是不動的,在制動過程中也沒有發(fā)生側(cè)滑,并忽略汽車做圓周運(yùn)動時產(chǎn)生的離心力及車身繞質(zhì)心的慣性力偶矩。第四節(jié)制動時汽車的方向穩(wěn)定性圖4-18制動跑偏時的受力圖第四節(jié)制動時汽車的方向穩(wěn)定性設(shè)前左輪的制動器制動力大于前右輪,故地面制動力FX11>FXlr。此時,前、后軸分別受到的地面?zhèn)认蚍醋饔昧镕Y1和FY2

。顯然,FX11繞主銷的力矩大于FXlr

繞主銷的力矩。雖然轉(zhuǎn)向盤不動,由于轉(zhuǎn)向系各處的間隙及零部件的彈性變形,轉(zhuǎn)向輪仍產(chǎn)生一個向左轉(zhuǎn)動的角度而使汽車有輕微的轉(zhuǎn)彎行駛,即跑偏。同時,由于主銷有后傾,也使FY1對轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生一個同方向的偏轉(zhuǎn)力矩,這樣也增大了向左轉(zhuǎn)動的角度。曾在轎車上做了專門的試驗(yàn)來觀察左、右車輪制動力不相等的程度對制動跑偏的影響。第四節(jié)制動時汽車的方向穩(wěn)定性試驗(yàn)車的前軸左、右車輪制動泵裝有可以調(diào)節(jié)液壓的限壓閥,以產(chǎn)生不同的制動器制動力。后軸上也裝有一個可調(diào)節(jié)的限壓閥,以改變前、后軸制動力之比,使汽車在制動時產(chǎn)生后軸車輪抱死與不抱死兩種工況。轉(zhuǎn)向盤可以鎖住。左、右車輪制動力之差用不相等度表示,即式中,Fμb為大的制動器制動力;Fμl為小的制動器制動力。我國GB7258—2017中規(guī)定,前軸的不相等度不應(yīng)大于20%,后軸的不相等度不應(yīng)大于24%(軸制動力大于或等于該軸軸荷60%時)。第四節(jié)制動時汽車的方向穩(wěn)定性試驗(yàn)的結(jié)果用車身橫向位移和汽車的偏航角來表示,如圖4-19和圖4-20所示。由圖可見,制動跑偏隨著ΔFμr的增加而增大;當(dāng)后輪抱死時,跑偏的程度加大。圖4-19后輪未抱死時制動器制動力不相等度ΔFμr對制動跑偏的影響(起始車速為62.7km/h)a)車身的橫向位移b)偏航角第四節(jié)制動時汽車的方向穩(wěn)定性圖4-20后輪抱死時ΔFμr對制動跑偏的影響(起始車速為62.7km/h)a)車身的橫向位移b)偏航角第四節(jié)制動時汽車的方向穩(wěn)定性造成跑偏的第二個原因是懸架導(dǎo)向桿系與轉(zhuǎn)向系拉桿發(fā)生運(yùn)動干涉,且跑偏的方向不變。例如一輛試制中的貨車,在緊急制動時總是向右跑偏,在車速30km/h時,最嚴(yán)重的跑偏距離為1.7m。分析其原因主要是轉(zhuǎn)向節(jié)上節(jié)臂處的球頭銷離前軸中心線太高,且懸架鋼板彈簧的剛度又太小。圖4-21中給出了該貨車的前部簡圖。在緊急制動時,前軸向前扭轉(zhuǎn)一個角度,轉(zhuǎn)向節(jié)上節(jié)臂處球頭銷本應(yīng)做相應(yīng)的移動,但由于球頭銷又連接在轉(zhuǎn)向縱拉桿上,僅能克服轉(zhuǎn)向拉桿的間隙,使拉桿有少許彈性變形而不允許球頭銷做相應(yīng)的移動,致使轉(zhuǎn)向節(jié)臂相對于主銷做向右的偏轉(zhuǎn),于是引起轉(zhuǎn)向輪向右移動,造成汽車跑偏。后來改進(jìn)了設(shè)計(jì),使轉(zhuǎn)向節(jié)上節(jié)臂處球頭銷位置下移,在前鋼板彈簧扭轉(zhuǎn)相同角度時,球頭銷位移量減少,轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)也減少,同時還增加了前鋼板彈簧的剛度,從而基本上消除了跑偏現(xiàn)象。第四節(jié)制動時汽車的方向穩(wěn)定性圖4-21懸架導(dǎo)向桿系與轉(zhuǎn)向系拉桿在運(yùn)動學(xué)上的不協(xié)調(diào)引起的制動跑偏a)未制動時b)制動時前軸轉(zhuǎn)動(轉(zhuǎn)角為θ)第四節(jié)制動時汽車的方向穩(wěn)定性二、制動時后軸側(cè)滑與前軸轉(zhuǎn)向能力的喪失制動時發(fā)生側(cè)滑,特別是后軸側(cè)滑,將引起汽車劇烈的回轉(zhuǎn)運(yùn)動,嚴(yán)重時可使汽車調(diào)頭。由試驗(yàn)與理論分析得知,制動時若后軸車輪比前軸車輪先抱死拖滑,就可能發(fā)生后軸側(cè)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(cè)滑。不過前軸車輪抱死后將失去轉(zhuǎn)向能力。試驗(yàn)是在一條一側(cè)有2.5%的橫向坡的平直混凝土路面上進(jìn)行的。為了降低附著系數(shù)使之容易發(fā)生側(cè)滑,在地面上灑了水。試驗(yàn)用的轎車有調(diào)節(jié)各個車輪制動器液壓的裝置,以控制每根車軸的制動力,達(dá)到改變前、后車輪抱死拖滑次序的目的。調(diào)節(jié)裝置甚至可使車輪制動器液壓為零,即在實(shí)施制動時該車輪根本不制動。下面給出四項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果。第四節(jié)制動時汽車的方向穩(wěn)定性圖4-22前輪抱死或后輪抱死時汽車縱軸轉(zhuǎn)過的角度(偏航角)第四節(jié)制動時汽車的方向穩(wěn)定性(1)前輪無制動力而后輪有足夠的制動力試驗(yàn)結(jié)果如圖4-22中的曲線A所示。曲線A說明,隨著車速提高,側(cè)滑的程度更加劇烈。車速在48km/h時,汽車縱軸與行駛方向的夾角(偏航角)可達(dá)180°。(2)后輪無制動力而前輪有足夠的制動力試驗(yàn)結(jié)果如圖4-22中曲線B所示。由圖可知,即使車速達(dá)到65km/h,汽車的縱軸轉(zhuǎn)角也不大,夾角的最大值只有10°,即汽車基本上維持直線行駛。不過應(yīng)當(dāng)指出,前軸車輪抱死后,汽車將失去轉(zhuǎn)向能力,若遇到障礙,只有放松制動踏板,才能繞開行駛。第四節(jié)制動時汽車的方向穩(wěn)定性(3)前、后車輪都有足夠的制動力,但它們抱死拖滑的次序和時間間隔不同試驗(yàn)時利用車上制動器液壓調(diào)節(jié)裝置,可使前、后車輪在制動到抱死拖滑時有不同的先后次序和時間間隔。以64.4km/h起始車速制動,試驗(yàn)結(jié)果如圖4-23所示。由圖可知,若前輪比后輪先抱死拖滑(此時前輪喪失轉(zhuǎn)向能力),或后輪比前輪先抱死且時間間隔在0.5s以內(nèi),則汽車基本上按直線行駛;若后輪比前輪先抱死拖滑且時間間隔超過0.5s,則后軸將發(fā)生嚴(yán)重的側(cè)滑。試驗(yàn)時還發(fā)現(xiàn),前軸或后軸的兩個車輪也不是同時抱死的。如果只有一個后輪抱死,也不會發(fā)生側(cè)滑,側(cè)滑程度取決于后抱死的后輪與后抱死的前輪的時間間隔。第四節(jié)制動時汽車的方向穩(wěn)定性圖4-23前、后輪抱死拖滑的次序和時間間隔對后軸側(cè)滑的影響(混凝土路面、轉(zhuǎn)向盤固定)第四節(jié)制動時汽車的方向穩(wěn)定性(4)起始車速和附著系數(shù)的影響試驗(yàn)時還做了起始車速為48.2km/h及72.3km/h的制動。試驗(yàn)表明,起始車速為48.2km/h時,即使后輪比前輪先抱死拖滑在0.5s以上,汽車縱軸轉(zhuǎn)角也只有25°;起始車速為72.3km/h時,側(cè)滑的情況與64.4km/h時一樣。這說明只有在起始車速超過48km/h時,后軸側(cè)滑才成為一種危險(xiǎn)的側(cè)滑。為了查明附著系數(shù)對側(cè)滑的影響,還在干燥路面上做了同樣的試驗(yàn)。試驗(yàn)時前輪無制動力,后輪可制動到抱死拖滑。干燥路面的制動距離是濕路面的70%,即在濕路面上制動時的制動時間要長。試驗(yàn)結(jié)果如圖4-24a所示。曲線表明,在干燥路面上,汽車縱軸轉(zhuǎn)角比濕路面上的要小。每次試驗(yàn)還記錄后輪開始拖滑的時間,若以時間為橫坐標(biāo)把曲線重畫一次(圖4-24b),則在同樣的時間內(nèi),干、濕路面的汽車縱軸轉(zhuǎn)角相差不多?？梢?在低附著系數(shù)路面上制動,側(cè)滑程度的增加主要是由于制動時間增加。第四節(jié)制動時汽車的方向穩(wěn)定性圖4-24路面附著系數(shù)對后軸側(cè)滑的影響第四節(jié)制動時汽車的方向穩(wěn)定性以上四項(xiàng)試驗(yàn)可以總結(jié)為兩點(diǎn):1)制動過程中,若是只有前輪抱死或前輪先抱死拖滑,汽車基本上沿直線向前行駛(減速停車);汽車處于穩(wěn)定狀態(tài),但喪失轉(zhuǎn)向能力。2)若后輪比前輪提前一定時間(如對試驗(yàn)中的汽車為0.5s以上)先抱死拖滑,且車速超過某一數(shù)值(如試驗(yàn)中的汽車車速超過48km/h)時,汽車在輕微的側(cè)向力作用下就會發(fā)生側(cè)滑。路面越滑、制動距離和制動時間越長,后軸側(cè)滑越劇烈。下面從受力情況角度分析汽車前輪抱死拖滑或后輪抱死拖滑的兩種運(yùn)行情況。第四節(jié)制動時汽車的方向穩(wěn)定性圖4-25a所示為前軸側(cè)滑時,即前輪抱死而后輪滾動的運(yùn)動情況。設(shè)轉(zhuǎn)向盤不動,汽車受到偶然并短暫的側(cè)向外力作用后,前軸發(fā)生側(cè)向滑動,前軸中點(diǎn)A的速度uA

與汽車縱軸的夾角為α;后軸未有側(cè)向滑動,后軸中點(diǎn)速度uB

的方向與汽車縱軸方向一致。此時,汽車發(fā)生類似轉(zhuǎn)彎的行駛運(yùn)動,其瞬時轉(zhuǎn)動中心為速度uA、uB

垂線的交點(diǎn)O,在質(zhì)心C上作用有離心力。圖4-25中畫出了汽車側(cè)向的受力情況,FY1

、FY2

為作用于前、后軸的地面?zhèn)认蚍醋饔昧?Fj為側(cè)向慣性力,其數(shù)值基本上等于離心力;圖4-25中沒有畫出沿縱軸方向的力。當(dāng)前輪抱死時,FY1

很小,可認(rèn)為FY1≈0。根據(jù)剛體平面運(yùn)動微分方程,有FY1+FY2+Fj=0,即地面?zhèn)认蚍醋饔昧εc側(cè)向慣性力平衡;(FY1a-FY2b)+Mj=0,Mj=-IZω·r(式中,IZ為汽車?yán)@通過質(zhì)心C垂直地面軸線的轉(zhuǎn)動慣量;ω·r為汽車角加速度),即地面?zhèn)认蚍醋饔昧|(zhì)心C的力矩之和與慣性力矩平衡。由力矩平衡方程式可知,前輪抱死、后輪滾動時,后輪側(cè)向反作用力對質(zhì)心的矩FY2b,使圖4-25a中的汽車角速度減小,汽車趨于恢復(fù)直線行駛而處于穩(wěn)定狀況。第四節(jié)制動時汽車的方向穩(wěn)定性圖4-25汽車一根軸側(cè)滑時的運(yùn)動狀況a)前軸側(cè)滑b)后軸側(cè)滑圖4-25b所示為后軸側(cè)滑,即后輪抱死而前輪滾動的運(yùn)動情況。這時FY2≈0,前輪地面?zhèn)认蚍醋饔昧Y1

對C點(diǎn)的力矩增大了汽車角速度,汽車在一定條件下可能出現(xiàn)難以控制的急劇轉(zhuǎn)動。因此,后軸側(cè)滑是一種不穩(wěn)定的、危險(xiǎn)的工況。第四節(jié)制動時汽車的方向穩(wěn)定性上面是直線行駛條件下的制動試驗(yàn),在彎道行駛時進(jìn)行的制動試驗(yàn)也會得到類似的結(jié)果,即只有后輪抱死或后輪提前抱死,在一定車速條件下,后軸才將發(fā)生側(cè)滑。另外,只有前輪抱死或前輪先抱死時,因?yàn)閭?cè)向力系數(shù)為零,不能產(chǎn)生任何地面?zhèn)认蚍醋饔昧?汽車無法按原彎道行駛而沿切線方向駛出,即失去轉(zhuǎn)向能力。因此,從保證汽車方向穩(wěn)定性的角度出發(fā),首先不能出現(xiàn)只有后軸車輪抱死或后軸車輪比前軸車輪先抱死的情況,以防止危險(xiǎn)的后軸側(cè)滑;其次,盡量少出現(xiàn)只有前軸車輪抱死或前、后車輪都抱死的情況,以維持汽車的轉(zhuǎn)向能力。最理想的情況就是防止任何車輪抱死,前、后車輪都處于滾動狀態(tài),這樣就可以確保制動時的方向穩(wěn)定性。第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系對于一般汽車而言,根據(jù)其前、后軸制動器制動力的分配、載荷情況及道路附著系數(shù)和坡度等因素,當(dāng)制動器制動力足夠時,制動過程可能出現(xiàn)如下三種情況:1)前輪先抱死拖滑,然后后輪抱死拖滑。2)后輪先抱死拖滑,然后前輪抱死拖滑。3)前、后輪同時拖死拖滑。上節(jié)已指出:情況1)是穩(wěn)定工況,但在制動時汽車喪失轉(zhuǎn)向能力,附著條件沒有充分利用(分析詳見后);情況2)中,后軸可能出現(xiàn)側(cè)滑,是不穩(wěn)定工況,附著系統(tǒng)利用率也低;而情況3)可以避免后軸側(cè)滑,同時前轉(zhuǎn)向輪只有在最大制動強(qiáng)度下才使汽車失去轉(zhuǎn)向能力,較之前兩種工況,附著條件利用情況較好。

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(shè)計(jì)汽車制動系必須妥善處理的問題。一、地面對前、后車輪的法向反作用力在分析前、后制動器制動力分配比例以前,必須先了解在制動時地面作用于前、后車輪的法向反作用力。圖4-26所示為在水平路面上制動時汽車的受力圖。圖中忽略了汽車的滾動阻力偶矩、空氣阻力以及旋轉(zhuǎn)質(zhì)量減速時產(chǎn)生的慣性力偶矩。此外,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φ0。由圖4-26對后輪接地點(diǎn)取力矩得式中,FZ1為地面對前輪的法向反作用力(N);G為汽車重力(N);b為汽車質(zhì)心至后軸中心線的距離(m);m為汽車質(zhì)量(kg);hg為汽車質(zhì)心高度(m);du/dt為汽車減速度(m/s2)。第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系對前輪接地點(diǎn)取力矩得式中,FZ2為地面對后輪的法向反作用力;a為質(zhì)心至前軸中心線的距離。令du/dt=zg,z稱為制動強(qiáng)度,則可求得地面法向反作用力為若在不同附著系數(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),此時FXb=Fφ=Gφ或du/dt=φg。地面作用于前、后輪的法向反作用力為第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系式(4-7)、式(4-8)均為直線方程。圖4-27中給出了BJ1041和BJ213汽車前、后輪法向反作用力隨減速度與四輪均抱死后隨地面附著系數(shù)變化的情況。由圖可知,當(dāng)制動強(qiáng)度或附著系數(shù)改變時,前、后輪法向反作用力的變化是很大的。例如,BJ1041汽車,當(dāng)ab=0.7g時,亦即φ=0.7時,前輪法向反作用力增加了53.1%,而后輪減少了34.2%。圖4-26制動時的汽車受力圖第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系圖4-27制動時地面對前、后輪法向反作用力的變化第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系二、理想的前、后制動器制動力分配曲線前已指出,制動時前、后車輪同時抱死,對附著條件的利用、制動時汽車的方向穩(wěn)定性均較為有利。此時的前、后輪制動器制動力Fμ1和Fμ2的關(guān)系曲線,常稱為理想的前、后輪制動器制動力分配曲線。在任意附著系數(shù)φ的路面上,前、后車輪同時抱死的條件是:前、后輪制動器制動力之和等于附著力,并且前、后輪制動器制動力分別等于各自的附著力,即第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系由式(4-11)畫成的曲線,即為前、后車輪同時抱死時前、后輪制動器制動力的關(guān)系曲線———理想的前、后輪制動器制動力分配曲線,簡稱Ⅰ曲線。第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系一般可用作圖法直接求得I曲線。先將式(4-10)中第一式按不同φ值(φ=0.1,0.2,0.3…)作圖畫在圖4-28上,得到一組與坐標(biāo)軸成45°的平行線;再對式(4-10)中第二式按不同φ值(φ=0.1,0.2,0.3…)代入,也作圖于圖4-28上,得到一組通過坐標(biāo)原點(diǎn)、斜率不同的射線。這兩組直線中,對于某一φ值,均可找到兩條直線,這兩條直線的交點(diǎn)便是滿足式(4-10)中兩式的Fμ1

值和Fμ2值。把對應(yīng)于不同φ值的兩直線交點(diǎn)A,B,C…連接起來,便得到I曲線。曲線上任一點(diǎn)代表在該附著系數(shù)路面上前、后制動器制動力應(yīng)有的數(shù)值。第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系圖4-28理想的前、后制動器制動力分配曲線第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系由此可見,只要給出汽車的總質(zhì)量(或汽車的重力)、汽車的質(zhì)心位置(a、b和hg),就能作出I曲線。應(yīng)當(dāng)提出,I曲線是制動踏板力增長到前、后車輪同時抱死拖滑時的前、后制動器制動力的分配曲線。車輪同時抱死時,Fμ1=FXb1=Fφ1,Fμ2=FXb2=Fφ2,所以I曲線也是車輪同時抱死時Fφ1和Fφ2

的關(guān)系曲線。還應(yīng)進(jìn)一步指明,汽車前、后制動器制動力常不能按I曲線的要求來分配。制動過程中常是一根車軸的車輪先抱死,隨著制動踏板力的進(jìn)一步增加,接著另一根車軸的車輪抱死。顯然,I曲線還是前、后輪都抱死后的地面制動力FXb1與FXb2,即Fφ1

與Fφ2的關(guān)系曲線。第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系三、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為一固定值。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),并以符號β表示,即式中,Fμ1為前制動器制動力;Fμ

為汽車總制動器制動力,Fμ=Fμ1+Fμ2,Fμ2

為后制動器制動力。第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系若用Fμ2=B(Fμ1)表示,則Fμ2=B(Fμ1)為一條直線,此直線通過坐標(biāo)原點(diǎn),且其斜率為這條直線稱為實(shí)際前、后制動器制動力分配線,簡稱β線。圖4-29中給出了相當(dāng)于BJ1041貨車的β線,同時還給出了該貨車空載和滿載時的I曲線。該車的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表4-5。圖中β線與I曲線(滿載)交于B點(diǎn),此時的附著系數(shù)值為φ0=0.786。我們稱β線與I曲線交點(diǎn)處的附著系數(shù)為同步附著系數(shù),所對應(yīng)的制動減速度稱為臨界減速度。同步附著系數(shù)是由汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的、反映汽車制動性能的一個參數(shù)。第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系圖4-29相當(dāng)于BJ1041貨車的β線與Ⅰ曲線第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系同步附著系數(shù)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。同步附著系數(shù)也可用解析法求得。設(shè)汽車在同步附著系數(shù)路面上制動,此時前、后輪同時抱死,則將式(4-10)代入式(4-12),得第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系四、前、后制動器制動力具有固定比值的汽車在各種路面上制動過程的分析利用β線與I曲線的配合,就可以分析前、后制動器制動力具有固定比值的汽車在各種路面上的制動情況。為了便于分析,先介紹兩組線組———f線組與r線組。f線組是后輪沒有抱死,在各種φ值路面上前輪抱死時的前、后地面制動力關(guān)系曲線;r線組是前輪沒有抱死而后輪抱死時的前、后地面制動力關(guān)系曲線。普通轎車在制動踏板力逐漸加大時,常有后輪沒有抱死而前輪先抱死這樣的過程;有的空載貨車在制動踏板力逐漸加大時,會出現(xiàn)前輪沒有抱死而后輪先抱死的過程。第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系先求f線組。當(dāng)前輪抱死時有這就是在不同φ值路面上只有前輪抱死時的前、后地面制動力的關(guān)系式。顯然,當(dāng)前、后輪都抱死后,式(4-14)也成立,只是此時的后輪地面制動力也已經(jīng)達(dá)到后輪附著力的數(shù)值。第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系以不同φ值代入式(4-14),即得到f線組,如圖4-30所示。從式(4-14)可以看出,此線組與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)為,而與φ值無關(guān)。應(yīng)指出,FXb2為負(fù)值時已是地面驅(qū)動力,此處不再討論。圖4-30

f線組與r線組第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系當(dāng)FXb2=0時,FXb1=φGb/(L-φhg)。利用此式可求出在不同φ值時相應(yīng)的FXb1值,即線組與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)a,b,c…。根據(jù)汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)的具體數(shù)值,可以知道此情況下的總地面制動力FXb=FXb1+0=FXb1,FXb<φG,即后輪未抱死。隨著FXb1與FXb2的增加,FXb也增加,最后f線組與I曲線相交。如前所述,I曲線也是前、后車輪都抱死后的Fφ1與Fφ2的關(guān)系曲線。因此,相交點(diǎn)處的FXb1+FXb2=Fφ1+Fφ2=φG,后輪也抱死。由此可見,I曲線以上的f線組已無意義(參看圖4-31)。再求r線組。當(dāng)后輪抱死時有第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系代入FXb=FXb1+FXb2,并經(jīng)整理得式(4-15)即為在不同φ值路面上只有后輪抱死時的前、后地面制動力的關(guān)系式。

顯然,當(dāng)前、后輪都抱死后,式(4-15)也成立,只是此時的前輪地面制動力也已經(jīng)達(dá)到前輪附著力。第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系用不同的φ值代入式(4-15),即得r線組。由式(4-15)可知,r線組與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)為,而與φ值無關(guān)。當(dāng)FXb1=0時,FXb2=φGa/(L+φhg)。由此,可求出不同的φ值時對應(yīng)的FXb2值,即r線組與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)a′,b′,c′…。顯然,這些點(diǎn)對應(yīng)的總地面制動力FXb=0+FXb2<Gφ,即前輪未抱死。隨著FXb1

的增加及相應(yīng)地FXb2

的稍稍減少,FXb增加,最后,r線組與I曲線相交。相交點(diǎn)處的FXb1+FXb2=φG,前輪也抱死,故I曲線以下的r線段已無意義(參看圖4-31)。顯然,對于同一φ值下f線組與r線組的交點(diǎn)A,B,C…,既符合FXb1=φFZ1,又符合FXb2=φFZ2,所以這些交點(diǎn)便是前、后車輪都(包含同時)抱死的點(diǎn)。因此,連接A,B,C…各點(diǎn)的曲線也就是前面討論過的I曲線。第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系下面利用β線、I曲線、f線組和r線組分析汽車在不同φ值路面上的制動過程。如圖4-31所示,為了便于說明問題,以早年生產(chǎn)的載重2.5t躍進(jìn)牌NJ130貨車為例,其同步附著系數(shù)為φ0=0.39。圖中還畫出了FXb1與FXb2之和為0.1G,0.2G,0.3G,…的45°斜直線組。同一條斜線上的點(diǎn)均有同樣大小的總地面制動力FXb,相應(yīng)的制動減速度也是常數(shù),即為0.1g,0.2g,0.3g,…,故此45°斜直線組稱為“等地面制動力線組”或“等制動減速度線組”。分析制動過程時,常利用此線組來確定制動過程中的總地面制動力與制動減速度du/dt的數(shù)值。應(yīng)指出,這個線組就是式(4-10)中的第一式按不同φ值作出的45°斜直線組。第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系圖4-31不同φ值路面上汽車制動過程的分析第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系1)當(dāng)φ<φ0時,設(shè)φ=0.3,則制動開始時,前、后制動器制動力Fμ1、Fμ2按β線上升。因前、后車輪均未抱死,故地面制動力FXb1和FXb2也按β線上升。到A點(diǎn)時,β線與φ=0.3的f線相交,前輪開始抱死,制動減速度為0.27g。此時的地面制動力FXb1、FXb2已符合后輪沒有抱死而前輪先抱死的狀況。駕駛員如繼續(xù)增加制動踏板力,FXb1、FXb2將沿f線變化,前輪的地面制動力FXb1不再等于Fμ1,但繼續(xù)制動,前輪法向反作用力增加,故FXb1沿f線稍有增加。但因后輪未抱死,所以當(dāng)制動踏板力增大,Fμ1、Fμ2沿β線上升時,FXb2仍等于Fμ2而繼續(xù)上升。當(dāng)Fμ1、Fμ2至A′點(diǎn)時,f線與I曲線相交,此時后輪達(dá)到抱死所需的地面制動力FXb2(也就是后輪的附著力),于是前、后車輪均抱死,汽車獲得的減速度為0.3g?？梢?β線位于I曲線下方,制動時總是前輪先抱死。前面已經(jīng)指出,前輪先抱死雖是一種穩(wěn)定工況,但喪失轉(zhuǎn)向能力。第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系2)當(dāng)φ>φ0時,設(shè)φ=0.7,如圖4-31所示,開始制動時,前、后車輪均未抱死,故前、后輪地面制動力和制動器制動力一樣均按β線增長。到B點(diǎn)時,β線與φ=0.7的r線相交,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0.6g。從B點(diǎn)以后,再增加制動踏板力,FXb1、FXb2將沿φ=0.7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(dāng)Fμ1、Fμ2沿β線增長時,始終有FXb1=Fμ1。當(dāng)Fμ1、Fμ2到B′點(diǎn)時,r線與Ⅰ曲線相交,FXb1達(dá)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0.7g?？梢?β線位于I曲線上方,制動時總是后輪先抱死,因而容易發(fā)生后軸側(cè)滑而使汽車失去方向穩(wěn)定性。3)φ=φ0時,不言而喻,在制動時汽車的前、后輪將同時抱死,此時的減速度為φ0g,即0.39g,也是一種穩(wěn)定工況,但也失去轉(zhuǎn)向能力。第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系五、利用附著系數(shù)與制動效率為了防止后軸側(cè)滑和前輪失去轉(zhuǎn)向能力,汽車在制動過程中最好既不出現(xiàn)后軸車輪先抱死的危險(xiǎn)工況,也不出現(xiàn)前軸車輪先抱死或前、后車輪都抱死的工況。所以,應(yīng)當(dāng)以即將出現(xiàn)車輪抱死但還沒有任何車輪抱死時的制動減速度作為汽車能產(chǎn)生的最高制動減速度。從上面的分析可知,若在同步附著系數(shù)的路面上制動,則汽車的前、后車輪將同時達(dá)到抱死的工況,此時的制動強(qiáng)度z=φ0,φ0為同步附著系數(shù)。在其他附著系數(shù)的路面上制動時,達(dá)到前輪或后輪抱死前的制動強(qiáng)度比路面附著系數(shù)要小,即不出現(xiàn)前輪或后輪抱死的制動強(qiáng)度必須小于地面附著系數(shù),也就是z<φ。因此可以說,只有在φ=φ0的路面上,地面的附著條件才得到較好的利用。而在φ<φ0或φ>φ0的路面上,出現(xiàn)前輪或后輪提前抱死情況時,地面附著條件均未得到較好的利用。這一點(diǎn)從上面分析的例子中可以看出。這個結(jié)論也常常這樣來描述:汽車以一定減速度制動時,除去制動強(qiáng)度z=φ0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(qiáng)度。第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系式中,FXbi為對應(yīng)于制動強(qiáng)度z,汽車第i軸產(chǎn)生的地面制動力;FZi為制動強(qiáng)度為z時,地面對第i軸的法向反作用力;φi為第i軸對應(yīng)于制動強(qiáng)度z的利用附著系數(shù)。顯然,利用附著系數(shù)越接近制動強(qiáng)度,地面的附著條件發(fā)揮得越充分,汽車制動力分配的合理程度越高。通常以利用附著系數(shù)與制動強(qiáng)度的關(guān)系曲線(圖4-32)來描述汽車制動力分配的合理性。最理想的情況是利用附著系數(shù)總是等于制動強(qiáng)度這一關(guān)系,即圖4-32中的對角線(φ=z)。圖4-32中給出了與圖4-31所示同一貨車的利用附著系數(shù)與制動強(qiáng)度曲線。應(yīng)當(dāng)指出,前、后制動力分配曲線(圖4-29與圖4-31)與利用附著系數(shù)曲線是一一對應(yīng)的。例如,具有理想制動力分配的汽車,其利用附著系數(shù)就是對角線(φ=z)。為了定量說明這一點(diǎn),我們引進(jìn)利用附著系數(shù)的概念,又稱為被利用的附著系數(shù),其定義為第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系下面分別求出前輪或后輪提前抱死時,前軸和后軸的利用附著系數(shù)。設(shè)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,則有同理,后軸的利用附著系數(shù)可求得如下:第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系圖4-32利用附著系數(shù)與制動強(qiáng)度的關(guān)系曲線第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系由圖4-32可以看出,z=0.39時,前、后軸利用附著系數(shù)均為0.39,即無任何車輪抱死所要求的(最小)地面附著系數(shù)(實(shí)際上為剛要抱死)為0.39,這就是這一貨車的同步附著系數(shù)。在φ<φ0的路面上,前輪提前抱死;在φ>φ0的路面上,情況正好相反,后輪提前抱死。由圖4-32中還可以看出,空車時φr全在45°對角線上面,所以實(shí)際上汽車總是出現(xiàn)后輪先抱死的工況,φr曲線就是汽車的利用附著系數(shù)曲線,而且此時利用附著系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于制動強(qiáng)度,汽車的制動力分配是不合理的。第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關(guān)系通常還用制動效率的