汽车防抱死制动系统的分析

杨章林

（滁州职业技术学院，安徽 滁州 239000）

引言

随着汽车的迅速普及，对汽车的安全性能提出了更高的要求。汽车在行驶中，经常需要进行制动，受道路条件、汽车载荷、实施制动的作用力等因素影响，在很多情况下很难获得最佳的制动效果。尤其在紧急制动时，很容易出现不恰当制动导致车轮完全抱死的情况，造成重大交通事故。目前在汽车中广泛采用的防抱死制动系统（ABS），使人们对制动安全性的要求得到进一步的满足[1]。

一、制动时车轮的运动状态分析

分析车轮的运动状态我们需要了解滑移率的概念，汽车制动时与地面产生摩擦力，在摩擦力的作用下才能产生减速作用。制动时车轮速度降低，在车速与轮速之间产生一个速度差。车速与轮速之间存在着速度差称为滑移现象。滑移的大小用滑移率表示，其公式如下[2]：

根据这个公式，能够分析车轮在制动过程中主要经历的三种运动状态。第一种为车轮与地面之间作纯滚动状态，此时车轮的速度与车身的速度是相等的，对应的滑移率为0，此时产生滑动摩擦；第二种为车轮与地面之间作纯滑动状态（即轮速为0），此时车轮被抱死，对应的滑移率为100%，产生滑动摩擦；第三种为车轮与地面之间作边滑边滚状态，滑移率介于前二者之间。其中车轮抱死是一种危险的状态，图1为车轮抱死时运动状态。

图 1汽车制动车轮抱死时的运动情况

当车辆直线行驶车轮抱死时，车辆出现了制动跑偏或甩尾侧滑的现象；当车辆弯道行驶仅前轮抱死时，车辆会出现失去转向能力的现象，无法进行正常的转向操作。当车辆弯道行驶仅后轮抱死时，车辆就会出现甩尾侧滑的现象。

二、制动时的力学分析

汽车制动时，随着制动踏板的踩下，制动器形成了制动力矩。同时，轮胎和地面之间的地面摩擦力使车轮产生一个与制动力矩相反方向旋转的力矩，此力矩称为车轮转矩。汽车制动时，影响车轮旋转的主要因素是制动力矩和车轮转矩。如图2所示。车轮转矩大小取决于车轮载荷W、车轮半径r和制动附着系数μB。即车轮转矩=μBWr。

图2 制动力矩和车轮转矩

当制动力矩比车轮转矩大时，轮速会降低，当制动力矩比车轮转矩小时，轮速会增加，车轮的制动力矩在这个过程中产生了很大的作用，由上面的公式可知，影响制动力矩的大小与很多因素有关，其中制动附着系数尤为重要。附着系数越大，地面制动力越大、能在较短的制动距离内使汽车停下。而附着系数又分为二种情况，第一种情况为横向附着系数。它能影响左右地面的制动力，当左右地面制动力不等时，绕汽车质心产生一个旋转力矩，会使制动跑偏。第二种情况为侧向附着系数，它影响车轮的侧滑摩擦力，和横向摩擦力不同的是它作用在车轮横方向上，可以使车轮产生侧向力和转弯力。如图3所示，直线行驶时，侧向力与横向干扰力平衡，维持车子直线行驶；汽车转弯时，前轮在侧滑摩擦力的作用下会产生转弯力，它能克服离心力的作用维持汽车的转向运动。

图3 汽车直线和转弯制动时的平面受力简图

一般来说，侧向力影响汽车的转向性能，侧向力越大汽车的方向稳定性越好；转弯力影响汽车的安全操作性，转弯力越大，操纵性越好。反之，侧向力和转弯力很小或消失时，汽车不受驾驶员的控制，会发生重大事故。比如，汽车在冰雪道路上制动时，会发生跑偏或甩尾现象。因此横向和纵向附着系数同时影响汽车的安全行驶。

三、防抱死的控制

通过上面的分析，汽车在制动过程中如果想实现安全有效的制动，就必须把附着系数和滑移率联系起来。大量的实验证明，在汽车的制动过程中，附着系数的大小是随着滑移率的变化而变化。[3]图4是附着系数与滑移率之间的关系。

图4 附着系数与滑移率的关系

如图4所示为在干燥路面上时附着系数与滑移率的关系。对于纵向附着系数，随着滑移率的迅速增加，并在S=20%左右时，纵向附着系数最大，此时可以保持最大的纵向制动力，制动距离就会减小；如果滑移率进一步增加，当s=100%时，即车轮抱死时，纵向附着系数有所下降，纵向制动力减小，制动距离会增加，制动效能下降。而对于横向附着系数，S=0%时，横向附着系数最大，此时可以获得汽车转向和防止横向侧滑所需要的侧向附着力；然后随着滑移率的增加，横向附着系数逐渐下降，并在S=100%，即车轮抱死时横向附着系数下降为零。此时车轮即将完全丧失抵抗外界侧向力作用的能力。如果存在侧向力干扰（如路面不平产生的侧向力、汽车重力的侧向分力、侧向风力等），汽车会失去转向能力，并且产生侧滑，甚至侧翻。因此，车轮抱死将导致制动时汽车的方向稳定性变差。

从以上分析可知，制动时车轮抱死，制动效果和制动方向的稳定性都将迅速恶化。想要获得最理想的制动状态，就必须同时兼顾横向和纵向附着系数，不能片面的顾及一个方面。如果制动时将车轮的滑移率控制在20%左右，此时纵向附着系数最大，可得到最好的制动效能；同时横向附着系数也保持较大值，使汽车也具有良好的制动方向稳定性。转向前轮不抱死，就能使车辆不会失去操纵转向能力；车轮不抱死，也防止了轮胎局部磨损的不良现象发生。

四、结论

综上所述，汽车在制动过程中，为了防止车轮抱死带来的危害，可以通过监测和控制滑移率来实现。通过制动压力调节器对制动压力进行调节，实现“保压-减压-增压”过程的循环，即当有车轮趋于抱死时，ABS进入制动压力保持阶段，如果车轮进一步趋于抱死，控制制动压力减小，使车轮抱死状态解除，然后再增加制动压力，往复循环，直到车速减小到很低或者制动主缸的压力不再使车轮趋于抱死为止。

[1]柯愈志.现代汽车防抱死（ABS）技术[M].成都:四川科技术出版社,2000：3.

[2]齐志鹏.汽车制动系统的结构原理与检修[M].北京.人民邮电出版社,2002.

[3]张红伟.汽车底盘构造与维修[M].北京.高等教育出版社,2007：6.