防抱死制动系统应用研究及参数设计

林 瑾

(无锡商业职业技术学院，江苏 无锡 214153)

防抱死系统(ABS)最早应用在飞机上，后来逐步使用在汽车、摩托车上，成为了这些交通工具的主动安全设施之一. 它的主要功能是可以有效提高各类交通工具的制动性能，降低交通事故发生的几率. 据“中国工业新闻网”报到，47%以上的摩托车事故是由于制动不正确或不及时而造成的. 2016年，欧洲将对所有排量超过50ml的摩托车强制配备ABS.

1 防抱死系统应用原理

驾驶人员一般都知道，在行驶过程中刹车尽量不要一脚踩死，应该分步刹车. 但当遇到紧急情况的时候，人的自然反应会对车辆进行急刹. 急刹时，如果没有ABS，当制动力超过路面最大附着力时，车轮与路面之间趋于打滑，会发生抱死的现象. 此时，原先的滚动摩擦变为滑动摩擦，制动力迅速下降. 同时如果前车轮抱死，会使车辆失去转向能力，如果后车轮抱死，车辆会左右甩尾，速度快的时候会出现调头等易造成严重交通事故的现象.

ABS可以通过安装在车轮或者传动轴上的传感器来检测前后车轮的转速，并计算出车轮实时的滑移率，将之与理想的滑移率(15%～20%)比对，从而发出增大或减小制动器制动压力的指令，命令执行机构及时调整制动压力，使车轮处于理想的制动状态，不会出现抱死不转的现象，有效提高汽车的制动性能和稳定性能[1]57-58，[2]8-22.

2 机械式防抱死系统结构参数设定

ABS分为机械式和电子式两种，电子式的性能较好，但价格较贵. 因此，从经济性考虑，应用于摩托车上可选择机械式ABS(MABS). 下面对MABS的结构特征和参数设定进行分析研究.

2.1 结构介绍

图1所示节流瞬时稳压式ABS是我国MABS最具代表性的类型之一[3]21-31. 它的壳体由铝合金制成，进油通道位于顶部P1处，出油通道位于侧面P2处. 壳体上方有一活塞，活塞内部有倒F形状孔，此孔为调节制动力大小的关键. 活塞下方设置了弹簧组，起到预紧调节的作用. 当刚开始制动时，制动力小于弹簧预设的控制力，MABS不起作用，制动液从进油通道进入壳体，从活塞下方横向通道流至出油通道. 当制动力增大超过预设控制力时，活塞推动弹簧下行，此时活塞孔与出油通道错位，出油通道节流，P1处压力继续增大，推动弹簧继续下行，直至活塞上方横向通道与出油通道相通，制动液可以流通，壳体上方输入压力下降. 弹簧弹力超过输入制动力，弹簧推动活塞上下振荡，MABS输出压力产生波动，从而可达到防止制动力过大而出现车轮抱死的现象.

为了保证制动液不会泄露，在活塞中部设置了密封圈，它跟随活塞做上下运动，与出油通道口产生摩擦，因此较容易损坏，甚至会影响出油通道的畅通，这就造成了此类MABS在使用过程中最常见的失效形式之一.

要避免这一现象，可将活塞与壳体内表面设计为紧配合，将密封圈安装位置移至活塞下方，避免其与出油口接触，如此设计可以有效改善以上弊端.

图1 节流瞬时稳压式ABS

2.2 参数设计

2.2.1 制动时受力分析

摩托车在水平路面上行驶的受力分析如图2所示(忽略滚动阻力、空气阻力以及减速时惯性力矩等)，根据平衡方程可得[4]4-23：

图2 摩托车水平路面上行驶时受力分析图

G=N1+N2；F=X1+X2；X1=N1×φx

(1)-(3)

X2=N2×φx；G=N1+N2；G×L2+F×h=N1×L

(4)-(6)

(7)

(8)

式中，G——摩托车、驾驶人等总重量；L——前后轮中心距离；L1、L2——前后车轮中心至质心的水平距离；

N1、N2——前后车轮受到地面的法向反力；h——摩托车质心高度；φx——车轮与地面的附着系数；

F——摩托车惯性力.

从公式(7)(8)中可见，若摩托车质心位置不变，前轮所受法向反力大小由附着系数φx确定.φx越大，前轮法向反力越大，后轮法向反力越小.

2.2.2 制动压力计算

若摩托车前车轮半径为r，其摩擦力矩大小为：M=X1×r=N1×φx×r

(9)

(10)

式中，μ——摩擦片与制动盘间摩擦系数(可选0.35～0.4之间)；

F′——摩擦片与制动盘间的压紧力；r1——制动盘有效半径；

r2——制动钳活塞半径；p——制动器制动压力

车轮正常转动，未抱死时，M=M′

(11)

(12)

2.2.3 弹簧预紧力计算

弹簧是MABS内部非常重要的零件，它的选择和安装会直接影响制动效果.

弹簧预紧力P=p×S

(13)

式中，S——控制器阀芯有效面积

由式(12)可见，若摩托车行驶中质心位置不变，那么影响制动器制动压力的就是车轮与地面的附着系数[5]31-34. 但行驶过程中质心会发生变化，若质心前移，前轮受到的制动力要增大，此时刹车会增大摩托车制动的距离；反之，前轮受到的制动力减小，刹车时前轮可能会抱死. 据此，在设置MABS预紧力的时候要适当考虑摩托车质心位置的变化，根据变化量的情况设置修正系数，对预紧力进行调整，以适应更多情况.

修正后的预紧力P′=λ×p×S

(14)

式中，λ——修正系数

3 实例

选择110cc排量的摩托车作为研究对象，其满载在沥青(干)路上行驶，制动系统为前碟后鼓，计算摩托车前轮刹车盘最佳预紧力. 相关参数如下：G=2 250 N；L1=0.81 m；L=1.24 m；h=0.52 m；r1=0.11 m；r2=0.017 m；r=0.23 m；活塞直径d=0.01 m；μ取值0.38；沥青(干)路上摩托车轮胎与地面的峰值附着系数φx=0.8.

先不考虑质心的变化情况，假定其为固定位置，根据公式(7)可以计算出：

根据公式(12)可计算出：

考虑到制动过程中摩托车的质心会发生变化等情况，需要给出修正系数，使MABS在使用过程中可以适应多种情况.

为保证前轮有足够的制动力，一般取β理论=0.73来设计制动系统.

修正后的预紧力P′=λ×P=1.074×292=313.61N

根据计算结果预设弹簧预紧力为313.61N，此时车轮不抱死的最大制动压力为3.72 MPa. 由此结果可知，在制动压力小于3.72 MPa时，MABS不参与调节，刹车盘正常工作. 若制动压力超过了3.72 MPa，MABS开始工作，调节制动器的制动压力处于3.72 MPa上下波动，有效避免车轮出现抱死现象，确保摩托车获得较好的制动效果.

4 结论

将ABS应用在摩托车领域可以提高驾驶中的安全系数，这是今后摩托车行业需要改进的一个重要方面. 考虑到摩托车的生产成本不宜大幅度增加，优先使用MABS对其进行改进. 选用改良的节流瞬时稳压式ABS，对其主要参数进行优化设计，并将此应用在实际情况中，有效改善现阶段普遍存在的问题.

[1] 温金中.装有防抱死制动系统(ABS)车辆的制动性能检测[J].山西交通科技, 2002(03).

[2] 韩继光. 车辆ABS系统最大纵向附着系数估计算法研究[D]. 昆明：昆明理工大学,2007.

[3] 黄永益.摩托车机械式ABS的结构研究与设计[D].杭州：浙江大学，2007.

[4] 陈长生.机械基础[M].北京：机械工业出版社,2005.

[5] 魏 朗,郭荣庆. ABS道路试验项目及评价方法分析[J].山东交通学院学报, 2002(02).