汽车防滑控制系统的安全性

赵 春

（遵义职业技术学院，贵州 遵义563123）

0 引 言

车辆在高速行驶过程中所发生的严重行车交通事故一般均与车辆失控有关，汽车侧滑是导致车辆失控的主要原因，据资料统计证明，车速在80～100km／h时所发生车祸的40%与汽车侧滑失控有关，而车速超过160km／h时所发生车祸则几乎100%与汽车侧滑失控有关.汽车在加速、转向或制动时，决定汽车行为特征的主要外力均来自地面，当轮胎与地面之间的摩擦力出现异常时，便有可能出现车辆侧滑.

为了防止汽车各种工况下产生侧滑，汽车底盘上设置了各种控制系统，以协调车轮与地面之间的运动，平衡汽车运动过程中的整体力学关系，如汽车的防抱死制动系统、驱动防滑系统和稳定性控制系统等.

图1 汽车制动时受力状态

图2 附着系数与滑动率

1 汽车防抱死制动系统的安全性

汽车在制动减速过程中所受外力如图1所示，所谓制动减速即是车辆受到地面制动力Fxb作用而改变运动状态的运动过程，当地面制动力没有达到附着极限时，汽车制动效果的好坏受到制动系统本身的制约，而当地面制动力达到附着极限以后，制动效果将取决于地面制动力极限值所具有的特性.由于车辆紧急制动时地面制动力一般都将达到极限，所以该极限制动力会对制动效果产生决定性影响.地面制动力是地面与轮胎之间的摩擦力，因此具有摩擦力的一般特性.即当汽车惯性力较小时，地面摩擦力未达到极限值，它可随车辆惯性力Fj的增大而增加；但当汽车惯性力达到一定数值后，地面摩擦力将达到极限值，以后不再继续增大.按照摩擦力的物理特性可知，这时的最大地面制动力：

式中：Fxbmsx——地面制动力的最大值

Fz——作用在车轮上的法向载荷

φ——附着系数

由此可知，在紧急制动情况下，若欲缩短制动距离或增大制动减速度，必须设法增大Fxbmsx，显然，提高附着系数φ可以实现此目的.

实验证明，附着系数受到车轮相对于地面的运动方式影响，其变化规律如图2所示，即纵向附着系数最大值φp一般出现在滑动率S＝15%～25%之间，滑动率S达到100%（车轮抱死）时的附着系数（也称滑动附着系数）φs小于峰值附着系数φp.一般情况下，（φpφs）随道路状况的恶化而增大，即滑动附着系数φs会远远低于φp.而横向附着系数φl在S＝100%时趋于0，即这时车轮无法从地面获得横向摩擦力.若这种情况出现在前轮上，即前轮抱死通常会导致汽车丧失转向能力；若这种状况出现在后轮上，则后轮抱死，此时后轴极易产生剧烈的侧滑，使汽车处于危险的失控状态.

综上所述，理想制动系统的特性应当是：当汽车制动时，将车轮滑动率S控制在峰值系数滑动率（即S＝20%）附近，这样既能使汽车获得较高的制动效能，又可保证它在制动时的方向稳定性.汽车防抱死制动系统（anti－lock braking system简称ABS）能在制动过程中随时监控车轮的滑转程度，通过自动调节车轮上的制动力矩，防止车轮抱死.它不仅能避免车轮发生侧滑，而且能够缩短制动距离，减少轮胎磨损.

2 汽车驱动力控制系统的安全性

汽车行驶时，驱动力取决于发动机的输出转矩，但又受到驱动轮附着力的限制，而附着力的大小取决于路面的附着系数.对于雨雪、湿滑的路面，发动机过大的输出转矩将会引起驱动轮打滑，从而破坏了车辆行驶的稳定性.在汽车行驶过程中，时常会出现车轮转动而车身不动，或者汽车的移动速度低于驱动轮轮缘速度的情况，此时，意味着轮胎接地点与地面之间出现了相对滑动，这种滑动称为驱动轮的“滑转”，它区别于汽车制动时车轮抱死而产生的车轮“滑移”.驱动车轮的滑转，同样会使车轮与地面的纵向附着力下降，从而使得驱动轮上可获得的极限驱动力减小，最终导致汽车的起步、加速性能和在湿滑路面上的通过性能下降.同时还会出现横向摩擦系数几乎完全丧失，使驱动轮上出现横向滑动，随之产生汽车行驶过程中的方向失控.

驱动力控制系统（traction control system，简称TRC或TRAC）又称驱动轮防滑转调节（anti－slip regulation，简称ASR）系统，它是继防抱死制动系统（ABS）之后，为了适时地根据行驶条件来调节发动机驱动力，设置在汽车上专门用来防止驱动轮起步、加速和在湿滑路面行驶时驱动轮滑转的电子驱动力调节系统.他可以在驱动状态下，通过计算机帮助驾驶员实现对车轮运动方式的控制，以便在汽车的驱动轮上获得尽可能大的驱动力，同时保持汽车驱动时的方向控制能力，改善了燃油经济性，减少了轮胎磨损.

与ABS相似，驱动轮防滑转控制系统仍然以滑动率作为控制目标，由于后者只需对驱动轮进行控制，顾此时滑动率的表达式可写为：

式中：S——驱动滑动率；

UL——驱动轮轮缘速度；

Ua——汽车车身速度，实际应用时常以非驱动轮轮缘速度代替.

当车身未动（Ua＝0）而驱动车轮转动时，S＝100%，车轮处于完全滑转状态；当UL＝Ua时，S＝0，驱动车轮处于纯滚动状态.ASR系统的电子控制器可以根据各车轮上的转速传感器信号，适时计算出各车轮的滑动率S.当S值超过预先设定的界限值时，电子控制器就会向ASR执行装置输出控制信号，抑制或消除驱动车轮上的滑转.

3 汽车车身稳定控制系统的安全性

电子稳定程序（ESP）是博世公司对车身稳定控制系统的称谓.汽车车身稳定控制系统是近年来在ABS和ASR等系统基础上发展而成的，用以提高汽车在复杂路面上的以操纵稳定性为目的专门控制系统，对于提高车辆在极限行驶工况下的主动安全性能具有重要意义.它不仅能包括ASR等功能，可以控制驱动力和制动力，而且可以控制从动轮，可以分别独立控制每个车轮，从而可以“纠正”更危险的车辆不稳定状况.

汽车行驶稳定性主要受到轮胎与地面之间的附着特性影响，车轮在地面上所受到的切向力和侧向力决定了汽车的行为方式，由汽车理论可知，切向力（制动力或驱动力）Fx与侧向力Fy的附着特性表现为图3所示的近似椭圆曲线关系.侧向力与轮胎产生的侧偏角有关，小侧偏角时两者呈线性关系，大侧偏角却表现出非线性特性，极限状态下侧向力几乎不随侧偏角的增加而增加（图4）.由此可知，当汽车处于剧烈转向状态时，由于轮胎侧偏角明显增大，侧向力与侧偏角之间已经出现明显的非线性倾向，转向盘转角半径之间的线性关系已不复存在，经验的驾车感觉不再能够准确地控制车辆、甚至在极端情况下，车轮可能已经出现侧向滑动，导致出现车辆急转（spin out）失控现象.

图3 地面切向力对侧偏的影响

图4 侧向力与侧偏角的关系

车身稳定控制系统通过控制发动机输出转矩和转矩分配，以及独立控制制动器的制动力矩，实现对四个车轮上切向力Fx的调整，以此形成补偿车辆行驶稳定性的偏转力矩，从而达到避免出现车辆发生急转或冲出弯道的目的.

车身稳定控制系统能够在提高汽车制动效能和改善驱动性能的基础上，改进汽车在各种道路条件和工况下的操纵响应特性，即保持车辆操纵的可预测性，保证车辆在转弯制动或驱动条件下的稳定性和可控性，并将车辆在极限操纵状态下的横摆角速度和侧偏角限制在能够掌握的范围内，防止其出现过大的不足转向或过多转向.还能有效降低汽车侧翻的可能性.

4 结束语

随着电子技术的迅速发展，主动安全技术发展很快，一辆汽车的安全性，必须要首先看其主动安全性.从某种程度上讲，它比被动安全性更重要，因为它时时刻刻都用得上，而被动安全性只有在发生事故时才起一定作用.可以这么说，能够防患于未然的主动安全性，是汽车安全性的根本，汽车防滑控制系统的安全性也体现出了其的重要性.

［1］陈家瑞.汽车构造［M］.北京：机械工业出版社，2005

［2］何效先.汽车底盘构造与维修［M］.北京：中国农业出版社，2004

［3］陈志恒，等.汽车电控技术［M］.北京：高等教育出版社，2010

［4］陈亚新.如此购车最聪明［M］.北京：机械工业出版社，2012