基于不同路面下坡制动对汽车稳定性分析

熊藜，曹明月，杨森淼，陈前彬

（重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆 400074）

引言

汽车在下坡行驶过程中，制动性能的好坏是评价汽车安全性能的重要评价指标。在长下坡制动过程中，有时会出现制动跑偏、后轴侧滑或者前轴失去转向能力致使汽车失去控制。引起这些情况的因素包括：汽车左右车轮（尤其是前轴）制动器制动力不相等、悬架导向杆系与转向系拉杆相互干涉、地面制动力、轮胎侧偏刚度等。在不同的地面附着系数上，引起前后车轮垂直载荷的变化从而导致车轮不同的抱死顺序对汽车稳定性的影响。

1 汽车在下坡制动时的前后轮力学分析

在下坡路段，汽车的制动性能不仅受制动器所发出的的制动力与制动器所作用的时间的制约，它还受到轮胎与地面附着条件的限制。而地面制动力决定于地面附着系数与驱动轮的法向反力的作用。如图1 所示为汽车在下坡路面上制动时的受力图。

图1 汽车下坡制动受力图

图中，G 为汽车载重重力；i 为道路坡度角；L 为车身长度，a 为质心距前轴的距离，b 为质心距后轴的距离；Fw 为空气阻力；Fzw1、Fzw2为前后轮空气升力；Fz1、Fz2为前后轮法向反力；Tjw1、Tjw2为作用在前后车轮上的惯性阻力偶矩；Tf1、Tf2为前后轴滚动阻力偶矩；Txb1、Txb2为前后车轮所受到的地面制动力。

利用力学分析，分别对前后车轮与地面接触点中心建立力矩平衡方程式，可以得到：

2 制动跑偏的力学分析

2.1 汽车制动跑偏的原因

汽车制动跑偏的原因主要有两个，一是汽车左右轮的制动器制动力不相等，从而导致汽车偏离原来的行驶方向。其二就是悬架杆系与转向系拉杆的干涉，当汽车在紧急制动的情况下，前轴会沿着行驶的方向向前旋转一定的角度θ，由于球头销连接着纵向方向的转向拉杆的约束作用，使得转向节上节臂上的球头销不能随着前轴转动的角度向前移动，从而使得拉杆产生弹性形变，导致转向节臂相对于主销向右偏转，造成跑偏。

2.2 防范制动跑偏的基本方法

针对跑偏防范措施可以从设计上面入手，将转向节上节臂处的球头销安装位置下移，当前钢板弹簧旋转相同角度时，可以减少球头销的位移量，同时在增强钢板弹簧的强度的基础上可以使得这种跑偏现象消除。

3 前后轮抱死拖滑顺序对侧滑的影响

3.1 前后轮抱死拖滑顺序对侧滑的作用

如图2 所示，假定在方向盘不转动的情况下，汽车突然受到一个侧向力的作用使得汽车前轴发生侧向滑动，此时前轴中心A 的速度与汽车纵轴产生一个夹角，而后轴中心B 的速度与纵轴方向一致，从而使得整车会绕着瞬时回转中心O作瞬时回转运动。由于前轴出现侧滑，因此前轴的侧向力几乎为零，根据刚体平面运动微分方程，后轴侧向力Fy2对整车中心的力矩Fy2b=-Izwr，使得汽车回转运动的角速度减少，汽车恢复原来的直线行驶状态趋于稳定；对于汽车后轮侧滑，后轴的侧向力约为零，前轮侧向力对质心的矩增大了汽车的角速度，加剧后轴侧滑的可能性。

图2 左：前轴侧滑运动状况（右：后轴侧滑运动状况）

3.2 不同路面附着系数下制动过程的分析

汽车在下坡制动过程中，车轮同时抱死对汽车的稳定性与地面附着率均是最高的，但实际制动过程中只有在一种情况下前后车轮才会出现同时抱死。此时地面的附着系数为同步附着系数。

图3 以一辆BJ1041 货车的结构参数，作出f 与r 线组、β 线与I 曲线分析汽车在不同ψ 值路面上的制动过程。其中，I 曲线的获得是根据前后车轮同时抱死时前后制动器制动力之和等于地面附着力，同时前后轮前后轮制动器制动力等于各自的附着力，即：

得到理想的前后制动器制动力分配曲线，同时求出的ψ0=0.716。实际路面上制动器制动力分配线是根据分配系数β获得的一条直线。f 线组是在后轮未抱死时，前轮在各种路面上抱死时前、后地面制动力的关系曲线；r 线组则是在前轮未抱死的情况下所获得的曲线。

图3 不同ψ值路面上制动过程分析

图中给出了0.1、0.2、0.3、0.8f 线组，0.2、0.8、0.9、1.0r 线组。1）当汽车在路面附着系数ψ＜ψ0时，以ψ=0.2 为例，制动开始后，前后地面制动力与制动器制动力均随着β线上升，当到达A 点后，前轮达到了抱死的状态，则前后轮地面制动力会随着0.2f 线上升；随着制动踏板力的增大，当0.2f 线与I 曲线相交A1 点时，后轮达到了抱死所需要的地面制动力，此时达到最大的制动减速度0.2g，汽车始终处于稳定工况，但前轮会失去转向能力，对于下坡制动的汽车若前方遇到大的障碍物是不利的。2）当地面附着系数ψ＞ψ0时，以ψ=0.8 为例，制动开始后，前后地面制动力与制动器制动力会按照上述相同的规律变化，不同的是β 线会率先与0.8r线相交于B 点，后轮达到了抱死的状态，此后地面制动力会随着0.8r 线变化，直到0.8r 线与I 曲线相交于B1 点，达到前轮抱死的条件，此时最大的制动减速度为0.8g，汽车在后轮抱死后的过程中会一直处于一种危险工况下。

4 不同路面附着系数的制动效率

图4 前后制动效率曲线

评价制动时地面制动力附着情况，根据制动效率描述地面附着条件的利用程度，其定义为不发生任何车轮抱死时的最大制动强度于地面附着系数的比值。图4 为前后轮抱死时实际的制动效率，当ψ=0.2，满载时前轮制动效率为0.82，说明在不抱死的情况下制动减速度只有0.164g。

5 结语

汽车下坡制动造成汽车跑偏与侧滑是发生安全事故致命的敌人，因此驾驶者只有在掌握好不同工况下出现侧滑与跑偏的原因，才能有效作出应对措施。