ABS汽车制动距离分析与计算

乔宗贵 张玉禄

摘 要：运用功能概念，对汽车防抱死制动系统（ABS）的作用及ABS汽车的紧急制动过程进行了分析，报据功能原理。提出了ABS汽车在平路、上坡、下坡3种不同道路上制动距离的计算方法和公式。分析表明：ABS能防止车轮被制动抱死。提高汽车制动时的方向稳定性和转向操纵能力;ABS汽车在滑动率为15～20时获得最大制动力系数。制动距离最短。汽车总质量与制动距离无直接关系。计算方法和结果适合各种ABS汽车。在汽车制动性能分析和公路交通安全分析方面具有实用性。

关键词：汽车工程;ABS汽车;制动距离;功能原理;计算方法

ABS汽车是指装有防抱死制动系统（Antilock Braking System）的汽车，简称ABS汽车。汽车制动距离是指对行驶中的汽车实施紧急制动，从踏制动踏板开始到完全停车为止，汽车所驶过的路程。即汽车需要紧急停车时，其行车制动系所能实现的最小停车行程。它与行车安全有直接关系，在汽车制动中最有直观意义，是评价汽车制动性能的重要指标，历来是交通和交警部门验车的主要检测项目。在一定的条件下，汽车制动距离具有一定的理论计算数值。ABS汽车在制动时其前后车轮都处于边滚边滑状态，其制动距离如何计算呢？笔者先分析ABS的作用和ABS汽车的制动过程，然后根据功能原理，建立其制动距离的计算方法和公式。

1 ABS的作用分析

汽车在制动过程中：如果只是前轮“抱死”滑移，而后轮还有滚动，汽车将丧失转向能力;如果只是后轮“抱死”滑移，而前轮还有滚动，汽车将产生甩尾现象;当所有承载车轮同时抱死滑移时，在直路上容易产生侧滑，甚至掉头，在弯路上不能转向。这些都极易造成严重的交通事故。因此在制动过程中，首先不能出现只有后轴车轮抱死或后轴车轮比前轴车轮先抱死的情况，以保证汽车方向稳定性，防止危险的后轴侧滑;其次尽量少出现只有前轴车轮抱死的情况，以维持汽车的转向能力;最理想的情况是制动力矩不增加到将任何车轮完全抱死滑移，而保持前后车轮恰到好处地边滚边滑，直到停车，这样就可以确保汽车制动时的方向稳定性和转向操纵能力。ABS就是为了这个目的而研制的一种安全制动装置。它在制动过程中能控制车轮滑动率，防止车轮被制动抱死，提高汽车的方向稳定性和转向操纵能力。根据摩擦学中静摩擦因素大于动摩擦因素的原理，ABS还能提高路面制动力，缩短汽车制动距离。在汽车制动过程中，若令路面制动力与垂直载荷之比为制动力系数，其值不仅与路面和轮胎的材料及状态有关，还与它们之间的滑动率有关：当S=100时，轮胎对路面是完全滑移的动摩擦因素，制动力系数称为滑动附着系数;当S=15～20时，轮胎对路面是临界滑移的静摩擦因素，由试验可知，此时制动力系数会出现最大值，称为峰值附着系数伽，此时路面制动力也相应最大，同等条件下制动距离最短;当小于15时，轮胎与路面是无滑动的静摩擦，制动力系数小于，且只与制动器的制动力有关。由于ABS汽车制动时前后车轮在路面上是边滚边滑，轮胎的摩擦和散热条件改善，使用寿命延长;对于雨水和泥泞路面，还可减少轮胎楔水和滑水现象。总之，ABS能多方面改善汽车制动条件。理想的ABS应促使各承载车轮的滑动率同步增大，并能控制其最大滑动率，让每个车轮均能利用峰值附着系数，做到既保障汽车制动时方向稳定，又实现制动距离最短。目前在某些轿车、大客车和重型货车上已装备了ABS。事实上所有汽车都可以装配ABS，使其制动性更好，行车更安全。

2 ABS汽车制动过程分析

ABS汽车在紧急制动前具有很大的惯性动能，其整体具有平动动能，车轮和其它转动部件，由于绕定轴转动，不仅具有平动动能，本身还有转动动能。制动过程中：汽车平动动能必须靠外力消耗，而其转动动能主要是由自身不转动的制动摩擦片吸收（制动蹄上摩擦片对制动鼓的摩擦力做功产生热能，小部分克服滚动动能，剩下的大部分用来平衡路面制动力，控制车轮滑动率）。汽车前进方向所受的外力主要是路面摩擦阻力，上下坡时还有重力沿坡面方向的下滑力，它们在制动距离上所做功的代数和等于汽车制动前所具有的平动动能。ABS汽车在制动全过程都存在滚动，车轮滚动时有滚动阻力和前轮前束阻力，汽车前进时有空气阻力，它们都对制动有利，但随机性大，难以有效表达，且影响较小。为了简便，计算时暂不计入。

3 下坡制动距离计算方法

ABS汽车下坡制动时，道路摩擦阻力与汽车下滑力两者之差在制动距离上所做的功等于汽车制动前所具有的平动动能。同理可得：汽车在t1和t2时间内功能原理方程和下坡总制动距离Sd（m）分别为：

式（1）-式（3）中：vd0为上坡制动初速度（km/h），但式（1）、（2）中为m/s）;vd1为t1阶段末速度（m/s）;Sd1和Sd2分别为t1和t2时间内下坡制动距离。根据不同参数值，按式（3）计算汽车相应的下坡总制动距离Sd如表1。

4 结语与讨论

由以上分析可知：ABS汽车制动前具有的惯性动能，制动中所受的外部阻力和所经历的制动过程虽与同时抱死制动汽车无本质区别，但在持續制动阶段，增加了路面阻力系数与车轮滑动率S有关的因素;并非所有ABS汽车都能缩短制动距离，只有当持续制动阶段车轮滑动率为15～20，可取峰值附着系数纷时，同等条件下路面摩擦阻力最大，其制动距离才最短。计算方法表明：ABS汽车制动距离与制动初速度的二次函数成正比，与路面阻力系数成反比，同时与制动力增加时间和道路坡度有关;与汽车总质量无直接联系，该方法适用各种汽车。ABS汽车制动距离分析与计算可为汽车制动系统设计提供理论依据。其计算方法和结果可供汽车制动性能分析和公路交通安全分析参考。