汽车防抱死制动系统对制动距离的影响

孙建涛,刘浪,崔洋

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 511434)

0 引言

近年来 ，中国汽车保有量不断增加，但道路交通死亡人数一直在下降。汽车保有量从1995年的0.1亿台升到2012年的1.2亿台，增长了12倍；但交通事故数从27万起降低到20万起，降低了26%。这不仅是由于道路限速和禁止酒驾等法律规定，同时也与汽车防抱死制动系统ABS安装普及率息息相关，大大提高了主动安全性。

发生事故时，被动安全系统通过使用诸如侧面碰撞保护、安全带预紧器和安全气囊等系统来保护乘客，并减少事故的后果，而主动安全系统则可防止和避免事故的发生：防止发生或降低撞击速度。

主动安全最重要的方面之一是通过优化制动和制动距离性能来预防事故。

1 ABS对车轮滑移率的影响分析

ABS在汽车制动时，根据车轮滑移率自动调节制动器的压力和制动力的大小，使车轮不被抱死，处于边滚边滑的状态最佳，以充分利用车轮与地面的附着力。ABS具有缩短制动距离、保持制动时可转向性、增强制动时车身稳定性三大作用。

ABS对车轮滑移率的控制，基础是对制动器制动力的控制。根据BOSCH在1978年发表的关于滑移率的基本算法以及车轮动力学，可知车轮的制动力矩取决于轮胎和地面的附着系数，而附着系数主要与轮胎的效率有关。车轮滑移率在制动情况下定义为：

λ=(v-ωR)/v

式中：λ为车轮滑移率;v为车速;ω为车轮角速度;R为轮胎滚动半径。

当车轮滑移率为1时，车轮角速度为0，处于抱死纯滑动状态;当车轮滑移率为0时，车轮处于纯滚动状态[2]。根据车轮滑移率与路面附着系数的关系，当车轮滑移率在一定范围内，能达到轮胎附着系数的最大值，即车辆能达到最大的制动减速度。

1.1 车轮附着系数与滑移率占比关系

最佳的制动距离通过轮胎达到最大的路面附着系数来实现。 除绝对制动距离外，滑动直方图是可以评估ABS控制器控制质量的一种方法。 图1显示了在干沥青路面以0～100 km/h的制动作用下，通过稳定的ABS控制在10～80 km/h的主减速阶段中车轮滑移率的变化，通过测试得到轮胎滑移率和附着系数曲线，并对各滑移率占比进行统计。

图1 车轮附着系数与滑移率占比的变化曲线

由图可知，在最大可传递纵向力的范围内，滑移率占比越多，ABS控制器在制动过程中对轮胎潜力的利用就越好，而ABS的质量就越好，同等条件下，能得到最优的制动距离。

1.2 不同路面的车轮滑移率与附着系数关系

当驾驶员开始制动时，随着制动力矩增加，制动器力矩也随着增加，车轮角速度开始下降，车轮滑移率也开始上升，由图2的轮胎特性可以看出：随着滑移率的上升，附着系数也开始上升[3]。在达到最大峰值附着系数以前，车轮处于稳定的区域内，这时制动器制动力与地面附着力达到平衡，制动器制动力与地面的附着力成正比。

图2 不同路面的车轮滑移率与附着系数关系

1.3 车轮横向和纵向附着系数关系

在比较湿滑的路面上全力制动时，制动器制动力则要超过地面最大附着力，这时，如果制动器制动力不能及时减小时，车轮则完全处于轮胎特性曲线的不稳定区域，车轮会很快抱死。在高速湿滑路面上制动抱死时，路面附着系数会大大小于峰值处的附着系数，这样车轮制动力大大减小。而在转弯情况下，抱死车轮会使轮胎横向力迅速减小，如图3所示，这样车轮的稳定性很容易丧失。

图3 车轮纵向和横向附着系数关系

2 ABS控制原理

ABS的主要任务是确保轮胎在最佳滑移范围内以最大的纵向制动力传递，以确保ABS制动距离性能，以及可以在各种轮胎以及具有不同摩擦因数表面上的最佳滑移范围内实现车轮的稳健调节[4]，从而可以在最佳附着力附近敏感地调节车轮打滑。ABS控制器不仅需要保证在均匀的路面条件下实现最佳的制动距离，还应在不同条件变化的情况下，保证最短的制动距离，需要考虑的路面变化和路面状况包括：凸起和凹坑，路面不平整，砾石，摩擦因数的变化以及车轮两侧的不同摩擦因数。 车辆造成的影响包括：例如改变制动摩擦因数，轮胎的温度特性，车辆的负载状况，驾驶员对制动系统的不同应用(起始坡度、作用力)，ABS控制器可以满足车重在一定范围的变化，并能很好地适应制动系统的要求。此外，ABS控制逻辑还包括确保转弯时在稳定性和减速之间取得最佳平衡的功能。

图4显示了ABS控制器的减速原理，控制器可以在不同的摩擦因数下利用各种轮胎的最佳附着力。

图4 ABS控制器减速原理

ABS触发后，后继的ABS循环，在开始的增压阶段要有较小的增压速率，因为这时车轮处于轮胎特性的稳定区域，有较大的纵向力和横向力，要尽量使该运动保持久些，增压速度应减小，但太小的增压速率将会导致过长时间的增压，使车轮处于较小的路面附着系数，导致制动距离增加，所以应有一个适当的增压速度。当车轮由保压变换为增压时，第一次增压要有适当的大小，这样做可以使系统很快达到最佳附着系数90%左右。

如果在开始制动后，车辆的俯仰和制动扭矩的建立相互精确地协调，则可以通过将地面附着力逐渐增加到车轮的摩擦力，从而使轮胎的附着系数在最佳范围内长时间调节，车轮在附着系数的稳定范围内长时间运动。 如果轮胎能够在接近制动后尽可能地长时间保持在附着系数的稳定范围内运动，那么通过精细的ABS标定可以获得最佳的制动距离，而无需考虑不断变化的车辆影响和环境条件。然而，这种变化通常很难控制，无法在变化的条件下保证最佳的制动距离，比如在制动过程中，对于车轮俯仰过程中的制动力损失，会导致ABS控制难度加大，进而降低ABS的控制效率，给驾驶员产生的主观感觉，即车辆的制动器被松开。

为了获得在各路面的最佳制动距离，需要充分利用轮胎附着系数特性。除有足够的制动器制动力获得足够的制动力矩外，ABS对轮胎滑移率的控制至关重要，为获得最佳的制动距离，一般车轮滑移率控制在10%～20%之间。

有了ABS的电子控制，驾驶员不用担心车轮的抱死状态，所需要做的就是保持踩踏制动踏板，提供足够的制动器制动力，使车轮快速达到ABS触发条件，让ABS系统接管，以便精确控制，达到最优的制动距离。

3 结束语

ABS作为制动系统重要的安全部件，自诞生以来对车辆的安全性能明显提升，特别在缩短制动距离方面，树立了安全的旗帜。通过配备ABS，无须驾驶员进行控制，ABS控制器会通过精细计算，精确对每一个车轮进行制动控制，保持每个车轮在最佳的滑移率范围，最大限度地利用轮胎与地面的附着系数，进而尽可能地缩短制动距离，提升车辆的安全性能。