第四章汽车的制动性

汽车理论（PowerPoint版）版权所有者：南航赵又群 1

第四章汽车的制动性预备知识汽车制动系的功能、组成、构造及工作原理。

中心思想首先介绍制动性的基础知识（概念、评价指标、动力学分析），然后指出传统的制动性设计中存在的问题，最后通过现代设计方法解决问题。


引言几个概念1. 汽车制动性？2. 汽车制动系（已学）？3. 制动系工作原理（已学）？

制动性的重要性1. 汽车的主要性能之一。2. 直接关系到交通安全。重大交通事故往往与制动距离太大、紧急制动时发生侧滑等情况有关，故汽车制动性是汽车行驶安全的重要保障。3. 改善汽车的制动性，始终是汽车设计制造和使用部门的重要任务。


第一节制动性的评价指标制动效能制动性最基本的评价指标？制动效能的恒定性制动器设计时的重要问题？制动时汽车的方向稳定性汽车按给定路径行驶的能力？P71 ：轿车制动规范对行车制动器制动性的部分要求


第二节制动时车轮的受力思考题从力学的角度，回答汽车在制动时，哪些因素导致减速直至停车；哪些因素起到了决定性作用，为设计和使用汽车提供理论指导。本节应掌握的内容1. 车轮在制动时的受力图。2. 影响汽车地面制动力的主要因素。


2.1 地面制动力车轮在制动时的受力情况，见右图。 1. 取决于制动器内制动摩擦片与制动鼓（制动盘）间的摩擦力。2. 取决于轮胎与地面间的附着力。


2.2 制动器制动力制动时，车轮周缘克服制动器摩擦力矩所需的力，称为制动器制动力。

制动器制动力与制动踏板力的关系曲线，见右图。

rT

F


2.3 地面制动力、制动器制动力与附着力之间的关系

ZXbmax

ZXb

FF

FFF

＝

＝


2.4 硬路面上的附着系数汽车制动过程，胎面留在地面上的印痕从车轮滚动到抱死拖滑是一个渐变的过程，即纯滚动、边滚边滑、完全拖滑。


2.4 硬路面上的附着系数


2.4.1 滑动率

从上图可以看到，当滑动率在 0.2 左右具有峰值特性。

100%u

rusw

wr0w －＝


2.4.2 制动力系数与侧向力系数


2.4.3 制动的稳定区与非稳定区

稳定区在峰值滑动率左侧，近似线性增长。路面附着力能跟随汽车制动力矩的增加，提供足够的地面制动力(矩 ) ，并且，此时的横向附着系数也较大，具有足够的抗侧滑能力，故一般称为稳定区。

非稳定区在峰值滑动率左侧，滑动率 s从峰值增长到 100 ％几乎是瞬间完成的（大约在 0.1s ）。在 S达到 100 ％时，纵向附着系数大约降低1 ／ 3—1／4 。更为严重的是，横向附着系数接近于零。从而，不但将增加汽车的停车制动距离，并使车辆丧失了抗侧滑能力，故一般称为不稳定区。


2.4.4 路面对制动力系数的影响


2.4.5 车速对制动力系数的影响


2.4.6 胎面、路面对附着系

数的影响（七六页）


2.4.7 滑水现象在某一车速下，在胎面下的动水压力的升力等于垂直载荷时，轮胎将完全漂浮在水膜上面而与路面毫无接触， B区、 C 去不复存在。这就是滑水现象。


第二节结束！第二节结束！


第三节制动效能及其恒定性思考题根据驾驶员的操纵特点，整个制动过程可以分为几个阶段？本节应掌握的内容1. 影响制动效能的主要因素。2. 影响制动效能恒定性的主要因素。


3.1 制动距离与制动加速度一、制动距离1. 定义：在某一车速时，从驾驶员开始操纵制动控制装置（制动踏板）到停车为止所驶过的距离。2. 影响因素：制动踏板力、附着系数、汽车载荷、发动机是否结合 3. 试验要求：制动踏板力、附着系数、汽车状态做规定。4. 设计要求：轿车、轻型货车车速高，制动效能高；重型货车车速低，要求稍低一些。


3.1 制动距离与制动减速度二、制动减速度1. 定义：2. 影响因素：制动器制动力（车轮滚动时）、附着力（车轮抱死拖滑时）。3. 不同路面上的减速度、平均减速度

dtdu

GF bXb ga bb max

dttatt

at

t 2

112

1


3.2 制动距离的分析一、制动过程1. 驾驶员反应时间（ 0.3-1.0s ）

2. 制动器作用时间（ 0.2-0.9s ）

3. 持续作用时间4. 放松制动器时间（ 0.2-1.0s ）？


3.2 制动距离的分析二、制动距离决定汽车制动距离的主要因素是：制动器起作用的时间、最大制动减速度即附着力（或最大制动器制动力）以及起始制动车速。

2422

22max

max

20

02

232

j

juusss


3.2 制动距离的分析三、 20世纪 90年代轿车制动性水平


3.3 制动效能的恒定性一、抗热衰退性不仅与有关，还与制动器的结构形式有关。常用图 4-16说明制动器效能及稳定程度。二、制动效能因数单位制动轮缸推力 Fp所产生的制动器摩擦力 F。

pef F

FK rT

F R －制动鼓半径


3.3 制动效能的恒定性三、抗水衰退性涉水行驶，因水的润滑作用使摩擦系数下降，使制动效能降低，称水衰退。经过若干次制动可短时间内迅速恢复原有的制动效能。四、气阻在汽车下长坡多次连续制动时，使制动系统中的制动液产生高温，在制动管路形成气泡，影响液压能的传递，使制动效能降低，甚至造成制动实效，这种现象称为气阻。


第三节结束！


第四节制动时汽车方向稳定性思考题就你所知，汽车制动时可能出现的危险有哪几种？本节应掌握的内容1. 概念：制动时汽车的方向稳定性、制动跑偏、后轴侧滑、前轴失去转向能力2. 影响制动稳定性的主要因素。


4.1 制动跑偏一、定义：二、主要原因：1. 制造、调整误差造成的？2. 设计造成的？


4.1 制动跑偏制造、调整误差造成的左、右制动器制动力不等


4.1 制动跑偏制动力不相等度对制动跑偏的影响

%100

b

lbr F

FFF


4.1 制动跑偏后轮抱死时制动力不相等度对制动跑偏的影响


4.1 制动跑偏设计造成的悬架导向杆系与转向系拉杆运动干涉


4.2 后轴侧滑、前轴失去转向


4.2 后轴侧滑、前轴失去转向A 曲线 : 前轮无制动力而后轮有足够制动力B 曲线 : 后轮无制动力而前轮有足够制动力


4.2 后轴侧滑、前轴失去转向试验总结： 1) 制动过程中，若是只有前轮抱死或前轮先抱死拖滑，汽车基本上沿直线向前行驶 ( 减速停车 ) ；汽车处于稳定状态，但丧失转向能力。 2) 若后轮比前轮提前一定时间 ( 如对试验中的汽车为 0.5s 以上 ) 先抱死拖滑，且车速超过某一数值 ( 如试验中的汽车车速超过 48km/h) 时，汽车在轻微的侧向力作用下就会发生侧滑。路面越滑、制动距离和制动时间越长，后轴侧滑越剧烈。



t－后轴开始拖滑的时间为什么是湿路面上制动的危险初速度？


4.2 后轴侧滑、前轴失去转向从保证汽车方向稳定性的角度出发，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，以防止危险的后轴侧滑；其次，尽量少出现只有前轴车轮抱死或前、后车轮都抱死的情况，以维持汽车的转向能力。理想的情况就是防止任何车轮抱死，前、后车轮都处于滚动状态，这样就可以确保制动时的方向稳定性。


第四节结束！


第五节前、后制动器制动力的比例关系思考题1. 在什么情况下，汽车才能最大限度的利用地面提供的附着力，并安全行驶？2. 请解释前、后制动器制动力分配的比例将影响汽车制动时的方向稳定性和附着条件的利用程度？本节应掌握的内容1. 概念：制动强度、 I 曲线、曲线、同步附着系数、利用附着系数、制动效率。2. 对前、后制动器制动力分配的要求。


第五节前、后制动器制动力的比例关系对于一般汽车而言，根据其前、后轴制动器制动力的分配、载荷情况及道路附着系数和坡度等因素，当制动器制动力足够时，制动过程可能出现如下三种情况，即： 1)前轮先抱死拖滑，然后后轮抱死拖滑。 2) 后轮先抱死拖沿，然后前轮抱死拖滑。 3)前、后轮同时抱死拖滑。


5.1 地面对前后车轮的法向反作用力忽略 Tf、 Fw 以及旋转质量减速时产生的惯性力偶矩。且忽略制动时车轮边滚边滑的过程，附着系数只取一个定值。

zgdtdu

dtdu

gh

aLGF

dtdu

gh

bLGF

gz

gz

2

1

制动强度 z ：


5.1 地面对前后车轮的法向反作用力若在不同路面上制动，前、后轮都抱死，此时

gz

gz

haLGF

hbLGF

2

1 GFFXb 则或

gdtdu


5.1 地面对前后车轮的法向反作用力按上式，可以分析四轮均抱死时，地面对前、后轮法向反作用力的变化，如右图。


5.2 理想的前后制动器制动力分配曲线

22

11

21

z

z

FF

FF

GFF

或

2

1

2

1

21

z

z

FF

FF

GFF

Fz1 、 Fz2

g

g

hahb

FF

GFF

2

1

21 消去

11

22 2

421

FhGbF

GLh

bhGF

g

g

g


5.2 理想的前后制动器制动力分配曲线

ghbaGFFF ,,,,122


5.2 理想的前后制动器制动力分配曲线由此可见，只要给出汽车的总质量 ( 或汽车的重力 ) 、汽车的质心位置 (a、 b 、 hg) ，就能作出I 曲线。应指明：汽车前、后制动器制动力常不能按 I 曲线的要求来分配。制动过程中常是一根车轴的车轮先抱死，随着踏板力的进一步增加，接着另一根车轴的车轮抱死。显然， I 曲线还是前、后轮都抱死后的地面制动力 FXb1、 FXb2 的关系曲线。


5.3 具有固定比值的前、后制动器制动力分配曲线与同步附着系数

21

11

FF

FFF

＋＝

121

FF

曲线：


5.3 具有固定比值的前、后制动器制动力分配曲线与同步附着系数

同步附着系数：线与 I 曲线相交于 B点，交点处的附着系数为，所对应的制动减速度称为临界减速度是由汽车的结构参数决定的、反映汽车制动性能的一个参数。

0 g

g

hahb

FF

2

1

12

1

FF

ghbL

0


5.3 具有固定比值的前、后制动器制动力分配曲线与同步附着系数利用线与 I 曲线的配合，就可以分析前、后制动器制动力具有固定比值的汽车在各种路面的制动情况。先介绍两组线组： f 线组是后轮没有抱死，在各种路面上前轮抱死时的前、后地面制动力关系曲线；r 线组是前轮没有抱死而后轮抱死时的前、后地面制动力关系曲线。普通轿车在制动中踏板力逐渐加大时，常有后轮没有抱死而前轮先抱死这样的过程；有的空载货车在制动中踏板力逐渐加大时，会出现前轮没有抱死而后轮先抱死的过程。


5.3 具有固定比值的前、后制动器制动力分配曲线与同步附着系数先求 f 线组。当前轮饱死时：


5.3 具有固定比值的前、后制动器制动力分配曲线与同步附着系数再求 r 线组。当后轮饱死时：


5.4 不同附着系数路面上制动过程分析


5.5 利用附着系数与制动效率一、利用附着系数：

汽车以一定减速度制动时，除去制动强度。以外，不发生车轮抱死所要求的 ( 最小 ) 路面附着系数总大于其制动强度。为了定量说明这一点，引进利用附首系数的概念，又称为被利用的附着系数。


5.5 利用附着系数与制动效率一、利用附着系数：

zi

Xbii F

F＝

汽车以一定制动减速度制动时，防止车轴上车轮抱死所需的轮胎－地面附着系数。

gf zhb

zL

gr zha

zL

1


5.5 利用附着系数与制动效率

具有理想的制动力分配的汽车，其利用附着系数就是制动强度。


5.5 利用附着系数与制动效率无任何车轮抱死所要求的 ( 最小 ) 地面附着系数 ( 实际上为刚要抱死 ) 为 0.39 ，这就是这一货车的同步附着系数。在小于 0.39 的路面上，前轮提前抱死，曲线无意义，汽车的利用附着系数应取所确定的曲线。在大于 0.39 的路面上，情况正好相反。因为利用附着系数总是大于或等于制动强度的故也可以根据利用附着系数在 45o 对角线的上方或下方，来判断并选取汽车的利用附着系数曲线，即应选取在对角线上方的曲线作为汽车利用附着系数曲线。

rf


5.5 利用附着系数与制动效率

z E

被利用的附着系数强度车轮将要抱死时的制动

LhLbzE

gfff /

/

LhLazE

grrr /1

/

利用右图，（制动效率、附着系数、制动减速度）二者求第三？

二、制动效率：


5.5 利用附着系数与制动效率二、制动效率：制动效率描述：地面附着条件的利用程度，并说明实际制动力分配的合理性。制动效率定义为车轮不锁死的最大制动减速度与车轮和地面间摩擦因数的比值。

图 4—33 给出了制动效率曲线。当＝ 0.6 时，空载时后轴制动效率约等于 0.67 。这说明后轮不抱死时，汽车最多只利用可供制动的附着力的 67％，即其制动减速度不是 0.6g ，而只有0.6 X 0.67g = 0.402g 。


5.6 对前后制动器制动力分配的要求若按利用附着系数曲线来考虑，为了防止后轮抱死并提高制动效率，前轴利用附着系数曲线应总在 45O 对角线上方，即总在后轴利用附着系数曲线的上方，同时还应靠近图中的对角线 ( ＝ z) 。


5.6 对前后制动器制动力分配的要求


5.6 对前后制动器制动力分配的要求为确保汽车制动时的方向稳定性和提高制动效率，现代汽车采用防抱死装置或制动力调节装置。制动力调节装置，可改善制动器特性，可通过调节阀，改变前、后制动管路的压力，使线位于 I 曲线下方，并尽可能接近 I 曲线，以防后轮抱死。制动防抱死装置，是控制地面制动力，以获得比车轮抱死时，更大的纵向附着系数、侧向附着系数，从而使制动性能和转向性能都比前、后轮同时抱死更为有利。


5.6 对前后制动器制动力分配的要求对于具有固定比值的前、后制动器制动力的制动系特性，其实际制动力分配曲线与理想的制动力分配曲线相差很大，制动效率低，前轮可能因抱死而丧失转向能力，后轮也可能抱死面使汽车有发生后轴侧滑的危险。因此，现代汽车均装有比例阀或载荷比例阀等制动力调节装置，可根据制动强度、载荷等因素来改变前、后制动器制动力的比值，使之接近于理想制动力分配曲线，满足制动法规的要求。其制动力分配曲线的设计仍然考虑的是兼顾制动稳定性和最短制动距离但优先稳定性的原则，但是实际转折点的选择是复杂的，因为前面所讲的 I 曲线是简单的直线制动情况，实际的制动工况会使 I 曲线发生改变，例如发动机对制动的影响，转弯制动时左、右车轮载荷的转移等。所以．转折点的选第一般低于I 曲线，以保证有一定的稳定性的余地。


图 a 给出的是限压阀的制动力分配曲线，在其转折点后，由于后轮液压不变是一水平线，虽然分配线对空载基本是合适的，但仍有一小段是非稳定区，且满载时效率偏低。图 b 给出了比例阀的制动力分配曲线，在其转折点以后是一条斜线，和空载 [ 曲线的交点即同步附着系数超过了 0.82(ECE) ，既消除了不稳定区又提高了制动效率；但是满载时转折点下移会增加和 I 曲线的距离，降低制动的效率。图 c 给出了感载比例阀的制动力分配曲线，满载时转折点上移和满载的 I 曲线靠近，提高了制动效率。图 d 给出了感载射线阀的制动力分配曲线。图 e 中还画出了根据 ECE 要求计算得到的轿车制动力分配所要求的范围。可以看出， D.S.P.V. 能够满足 ECE法规的要求。


5.7 制动防抱死装置（ ABS ）汽车可能行驶在高附着系数的干燥路面上，也可能行驶于雨、雪气候条件下的湿滑路面。当汽车行驶在后一种路面上，或为了躲避障碍，或为了防止追尾碰撞作应急制动时，汽车有可能发生侧滑甩尾。如果左右车轮分别行驶在雪后一侧积雪路面和一侧已经清扫露出地面的路段上，或正行驶在弯道处，汽车有可能产生急转调头，或驶入逆行车道，或滑移出路面，呈现不稳定的失控状态。


5.7 制动防抱死装置（ ABS ）



防抱死制动控制循环与轮速变化图


5.7 制动防抱死装置（ ABS ）对于防抱系统来说，根据哪些运动参数来判断车轮即将抱死应该减压或抱死现象已消失需要重新加压制动是很重要的。一般常用的参数有：车轮角减 ( 加 ) 速度和滑动率、车轮角加速度与半径的乘积、汽车的参考车速和汽车的减速度等。图 4 － 41 为一重型货车防抱系统的特性。图上给出了随制动时间而变化的制动液压、当量车轮速度 ( 车轮角速度与半径的乘积 ) 、滑动率以及汽车车速等参数的变化情况。


注意：当量车轮加速度应改为速度

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