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安凯客车制动系优化设计及性能仿真 摘要 汽车制动系是汽车安全行驶的重要保障，改善汽车制动性能始终是汽车设 计制造的重要任务本文首先对制动系进行了系统的理论分析，建立了鼓式制 动器和盘式制动器力学模型，并阐述了各类制动器调节装置的结构以及工作原 理；然后。在理论分析的基础上建立了制动系优化设计数学模型，包括制动力分 配优化模型、鼓式制动器和盘式制动器优化模型；接着，通过对汽车在道路上 进行制动试验和在转鼓试验台上进行制动力检测的研究，建立了道路制动过程 和试验台检测过程的动力学模型，并利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件进行了 仿真；最后，以建立的数学模型，并根据安凯公司的实际需要，开发了安凯客 车制动性能优化仿真软件，该软件的开发成功大大提高了制动系设计人员的工 作效率。本文中利用所开发的软件对两款安凯客车进行了优化设计和仿真计算， 并通过试验对计算结果进行了验证，取得了满意的结果。本论文的研究对汽车 制动系统开发研究和改进具有一定的理论指导意义和实用价值。 关键字；汽车，制动器力学模型，制动力调节装置，制动系优化设计，制动试 验台，仿真 s t u d yo f a n k a i c o a c hb r a k i n gs y s t e mo p t i m i z a t i o n a n d b r a k i n gp e r f o r m a n c es i m u l a t i o n a b s t r a c t s i n c et h eb r a k es y s t e mi st h ev i t a lg u s r a n t e et ot h ev e h i c l es a f e t y , i m p r o v i n gt h e b r a k i n gp e r f o r m a n c ei st h ei m p o r t a n tt a s ko ft h ed e p a r u n e n to ft h ev e h i c l ed e s i g n a n dp m d l l c e a tf i r s t ，t h i st h e s i sa n a l y z e dt h eb r a k i n gs y s t e mt h e o r e t i c a l l y , t h e m e c h a n i c a lm o d e l so fb o t hd r u mb r a k ea n dd i s cb r a k ew a se s t a b l i s h e da n dt h e s t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fb r a k i n gf o r c er e g u l a t ef i t t i n gw a se x p o 岫d e d s e c o n d , b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s , b r a k i n gs y s t e mo p t i m i z a t i o nm a t h e m a t i c s m o d e l sw a se s t a b l i s h e d , i n c l u d i n g b r a k i n g f o r c ed i s t r i b u t i o n o 硼n l i z a t i o n m a t h e m a t i c sm o d e l s , d r u mb r a k ea n dd i s cb r a k eo p t i m i z a t i o nm a t h e m a t i c sm o d e l s t h i r d , o nt h eb a s i so fs t i i d y i n go l lb r a l d n gt e s tb o t ho nr o a da n dr o l l i n gb r a k i n g t e s t i n gp l a t f o r m , d y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e l so fb r a k i n gp r o c e d u r ew a sc o n d u c t e d , u s h gm a t i m b s i m u l i n k f i n a l l y , t h e 仪m l p 咖s o f t w a r ew a sd e s i g n e db a s e d o nt h em a t h e m a t i c sm o d e l sa n dr e q u i r e m e n to f a n k a i t h i ss o f t w a r ec a n i m p r e v et h e d e s i g ne f f i c i e n c yo fb r a k es y s t e mp e r s o n n e l i nt h i st h e s i s , u s i n gl h i ss o f l 3 v a r e , t h e b r a k es y s t e mo fa n k a ic o a c hw a so p t i m i z e da n ds i m u l a t i o nc a l c u l a t e d a n dt h e c a l c u l a t i o nr e s u l t sw e v a l i d a t e db yb r a k i n gt e s t i nb r i e f , t h es t u d yo ft h i st h e s i si s d i r e c t i v ea n dp 眦f i c a lf o rt h ed e s i g n o f b r a k i n gs y s t e m k e yw o r d ：a u t o m o b i l e , t h em e c h a n i c a lm o d e lo f b r a k e , b r a k i n gf o r c er e g u l a t ef i t t i n g , b r a k i n gs y s t e mo p t i m i z a t i o n , r o l u n gb r a k i n gt e s t i n gp l a t f o r m , s i m u l a t i o n 插图清单 图2 1 制动侧滑时的受力与运动。7 图2 2 制动过程。7 图2 3 气压制动系统简图。9 图2 4 理想制动力分配曲线1 0 图2 5 支承销式领蹄结构简图1 2 图2 6 浮式蹄的结构简图1 3 图2 7 浮式双增力蹄结构简图 1 5 图2 8 支承销式双增力蹄结构简图1 5 图2 9 限压阀结构与静特性。 1 6 图2 1 0 比例阀结构与静特性。1 7 图2 i l 感载限压阀静特性。1 8 图2 1 2 感载比例阀静特性1 8 图2 1 3 感载比例阀结构及控制原理 。1 9 图2 1 4m l 车辆利用附着系数法规界限2 0 图2 1 5n l 车辆利用附着系数法规界限2 1 图2 1 6 除m l 、n l 以外车辆利用附着系数法规界限2 l 图3 1 有效目标函数示意图2 4 图3 2 离散复合形算法的算法框图 图3 3 恒定制动力分配比制动压力静特性与实际制动力分配曲线2 7 图3 4 除m 、1 类的其他类车辆的制动力分配界线图。2 8 图3 5 恒定制动力分配比制动系空载工况的制动力分配界线图2 9 图3 6 附着效率曲线3 1 图3 7 效能因数计算参数示意图3 2 图3 8 卡钳与制动盘的结构关系图3 5 图3 。9 卡钳形盘式制动器的计算用图 3 6 图4 1 整车及轮胎的受力分析图4 l 图4 2 汽车制动系统仿真总体模型( 未装备a b s ) 4 8 图4 3 车辆动力学系统模块( 未装备a b s ) 4 8 图4 4 车轮动力学模块( 未装备a b s ) 4 9 图4 5 轮胎模型( 未装备a b s ) 4 9 图4 ，6 汽车制动系统仿真总体模型( 装备a b s ) 4 9 图4 7 车辆动力学系统模块( 装备a b s ) 5 0 图4 8 车轮动力学模块( 装备a b s ) 5 0 图4 9 轮胎模型( 装备a b s ) 5 0 图4 1 0 丘雒模型5 l 图4 1 l 车轮控制器模型5 l 图4 1 2 车速与前轮速仿真结果( 未装备a b s ) 5 2 图4 1 3 车速与后轮速仿真结果( 未装备a b s ) 5 2 图4 1 4 前轮滑移率仿真结果( 未装备a b s ) 5 3 图4 1 5 后轮滑移率仿真结果( 未装备a b s ) 5 3 图4 1 6 车速与前轮速仿真结果( 装备a b s ) 5 3 图4 1 7 车速与后轮速仿真结果( 装备a b s ) 5 4 图4 1 8 前轮滑移率仿真结果( 装备a b s ) 。5 4 图4 1 9 后轮滑移率仿真结果( 装备a b s ) 5 4 图5 1 车轮在试验台上的受力分析5 6 图5 2 车轮脱离前滚筒的受力分析5 8 图5 3 台架检测系统总体仿真模型6 0 图5 4 - 计算模块6 l 图5 5 计算模块6 l 图5 6 日计算模块6 2 图5 7 被测车轮与滚筒滑动附着率计算模块6 2 图5 8 安凯h f f 6 1 2 0 k 4 6 客车试验台检测6 3 图5 9 安凯h f f 6 11 0 g k 5 0 客车试验台检测6 3 图5 1 0 安凯h f f 6 1 2 0 k 4 6 客车前轴制动力检测动力学仿真结果6 4 图5 1 1 安凯h f f 6 1 2 0 k 4 6 客车后轴制动力检测动力学仿真结果。6 5 图5 1 2 安凯h f f 6 11 0 g k 5 0 客车前轴制动力检测动力学仿真结果6 5 图5 1 3 安凯h f f 6 1 1 0 g k 5 0 客车后轴制动力检测动力学仿真结果6 5 图6 1 软件结构界面图6 6 图6 2 程序主界面 图6 3 制动器参数输入6 7 图6 4 制动器优化参数输入6 8 图6 5 台架检测估算参数输入6 8 图6 6 制动仿真参数输入。6 9 9 图6 7 制动性能结果输出( 附着系数制动强度曲线) 6 9 图6 8 制动性能结果输出( 制动效率曲线) 7 0 图6 9 仿真结果输出7 0 表格清单 表3 1 预选条件。4 5 表3 2 复选条件4 5 表5 1 车辆参数 表5 2 安凯h f f 6 1 2 0 k 4 6 客车台架检测结果6 4 表5 3 安凯h f f 6 1 1 0 g k s 0 客车台架检测结果6 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得金目b 互些太坐 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名。杓柳 签字日期。叩引月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阋本人授权金 目b 王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 杉抑 签字日期：弘句年月z 日 学位论文作者毕业后去向： 工作姚譬缴? ：p i 弛粉雒幺司 通讯地址。 导师签名： 签字日期：知1 年b 月占日 电话：l 8 缸 ) 辱串 邮编： 致谢 本文是在导师钱立军教授的悉心指导下完成的。钱老师渊博的理论知识和 敏捷的思维，严谨求实，刻意创新的治学精神，工作踏实、对事业无私奉献的 作风，使学生受益匪浅。在生活上，钱老师更给予了学生无微不至的关怀和巨 大帮助，学生深受感动，在此向钱老师表示衷心的感谢，并致以崇高的敬意l 本文的研究工作是在课题组全体成员的共同努力下完成的。课题进行和论 文工作期间，熊良平高级工程师、尹安东副教授和王荣贵老师等给予了热心的 指导和大力支持，这些指导和帮助对课题及论文的完成起到了重要的作用。在 此向他们表示最衷心的感谢 在课题研究和软件学习过程中，得到朱伟伟和朱帅硕士研究生的帮助，他 们对本课题的完成起到了积极作用，在此深表感谢。 在攻读学位期间，得到父母及家人的大力支持和鼓励，在此向他们说一声 谢谢。 最后，感谢所有关心、帮助和支持过我的亲人、老师、同学和朋友 作者：杨柳 二零零七年四月九日 第一章绪论 1 1 引言 从1 8 8 6 年世界上第一辆汽车诞生以来，汽车工业的发展已有一百多年的历 史一百多年来，人们不断的将自己的聪明才智融入到汽车开发技术之中，使 汽车工业的发展突飞猛进。汽车工业的发展促进了科学技术的发展。同时，科 学技术的发展，使汽车的各项性能( 动力性、经济性、舒适性、通过性、操纵 稳定性、安全可靠性等) 也不断提高在当今社会，汽车已经成为最重要的交 通运输工具和人类社会活动中的必需品 随着国民经济的发展，高速公路、高等级公路的建设，汽车正在逐步进入 家庭，成为人们生活中必不可少的一部分，而驾驶员的非职业化、车辆密集化 和车辆高速化，则更对车辆的安全性能提出高要求，交通安全问题也随之日益 突出。据统计，2 0 0 6 年全国共发生道路交通事故3 7 8 7 8 1 起，共造成8 9 4 5 5 人死 亡，居世界首位而在所有交通事故中，约有半数是由于汽车制动性能不佳造 成的。不仅如此，汽车制动性能还直接影响汽车燃油经济性和运输生产效率。 因此，对汽车制动系统进行全面的理论与试验研究，即对汽车制动系统、制动 过程的全面研究以提高汽车的主动安全性不仅具有明显的经济效益，还蕴含 着积极的社会效益 汽车的制动性能直接关系到交通安全，重大交通事故往往与制动距离过长、 紧急制动时发生侧滑等情况有关据资料显示，发生人身伤亡交通事故中，在 潮湿的路面上约有l ，3 与汽车侧滑、跑偏有关；在冰雪路面上约有7 0 - 8 0 与 侧滑、跑偏有关。而根据对侧滑、跑偏事故的分析，发现有5 0 是由制动引起 的。因此，汽车的制动性能直接关系到人民的生命财产安全由于道路行车密 度的日益增大，交通事故频繁发生引起了公众对道路交通安全的密切关注。 这些因素对制动系统提出了更加苛刻的要求，促使它做出相应改进众多的汽 车工程师在改进汽车制动性能的研究中倾注了大量的心血。为了吸收高速制动 时的汽车动能。出现了以热效能较稳定的钳盘式制动器取代传统的鼓式制动器 的趋势；为了产生足够的地面制动力并减轻操作强度。逐步淘汰了人力制动， 代之以伺服制动和动力制动l 为了进一步提高制动系统的可靠性，在行车和驻 车制动系之外增设了应急制动系；为了提高制动时的方向稳定性，出现了限压 阀、比例阀、感载阀、惯性阀等制动力调节装置，以使实际制动力分配特性尽 可能接近理想特性；随着电子技术的发展，电子控制制动防抱死系统 a b s ( a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ) 的发展成为可能，a b s 能有效地防止制动时车轮 抱死，从而提高制动方向稳定性并缩短制动距离。随着汽车工业的发展，汽车 制动性能检测作为保证汽车安全行驶的重要途径也得到了迅速的发展。汽车制 动试验台作为汽车技术检测中重要设备之一，备受人们重视。汽车的制动性能 检测分路试和台试两种。路试是在公路上或试验场上进行的测试，虽然接近于 实际使用条件，但因道路附着状况，轮胎状况和试验者的熟练程度不同等等， 常导致测量结果误差很大，而在试验台上进行的台试，经济，安全，精度高， 不受气候影响，能在不同试验条件下取得数据，因而越来越受到重视。反力式 制动试验台因其结构简单，测试方便，易于推广等优点而得到广泛应用。本文 主要对反力式制动试验台的测力原理，形式，对其经过力学分析建立了反力式 制动试验台的力学模型，利用 翻z l 佃龇切见优k 仿真软件进行了制动过程的 动力学仿真，通过将实际检测结果与仿真结果的比较，验证了仿真模型的正确 性。 1 2 国内外研究状况以及趋势陋1 汽车制动系设计计算工作一般分为两个部分，一是整车制动性能设计，二 是制动系结构参数设计。这两项工作常常交叉进行。传统的制动系统的设计计算 都是手工进行的，由于汽车制动系结构复杂，零部件数目较多，且因车型不同各 零部件的结构和布置也各不相同，所涉及的计算方法也不一样，因而制动系设计 计算工作量相当大。而传统的设计计算程序存在着相当大的弊病，其主要表现 为以下两方面：一，长期以来制动系的设计计算都是手工进行的，而影响制动性 能的参数众多，为了获得比较满意的制动性能，往往需要多次修改多次试算，故 繁琐且效率低下；二，汽车制动过程很复杂，它与汽车总布置以及制动系各参 数的选择密切相关，按传统的设计方法。只能在汽车设计最后阶段或样车试验 结束后才能发现其主要性能和参数是否达到要求，再进行改进，这样不仅延误 了新产品开发过程，而且带来极大的浪费。 综上所述，为改善设计人员的工作状况，提高设计效率、缩短新产品开发 周期、提高工作结果的直观性，有必要借助计算机工具开发研制汽车制动系设 计计算软件。也就是按照“并行工程”的观点，在设计的初步阶段对汽车制动性 能、汽车制动系的重要相关参数进行准确的计算分析，这就需要利用计算机工 具，建立汽车制动过程数学模型，进行数学仿真，模拟实际制动过程 国外汽车设计和性能研究从7 0 年代起已进入自动化阶段，运用现代设计方 法，如计算机数字仿真、优化设计、可靠性设计等取代传统设计方法。在七十 年代初，美国密西根大学的学者们就将计算机模拟技术应用到汽车制动动态过 程研究中，运用较为简练的汽车动力学模型编制了模拟小客车、载货车和牵引 车挂车制动及操纵等三种计算机模拟程序其中制动性能计算程序以制动效 率和制动效能作为评价指标，可对汽车制动性能进行预测并提供所需的其它各 项计算功能。1 9 9 4 年日本五十铃公司开发了小型车制动系专家设计系统，主要 用于汽车制动性能的推理设计，使得设计的车辆具有良好的制动性能，在省人 力、时间的基础上得到最佳设计方案 随着我国加入w t o ，汽车的一些标准与法规也逐渐与国际接轨，我国的制 2 动法规g b l 2 6 7 6 1 9 9 9 ( 车制动系统结构、性能和试验方法) 基本引用e c er 1 3 ( 欧洲经济委员会汽车制动法规) 的有关条款。所以，我国学者近年来也做了 不少工作，开发了部分设计软件1 9 9 5 年北京理工大学何宇平等人对汽车制动 模拟仿真进行了较深入的研究提出了一种汽车直线制动性能的分析和计算方 法，并对具体的车型进行了模拟计算和实车道路试验考虑制动过程中前、后 轴载荷变化对轮胎半径的影响，从而引入滑移率变化。1 9 9 6 年天津市汽车研究 所钱国平研制了“汽车制动系性能计算通用程序软件”，该软件在“u c d o s ”和“汉 化l o t u s 123 ”支持下工作，主要用于m 。，m ，l ，2 类液压车辆的制动性能 预测。1 9 9 9 年重庆大学汽车学院舒红开发了汽车制动系设计计算软件，该软件 设计计算的内容包括汽车轴间制动力分配设计。制动器结构参数设计、整车制动 性能预测和制动驱动机构设计，可以用于轻、中型汽车液压制动系的基本设计 计算、制动性能优化设计及制动性能预测。2 0 0 0 年，南京理工大学王良模在 轻 型汽车液压制动系统的理论与实验研究 一文中系统的讨论了轻型汽车液压制 动系统的设计理论及计算方法，建立了鼓式制动器和盘式制动器的力学模型， 同时还详细的讨论了制动力调节装置，真空助力器的设计计算方法。该文在轻 型汽车液压制动系统的设计理论研究的基础上开发了一套轻型汽车液压制动系 统的仿真软件，并对某一车型进行了仿真计算和道路试验，仿真结果与道路试 验结果具有较好的一致性。 1 3 本论文的主要工作 为了深入研究汽车制动系统，提高制动系统设计开发能力，合肥工业大学 汽车工程系与安徽安凯客车公司通过对汽车制动系统进行全面的理论与试验研 究开发了安凯客车制动性能优化与仿真软件，并利用该软件对某国产汽车进 行了制动性能分析，取得了与试验结果较为一致和满意的结果。在此项目中， 本人主要承担了汽车制动系统设计计算理论的研究及软件的开发任务，主要任 务如下： 1 由于我国的制动法规g b1 2 6 7 6 1 9 9 9 ( 车制动系统结构、性能和试 验方法) 与欧洲e e c e c er 1 3 法规逐渐接轨，对汽车制动稳定性 的要求也越来越高。本课题将对汽车制动系统和有关制动法规进行深 入研究，在此基础上，建立一套完整的优化设计数学模型，从而实现 汽车前、后轴制动力的优化分配，使汽车轴问制动力分配满足我国的 制动法规g b1 2 6 7 6 - - 1 9 9 9 ( 车制动系统结构、性能和试验方法) 的 要求，提高汽车的制动稳定性，缩短制动距离。 2 制动系统关键总成设计计算：主要包括制动器和制动力调节装置的设 计计算。 3 性能仿真：在引入龙格一库塔高等数值计算方法的基础上。对系统进 行仿真。以时间为横坐标变量，考察制动过程中速度，加速度以及车 路转速变化情况，以辨别制动性能。 台架检测分析：对汽车在反力式制动试验台的运动及受力情况进行分 析，推导出制动力、滚筒支承反力的解析表达式，分析试验台的最大 测试能力 软件开发：采用面向对象程序设计语言v i s u a l c 抖6 o 在w m d o w s x p 中文版环境下开发安凯客车制动性能优化与仿真软件。利用本软件进 行制动系设计，可以提高设计效率，节省时间并力求获得最佳制动性能 谢斗音盍 第二章制动系统理论分析 2 1 制动系统设计要求阁i s 任何汽车的制动系统都具有以下四个基本组成部分：供能装置、控制装置、 传动装置、制动器，较为完善的制动系还具有制动力调节装置以及报警装置、 压力保护装置等附加装置。由于制动系统的结构和性能直接关系到车辆、人员 的安全，因此被认为是汽车的重要安全部件，受到普遍重视。在国家强制性标 准g b l 2 6 7 6 - - 1 9 9 9 汽车制动系统结构、性能和试验方法以及g b 7 2 5 8 - - 2 0 0 4 机动车运行安全技术条件中，对制动系统的结构和性能都做出严格的规定。 下面列出对制动系统的主要要求： 1 具有良好的冷态制动效能，能产生足够的制动力，使汽车的行车制动、 驻车制动以及应急制动性能符合强制性标准的要求。 2 具有良好的制动效能恒定性，由于摩擦热的影响或摩擦表面浸水使效能 降低的程度应尽可能小并能够恢复 3 具有良好的制动方向稳定性，应使制动力在车轴之间合理分配，并在同 一车轴的左、右车轮之间对称分配。 4 - 控制轻便，控制装置的位置应便于操作，控制力和行程应适当。 5 工作可靠，行车制动系传能装置必须至少采用双回路，反应时间应短； 动力制动系必须至少有两个独立的储能装置。 6 制动衬片( 块) 磨损小，制动间隙的检查、调整和制动衬片( 块) 的更 换应方便。 7 各部件特别是车轮制动器的尺寸和质量应尽可能小。 2 2 制动性能评价指标【4 1 汽车的制动性能主要由以下三方面来评价：制动效能、制动效能的恒定性、 制动时汽车的方向稳定性。 1 制动效能包括行车制动效能和驻坡制动效能。行车制动效能用在一定的制动 初速度和最大踏板力下的制动减速度和制动距离两项指标来评定，制动距离 是指在一定车速下，汽车从驾驶员踩下制动踏板开始到停车为止所驶过的距 离，它与制动踏板力及路面附着条件有关。制动减速度常指制动过程中的最 大减速度，它反映了地面制动力，因此它与制动器制动力( 车轮滚动时) 及 道路轮胎附着力( 车轮抱死拖滑时) 有关驻坡制动效能是以汽车在良好 路面上能可靠而无时间限制地停驻的最大坡度( ) 来衡量。一般应大于 2 5 。 2 制动效能的恒定性包括热恒定性和水恒定性两方面。汽车的高速制动、短时 间内的频繁重复制动，尤其是下坡是的长时间连续制动，都会引起制动器的 温升过快，温度过高。这将导致制动摩擦副的摩擦系数急剧减小。使制动效 能迅速下降而发生热衰退提高摩擦材料的高温摩擦稳定性，增大制动鼓、 盘的热容量，改善其散热性或采用强制冷却装置，都是提高抗热衰退的措施。 制动器摩擦表面浸水后，会因为水的润滑作用而使摩擦系数急剧减小从而发 生水衰退。一般规定，在出水后反复制动5 1 5 次，即应恢复其制动效能。 良好的摩擦材料吸水率低，其摩擦性能恢复迅速。某些越野汽车为了防止水 和泥沙侵入而采用封闭的制动器。制动效能热恒定性和水恒定性除了与制动 器摩擦副材料有关，还与制动器的结构有关，与鼓式制动器相比，盘式制动 器具有更好的热恒定性和水恒定性 3 制动时汽车的方向稳定性是指汽车在制动过程中维持直线行驶或预定的弯 道行驶能力，即制动时汽车不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力的性能。汽 车直线行驶制动时，在方向盘固定不动的条件下，汽车自动向左或向右偏驶 的现象称为制动跑偏，制动跑偏的原因有两个：1 ) 汽车左、右车轮，特别 是前轴左、右车轮( 转向轮) 制动器制动力不相等；2 ) 制动时悬架导向杆 系与转向系拉杆在运动学上的不协调其中第一个原因是制造、调整误差造 成的，汽车究竟向左或向右跑偏，要根据具体情况而定；而第二个原因是设 计造成的，制动时汽车跑偏的方向是固定的，通过正确设计基本可以避免。 侧滑是指制动时汽车的某一轴或两轴发生横向移动。失去转向能力是指弯道 制动时，汽车不再按原来弯道行驶而沿弯道切线方向驶出和直线行驶制动时 转动方向盘汽车仍按直线方向行驶的现象。制动侧滑与方向盘失去转向能力 现象的产生是由于制动过程中车轮发生抱死现象。根据车轮与地面的附着特 性，当车轮抱死以后，地面横向附着系数降为零，这时车轮不能承受侧向外 力作用。当前轮抱死并试图转向时，尽管操纵转向盘使前轮偏转，但由于地 面不能对车轮产生侧向作用力，前轮将沿汽车纵向轴线滑移，使汽车失去转 向能力。当汽车前轮或后轮抱死后，汽车在轻微的侧向力( 如道路坡度、横 向风引起的任何干扰) 作用下就会发生前轴或后轴侧滑，如图2 1 所示。前 轴侧滑是一种稳定的工况，而后轴侧滑是一种不稳定的、危险的工况。其原 因是：当汽车有一轴侧滑时，汽车将发生类似转弯的运动，绕其瞬时回转中 心0 作圆周运动，这时前轴速度为也，后轴速度为h ，同时产生作用于质 心c 的惯性力只。如果前轴侧滑，惯性力的方向与汽车侧滑方向相反，因 此惯性力能起到减小或阻止侧滑的作用，汽车处于稳定状态据试验表明， 车速为6 5 k m h 时，前轮抱死后汽车纵轴转角不大于l o ，基本上维持直线 行驶。而后轴侧滑恰恰相反，惯性力的方向与汽车侧滑方向相同，因此惯性 力会加剧后轴侧滑，后轴侧滑又加剧惯性力，这是一种不稳定的危险工况， 严重时发生汽车甩尾转向，失去控制汽车方向的能力制动初速度对后轴侧 滑有较大影响，试验表明：在一般道路条件下，汽车速度在2 5 k m h 以内制 动时，后轴的侧滑较轻微；当车速超过4 8 k m h 时，后轴侧滑才发生质变， 成为一种危险的侧滑。后轮抱死相对于前轮抱死的次序和间隔时间对后轴的 侧滑也有影响。若后轮先于前轮抱死但时间间隔在0 5 s 以内，汽车也基 本上可按直线行驶制动。当汽车前、后轮同时抱死时，可以避免危险的后轴 6 侧滑。但将失去转向能力为了保证汽车制动时的方向稳定性，首先必须防 止只有后轮抱死或后轮比前轮先抱死的情况，以防止危险的后轴侧滑；其次 应尽量避免只有前轴抱死或前、后轮都抱死的情况，以维持汽车的转向能力； 最理想的情况是防止任何车轮抱死，使前、后轮都处于滚动状态，这样就可 以确保制动时的方向稳定性。制动跑偏、侧滑和失去转向能力是造成交通事 故的重要原因。失去制动稳定性，比稍微增加些制动距离更为危险。特别是 在低附着系数路面( 冰雪路面) 和中等附着系数路面( 潮湿路面) 上，保持 汽车的制动稳定性更为重要 2 3 气压制动系统理论 2 3 1 制动过程分析【4 1 i 枷 _ 嚣辅饲澍b 蔚辅蛔澍 图2 1 制动侧滑时的受力与运动 b 图2 2 制动过程 制动过程中典型的减速度与时间关系曲线如图2 2 所示。图中f 。为制动系统 反应时间，指制动时踏下制动踏板克服自由行程、克服制动器中制动蹄衬片与 制动鼓或制动钳与制动盘的间隙等所需时间。一般液压制动系统的反应时间为 0 0 1 5 0 0 3 s ，气压制动系统为0 0 5 o 0 6 s ；“为制动器起作用时间，在该段时 间内制动减速度增长随制动力增大而增大一般液压制动系统的制动器起作用 7 疗勿4 _ ，( 。卜辞 舫垂 p v净 彰肜 时问为o 1 5 o 3 s ，气压制动系统为0 3 0 8 s ；t 。为持续制动时间，在该段时间 内制动减速度相对稳定；0 为放松制动器时间，在该段时问内驾驶员放松制动 踏板，制动过程结柬。因此，从驾驶员开始踏下制动踏板到制动结束，汽车制 动的全过程包括：制动系统的反应时间、制动器起作用时问、持续制动时间和 放松制动器四个阶段。 在制动过程中，如果忽略滚动阻力偶矩、减速时的惯性力、惯性力偶矩， 则车轮只受制动器制动力f 和地面制动力f 二，制动器制动力为轮胎周缘克服 制动器摩擦力矩所需的力，仅由制动器结构参数所决定，并与制动踏板力成正 比。地面制动力是使汽车制动而减速行驶的外力，它取决于两个摩擦副的摩擦 力：一是制动器内制动摩擦片与制动鼓或制动盘问的摩擦力；一是轮胎与地面 间的摩擦力在制动器开始起作用的初始阶段，制动器制动力较低，地面制动 力足以克服制动器制动力而使车轮滚动，这时的地面制动力等于制动器制动力， 在这一阶段，地面制动力与制动器制动力同步增大，车轮的转速会逐渐降低。 当地面制动力增大到地面所能提供的增大附着力时，地面制动力不再增加，但 制动器制动力仍在增加，此时的地面制动力不再足以克服制动器制动力，车轮 将抱死拖滑。当车轮抱死后，地面制动力变化不大，主要受纵向附着系数的影 响由此可见，汽车的地面制动力首先取决于制动器制动力，但同时又受地面 附着条件的限制，所以只有汽车具有足够的制动器制动力，同时地面又能提供 高的附着力时，才能获得足够的地面制动力根据制动力分配特性，在制动过 程中有可能出现前轮先抱死、后轮先抱死或前后轮同时抱死三种情况 2 3 2 气压制动系统6 】 7 1 【“l 1 空压机z 枫丝铺织软譬x c - i # 燃m i 四回路阀巨内量调压棚式千爆器b 盾制动储气筒 7 前制动储气筒b 前拼制动快故阿吼公用储气筒1 0 测试接头1 1 脚制动尊阿1 2 手制棚 l & 双针咂潦“撕；啪- 开关1 墨低气压报警开关1 b 放水阿1 7 制动轷譬 图2 3 气压制动系统简图 图2 3 所示为四回路气压制动系统简图。当踩下制动踏板时，通过拉杆机构 操纵脚制动总阀l l ，使前制动储气筒7 和后制动储气筒6 内的压缩空气得以分 别通过制动总阀1 1 进入前、后制动气室，从而形成气压管路压力只由于存在 摩擦损失，假定制动储气筒一制动气室管路的效率为r 。 气压制动管路中的压力为： 只；p x r ( 2 - 1 ) 式中：p 制动储气筒内压缩空气气压，p a 一个制动器的制动力矩互，可由下式计算： l = ( 只一p e ) x x r x b f x r i ( 2 2 ) 式中，a 。车轮制动器室工作面积，r n 2 风一回位弹簧压耗，a l ，制动鼓或制动盘作用半径。m 丑f 制动器效能因数 仉制动器制动气室的效率 当车辆的惯性忽略不计和车轮不抱死时，由一个车轮产生的制动力以为： 只；化- p o ) x 4 x r x b f x q 。r ( 2 - 3 ) 式中：r 车轮有效半径，掰 9 车轮的有效半径是指车轮中心与地面问的垂直距离。若每个车轮上装有完 全相同的制动器，则制动器的总制动力，。，为： 足删= 一。( 只一p o ) 。r b f x 玑r ( 2 - 4 ) 式中：以。一车轮制动器的个数 由于车轮产生的总制动力必须等于车辆的惯性力，因此减速度与总制动力 的关系可由下式表示： a = f x 删，m ( 2 - 5 ) 式中：口减速度，m l s 2 膨整车质量。姆 2 3 3 气压制动系统性能计算基本方程【刎 2 1 1 2 3 3 1 制动力分配 制动时翦后车轮同时抱死，对附着条件的利用、制动时汽车的方向稳定性 均较为有利在任何附着系数的路面上，能使前、后车轮能同时抱死的前后制 动器制动力e 。和e ：的关系曲线，我们称之为理想的前、后轮制动力分配曲线 ( i 曲线) ，如图2 4 。 图2 4 理想制动力分配曲线 在任何附着系数矿的路面上，前、后车轮同时抱死的条件是：前、后车轮 制动器制动力之和等于附着力；并且前、后车轮制动器制动力分别等于各自的 附着力即； | e + e 2 = 妒 e l = 9 e i( 2 6 ) 【e ，= 妒e ： 式中：e 。、只：一前后轮地面法向力 消去变量矽，从而可得理想制动力分配曲线的方程： 五z = j 1 百g 1 i i a 2 t 百4 h s l 一( g b + 珥。) 】 ( 2 - 7 ) 2 3 3 2 利用附着系数与附着效率 为了防止发生后轴侧滑或前轴失去转向能力，汽车在制动过程中最好既不 出现后轴车轮先抱死的危险工况，也不要出现前轴车轮先抱死或前、后车轮都 抱死的工况。若在同步附着系数的道路上制动，则汽车的前、后车轮将同时达 到抱死的工况，此时的制动减速度为d u l d t = z g ，z 成为制动强度。显然， z = ，为同步附着系数。在其他附着系数路面上制动时，达到前轮抱死或 者后轮抱死前的制动强度比路面附着系数要小。既不出现前轮或者后轮抱死的 制动强度必小于路面附着系数，即z 2 ，声角为正；反之，为负 这样，浮式颁一从蹄制动器( 斜支座面) 的制动效能因数b f 为 b f = b f r ，+ 踞 ( 2 - 2 9 ) 2 4 1 2 4 浮式双领蹄制动器( 斜支座面) 的制动效能因数 浮式双领蹄制动器( 斜支座面) 的制动效能因数b f 为 b f = 2bfr，(2-30) 式中：b f r ，的值由式( 2 - 2 1 ) 求得 2 4 1 2 5 浮式双增力蹄制动器的制动效能因数 浮式双增力蹄的结构布置如图2 7 所示，其支座面均不倾斜，即属平行支座， 妒= 0 ，