（机械设计及理论专业论文）汽车abs性能检测试验台机械系统的研究与开发.pdf

摘要 摘要 本课题为广州市科技计划项目资助课题( 项目编号：2 0 0 2 j 1 c 0 3 0 1 ) 的后续 课题。随着g b 7 2 5 8 2 0 0 4 “机动车运行安全”国家标准的实施，国内汽车防抱制 动系统( a n t i 1 0 c kb r a k i n gs y s t e m ，简称a b s ) 的市场需求迅速膨胀，给生产厂家 带来产品开发和检测方面的巨大压力。国家交通部发布了行业标准j t t 5 l o 一2 0 0 4 “汽车防抱制动系统检测技术条件”，给汽车防抱制动系统检测设备提出了具体的 要求，国产汽车防抱制动系统检测设备面临蓬勃发展的机遇。本课题针对广州市 某a b s 生产企业的需求，研究和设计了能对大吨位气压制动汽车的防抱制动系统 产品进行检测的室内试验台。、 本文阐述了目前汽车a b s 性能测试的现状，论述了进行汽车a b s 性能测试 的室内试验台研究与开发的必要性和紧迫性。本文介绍了汽车制动的基本原理， 分析了传统汽车制动系统在汽车行车紧急制动车轮被抱死时，发生侧滑、方向失 去控制等问题，介绍了汽车防抱死制动系统( a b s ) 的功能，论述了在传统汽车制 动系统中配置a b s 的必要性以及a b s 的检测理论。根据a b s 产品性能的不同检 测要求殴计了a b s 试验台的不同方案：单轮模型的试验台及整车模型的试验台， 并论述了试验台的检测原理。 本文根据机械系统的等效动力学模型原理对试验台的惯量系统进行了精确 的设计计算，并分析了试验台的惯量系统的模型误差。 在机械系统主要设计参数这部分内容中，根据试验台的工作要求进行了电机 类型的选择，根据试验台的检测参数如车速及汽车质量等进行了电机型号的计算 选择：分析了启动及制动时车轮在试验台上的受力情况，进而研究试验台滚筒的 受力，进行滚筒轴轴承的寿命计算；研究了制动时滚筒轴所受的摩擦力矩，为试 验台的增速器的设计提供依据，计算了增速器的运动及动力参数，完成了增速器 的设计；研究了滚筒及飞轮的平衡，并计算了滚筒及飞轮的允许剩余不平衡量； 为研究a b s 试验台中重要的零部件机架及滚筒轴受力后的应力及变形情况，对机 架及滚筒轴进行了有限元分析。 广东工业大学工学硕士学位论文 本研究对试验台机械系统进行总体设计，在附录里附有单轮模型及整车模型 两种方案的a b s 试验台总装图。试验台的设计方案已被厂家采纳，正在实施准备 中。 关键词：汽车a b s ；试验台；滑移率；惯量系统；误差分析 a b s tr a c t t h ep a p e re x p o u n d st h et e s ti n ga c t u a li t yo ft h ep e r f o r m a n c eo f a u t o m o t i v ea b sa n dd i s c u s s e st h en e c e s s i t ya n du r g e n c yo ft h er es e a r c ho f a b st e s tb e n c h e s i ti n t r o d u c e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fa u t o m o t i v eb r a k e i ta n a l y s e st h ep r o b l e mo f s i d ea n du n c o n t r o l l a b i l i t yo fd i r e c t i o no f t r a d i t i o n a lb r a k i n gs y s t e ma n dt h ef u n c t i o no fa b s i td i s c uss e st h e n e c e s s i t yo fe q u i p p e da b si nt r a d i t i o nb r a k i n gs y s t e ma n dt h et h e o r y o f a b st es t d i f f e r e n ts c h e m eo ft h ea b st e s tb e n c h e sh a v e r a is e db a s e do n d i f f e r e n tt e s tr e q u i r e m e n to fa b s t h et e s tb e n c h e so fo n ew h e e lm o d e la n d t h ew h o l ev e h i c lem o d e la r ed e s i g n e d t h ep a p e rd e s i g n st h ei n e r t i as y s t e mo ft e s tb e n c ha c c u r a t e l yb a s e d o nt h et h e o r yo fk i n e t i c s e q u i v a l e n tm o d e lo fm e c h a n i c a ls y s t e m i t a n a l v z e st h em o d e le r r o ro ft h ei n e r t i as y s t e mo ft h et e s tb e n c h i tm a k e s t h ec h o ic eo ft h ek i n d so fm o t o rb a s e do nt h ew o r k i n gc o n d i t i o no ft h et e s t b e n c h i ta n a lvz e st h ef o r c e st h a tt h ew h e e li st a k e ne f f e c to nt h et e s t b e n c ha ts t a r t i n ga n db r a k i n g i td is c u s s e st h ef o r c est h a tt h er o l l e ris t a k e ne f f e c t i tc a l c u l a t e st h el i f ee x p e c t a n c yo ft h eb e a r i n g i t d is c u s s e st h et o r q u et h a tt h er o l l e rist a k e ne f f e c ta tb r a k i n g i t c a l c u l a t e st h ek i n e t i cp a r a e t e ra n dd e s i g n st h eg e a rt r a n s m is s i o nc a s e i no r d e rt ok n o wt h es t r e ssa n dd is t o r t i o ni nt h es h e l fa n dt h er o l le rs h a f t ， i tm a k e sf e af o rt h es h e l fa n dt h er 0 1 l e rs h a f t i tc a l c u l a t e st h ea l l o w a b l e n o n b a l a n c eq u a n t i t yo ft h ef 1y w h e e la n d r o ll e r t h isp a p e rh a sd es i g n e dt h ew h 0 1 ed e s i g np l a no ft h em e c h a n i c a ls y s t e m o ft h et e s tb e n c h i nt h ea p p e n d i xt h e r ea r et h ew h o l ed e s i g np l a n so ft h e m e c h a n ic a ls y s t e mo ft h et e s tb e n c hf o rs i n g l ew h e e l m o d e la n dt h ew h o l e v e h i c l em o d e l t h ed e s i g ns c h e m eh a sb e e ma c c e p e t e db yt h ep r o d u c e r ，i tw i l l b e e nc a r r i e do u tr e c e n t l y 广东工业大学工学硕士学位论文 k e yw or d s ：a u t o m o t i v ea b s ； t e s tb e n c h ： s l i d i n gr a t e ； i n e r t i as y s t e m ；e r r o r a n a l y s is 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 随着我国汽车工业的飞速发展以及高速公路、高等级公路的大规模建设，车 辆密集化和车辆高速化对车辆的制动系统提出了更高要求。对车辆安全性能的研 究揭示，在道路交通事故中大约有l o 的事故是由于车辆在制动一瞬间偏离原定 轨道或甩尾产生的，因而探讨各种高性能制动系统和完善制动性能是促进汽车工 业发展的重要措施之一。汽车制动防抱死系统a b s ( a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ，简 称a b s l 就是为适应这一要求迅速发展起来的。a b s 是在车辆制动过程中防止车 轮抱死造成轮胎在地面上打滑的一种机电一体化控制装置。a b s 可以明显提高 制动过程中的操纵稳定性并同时缩短制动距离，大大提高了行驶安全性，是一种 主动安全性技术。 国外从7 0 年代就开始开发a b s 产品，致力于在汽车制动时避免车轮过早抱 死。8 0 年代随着电子技术的不断发展，a b s 不断完善并得以广泛应用。随着世界 汽车工业的迅速发展，汽车的安全性、舒适性日益受到人们的重视。目前，西方 发达国家己广泛采用a b s ，而且已成为汽车的必要装备。有关资料表明，美国白 6 0 年代末、7 0 年代初开始在汽车上安装a b s ，7 0 年代末、8 0 年代初，欧洲国家 开始批量采用a b s 。近年来，a b s 在我国也正在推广和应用，如一汽大众、二汽 富康、重庆长安、陕飞汉江、沈飞昌河、西安奥拓等车，均开始采用a b s ，以缩 短制动距离，防止侧滑，提高制动时的方向稳定性，从而大大改善了汽车的制动 性能，减少了车祸，提高了汽车运行的安全性。 随着a b s 装置的广泛应用，检测a b s 性能也显得越来越重要。a b s 性能的 好坏直接影响到行车的安全。我国现有的各种制动检验台都无法检测装有a b s 汽 车的制动性能。目前装有a b s 装置的汽车，测试制动性能只能采用路试，道路试 验需要建造a b s 性能专用跑道，a b s 性能专用跑道投资大，而且每次a b s 性能 测试前，对试验路段要进行仔细地清洗，准备试验路段的时间较长、试验费用较 高，而且道路试验过程存在一定安全风险。目前，我国只有海南汽车试验研究所 的汽车试验场等少数单位才有a b s 的专用试验跑道。汽车生产商在推出一款新车 广东工业大学工学硕士学位论文 型时对a b s 性能进行定型试验，一般须将新车型的样车送往海南n 】。对于汽车 a b s 生产厂家批量生产的汽车a b s 产品的质量检测和在用汽车的a b s 性能定期 测试，目前只有在道路上进行行车紧急制动，凭驾驶员的感觉来判断a b s 的工作 是否正常。随着汽车市场对a b s 需求的大量增加，为快速、有效、经济地对a b s 性能进行检测，迫切需要采用室内试验台来对汽车a b s 性能进行试验研究。2 0 0 4 年0 4 月国家交通部发布了交通行业标准f j t t 5 l o 2 0 0 4 ) “汽车防抱制动系统检测 技术条件”，标准规定了具有防抱制动装置的汽车制动系统的技术要求及检测方 法。该标准的出台，为汽车a b s 检测试验台的研究开发提供了依据。目前，国内 有关汽车a b s 检测试验台的研制报道不多，已研制的汽车a b s 检测试验台只能 检测3 吨质量以下的汽车，对大吨位汽车试验台的研制则未见相关报道。本文设 计的a b s 试验台主要针对大吨位汽车的a b s 检测。 1 2国内外汽车制动检测试验台的现状 目前，国内外汽车制动检测试验台按检测时支承受检车轮方式可分为两种： 一种为滚筒式制动试验台，另一种为平板式制动试验台；而根据制动台检测制动 性的原理，可将制动台分为惯性式制动检验台和反力式制动试验台两类。 1 2 1平板式制动试验台 1 车轮：2 一平板：3 力传感器；4 一压力传感器；5 一支承钢球 图1 1 平板台的结构原理示意图 f i g u r el 一1 t h es t r u c t u r a ls k e t c ho ff l a t b o a r db r a k i n gt e s tb e n c h 平板式制动试验台的结构原理如图1 一l 所示，平板式制动试验台是2 0 世纪8 0 第一章绪论 年代中期发展起来的，由测试平板、数据采集系统等构成，集侧滑、悬架效能、轴 重、制动性能测试为一体的汽车检测设备。检测时，被检车辆以5 1 0 k m h 的车 速驶上测试平板，操作员根据显示信号踩下制动踏板，车轮制动器产生的制动力 使车轮1 在平板2 上附加一个与车轮制动力( 地面制动力) 凡6 大小相等、方向相反的 作用力n ，推动平板2 沿纵向位移，经拉力传感器3 ( 水平方向的力传感器) 就测 出了车轮的制动力，并由显示、打印装置输出检测结果。 图l l 中的4 为压力传感器用以测量垂直方向的力( 如车轮载荷) ：5 为支承 钢球。为平板对车轮的径向反力；f 为车轴对车轮的推力。 平板制动台可蚍由四块板组成，也可以有两块板构成。四块板的平板台能同 时检测前后轴车轮的制动力，两块板的平板台一次就只能检测一根轴的制动力。 四块板的平板台主要用于轴距差别不大的m l 类客车。 从检测原理上来看，图l 一1 平板式制动试验台属于惯性式平板台，惯性式平 板台是当前平板制动试验台市场上的主流产品，通常所说的平板台就是指它。它 是在汽车行驶制动状态下经由汽车惯性检测制动力，是动态的检测，只要保证力 传感器能准确无误地把测试平板上受到的水平制动力与垂直力测量下来，平板式 制动试验台就完全可以如实地把汽车制动过程f 力系及变化) 检测出来。平板式制 动试验台在理论上的优势已经得到一致公认。 但平板式也有其致命的弱点：( 1 ) 在实际检测过程中，制动初速度及制动踏板 力不易控制，测试工况不稳定，重复性差：( 2 ) 检测技术尚不成熟，定量分析技 术仍未完全解决，传感技术和计算机后处理技术要求很高，有待电子技术应用的 进一步提高；( 3 ) 不能测试车轴的阻滞力、失圆度，而且适用车型较少。不容易对 轴距变化大的汽车作四轮同时检测，且测试货车后轴的制动性能也不够理想，多 轴车不能测试；( 4 ) 不能检测a b s 系统的性能，因为a b s 起作用的车速一般在 1 0 k m h 以上，车速低于l o k m h 时，a b s 将停止作用。 1 2 2 滚筒制动试验台 12 21 反力式滚筒制动试验台 反力式滚筒制动试验台( 见图l 一2 ) 是最普通的检测设备。检测时，汽车一轴车 轮停驻在滚筒上，由电机通过减速器驱动滚筒，滚筒带动车轮，达到预定检测速度 后，驾驶员急踩制动踏板制动车轮，电机仍继续驱动滚筒转动，向车轮施加一个 广东工业大学：l 学硕士学位论文 与制动力矩方向相反的转矩，直至受检车轮被制动而停止转动，滚筒相对车轮滑 转时，电机才停止转动，截断滚筒的驱动力。测力杠杆将制动力传给测力传器， l 一滚筒机构；2 一减速器；3 一电机；4 一测力杠杆 图1 2反力式滚筒制动试验台示意图 f i g u r el - 2 t h es t r u c t u r a ls k e t c ho fa n t i - f b r c er 0 1 l e rb r a k i n gt e s tb e n c h 此时，测力传感器测得的力值就是该检测条件下的车轮最大制动力。这种借助滚 筒向制动车轮施加一反力矩检测制动力的方法就是反力式检测。 反力式滚筒制动台检测时，汽车不动，只是滚筒带动车轮转动，是一种静态 检测，不能检测汽车动态制动状况( 轴荷转移) 下的制动力。检测车速较低，一 般在5 k m h 以下，且只有一个固定的车速。由于速度太低，反力式滚筒制动台也 不适合用于检测a b s 系统的性能i “。 1 2 2 2 惯性式滚筒制动试验台 惯性式滚筒制动检验台是模拟道路行驶动能检测车辆制动性能的装置。汽车 在惯性式滚筒制动检验台检测制动性，与在反力式滚筒制动台上一样，汽车对地 面无相对运动 l 一前滚筒：2 后滚筒：3 一飞轮；4 一变速器； 5 离合器：6 电动机：7 一传动链 图1 3惯性式滚筒制动试验台结构简图 f i g u r e l 2 t h es t r u c t u r a ls k e t c ho fi n e f t i ar 0 1 l e rb r a k i n gt e s t 4 第一章绪论 图l 一3 为单轴检测的滚筒惯性式制动试验台。受检车轮分别支承在前、后两 滚筒上，前、后滚筒通过链条联接为滚筒组。左右滚筒组分别由驱动电机经离合 器和变速器驱动。左右滚筒组还分别设置了飞轮，以增加滚筒系统的惯量。检测 时分别起动驱动电机带动受检车轮滚筒系统转动，达到设定检测速度后，切断驱 动力，并急踩制动踏板，车轮滚筒系统依靠自身的转动动能将继续转动，直至其 转动动能全部被车轮制动器吸收，才停止转动。显然，车轮紧急制动时，滚筒转 过的转数对应制动距离：滚筒的圆周速度即为车身的运动速度【6 ”。 惯性式滚筒制动台的滚筒相当于移动路面，检测时，转动的滚筒系统具有转 动动能，相当于汽车在道路上行驶的平动动能。受检汽车制动时，虽然切断了滚 筒系统的驱动力，轮胎对滚筒表面又产生阻力( 制动力) ，滚筒系统借自身的惯性 ( 转动动能) 克服车轮施加的阻力仍将继续转动，直至其转动动能全部被车轮 制动器吸收，才停止转动。显然，滚筒转动的转数多少、转动的快慢和时间的长 短，在滚筒系统惯量一定时，完全受车轮制动力的制约。因此，在车轮与滚筒间 无滑移的条件下，通过测得滚筒在受检车制动过程的转数、快、慢和时间，即等 同受检车的制动距离、制动减速度和制动时间。受检车制动系状况一定时，用惯 性式滚筒制动台测得的制动距离、制动减速度和制动时间就随滚筒系统的惯性质 量而异。为使测得的结果可靠、可信，就必须使车轮在惯性滚筒台上制动时吸收 的汽车动能与在道路上制动时吸收的动能一致，即惯性式滚筒制动台要能模拟汽 车道路行驶时的动能。惯性式滚筒台的基本测量参数是滚筒转角和时间，车轮转 角和时间。 惯性式滚筒台的转速比反力式滚筒台的转速高得多，滚筒线速度一般都大于 4 0 k m h ，适合a b s 的检测要求。因为汽车制动过程是在持续制动阶段才出现车轮 抱死滑移现象，低速运行汽车急制动的制动过程很短，制动力一旦达到峰值汽车 就停住了，没有持续制动阶段。要评定a b s 防抱死系统的状况，需要采用高车速 工况检测，以使受检汽车经持续制动阶段后才停住，以创造防抱死系统发挥作用 的条件【“。 1 3 课题研究的目的、意义 目前国内a b s 产品检测手段严重滞后于需求。g b 7 2 5 8 2 0 0 4 机动车运行安全 国家标准颁布后，国内汽车a b s 市场需求迅速膨胀，给生产厂家带来产品开发和 广东工业大学工学硕士学位论文 检测方面的巨大压力。 本课题为广州市科技计划项目资助课题( 项目编号：2 0 0 2 儿c 0 3 0 1 ) 的后续 课题。该课题主要针对广州市某a b s 生产企业的需求，研究和设计了能对大吨位 气压制动汽车的防抱制动系统产品进行检测的室内试验台，是国内首次研究开发 重型货车a b s 性能检测的试验台架，具有一定的现实意义。 本课题根据机械系统动力学原理进行分析推导，建立汽车制动时的等效动力 学模型和相关的计算公式，用于指导试验台的开发。本课题研究开发的汽车a b s 性能检测试验台，能够模拟汽车在道路运行时的制动工况，用于a b s 产品的检测 及a b s 的辅助开发、设计，能有效地减少路试强度，节约路试费用，缩短开发周 期。 1 4 本文研究内容及创新 1 4 1 本文研究的主要内容 1 汽车制动的基本原理及a b s 检测原理研究。 2 试验台的方案设计。 根据单轮的汽车力学模型及四轮的汽车力学模型，设计试验台的几种不同方 案以满足不同的检测要求。 3 试验台惯量系统的设计及惯性系统模型误差分析。 为使试验台的检测结果具有可信性，必须精确设计试验台的惯量系统，使试 验台自身具有的惯量与受检车辆的质量相匹配并对试验台所采用的惯性系统的 模型误差进行分析。 4 主要零部件设计及难点研究。 选择试验台动力驱动装置( 电动机) 类型及具体型号：对车轮在试验台上启 动及制动时的受力情况进行分析，进而研究试验台滚筒的受力，滚筒轴轴承的寿 命计算；齿轮增速箱的设计；计算飞轮及滚筒的允许剩余不平衡量：用有限元方 法分析机架及滚筒轴受载后的应力及变形情况。 5 试验台机械系统总体设计及总装图的绘制。 1 4 2 本文的主要创新 1 目前汽车a b s 的性能检测，通常采用道路试验，道路试验费用高且路试 第一章绪论 过程存在一定安全风险，本课题结合具体厂家的需求，国内首次研究开发大吨位 汽车a b s 检测的室内试验台。 2 汽车a b s 检测试验台的关键技术是等效动力学模型，如何用滚筒及飞轮 的转动惯量代替汽车移动的惯量是其中的重要问题。本课题对这种替代所产生的 误差进行理论分析并提出了惯量补偿的数学表达式。 3 提出若干汽车a b s 检测试验台总体设计方案，提供单轮试验台和整车试 验台主要部件的详细设计方法，为汽车a b s 检测试验台的研究开发提供一套完整 的设计方法。 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章汽车a b s 性能检测的基本原理 2 1路面制动力产生原理 要使汽车减速或停车，必须对正在行驶着的汽车作用一个与其行驶方向相反 的外力，消耗汽车所蓄有的动能，使汽车产生减速度达到降低其行驶速度以至 停车的目的。这个使行驶中的汽车减速、停车的外力必须由路面提供，称为路面 制动力。为在路面生成制动力，必须在汽车上设置制动装置，以确保路面能生成 汽车制动时所需要的制动力。 汽车制动时，制动器的制动片就产生一个摩擦力矩m 。，其方向与车轮旋转方 向相反。制动器将该力矩传到车轮后，由于车轮与路面间有附着作用，车轮对地 面作用一个向前的切向作用力f 。，同时路面也对车轮作用一个大小相等方向相反 的反作用力几n ，此f x b 即为使汽车减速停车的路面制动力。路面制动力由车轮通 过车桥和悬架传给车架，迫使整部汽车产生一定的减速度。显然，路面制动力越 大，汽车制动减速度也越大。 在制动期间，汽车的动能和位能在制动器 摩擦表面和轮胎与道路接触面变为热能。 图2 1 为汽车车轮制动时的受力状况， 其中：g 为车轮垂直载荷， 为路面对车轮的法向反作用力， ，t 为车轴对车轮的推力， r 为车轮半径。 f i g u r e2 一l 。 占，五、 ，1 么】 n ，t 图2 1 制动时车轮及路面的受力 t h ef o r c ed i a g r a mo ft h ew h e e l a n dt h er o a da tb r a k i n g 若定义制动器制动力巳为作用于车轮周缘上克服制动器摩擦力矩晦所需要 钓力，黜：f 。= m 。! r ( 2 一1 ) 第二章汽车a b s 性能检测的基本原理 制动器制动力仅由制动器结构参数所决定，其大小取决于制动器的形式、结 构尺寸、制动器摩擦副的摩擦系数以及车轮半径。通常制动器制动力与制动踏板 力，即制动系的液压或气压成正比1 9 】。 真正直接使汽车减速停止的外力是路面作用于车轮轮胎上的路面制动力，路 面制动力取决于制动器制动力及车轮轮胎与路面间的摩擦力。轮胎与路面间的最 大摩擦力称为路面附着力f 驴。 巴= 妒 ( 2 2 ) 其中：p 为车轮轮胎与路面之间的摩擦系数，通常称为附着系数。 制动器制动力是生成路面制动力的源泉，路面制动力的大小，首先取决于制 动器制动力，只有足够的制动器制动力才能产生足够的路面制动力。但是，路面 制动力的最大值受车轮与路面间的摩擦力的限制，不可能大于路面附着力。路面 制动力与制动器制动力及路面附着力的关系如图2 2 所示0 】。 从图可见，当制动管路压力或制 动踏板力较小，未达到某一极限值时， 制动器摩擦力矩不大，路面与轮胎间 f 的摩擦力( 路面制动力) 足以克服制 动器摩擦力矩而使车轮转动，此时路 面制动力的值与制动器制动力的值相 等，且随制动踏板力的增长成正比地 增长。当制动踏板力或制动系统压力 p 。 制动系管路压力p 上升到某一足够大的值时，路面制动 ( 踏板力凡) 力达到路面最大附着力，汽车车轮即 图2 2路面制动力、制动器制动力及 抱死停转而出现拖滑现象，且路面制 路面附着力之间的关系 动力不再增加，但制动器制动力可以 f i g u r e2 一l t h er e l a t i o nb e t w e e nr o a db r a k i n g 随着制动踏板力或制动系统压力的增f o r c e b r a k ef o r c ea n da d h e r e n c ef o r c e 加而继续增大。 由此可知只有当汽车具有足够的制动器制动力，同时又能提供高的附着力 时，才能获得足够的路面制动力。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 2 路面附着系数 汽车被施以制动时，车体速度由于轮胎与路面间摩擦力的作用而减小，车轮 转动线速度( 轮速) 则由于制动器的摩擦力矩而减小。两者速度差即车体与车轮 速度差即为滑移现象，一般用滑移率九来表示滑移的程度。 五：! ! 二竺：型1 0 0 ( 2 3 ) v 式中：v 一一汽车速度，m s ； 车轮转速，r a d s ； r 车轮滚动半径，m 。 汽车制动过程中，路面附着系数不是固定不变，而是随制动时车轮的运动状 况而变化，即与车轮的滑动程度有关。当车轮在路面上滑动时，车轮与路面问的 附着系数口与滑移率x 有如图2 3 所示的关系m 】。 图中妒口为沿车轮旋转平面方向的附着系数，称为纵向附着系数，即通常所说 的附着系数；p s 为垂直于车轮旋转平面方向的附着系数，称为横向附着系数。 从图可见，附着系数随滑移率 的增大近似直线上升，达到最大值 后，便随滑移率的增大逐渐减小。 妒 这是由于车轮与路面间的滑动摩擦 鳍 系数小于静摩擦系数，因此路面附紫 着系数在达到最大值后就逐渐减低。娄 附着系数的最大值称为峰值附着系 数妒p ，峰值附着系数p p 在滑移率 x = 1 5 2 0 生成，对应的滑移率称 为峰值滑移率 ，。 却 滑移率 图2 3 口a 关系曲线 f i g u r e2 3 t h ec u r v eo fa d h e r e n c ec o e f f i c i e n t a n ds l i d i n gr a t e 在峰值滑移率的左边，路面附着力能随汽车制动力矩的增加，提供足够的路 面制动力，而这时横向附着系数也较大，具有足够的抗侧滑能力，故一般称峰值 滑移率的左边为制动稳定区。 第二章汽车a b s 性能检测的基本原理 在峰值滑移率的右边，附着系数随滑移率的增大而减小，即随着车轮制动器 摩擦力矩的继续增大，路面制动力反而在逐渐减小。制动器摩擦力矩与路面制动 力差值急剧扩大，使车轮迅速减速趋向“抱死”停转，发生拖滑。从峰值滑移率 增长到1 0 0 滑移率的这一过程几乎是瞬间完成的，仅需0 1s 左右的时间。在滑 移率达到1 0 0 时，纵向附着系数大约减低1 3 1 4 ，而横向附着系数却降到接近 为零。从而，不但降低汽车的制动效果，还使汽车丧失了抗侧滑的能力。因此， 称峰值滑移率右边的区域为制动不稳定区。 附着系数的数值主要取决于道路的材料、路面的状况、轮胎结构、胎面花纹、 轮胎材料和汽车行驶的速度等因素。图2 4 为不同路面对附着系数的影响l 。 1 o 辐 垛o 8 榔 蜜0 6 匠0 4 0 2 2 04 0 6 0 8 0l o o 滑移率 图2 4 不同路面的附着系数与滑移率 f i g u r e2 4 t h ea d h e r e n c ec o e f h c i e n ta n ds l i d i n gr a t eo fd i f f 色r e n tr o a d 从图2 4 可见，路面虽然不同，附着系数与滑移率的特性是基本一致的，只 是附着系数的数值不同而已。 汽车的行驶速度对附着系数的影响也较明显。行驶速度越高，附着系数就越 低。可见，行驶速度越高，制动时路面所能提供的附着力越低。图2 5 表示了载 货汽车行驶速度与附着系数的关系2 】。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 4 681 0 0 滑移率 图2 5 汽车行驶速度与附着系数的关系 f i g u r e2 5 t h ea d h e r e n c ec o e m c i e n to fd i f f 色r e n ta u t o m o t i v ev e l o c i t y 2 3汽车制动时的受力分析 汽车制动时受到重力、惯性力、地面制动力、风力、滚动阻力等的作用，在 研究汽车纵向制动特性的时候，可以忽略一些次要的因素，把汽车简化为一轮子， 受力情况如图2 6 所示【”】。 车辆运动方程 m 1 ) = 一只 ( 2 4 ) 车轮运动方程 ，- 西= 只6 r m 。 ( 2 5 ) 式中：车辆质量，m = g 仅，g 为车重 譬为重力加速度： v 车辆速度： 凡a 路面制动力，c 6 。= 妒， 为地面对车轮的法向反力， 够为车轮与路面间附着系数； 山汽车等效转动惯量 r 车轮滚动半径； m 车轮角速度； 制动器摩擦力矩。 图2 6 汽车的单轮力学模型 f i g u r e2 6s i n g l ew h e e lm e c h a n i c a l m o d e lo fv e h i c l e p o 8 6 4 2 o 1 o 0 o o 2 4没 没有 l i， 1 、车轮速度 1 i 芦死点昏 l 】一 一 o 矩 广东工业大学 二学硕士学位论文 2 5 装有制动防抱死系统a b s 时汽车的制动过程 有制动防抱死系统a b s 时汽车的制动过程如图2 8 所示5 j 。 速度 动压力 图2 8a b s 作用下的制动过程 f i g u r e2 8 t h eb r a k i n gc o u r s ew i t ha b s 从图2 8 可见，在a b s 的作用下，制动管路压力呈波状变化，使车轮线速度 及滑移率的变化呈波动状，就是使制动时滑移率始终在横向附着系数较大、纵向 附着系数最大的滑移率值领域，从而得到能维持转向能力和方向稳定性的较大的 横向力，同时获得最大的路面制动力( 纵向力) 。 要达到上述的理想制动过程必须使：( 1 ) 在制动过程中，当车轮的转动状态越 过稳定界限如( 车轮滑移率从稳定区进入不稳定区的瞬间) 时，迅速而又适度地 减小制动器制动力矩，使制动器制动力略低于车轮与路面间的附着力。从而使车 轮的转动恢复到稳定界限附近的稳定区域内。( 2 1 又逐渐地增大制动器制动力，直 至车轮转动状态再次越过稳定界限为止，尽量长时间地保持车轮于稳定界限附近 的最佳滚动状态。使受制动车轮始终在附近的狭小滑移率范围内滚动，实现既 充分保证转向稳定性和方向稳定性，又可获得最优制动距离的理想制动效果。 实际上，汽车轮胎在制动过程中的纵向附着系数值是随道路状况在较大范围 内变化的。在结冰路面上约为0 1 ，在干燥混凝士路面上为o _ 8 ，在变化范围如此 大的道路条件下行使，想靠驾驶员的人为动作控制制动系统使汽车处于理想制动 1 4 第二章汽车a b s 性能检测的基本原理 过程是不可能的，必须依靠先进的机电一体化控制装置即汽车防抱死制动系统 a b s 。 2 6a b s 的工作原理及检测原理 2 6 1a b s 的工作原理 汽车制动防抱死系统( a b s ) 是在传统的汽车制动系统中增加轮速传感器、制 动压力调节阀和电子控制器( e c u ) 组成6 】。a b s 系统的基本工作原理是：由安装 在车轮附近的测速传感器在车辆制动时测量出车轮的瞬间转速( 轮速) ，计算出此 时车轮角减速度和车辆的行驶速度( 车速1 ，并依据瞬时车速与轮速计算出车辆的 滑移率，控制器依据一定的数学模型操纵压力调节器调整制动管路中的制动液压 力，改变制动器的制动力，使车轮的滑移率保持在一定水平上( 约为2 0 ) ，此时 制动器的制动力趋近地面制动力最大值，车轮处于半抱半滚的状态，此时车辆的 制动方向稳定性较好，车辆的制动性能处在最佳的状态下7 ，”】。 2 6 2 a b s 的检测原理 由上所述在没有a b s 或a b s 失去作用情况下，对汽车实施制动，在制动过 程中，车轮受到的制动力矩一直在增加，所以，它的线速度变化曲线成连续下降 且无任何波动形状，并且，速度在整个下降过程中，开始阶段( 滑移率到达a p 之 前) 下降相对比较缓慢，随后急速下降，因此，它的曲线变化呈现连续、斜率不 断增加的形状。随着车轮速度的下降，车轮的滑移率逐步增加，滑移率曲线呈连 续上升且无任何波动形状，并且，滑移率到达 p 之前，上升比较缓慢，到达 ， 之后急速上升，直到l o o 。如图2 7 所示。 在a b s 的作用下，制动管路压力呈波状变化，使车轮线速度及滑移率的变化 呈波动状，直到车轮被完全抱死。如图2 8 所示。 通过对汽车在有无a b s 制动防抱死系统情况下制动过程分析，我们可以清晰 的看出，车轮滑移率曲线形状明显不同，在无a b s 制动防抱死系统的作用时，滑 移率上升较快，没有波动变化形状。而在有a b s 制动防抱死系统的作用时，滑移 率曲线呈波动状变化。因此，我们可以通过检测制动时滑移率的变化来确定整个 制动防抱死系统( a b s ) 工作性能是否正常。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 7a b s 对制动时方向稳定性的影响 制动时的方向稳定性是指汽车在制动过程中维持直线行驶的能力或按预定 弯道行驶的能力，即是指汽车预防制动跑偏和侧滑的能力。汽车直线行驶制动时， 在转向盘固定不动的条件下，汽车自动向左侧或右侧偏驶的现象，称为制动跑偏。 侧滑是指汽车制动时，某一轴的车轮或两轴的车轮发生横向滑动的现象。制动侧 滑与跑偏是造成道路交通安全事故的一个主要原因【i 。 制动跑偏主要是由于汽车左、右车轮，特别是转向轴左、右车轮制动力不等 造成的f 2 。下图给出了由于转向轴左，右轮制动力不等而引起跑偏的受力分析。 图2 9 制动跑偏时的受力图 f i g u r e2 9 t h ef o r c ed i a g r a mo fs i d ed e v i a t i o na tb r a k i n g 设左前轮的制动器制动力大于右前轮，故地面制动力f f 它们对各自主 销形成的力矩便不相等，且方向相反，并使转向轮向左偏转一个角度( 向力矩大 的方向偏转) 。尽管转向盘不动，由于转向杆系中存在间隙及杆件弹性的影响， 转向轮左、右轮制动力不等所形成的力矩仍会引起转向轮偏转，使汽车跑偏。左、 右轮制动力不相等，还会对汽车质心形成一个不平衡力矩，为平衡左右轮制动力 不等所产生的绕质心的力矩，必然会在前后轴地面引起侧向作用力凡j 、r ? 。当 转向轮主销有后倾时，这个侧向力r 也会对转向轮产生一偏转力矩，从而加大 了车轮的偏转，使汽车跑偏增强。 在没有制动防抱死系统a b s 的情况下，汽车转向轴左、右轮制动力不等是难 以避免的，因为各轮制动器摩擦副表面状况、轮胎状况、制动器的调整状况，以 第二章汽车a b s 性能检测的基本原理 及左、右轮与路面接触状况不可能完全一致，因此，很容易造成制动跑偏。而在 安装有制动防抱死系统a b s 的情况下，a b s 可以调整制动管路中的制动液压力， 改变各车轮制动器的制动力，使左、右轮制动力趋于相等，从而避免制动跑偏。 下面分析制动时侧滑对汽车稳定性的影响。 a 1 前轮抱死时的方向稳定性 汽车制动时若前轮抱死拖滑而后轮滚动，此时前轮( 转向轮) 的横向附着系 数为零，尽管操纵转向盘使前轮偏转，路面却产生不了对前轮的侧向力汽车因 而丧失转向能力。这个时候，汽车若受外界侧向力作用，或因左、右轮制动力不 等引起的侧向力作用，由于前轮己丧失了横向附着能力，前轴就将沿横向滑动， 即产生侧滑，此时的受力分析见图2 一l o a ) 。前轴产生侧滑时，前轴中点的前进速 a 、 侧 a ) 前轴侧滑b ) 后轴侧滑 图2 1 0 汽车侧滑时的运动状况 f i g u r e2 1o t h ea u t o m o t i v em o v e m e n ti ns i d es l i d i n g 度便绕汽车纵轴线偏转一个角度。由于后轴未发生侧滑，后轴的前进速度v 6 仍沿汽车纵轴线方向。此时汽车将发生类似转弯运动，其瞬时回转中心为速度、 广东工业大学工学硕士学位论文 v 6 两垂线的交点o ，o 点在前轴侧滑的同侧。汽车作圆周运动时产生了作用于重 心c 的惯性力乃。显然毋的方向与前轴侧滑方向相反。就是说乃能起减少或阻 止前轴侧滑的作用，因此汽车处于一种稳定状态。 b ) 后轮抱死时的方向稳定性 汽车制动过程中，若后轮抱死拖滑而前轮滚动，只要有侧向力作用，就会发 生后轴侧滑。其受力分析见图2 1 0 b ) 。因后轴抱死，后轴左右轮丧失了横向附着 力，如有侧向力作用，后轴就会发生侧滑，后轴中点的速度v 。便绕汽车纵轴线偏 转一个角度，前轴中点的前进速度仍沿汽车纵轴线方向。此时汽车也会发生类 似转弯运动，其瞬时回转中心o 点却在后轴侧滑方向的另一侧，作用于重心c 的 圆周运动惯性力一与后轴侧滑方向一致，从而加剧后轴的侧滑，后轴侧滑又加剧 惯性力b ，汽车乃至急剧转动，因此，后轴侧滑是一种不稳定的工况。 在没有制动防抱死系统a b s 的情况下，汽车制动时，若前轴侧滑，是稳定工 况，但在弯道行驶时汽车失去转向能力；若后轴侧滑，可引起汽车剧烈的回转运 动，是危险工况。汽车制动时，应尽量避免后轴先抱死拖滑的危险工况。在装有 制动防抱死系统a b s 的情况下制动，a b s 系统能调节制动管路压力，改变制动器 的制动力，使车轮的滑移率保持在横向附着系数较大、纵向附着系数最大的滑移 率值领域，从而得到能维持转向能力和方向稳定性的充分大的横向力及产生最大 的路面制动力( 纵向力) ，避免车轮过早出现抱死拖滑，保证行车的安全性。 2 8轴荷转移与各轴制动力的分配 汽车在水平路面上制动时的受力情况，如图2 1 l 所示悼”。图中忽略了汽车的 滚动阻力偶矩、空气阻力和转动质量减速时产生的惯性力偶矩。 ， ， 汽车的惯性力( f f ) 为：f i = 聊二兰( 2 6 ) j d t 显然，地面制动力( 足6 ) 等于惯性力，即：e b = f ， ( 2 - 7 ) 而 民= 民1 + 匕2 ( 2 8 ) 从图可求得地面法向反作用力( ) 为：= 、+ ，( 2 9 ) 对后轮接地点取力矩得：1 - 三= g 6 + f ，矗。 ( 2 1 0 ) 丝三耋童耋竺! 篁墼竺型竺董奎里矍 故卟弘专参陋 心= 知专参陋1 2 ， 式中：小汽车质量，蚝，坍= g 信 g 一汽车重量，n ； p 一重力加速度，m s 2 ； l 一汽车轴距，m m ； n 一一汽车质心至前轴中心线 的距离，m m ： 6 汽车质心至后轴中心线 的距离，m m ； 。汽车质心高度，m m ； 立汽车制动减速度，m s 2 。 图2 1 l汽车制动时的受力 f i g u r e2 1 1 t h ef b r c ed i a g r a mo f a u t o m o b i l ea tb r a k i n g 从式可知，汽车制动时的动轴荷不同于静态时的轴荷，发生了轴荷转移t 前 轴荷增大，后轴荷减小，轴荷转移的程度随制动减速度的增大而增大。 由于制动力受车轮与路面附着条件的制约，路面制动力的最大值不能超过附 着力，故：只6 。= 巴= 妒- g ( 2 13 ) 汽车能达到的最大制动减速度为：孚：妒g ( 2 - 1 4 ) 盘l 要达到最大制动力及最大制动减速度的条件是：双轴汽车的前、后轮制动器制动 力之和等于附着力，并且前、后轮制动器制动力分别等于各自的附着力，即： 民i + c 6 2 = 妒g ( 2 - 1 5 ) 只6 l = p l ( 2 1 6 ) 民2 = 妒2 ( 2 1 7 ) 这时全部车轮同时濒临抱死，路面作用在前、后车轮上的法向反作用力为： 。= 孚( 6 + 妒) ( 2 郴) 1 9 广东工业大学工学硕士学位论文 2 = 等t 一p 唣) ( 2 1 9 ) l 如果汽车各轴制动力之比等于其法向反作用力之比，能满足这一条件的制动 器制动力的分配称为最佳分配。有的汽车上装有“电子制动力分配”e b d ，全称 是e 1 e c t r i cb r a k ef o r c ed i s t r i b u t i o n 。e b d 的功能就是在汽车制动的瞬间，高速计 算并调整制动装置，达到制动力与法向反作用力的匹配l 。作为a b s 的辅助功能， e b d