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车辆制动力动态比例分配的研究 摘要 ， i 1 车辆在行驶过程中，由于行驶状况的不断变化，制动器的制动力必须得到合理的分配， 这样才能使制动过程尽量符合实际情况。但是在传统制动系统中，前后轮制动器制动力的 分配比值是一个相对固定的值，它不能很好的适应各种路面情况。因此有必要对前后制动 器制动力的分配进行研究，找出合理的控制规律。 从理论上讲，在单一附着系数路面上直线行驶时，要使汽车获得尽可能大的制动力， 又能保证制动稳定性，就必须按照以下两个原则设计制动控制系统：1 ) 能够充分利用地面 的附着条件；2 ) 各个车轮制动器油压应随地面制动条件以相同比例增长或减小。由于车辆 在制动或转弯过程中会产生的惯性力，各个车轮垂直载荷也会因此相应地增大或减小，这 就要求各个 着眼于 器的制动力也要随之变化。 对车辆制动力分配采取不同于以往的动态控制方法，可以使车轮制动 器的制动油压随着实际的行驶条件而不断变化，使前、后车轮的地面制动力都得到充分的 利用。 首先建立理论车辆制动模型，分析车辆制动过程中最佳制动力分配的基本原则和控制 规律，找出影响制动力分配的基本因素。其次，建立轮胎和制动器模型，并进行一定的力 学分析，得出制动力和侧偏力之间的关系。第三，根据不同的行驶条件选取三种有代表性 的行驶工况1 ) 前后附着系数不同的路面、2 ) 左右附着系数不同的对开路面和3 ) 弯道 路面，应用前面给出的分析结果并结合实际的道路条件得到不同情况下的制动力动态分配 方案。最后，运用m a t l a b 仿真软件，建立车辆制动模型，并根据不同情况进行模拟。同 时将所得结果与实车试验的数据进行比较，证明理论的可行性。 关键词：车辆制动动力学制动力分配控制 t j ，动文勰本 轮y 车，此 a n a l y s i so fd y n a m i cb r a k i 】呵gf o r c e d i s t r i b u t i o n0 fv e h i c l e a b s t r a c t w i t ht h e c h a n g e s i nv e h i c l em o t i o ns t a t e s ，t h ew h e e lb r a k i n gf o r c e sm u s tb ep r o p e r l y m o d i f i e di n b r a k i n gp r o c e d u r e t oc o m p l y w i t ht h e b r a k i n gr e q u i r e m e n t s b u t i nm o s t c o n v e n t i o n a lv e h i c l e s ，t h eb r a k i n gs y s t e m sa r en o tc o n t r o l l a b l ea n dt h er a t i oo ff r o n tb r a k i n gf o r c e a g a i n s t r e a rb r a k i n gf o r c ei sc o n s t a n t t h u s ，i tc a nn o ta d a p tt ot h ec h a n g e so f r e a lr o a ds i t u a t i o n s t h e r e f o r e ，o n en e wb r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o na p p r o a c hf o rd i s kb r a k es y s t e mi ss t u d i e da n d d e v e l o p e di nt h et h e s i s t h e o r e t i c a l l y , o nt h er o a ds u r f a c ew i t hc o n s t a n ta d h e s i o nc o e f f i c i e n t ，i no r d e rt oe n s u r et h e v e h i c l eo b t a i nt h em a x i m u m b r a k i n gf o r c ea sw e l la ss t a b i l i t yi nb r a k i n g ，t w op r i n c i p l e sm u s tb e c o n s i d e r e d ，1 ) t h ef r i c t i o nb e t w e e nr o a da n dt y r em u s tb ef u l l yu t i l i z e d ；2 ) t h eb r a k i n gl i n e p r e s s u r e sf o rd i f f e r e n tw h e e l ss h o u l db ec h a n g e dt oa d a p tr e a lr o a ds i t u a t i o n sw i t hs a m e e x t e n t b e c a u s eo ft h ec h a n g e so ft h en o r m a lf o r c e sf o rd i f f e r e n tw h e e l sw i t ht h ev e h i c l e w o r k i n g c o n d i t i o n s ，e g ，i nb r a k i n g o r t u r n i n g ，t h eb r a k i n g f o r c e so fe a c hw h e e lm u s tb e p r o p e r l y d i s t r i b u t e d b a s e do nt h ea n a l y s i sa b o v e ，t h et h e s i sc r e a t i v e l yb r i n g sf o r w a r dan e wd y n a m i cc o n t r o l a p p r o a c hw h i c h i sd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lo n e s t h eb r a k i n gl i n ep r e s s u r e sc a l lc o m p l yw i t h t h er e a ls i t u a t i o no fr u n n i n gv e h i c l e b yu s i n g t h i sc o n t r o la p p r o a c h ，a n dt h e b r a k i n gf o r c e p r o v i d e db y r o a dc a na l s ob ef u l l yu t i l i z e d f i r s t l y , at h e o r e t i c a lb r a k i n gd y n a m i cv e h i c l em o d e li sb u i l t b a s e do nt h ee s t a b l i s h e dm o d e l ， t h eb a s i cp r i n c i p l ea n dc o n t r o la l g o r i t h ma r ep r o p o s e df o rt h eo p t i m i z a t i o no fb r a k i n gf o r c e d i s t r i b u t i o n t h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h eo p t i m a lb r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o na r ea n a l y z e d s e c o n d l y , t h em o d e l so ft i r ea n db r a k ed i s ka r ee s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt od y n a m i c sa n a l y s i s ，t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nb r a k i n gf o r c ea n dl a t e r a lf o r c ei so b t a i n e d t h i r d l y , t h r e et y p i c a lr o a dc a s e s ， w h i c ha r ea ) d i f f e r e n ta d h e s i o nc o e f f i c i e n t si nf r o n ta n dr e a rw h e e l s ，b ) s p l i tr o a dw i t hd i f f e r e n t a d h e s i o nc o e f f i c i e n t so nl e f ta n dr i g h tt r a c k sa n dc ) c u r v e dr o a d ，a r es e l e c t e di na n a l y s i s u s i n g t h ea n a l y s i sr e s u l t sd i s c u s s e da b o v ea n dc o m b i n i n gw i t ht h er e a lr o a ds i t u a t i o n s ，o p t i m a ld y n a m i c b r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o n sc a nb ea c h i e v e d f i n a l l y , av e h i c l eb r a k i n gd y n a m i cm o d e li sb u i l ti n m a t l a bs o f t w a r ee n v i r o n m e n t a n dt h es i m u l a t i o n si nd i f f e r e n t s i t u a t i o na r ec a m e do u t c o m p a r e d w i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ef e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h i sd y n a m i c b r a k i n g f o r c ed i s t r i b u t i o na p p r o a c hi sp r o v e d k e y w o r d s ：v e h i c l e ，b r a k i n gd y n a m i c s ，b r a k i n g f o r c ed i s t r i b u t i o nc o n t r o l 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子舨， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在鼻解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：荐壹t t 指导教师签名： 日期：枷年月7 t 日日期：2 一a 年岁月7 1 日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名菇囊域 日期：伽乙年弓月乙日 l 海交通大学硕士毕业论文 乍辆制动力动态比例分配 符号说明 前轮地面制动力 后轮地面制动力 左前轮地面制动力 右前轮地面制动力 左后轮地面制动力 右后轮地面制动力 前轮地面支持力 后轮地面支持力 地面附着力 制动器制动力 制动器制动力矩 车辆自重 重力加速度 质心距前轮距离 质心距后轮距离 轴距 质心距地面高度 左右轮轮距 制动强度 同步附着系数 地面附着系数 车轮半径 制动器制动力分配系数 车轮转速 车辆行驶速度 滑移率 制动力系数 峰值附着系数 利用附着系数 路面移动速度 胎面底部的移动速度 前轮转向角 侧偏角 制动器制动力矩 制动器制动时的瞬时油压 使制动盘刚刚和制动鼓接触时所要求的油压 制动器系数 车轮制动分泵面积 相当于分泵摩擦损失的效率系数 f r 儿豫儿捕 砌场d矗g g n 6 k k z钿伊r肪“j弛怖仍昨d仅p励肼4口 海交通大学硕士毕业论文车辆制动力动态比例分配 制动鼓等效半径 前轮左右制动器制动力之差 后轮左右制动器制动力之差 侧向速度 侧向加速度 车辆帝动减速度 横摆角速度 横摆角加速度 前轮侧偏刚度 后轮侧偏刚度 车辆绕z 轴的转动惯量 左前轮转动惯量 右前轮转动惯量 左后轮转动惯量 右后轮转动惯量 如仙船，o o，岛b如如咖觑勘 j 。海交通大学硕士毕业论文 乍辆制动力动态比例分配 第一章绪论 第一节前言 近几年来，现代轿车工业得到了迅猛的发展。从发动机、变速系统到制动系 统，各种新的技术层出不穷。在车辆的各种性能中，制动系统的重要性始终处于 非常重要的地位。车辆的行驶安全性和操纵稳定性以及乘坐舒适性正受到越来越 多的关注。在众多新技术中，a b s 正在以其对制动效能的显著提高和平稳的驾 驶性能等优点，得到越来越多业内人士和驾车一族的青睐。 为了能够使车辆在各种复杂工况下保证制动的安全性和稳定性，工程师们研 究出了a b s 制动系统，它可以有效地防止车轮在紧急制动过程中发生抱死现象， 可以有效地避免前轮失去转向能力和后轮抱死侧滑的危险情况。 但是在前期制动过程中，a b s 系统并没有对车辆的制动进行调节。所有的制 动力分配特性都是按照预先设计好的制动力分配比例来进行分配。这样无疑会产 生很多问题。考虑到车辆所行驶的路面工况千差万别，车辆的载荷分配情况也各 不相同，而在制动过程中却应该按照实际情况分配前后制动器的制动力。这种一 刀切的分配方式显然不能满足现代轿车制动的要求。因此，有必要对制动力分配 进行一种合理化的设计，使车辆能够“自动”地根据当时的行驶工况对制动力进 行智能化的合理调节，使制动过程平稳和安全。 根据这种制动要求，诞生了种被称为制动力动态分配的技术，即制动力动 态比例分配。它可以在现有a b s 制动系统的基础上，经过一定的算法控制，并 结合几个车辆实测的参数对前后制动器制动力进行较为合理的分配。整个过程都 是由车辆自己分析、判断和实施的，是一种智能化的制动策略。正是因为它是在 现有制动设备基础上发展起来的，所以有很大的应用空间。 第二节制动控制规律的发展现状 目前，国外在制动性能方面的研究一直处于一个比较领先的地位，对于制动 力动态比例分配的研究也是如此。全球各大汽车制造公司都在发展这控制技 f 一海交通大学硕士毕业论文乍辆制动力动态比例分配 术。包括通用、奔驰、雪弗莱等大公司已经开发出了几款车型，都带有这种新型 的制动控制技术。但是在国内，有一些学者对各种优化固定制动力分配方案有过 不少的研究，比如应用灰色理论研究制动力分配，选用各种后车轮用的调节阀、 限压阀等，但所有这些技术都是在固定比值的基础上进行研究，仅仅是对现有制 动的种小范围的优化。而对于制动力动态比例分配的研究，在国内还处于一个 相对比较落后的水平，也没有多少关于此类技术的相关文章。而这种技术在提高 制动性能和增加制动时的舒适性方面已经通过试验证实。本文将作者在这方面做 过的研究进行一个总结，可供有关人士参考。 第三节本文主要工作 本课题主要研究内容有： 1 针对车辆制动过程中理想制动力的分配进行详细的论述，并从原理上对 其进行分析，讲述制动力动态比例分配的概念和工作原理。见图1 1 。 2 分析车辆制动过程的受力情况，建立理想运动方程。在建立模型的时候， 对于车辆制动过程中发生的侧倾和俯仰运动而对车轴的载荷分配带来的 影响，采用了先简化后叠加的分析方法。这样可以比较清楚而简便的对 问题进行分析，即考虑了各种制动情况，又避免了过于简化而引起的问 题。 3 以直线制动和弯道制动两大类情况来分析说明如何进行制动力动态比例 分配。在直线制动时分析了前后附着系数不同和左右附着系数相同、不 同的工况。在弯道时暂时只分析左右两侧附着系数相等的情况下如何对 制动力进行分配。 4 用m a t l a b 数学分析工具进行仿真，并将仿真数据与试验得到的数据 进行分析和比较，以说明制动力动态比例分配对制动的贡献以及实施的 可行性和正确性。 l 海交通大学硕士毕业论文 车辆制动力动态比例分配 饥 _ f u f i g u r e l l l d e a lb r a k ef o r c ed i s t r i b u t i o nc l j a v eb e t w e e nf r o n ta n dr e a l w h e e l 图1 1 理想的前、后制动器制动力分配曲线 - 7 l 海交通大学硕e 毕业论文乍辆制动力动态比例分配 第二章理想车辆制动模型 第一节轮n 韦, l j 动受力分析 一地面制动力 地面制动力是使汽车制动而减速行驶的外力，但是地面制动力取决于两个摩 擦副的摩擦力：一个是制动器内制动摩擦 片与制动鼓或制动盘问的摩擦力，一个是 轮胎与地面间的摩擦力附着力。 如右图所示，分析一个车轮在制动时 的受力情况。 r ， = ( 2 - 1 ) 九 式中是地面制动力，单位是；l 是车轮制动器中摩擦片与制动鼓或盘相对 滑动时的摩擦力矩，单位是n m ；w 为车 轮垂直载荷；乙为车轴对车轮的推力；f z 上一 ) ? w f “， 、。 “v ”l i ：= f j y 7 “7 甲 f z f i g u r e2 - 1f o r c eo nt h ew h e e lw h e n b r a k e d 图2 1 车轮在制动时的受力情况 为地面对车轮的法向反作用力。它们的单位均为。 二制动器制动力 在轮胎边缘为了克服制动器摩擦力矩所需的力称为制动器制动力，以符号r 表示。由制动器制动力的定义可知其大小等于： = 等 ( 2 - 2 ) 式中死为车轮制动器中摩擦片与制动鼓或盘相对滑动时的摩擦力矩。 三地面制动力、制动器制动力与附着力之间的关系 在制动时，若只考虑车轮的运动为滚动与抱死拖滑两种状态，当制动踏板力 较小时，制动器摩擦力矩不大，地面与轮胎之间的摩擦力及地面制动力，足以克 服制动器摩擦力矩而使车轮滚动。显然，车轮滚动时的地面制动力就等于制动器 制动力，即随踏板力增长成正比地增长，见图2 2 。但地面制动力是滑动摩擦的 约束反力，它的值不能超过附着力凡，即 l 海变通大学硕：【一毕业论文 4 辆制动力动态比例分配 f n s f ，= f z 。 f b 一= f z 口 或最大地面制动力 6 。为当制 动器踏板力r 或制动系液压力p 上升 到某一值( 右图中为制动系液压力 p a ) 、地面制动力达到附着力r 值时，车轮开始抱死不转而出现拖滑 现象。制动系液压力p p a 时，制动器 制动力凡由于制动器摩擦力矩的增 长而仍按直线关系继续上升。但是， 若作用在车轮上的法向载荷为常数。 地面制动力f x b 达到附着力r 的值后 就不再增加。 t 毒 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 耳 f i g u r e2 - 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e n b r a k ef o r c ef r o m r o a da n db r a k ef o r c ef r o mb r a k ed r u m 1 】 图2 - 2 制动时地面制动力、制动器制动力及附 着力的关系1 】 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。 第二节滑移率对车辆制动的影响 一滑移率 滑移率的定义是 s ：! 二丝1 0 0 1 1f 2 5 1 u 滑移率不能太高也不能太低，应该在一个理想的范围之内变化，此时地面附 着力的利用程度最佳。 二制动力系数钆 若令地面制动力与垂直载荷之比为制动力系数妒6 ，则在不同滑移率时，钆 的数值不同。图2 。3 给出了实验所得的制动力系数曲线，即妒6 一s 曲线。曲线在 o a 段近似于直线，随s 的增加而迅速增大。过a 点后上升缓慢，至b 点达到最 大值。制动力系数的最大值称为峰值附着系数。一般出现在5 = j 2 d 。滑 移率再增加，制动力系数有所下降，直至滑移率为1 0 0 。j - - - - 1 0 0 的制动力系 数称为滑动附着系数似。在干燥路面上，和钆的差别较小，而在湿路面差别 较大。 海交通大学硕士毕业论文 乍辆制动力动态比例分配 在j 的o a 段，虽有一定 的滑移率，但轮胎并没有与地面 发生真正的相对滑动。滑移率大 于零的原因是轮胎的滚动半径 变大。显然，滚动半径与地面制 动力成正比的增大，驴6 一j 曲线 o a 段近似直线。至a 点后，轮 胎接地面积中出现局部的相对 滑动，妒6 的值增大速度减慢。因 为摩擦副问的动摩擦系数小于 静摩擦系数，故舻6 值在1 3 点达 最大值后又逐渐降低。 i 看玑 3 ；o 一 点 董。 o f i g u r e2 - 3s l i pr a t i op e r t i n e n tt ob r a k ef o r c e c o e f f i c i e n t t l j 图2 - 3 滑移率与制动力系数的关系曲线1 】 实际车辆行驶过程中，轮胎常常受到侧向力而侧偏或发生侧滑现象。侧向力 系数为侧向力与垂直载荷之比。曲线表明，滑动率越低，同一侧偏角条件下的侧 向力系数妒越大，即轮胎保持转向、防止侧滑的能力越大。所以，制动时若能 使滑移率保持在较低值，通常取滑移率s = j 5 ，便可获得较大的制动力系数与 较高的侧向力系数。这样，制动性能最好，侧向稳定性也很好。具有一般制动系 的汽车是无法做到这一点的，但近年来发展起来的制动防抱装置却能实现这个要 求，从而显著的改善汽车在制动时的制动效能与方向稳定性。 第三节控制通道数对制动效果的影响 车辆在制动过程中的安全性是非常重要的。它包括直线制动过程的平稳性、 最短制动距离和最大制动减速度，以及弯道制动过程中的方向稳定性和转向操纵 能力。 汽车制动时的方向稳定性主要取决于制动过程中后轮的抗侧滑能力，其次还 受两侧车轮制动力平衡情况的影响。自动抱死的车轮将完全丧失抵抗侧滑的能 力，如果受到外界侧向力的作用，制动抱死的车轮会发生侧滑，从而损害汽车制 动时的方向稳定性，特别是当汽车后轮发生侧滑时，会使汽车产生附加的横摆力 矩，更加剧了侧滑，汽车就会发生急转，严重的损害汽车制动时的方向稳定性。 由于汽车前轮发生侧滑时，会使汽车产生附加的回正力矩，从而使侧滑得到衰减。 所以，前轮丧失抵抗侧滑的能力对汽车的方向稳定性影响较小。另外，在制动过 程中如果汽车两侧车轮的制动力存在严重的不平衡，将导致汽车向制动力较大 一侧跑偏，以会影响汽车制动时的方向稳定性。 汽车制动过程中的转向操纵能力主要取决于前轮的抗侧滑能力。因此，如果 卜海交通大学硕士毕业论文乍辆制动力动态比例分配 前轮由于制动抱死而使其抵抗侧滑的能力丧失时，即使通过转向操纵机构将前轮 偏转，汽车也不能转向行驶，使汽车丧失了转向操纵能力。 在制动时，保证汽车具有良好的方向稳定性是提高汽车行驶安全性的基础。 而在制动时保持转向操纵能力，则是提高汽车主动安全性的重要方面。特别是汽 车在高速行驶中进行制动时，由于制动距离较长，而保持转向操纵能力的汽车将 可以通过改变行驶方向避让障碍或通过弯道，有效地避免严重交通事故的发生。 当然，充分利用各车轮的附着力获得尽可能大的制动力，缩短制动距离也是很重 要的，但与提高制动时的方向稳定性和保持制动时的转向操纵能力相比其意义则 要小得多，特别是对高速行驶的汽车更是如此。所以，对制动系统控制效果的评 价标准应为： 首先是对提高汽车在制动时方向稳定性的评价； 其次是对保持汽车制动时转向操纵能力的评价； 再次是对缩短汽车制动距离的评价。 一防抱死制动系统的控制通道及控制原则 防抱死制动系统的控制通道是指制动系统中能够对制动压力独立进行自适 应调节的制动管路。一个控制通道可能只对一个车轮进行防抱死制动压力调节， 也可能对多个车轮一同进行防抱死制动压力调节。一个控制通道只对一个车轮进 行防抱死制动压力调节时，称该控制通道为独立控制。一个控制通道对多个车轮 一同进行防抱死制动压力调节时，如果是以具有最大附着力的车轮不发生制动抱 死为控制原则称该控制通道为按高选原则进行一同控制；如果是以具有最小附着 力的车轮不发生制动抱死为控制原则，则称该控制通道为按低选原则进行一同控 制。 根据控制通道的数量，防抱死制动系统 可以分为四通道系统、三通道系统、双通道 系统和单通道系统。对由同一控制指令控制 而由多个制动压力调节装置同时进行同样 制动压力调节的多条制动管路，仍视为一个 控制通道。 二四通道系统及其控制效果 装备四通道防抱死制动系统的汽车在 左、右两侧车轮的附着条件相近的情况下进 行制动时，由于四个车轮均不会发生制动抱 死而使四个车轮均保持较高的抗侧滑能力， ( , i t ) ( b ) 海交通大学硕士毕业论文车辆制动力动态【例分配 而且能够较充分地利用车轮与地面的附着条件产生较大的制动力，所以，装备四 通道防抱死制动系统的汽车在左、右两侧车轮的附着条件相近的情况下进行制动 时，能够保持良好的方向稳定性和转向操纵能力，制动距离也较装备常规制动系 统是有所缩短。但是，当左、右两侧车轮的附着力相差较大时，尽管各个车轮都 不会发生制动抱死，但汽车在制动时却有可能因左、右两侧车轮较大的制动力差 异而使汽车向制动力较大的一侧发生跑偏。这一跑偏虽然可以通过使用具有抗侧 滑能力的转向车轮发生反向偏转予以纠正，但还是对汽车制动时的方向稳定性产 生不良的影响。 三三通道系统及其控制效果 车辆在制动过程中轴荷会发生很大的转移，特别是对于前轮驱动的轿车而 言，其前轮的附着力通常可达前后车轮附着力总和的7 0 。为了充分利用两个 前轮较大的附着力以获得尽可能大的制动力，三通道系统应对两个前轮进行独立 控制，对两个后轮进行一同控制。 三通道系统可以保证两个前轮都不发生制动抱死，保证两个三通道系统与四 通道系统相比，因其后轮制动力能够保持平衡，所以，三通道系统的制动方向稳 定性要好于四通道系统，二者的转向操纵能 力因前轮均为独立控制而相当，二者的制动 距离也无明显差异。 在直线制动时，可以使用三通道系统， 按照以具有最小附着力的车轮不发生制动 抱死的控制原则，可以保持两个后轮的制动力一致。从而可以避免后轴侧滑现象 的发生。 在弯道制动时，引入横摆角速度。将车辆的横摆角速度与实际的车轮转向角 度进行比较。可以让车辆在理想的制动曲线上进行制动，可以避免出现跑偏现象。 四双通道系统及其控制效果 双通道控制系统是在两条制动总管路中 各设置一个制动压力调节装置，对两个后轮 和两个前轮分别进行一同控制。为了提高汽 车的制动方向稳定性，两个后轮应按低选原 则进行一同控制，使两个后轮都具有较高的抗侧滑能力，并且产生相等的制动力。 为了使汽车在两侧车轮的附着条件相差较大时能够充分的利用附着条件较好一 侧前轮的附着力以产生更大的制动力，两个前轮按高选原则进行一同控制。 当设置转速传感器车轮的附着条件好于同轴的另一车轮时，该轴的两个车轮 将相当于按高选原则进行一同控制；而当设置转速传感器车轮的附着条件比同轴 海交通人学硕士毕业论文车辆制动力动态比例分配 的另一车轮差时，该轴的两个车轮将相当于按低选原则进行一同控制。 如果两个前轮按低选原则进行一同控制，当两个前轮的附着条件相差较大 时，由于附着条件较好的前轮的附着力没有被充分利用，汽车的制动力将受到明 显损失，汽车的制动距离就会显著增大。如果两个前轮按高选原则进行一同控制， 当两个前轮的附着条件相差较大时，尽管能够充分利用较大的附着力产生较大的 制动力，保证制动距离较短。但由于两个前轮的制动力会产生明显的不平衡，使 汽车产生制动跑偏趋势。当两侧附着条件突然变得接近时，往往难以纠正。而当 两个前轮是通过各自的传感器来控制时，两个前轮的制动力是逐渐达到平衡的， 此时车辆仍然具有良好的方向稳定性。 五单通道系统及其控制效果 单通道系统按照前后布置的双管路制动系统，对后轮驱动的汽车只需在传动 系统中设置一个转速传感器，由设置在后制动总管路中的一个制动压力调节装置 对两个后轮进行一同控制。 单通道系统对两个后轮按低选原则进行一同控制，保证两个后轮具有较高的 抗侧滑能力，并且保证两个后轮的制动力保持平衡，使汽车具有良好的制动方向 稳定性。由于两个前轮未进行防抱死控制，紧急制动时有可能会发生前轮抱死的 现象，使汽车失去转向操纵能力。同时未能充分利用地面附着力产生的制动力， 制动距离会较大。 综合看来，四通道系统在改善制动方向稳定性方面略逊于三通道系统，而结 构比三通道系统复杂。双通道系统难以在提高制动方向稳定性和缩短制动距离两 个方面得到兼顾，结构比单通道复杂。单通道虽然结构简单，但制动效果不是很 理想。三通道系统既能使汽车具有良好的制动方向稳定性和转向操纵能力，又有 助于缩短制动距离，其控制效果比较好。 第四节理想前后轮制动力分配曲线 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 后轮先抱死拖滑，然后前轮抱死拖滑： 3 前、后轮同时抱死拖滑。 对于情况1 是稳定工况，但在制动时汽车丧失转向能力，附着条件没有充分 利用：情况2 中，后轴可能出现侧滑，是不稳定工况，附着利用率也低；而情况 3 可以避免后轴侧滑，同时前转向轮只有在最大制动强度下才是汽车失去转向能 l 海交通大学硕：匕毕业论文车辆制动力动态比例分配 力，较之前两种工况，附着条件利用情况较好。 所以，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 着条件利用程度，是设计汽车制动系必须妥善处理的问题。 ，地面对前、后车轮的法向反作用力 在分析前、后轮制动器制动力分配比例以前，必须先了解制动时作用在汽车 前后车轮上的附着力和法向反作用力。 右图所示是车辆在水平路面上制动时的受力情况。图中忽略了汽车的滚动阻 力偶矩、空气阻力以及旋转质量减速时产生的惯性力偶矩即回转惯性。在下面的 分析过程中，忽略了车轮边滚边滑的过程，附着系数暂时取一个固定的值妒o 。 如图2 - 4 所示，对后轮接地点取力矩得 ， t 屹l = g b + m 罢h g ( 2 - 6 ) 式中，f z l 仃w 为地面对前轮的法 向反作用力：g f m 为汽车重力； 6 俐为汽车质心至后轴中心线 的距离；m 俾矽为汽车质量；k p 砂 为汽车质心高度；掣s ：) 为 d f 汽车减速度。 f 司理，对前轮接地点取力矩得 f i g u r e2 - 4i l l u s t r a t i o no f a p p l i e df o r c ew h e nb r a k i n g 困2 - 4 制动时的汽车受力图 f z 2 z = 印一 d 础u h g ( 2 - 7 ) 式中，f 汤门为地面对后轮的法向反作用力；a 为质心至前轴中心线的距离。 令皇兰= z g ，z 称为制动强度，则可求出地面法向反作用力为 巴；= g ( 6 + z h 。) l f z ：= g 0 一z h 。) l ( 2 8 ) ( 2 9 ) 若在不周附着系数的路面上制动，前、后轮都抱死( 不论是同时抱死或分别抱死) ， 此时= b = g 妒一d - u = 昭。地面作用于前、后轮的法向反作用力为 “l 兄、= g i b + 础g j 三( 2 一l o ) f z ：= g i a 一础。j 肛 ( 2 1 1 ) 二理想的前、后制动器制动力分配曲线 前面已经指出，制动时前、后轮同时抱死，对附着条件的利用、制动使汽车 海交通人学硕：卜毕业论文 乍辆制动力动态比例分配 的方向稳定性均较为有利。此时的前、后轮制动器制动力以和以? 的关系曲线， 常称为理想的前、后轮制动器制动力分配曲线。在任何附着系数妒的路面上，前、 后车轮同时抱死的条件是：前、后车轮的制动器制动力之和等于附着力，并且前、 后制动器制动力分别等于各自的附着力，即 根据 吲1f 科g i 2 t 石4 h g l 一 警叫 陋聊 由上式画成的曲线，即为前、后轮同时抱死时前、后轮制动器制动力的关系曲线 理想的前、后轮制动器制动力分配曲线，简称i 曲线，见图1 - 1 。由上式可 知，只要给出汽车的总质量、汽车的质心位置就能画出i 曲线。 三具有固定比值的前、后制动器制动力 现在大多数汽车的前、后制动器制动力之比为一固定值。常用前制动器制动 力与汽车总制动器制动力之比来表明分配的比例，称为制动器制动力分配系数， 并以符号卢6 表示，即 f 尻= 等( 2 1 4 ) f “ 式中，以，为前制动器制动力；以为汽车总制动器制动力，日= 1 + 毋。，如为后 制动器制动力。所以我们可以得到 f u | = 8 b f h ，f u 2 = ( i 一8 0 f u ( 2 、 同时有 苇鼯f h 2 = b ( f 。1 ) 表示， 为 f n8b 4 一 f 。21 一pb 则f 2 = b r 为一直线 ( 2 - 1 6 ) 此直线通过坐标原点，且其斜率 t a 肌警 p 忉 这条直线称为实际前、后制动器制动力分配线，简称尻线。右图所示为一货车 的成线与i 曲线。 动陋 铲呢如 十 = = i 二海交通人学硕士毕业论文 乍辆制动力动态比例分配 z _ i l 1 w ，i t n f i g u r e 2 - 58l i n ea n dil i n eo f v e h i c l e 图2 - 5 一车辆的口线与，曲线 我们将岛线与i 曲线的交点b 处的附着系数妒。称为同步附着系数，所对应 的制动减速度称为临界减速度。同步附着系数是由汽车结构参数决定的、反映汽 车制动性能的一个参数。 同步附着系数说明，前、后制动器制动力为固定比值的汽车，只有在一种附着系 数，即同步附着系数路面上制动时才能使前、后轮同时抱死。 第五节附着系数利用率 为了防止后轴侧滑和前轮失去转向能力，汽车在制动过程中最好既不要出现 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。所以，应当以即将出现车轮抱死但还没有任何车轮抱死时的制动减速度作 为汽车能产生的最高制动减速度。 从上面的分析可知，若在同步附着系数的路面上制动，则汽车的前、后车轮 将同时达到抱死的工况，此时的制动强度z = p o ，妒。为同步附着系数。在其它附 着系数的路面上制动时，达到前轮或后轮抱死前的制动强度比路面附着系数要 小，即不出现前轮或后轮抱死的制动强度必小于地面附着系数，也就是z 妒o 。 因此可以说，只有在妒= 伽的路面上，地面的附着条件才得到较好的利用。而在 妒 伽或妒p o 的路面上，出现前轮或后轮提前抱死情况时，地面附着条件均未 得到较好的利用。这一点在上面分析的例子中可以看出。这个结论也常常这样来 描述：汽车以一定减速度制动时，除去制动强度z = p d 以外，不发生车轮抱死时 所要求的制动强度总小于路面附着系数。为了定量说明这一点，我们引进利用附 海交通大学硕士毕业论文4 + 辆制动力动态比例分配 着系数的概念，其定义为 仍= 孕 1 丑 ( 2 一1 8 ) 式中，f r b s 为对应于制动强度z ，汽车第i 根轴产生的地面制动力；，汤为制动强 度为z 时，地面对第i 根轴的法向反力：p ，为第i 根轴对应于制动强度z 的利用 附着系数。 显然，利用附着系数越接近制动强度，地面的附着条件发挥得越充分，汽车 制动力分配的合理程度越高。通常以利用附着系数与制动强度的关系曲线来描述 汽车制动力分配的合理性。最理想的情况是利用附着系数总是等于制动强度这一 关系。 卜海交通犬学硕士毕业论文车辆制动力动态比例分配 第三章车辆轮胎模型和制动器模型 第一节轮胎模型 汽车在行驶过程中如果进行制动，路面所提供的制动力只能通过轮胎进行传 递。因此有必要对车辆的轮胎模型进行一定的分析。主要是分析车辆轮胎在制动 过程中所产生的纵向制动力和侧偏特性对车辆制动过程的影响。 车轮制动时的侧偏特性主要包括侧偏力、回正力矩和侧偏角间的关系。 汽车在行驶过程中，由于路面的侧向倾斜、侧向风或曲线行驶时的离心力等 的作用，车轮中心沿y 轴方向将作用有侧向力f r ，相应的在地面上产生地面侧 向反作用力n ，n 就是这里所说的侧偏力。 当地面提供侧向反作用力时，如果认为车轮是刚性的，则会出现两种情况： l 当地面侧向反作用力，y 未超过车轮与地面间的附着极限时，车轮与地面间 没有滑移，车轮仍沿其本身平面方向c c 行驶。 2 当地面侧向反作用力一达到车轮与地面间的附着极限时，车轮发生侧向滑 移。假设滑移速度为“，则车轮将沿合速度u 方向行驶，偏离了原来的行 驶方向c c 。 -、 | fv l 厂。 访 fr a i j f i g u r e3 - 1w i t h o u t l a t e r a ls l i p 图3 1 无侧向滑移 w i t hl a t e r a ls l i p 有侧向滑移 上面讲述的是假设车轮为刚体。但实际情况，车轮通常都会有弹性。因此当 车轮有侧向弹性时，即使一没有达到附着极限，车轮行驶方向仍将偏离车轮平 卜海交通大学硕t 毕业论文 车辆制动力动态比例分配 面的方向，从而产生轮胎的侧偏现象。 现在用简单的轮胎模型来分析车轮在带有侧偏角滚动并且作用有制动力时 侧偏力凡的变化规律。如图3 - 2 所示的简单轮胎模型，刚性带束占由胎体的弹 簧c 支承。此带束虽在半径方向可以变形，但没有侧向弯曲。在带束的外侧有 横向弹性常数为c 的弹性体7 t 。其次，在轮胎加载的情况下，接地面设成宽为w ， 氏为f 的矩形。分布在横向的接地压力( y 方向) 是均匀分布的。此模型化的轮 胎一边以有效滚动半径f k c 、角速度旋转， 一边以速度v 、侧偏角d 前进。并假设在 固定于轮胎轴的坐标上，路面的移动速度 为昨( = n ，胎面底部的移动速度为 ( = ，b ) 。于是滑移率可以用下式表示： s ：v r - c o s ( z 2 1f 3 1 1 多 、 ( 迤渤 l a t e r a l a r l 5 k v r 、 素 k j -_-_ t o vb t y c e n t e r f i g u r e 3 - 3i l l u s t r a t i o no f w h e e lm o v i n g 图3 - 3 轮胎移动示意图 区域b c 被称为滑移域。 路面上的一定通过爿点之后，经过时间间隔t i x r = v r t c o s 【2 i z = 圯t s i n 口 f i g u r e 3 - 2w h e e lm o d e l 图3 - 2 简单轮胎模型 图3 - 3 表示在接地部 胎面底部及表面的变形 与路面移动方向的相对 关系。路面上的一点在直 a b 方向移动，而且胎面 橡胶块表面上的一点在 爿点与路面接触，并移动 到b 点，而后一边滑移 一边移动到c 点。这里， 区域a b 被称为粘着域， 到达( x r ，l ) 点的坐标为 ( 3 2 ) 其次，胎面底部上的一点通过a 点之后，经过时间t ，到达( ，托) 点的 坐标为 髓0 【2 ( 3 _ 3 ) i k = v 叫 匕海交通大学硕士毕业论文 车辆制动力动态比例分配 心2 暨掣一圪( 3 - 4 ) l ，= 旷fs i n 口 令z r t = x i ，结合滑移率公式可以得到 ax，=sx1ays i n o ：吲 ( 3 s ) l= 如果设橡胶块的横向弹性常数为c ，并且假定c 没有方向性，那么在粘着域 瞻蒜c xi 。口(3-6) 1 兀=s i n 口 如果胎面在b 点对应位置开始滑移，则在粘着域内发生的切向力以、侧向 力r 由上式积分可以得到 巧_ c 脚心奶( 3 7 ) l = c a ( x s i n 口嘏。 。 在橡胶块开始滑移的位置，作用在橡胶块上的应力与最大摩擦力平衡。从此 ( p 。) 2 = 露+ 露2 1( 3 8 ) 式中p c 表示轮胎接地面上的正压力。近似的认为滑移摩擦系数与静摩擦系数相 等。同时摩擦系数不随方向变化。 若对侧偏角较小的情况进行近似计算，则滑移开始之前“为 f = t o q )( 3 。9 ) a = 嘉厨k = c 嘭 9 2 硒8 1 1 讲5 k 斗倒乃 然后，求滑移区域内摩擦力的方向。在接地面内胎面与路面表面间的相对平 均滑移速度v ，路面表面的速度为v ，以及胎面底部的速度圪间的关系如下图 所示。摩擦力的方向0 和滑移率s 、侧偏角d 之间的关系如下： s t a n o = t a n o t ( 0 - 0 万) 卜海交通