（车辆工程专业论文）汽车轴间制动力分配优化设计与制动性能计算机仿真研究.pdf

汽车轴间制动力分配优化设计与肯4 动性能计算机仿真研究 、_ _ _ 。，- _ _ 。一 摘要 本文首先对汽车制动系统进行了系统的理论分析，详细阐述了各类制动力调节 装置的结构、工作原理，并建立了其静特生函数：然后，在理论分析的基础上建立 了汽车带0 动力分配优化设计数学模型和制动性能计算机仿真数学模型；最后以所建 数学模型为基础开发了汽车制动力分配优化与制动性能计算机仿真软件，该软件的 开发成功可以大大提高制动系统设计人员的设计效率并获得最佳的制动系统设 计方案。本文中利用所开发的软件对北汽福田公司的奥铃轻卡b j l 0 3 9 v 4 p w 5 的 制动力分配进行了优化设计同时对该车优化前、后的制动性能进行了计算机 仿真计算，并通过道路制动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设计具有较高的理论指导意 义和实用价值。 关键词：汽车，制动力调节装置，制动力分配，菇花，制动性能， s t u d yo fa u t o m o b i l eb r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o n o p t i m i z a t i o na n db r a k i n gp e r f o r m a n c ec o m p u t e rs i m u l a t i o n a b s t r a c t 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 s t r u c t u r e ，w o r k i n gp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co fb r a k i n gf o r c er e g u l a t e f i t t i n gw a se x p o u n d e d s e c o n d ，b a s e do n t h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h i s t h e s i sp r e s e n t st h eb r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o no 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 la n dt h eb r a k i n gp e r f o r m a n c ec o m p u t e rs i m u l a t i o nm a t h e m a t i c sm o d e l f i n a li y ，ac o m p u t e rs o f t w a r ew a sd e s i g n e db a s e do nt h em a t h e m a t i c sm o d e l t h ec o m p u t e rs o f t w a r ec a ni m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c yo ft h eb r a k i n g s y s t e md e s i g np e r s o n n e la n dm a d et h e ma c h i e v et h eo p t i m a lp r o j e c t i nt h i s t h e m s ，w i t ht h es o f t w a r e ，t h eb r a k i n gd i s t r i b u t i o no ft h eb j l 0 3 9 v 4 p w 5 l i g h tt r u c kw a so p t i m i z e da n dt h eb r a k i n gp e r f o r m a n c eo ft h et r u c kw a s s i m u l a t i o nc a l c u l a t e d t h ec a l c u l a t i n g l yr e s u l tw a sv a l i d a t e dt h r o u g ht h e r o a db r a k i n gt e s t i nb r i e f ，t h e s t u d yo ft h i st h e s i si sd i r e c t i v ea n d p r a c t i c a lf o rt h ed e s i g no ft h ea u t o m o b i l eb 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 。b r a k i n gf o r c e d i s t r i b u t i o n ，o p t i m i z a t i o n ，b r a k i n g r e g u l a t ef i t t i n g ，b r a k i n g f o r c e p e r f o r m a n c e ，s i m u l a t i o n 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，也不包含为获得金胆王些盘生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己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：盈匆 考签字日期：，j 年z 月万日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥8 b 王些盘堂有关保留、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阅。本人授权金 壁王些盘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：丑棚g 签字日期：矿一；年多月g 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：壤门蔓右放行卑瘩限臼可电话 通讯地址：邮编 眦铲舫嘞 、一 “， 氰 蛳 签 目 师 字 导 签 致谢 论文完成之际我首先要感谢我的导师马恒永教授和石琴副教授。本论 文是在马老师和石老师的悉心指导下完成的，论文从选题到完成，二位导师 倾注了大量的心血。马老师那严谨的科学态度、深厚的学术功底、丰富的实 践经验使我受益匪浅、终生难忘。在硕士阶段的学习中，我从导师这里不仅 学到了丰富的科学知识，更重要的是学习到了一份锲而不舍的钻研精神、一 份对事业对生活的真诚态度，所有这些都将是我人生路上的宝贵财富。 我还要特别感谢汽车实验室徐建中老师、温千宏老师在试验过程中给予 我的指导与帮助。对北汽福田公司的相关技术人员的协助在此一并表示感 谢。 感谢任佩红、黄森仁、陈树勇、杨孝剑、蒋浩丰、贾杨成等同学在我的 论文完成期间所给予帮助。 向所有指导和帮助过我的老师和同学再次表示忠心的感谢! 最后，我要感谢我的父母和兄长，他们不仅给与我物质上的支持，而且 给予我精神上鼓励，在我迷茫与困惑时是他们以浓浓的亲情抚慰我，在我取 得成功时是他们警醒我戒骄戒躁继续努力。求学路上，亲人们的殷殷之情始 终是我奋斗的源泉感谢他们为我无私奉献的一切。 孟树兴 2 0 0 3 年5 月2 0 日 符号清单 上：轴距( m m ) b ：汽车前轮距( m m ) ：汽车总高( r a m ) m ：汽车总质量( 拓) k ：质心高度( r a m ) 日：质心至前轴距离( r a m ) v i 车速( m s ) 甜：轮速( r a d s ) s ：滑移率 z ：制动强度 正滚动阻力系数 妒：路面附着系数 ：轮胎峰值滑动摩擦系数 r ：地面法向力( ) t ：地面制动力( ) f ，：制动器制动力( ) 只：空气阻力( ) f ，：汽车平移质量惯性力( ) 眠：制动力矩( n m ) ，：滚动阻力矩( n m ) m ：车轮及制动鼓等旋转部件惯性力矩( n 肌) 山车轮及制动鼓等旋转部件转动惯量( 堙所：) ，：风阻中心高度( r a m ) c d ：空气阻力系数 e ：踏板力( ) 足：制动器效能因数 i 。：制动踏板机构传动比 刁。：制动踏板机构及主缸机械效率 t ：真空助力比 画：制动主缸活塞直径( r a m ) d ：活塞直径( r a m ) 叩：轮缸效率 r ：制动制动力作用半径( r a m ) 1 1 引言 第一章绪论 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，人们不断的将智慧融汇于汽车开发技术之中，促使汽车业发 展突飞猛进。同时，汽车又迅速地改变着当代世界的面貌，激励着社会快节奏 地运转。随着科学技术的发展，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) 不断提高，汽车已成为当今世界上最重 要的交通运输工具和人类社会活动中难以离开的必需品。 汽车给人们带来文明与进步的同时也带来了环境污染与交通事故等危害。 随着汽车保有量的增长，道路交通安全问题已成为世界性的社会问题。全世界 每年死于道路交通事故的人数估计超过5 0 万人，伤10 0 0 万人而我国则是世 界上交通事故最严重的国家。根据我国公安部交通管理局的统计，1 9 9 8 年，全 国发生汽车交通事故3 4 6 万多起，死亡7 8 万多人，受伤2 2 3 万多人，直接经 济损失1 9 3 亿元。2 0 0 1 年，全国发生汽车交通事故7 5 5 万多起，造成1 0 6 万 多人死亡，5 4 5 万人受伤，财产经济损失3 0 9 亿元，居世界首位。我国已成为 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 f ti l f h ，一一 1 【i， lil 起数( 万) 死亡人数( 万) 9 59 59 79 89 92 0 0 02 0 0 1 图l1 我国道路交通情况 世界各国中道路交通事故死亡人数最多的国家。图1 1 为1 9 9 5 年2 0 0 1 年全国 道路交通情况、道路交通死亡人数及万车死亡率情况。从该图中可以看出，我 国道路交通事故起数及死亡人数仍呈逐年上升趋势，且上升幅度逐年加大，这 种趋势在随后几年中将仍然持续。严峻的现实使人们不能不正视汽车安全性问 题。从市场营销的角度看，提高汽车安全性就是增加企业产品的市场占有率： 从消费者利益的角度看提高汽车安全性就是强化对人的生命和财产的保障； 从政府管理的角度看，提高汽车安全性就是稳定社会、保证经济繁荣的重要举 措。 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。据资料显不- - 2 9 1 ，发生人身伤亡交通事故中， 在潮湿的路面上约有1 3 与汽车侧滑、跑偏有关；在冰雪路面上7 0 一8 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。从汽车诞生时起，制 动系统在车辆的安全方面就扮演着至关重要的角色。制动过程中，制动系统需 要吸收与转换的动能，与汽车制动初速度的平方和总质量成正比；其产生的制 动力则与汽车总质量成正比，与制动初速度相对来说关系不大。在汽车发展的 过程中。速度与总质量两个参数始终处于不断攀高的状态这就要求制动系统 在更短的时间里吸收越来越多的能量，并产生接近车轮滑移界限的制动力。第 二次世界大战以后由于汽车技术的迅速发展和道路条件的不断改善，汽车速度 普遍提高很快，与此同时，货车和客车向大型化发展，其最大质量也有不同程 度增加。另一方面，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 求促使它作出相应改进。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翩动器的趋势；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；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，出现了限压阎、比例阀、感载阀、惯性阎等制动力调 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。 1 2 国内外汽车制动系统计算机辅助设计技术研究概况 汽车制动系统设计工作一般分为两个部分：一是制动系结构参数设计，其 中一个最重要的方面就是如何确定汽车前、后轴的制动力分配；二是整车制动 性能预估。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统结构复杂，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。在手工设计计算过程中，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，最终得到的可能还不是最佳设计方案。而且只有在样 车制动试验结束后才能发现其主要参数和性能是否满足要求。借助计算机工具， 可以方便的在设计初步阶段实现制动系各参数的最优设计，并对汽车的制动性 能进行准确的计算分析。因此开发研制汽车制动系统计算辅助设计软件对于提 高设计效率、缩短新产品开发周期，特别是提高整车制动性能都具有非常重要 的意义。 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 2 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。c a d 是 现代汽车设计采用的重要手段之一，主要应用于汽车的总布置设计，车身设计， 造型设计，零部件优化设计，及汽车整车和零部件的动态性能分析。应用c a d 技术开发汽车新产品可以减少样机的制造和实测时间，缩短产品开发周期优 化汽车性能参数，提高产品质量和可靠性，降低开发成本，增强产品市场竞争 力。实践表明：发达国家汽车公司开发汽车新产品的周期短、成本低、品质优， 主要与他们重视利用计算机技术有关。 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 货车和牵引车一挂车制动及操纵等三种计算机模拟程序 引1 。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，在省时、省力的基础上得到最佳设计方案1 2 2 。 随着我国高速公路及高等级公路的大量兴建，汽车平均行驶速度的提高，加 上车流密度的增加，对车辆制动性能的要求日趋严格。汽车的一些标准与法规 也逐渐与国际接轨我国的制动法规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) 基本引用了e c er 1 3 ( 欧洲经济委员会汽车制动法规) 的有关条 款。近几年国内学者在汽车制动系统c a d 研究方面做了很多工作。1 9 9 5 年北京 理工大学何宇平。7 】 2 3 1 1 2 叼等人对汽车制动模拟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。在他们的研究中，考虑到了制动过程中轮胎滑移率的变化，建立了 车轮一路面附着系数与滑移率之间简化的关系式。与传统方法相比，在计算中 引入轮胎滑移率：考虑车轴依次抱死之后的制动工况；以变制动力分配为基础： 用制动减速度与制动管路压力的函数关系描述汽车制动性能特征：并且在分析 与计算中考虑发动机制动及传动系转动惯量、坡道及轮胎变形等因素，所得结 果可以与试验结果更为接近。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 一1 2 3 ”支 持下工作，主要用于蚴，m z ，m ，n 2 类液压车辆的制动性能预估，未涉及汽车 制动性能的优化设计。1 9 9 8 年北京理工大学张滨刚【2 5 】在汽车制动过程的理论 分析与试验一文中以b j 2 0 2 0 s g 吉普车为研究对象，通过理论分析结合实车试 验的方法系统的建立了制动过程中的数学模型。该文中为获得具体的轮胎模型， 以b j 2 0 2 0 s g 吉普车分别在干燥和积水的柏油路面上进行制动试验，测得不同车 速、不同载荷等条件下大量实验数据，以p a c e j k a 的“魔术模型”为基础，并 作适当的简化，确定了附着系数的函数表达式。此函数表达式属于半经验轮胎 模型，具有形式简洁、计算简单、对其特定轮胎的计算精确度较高等优点，但 其通用性较差，针对其它不同车型，必须重新进行试验以获得必要的参数。此 外，该文中的整车模型未考虑车轮抱死对前、后制动力矩的影响。1 9 9 9 年重庆 大学汽车学院舒红1 2 4 j 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1 7 j 。该软件中的制动力分配优化设计模块以欧洲e c e 制动法规中的利用附着系数界限为依据，建立了汽车制动力分配优化设计的数 学模型，可以对定比分配，装有限压阀、比例阀、感载限压阀和感载比例阀的 制动系统的制动力分配进行优化设计，但其数学模型中的约束函数与法规界限 存在一定偏差。此外，该软件中未涉及惯性限压阀、惯性比例阀和d 9 p v 惯性 阀。2 0 0 0 年，南京理工大学王良模【】8 】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，同 时还在轻型汽车液压制动系统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。该文中所建 整车动力学模型忽略了轮胎及制动鼓等旋转部件制动时产生的惯性力矩，这对 仿真结果会有较大的影响。 综上所述，前人在汽车制动系统设计方面的研究工作主要存在以下不足： 1 ) 在制动力调节装置方面的研究，仅限于限压阀、比例阀、感载限压阎和感载 比例阀，基本上未涉及惯性限压阀、惯性比例阀和d s p v 惯性阀。 2 ) 在制动力分配优化设计研究方面所建数学模型一般以欧洲e c e 制动法规 中的利用附着系数界限为依据，其中的约束函数与法规要求并不完全致。 3 ) 在制动性能仿真研究方面，所建数学模型中一般采用简化的经验或半经验轮 胎模型，这类轮胎模型虽然具有形式简洁、计算简单、对其特定轮胎的计算精 确度较高等优点，但不具有通用性，不宜在制动系统计算机辅助设计软件中使 用。此外，前人的数学模型中一般都没有考虑车轮拖死前、后制动力矩的变化， 以及轮胎及制动鼓等旋转部件在制动时产生的惯性力矩对制动的影响，这会使 仿真结果与实际制动过程产生较大的偏差。 1 3 本论文主要内容及意义 针对前人研究中存在的不足和北汽福田公司的实际需求本论文的主要内容 包括以下四部分： 1 ) 对汽车制动系统进行系统的理论分析，对各类制动力调节装置，特别是惯性 限压阀、惯性比例阀和d s p v 惯性阀的结构、工作原理进行分析，建立其静特性 函数。 2 ) 对我国最新制动法规g b1 2 6 7 6 1 9 9 9 ( 汽车制动系统结构、性能和试验方 法) 中的制动力在车轴( 桥) 之闯的分配要求进行全面的分析，结合各类制动 力调节装置的静特性，建立制动力分配优化设计数学模型。 3 ) 通过对制动过程的深入的研究，建立合理的制动性能计算机仿真数学模型， 包括整车动力学模型、制动系统模型和轮胎模型。建模中特别考虑前、后轮及 制动鼓等旋转部件惯性力矩对制动的影响和制动力调节装置的作用，同时考虑 车轮抱死前后制动力矩的变化，建立从制动踏板力到制动力矩的函数关系式； 建立具有通用性的制动轮胎理论模型。 4 ) 在前两项内容的基础上，采用面向对象程序设计语言v i s u a l c + + 6 0 ，在 w i n d o w s 2 0 0 0 中文版环境下开发汽车制动力分配优化与制动性能仿真软件。 5 ) 利用所开发的软件对北汽福田公司装有d s p v 惯性阀的奥铃轻卡的制动力 分配进行优化设计，同时对该车优化前、后的制动性能进行计算机仿真分析， 并通过道路制动试验对计算结果进行验证。 本论文作为汽车制动系统计算机辅助设计研究的重要内容，通过对汽车制 动系统进行全面的理论与试验研究，建立合理的制动力分配优化设计数学模型 和制动性能计算机仿真数学模型，并开发相应的计算机软件。利用该软件进行 汽车制动系统设计可以提高设计效率、缩短新产品开发周期、改善整车制动性 能、提高汽车的制动安全性，因此本论文的研究对汽车制动系统开发研究和改 进设计具有较高的理论指导意义和实用价值。 第二章制动系统理论分析 2 1制动系统设计要求 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 - - 1 9 9 7 机动车运 行安全技术条件中，对制动系统的结构和性能都作出了严格的规定。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 制动过程分析 制动过程中简化的减速度与时间关系曲线如图2 1 所示。图中岛为制动系统 反应时间，指制动时踏下制动踏板克服自由行程、制动器中蹄与鼓的间隙等所 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 作用时间为o 1 5 0 3 s ，气压制动系统 为0 3 o 8 s ：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，在该段时间内驾驶员放 松制动踏板，制动过程结束。因此，从 圈2 1 制动减速度变化曲线 ( s ) 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、制动器起作用时间、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和地面制动力，制动器制动力为轮胎周缘克服制动器 摩擦力矩所需的力，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间的摩擦力；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最大附着力时，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 制动性能评价指标 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【”。 制动效能包括行车制动效能和驻坡肯4 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) 及道路一轮胎 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 。 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，尤其是下坡时的长时间连续制动，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 速下降而发生熟衰退。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丽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 7 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。 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：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；制动时悬架导向杆系与转向系拉杆在 运动学上的不协调。其中第一个原因是由制造、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 i 侧向力 0 a i 3 图2 2 制动倒滑时的受力与运动 a 前轴倒滑b 后轴侧滑 或后轴侧滑，如图2 2 所示。其中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v a 后轴速度 为v b ，同时产生作用于质心c 的惯性力f ，。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1 0 。，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o 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、后轮都处于接近抱死滚动状态，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。 失去制动方向稳定性，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 4理想制动力分配曲线 汽车制动时，如果前、后车轮能同时 接近抱死状态，对附着条件的利用、制动 时汽车的方向稳定性均较有利。在任何附 着系数的路面上，能使前、后车轮能同时 抱死的前、后轮制动器制动力凡、f ，2 的关系曲线，称之为理想的前、后轮制动 力分配曲线( i 曲线) ，如图2 _ 3 所示。如 果忽略汽车制动过程中空气阻力汽车制 动时的行驶方程简化为： 只6 i + t 6 2 2 6 式中z 一制动强度，：= t ，g 分别对汽车前、后轮接地点取矩可得： f c 2 工+ 毗= g a i c i l = g b + g z h s 图2 3 理想制动力分配曲线 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 9 式中工一汽车轴距 g 一汽车总重量 c 。、c ：一前、后轮地面法向力 噍一汽车质心高度 联立式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可得： 当汽车前后轮同时抱死时，前、后轮的地面制动力分别等于其附着力，即： j 民，= 幔-( 2 4 )、-i ， l 匕：= 幔： 式中妒一路面附着系数 由于在任何附着系数妒的路面上，前、后轮同时抱死时的制动强度z 等于附 着系数p ，地面制动力巧大小等于制动器制动力瓦m 从而可得理想制动力分配 曲线的方程： 式中：= 0 1 2 5制动力调节阀工作原理与静特性分析 汽车在制动时，车轴的抱死顺序是由制动力的动态分配和路面的附着系数 等因素决定的，如果实际制动力分配曲线位于i 曲线的下方，汽车制动时总是前 轮先抱死。如果实际制动力分配曲线位于i 曲线的上方汽车制动时总是后轮先 抱死。为了保证汽车制动时的方向稳定性同时获得较好的制动效能，应使实际 制动力分配曲线位于i 曲线下方，并尽可能接近i 曲线。按照g b l 2 6 7 6 - - 1 9 9 9 的规定，末安装防抱死装置的胍类汽车制动力在车轴( 桥) 之间的分配， 应符合该标准附录a ( 详见2 6 ) 的要求。对于大多数汽车来说，必须采用制动 力调节装置以满足这一要求。 人们对汽车制动时方向失稳现象及其产生原因的认识是逐步加深的。在路面 车辆诞生初期，汽车前轮上几乎不装制动器，制动器仅安装在后轮上。一方面 的原因是汽车行驶速度低，但主要原因是怕前轮因制动失去转向能力。其问虽 然注意到后轮抱死有时会造成汽车绕前轴转动，但总以为要比前轮丧失转向能 1 0 3一q ) ) 巩 办 + 一 p g 一g 一工 = i n t f 豪 力要好。随着汽车质量( 载荷) 和车速的增大，仅靠后轮制动不足以获得足够 的制动力，才导致在前轮上安装制动器。但仅仅是作为后轮制动的补充，且不 允许前轮先于后轮抱死。后来，人们又认识到应根据静态轴荷的分配比例来分 配前、后轮的制动力。逐渐又认识到制动时轴荷的动态转移，前轮要增重，后 轮要减重，后轮先抱死更容易造成汽车特别是铰接汽车( 如半挂拖车机组) 的 方向失控。从而着手开始研制能限制后轮制动力矩的装置。由此诞生了限压阀、 比例阀、感载比例阀、惯性阀等制动力调节装置。这些前、后轴动力调节装置 已广泛应用于各种汽车的制动管路中。在汽车上安装制动力调节阀，可以通过 调节前、后管路压力，使汽车前、后轴制动力分配保持一种较为理想的状态， 避免或者减少失控现象的发生【l ”。 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 g s y s t e m ) 的发展成为可能。在6 0 年代后期和7 0 年代初期，一些电子控制的制动 防抱死系统开始进入产品化阶段。a b s 通常都由车轮转速传感器、制动压力调 节装置、电子控制装置和a b s 警示灯组成。在不同的a b s 系统中，制动压力调 节装置的结构形式和工作原理往往不同，电子控制装置的内部结构和控制逻辑 也可能不尽相同。采用电子式防抱死制动系统a b s ，可以在汽车制动过程中，对 车轮的运动状态进行迅速、准确而又有效的控制使车轮尽可能的处于最佳运 动状态。即在汽车制动过程中使车轮的纵向附着系数保持在峰值附近。同时获 得较高的侧向附着系数，从而使汽车具有最佳的制动性能和良好的抗侧滑能力， 以提高车辆行驶的安全性。 在汽车上安装电子a b s 防抱装置可以大大的改善汽车制动性能，但该装置 结构复杂、价格昂贵。而限压阀、比例阀、感载阀和惯性阀等制动力调节装置 具有结构简单、通用性好等特点、具有良好的性能价格比，更适合我国汽车工 业的发展现状而成为我国中低档轿车和轻型载货车制动力调节装置的主流。 2 5 1 限压阀 限压阀串联于液压或气压制动回路的后管路中。其作用是当前、后管路的 压力p ，和p ：由零同步增长到一定值后，即自动将后管路压力p ：控制在该值不 变。 限压阀的构造与静特性曲线如图2 4 所示 6 1 。自进油口输入的控制压力是前 管路压力( 即主缸压力) p ，从出油口输出的是后管路压力p ：。阀门与活塞3 连接为一体，装入阎体6 后，弹簧5 即受到一定的预紧力。在弹簧力的作用下， 阀体离开阀体上的阀座而抵靠着阀盖l 。阀门凸缘上开有若干个通油切口。当输 入压力n 较低时，阀门一直保持开启，因而p ，= p ，即限压阀尚未起作用。当 p 。与p ：同步增长到一定值p 。时，活塞上所受的液压作用力将弹簧压缩到使阀门 关闭，后轮缸与主缸隔绝。此后p ：保持定值p ：，不再随p ，增长，p ，的大小由弹 簧预紧力决定。 2 3 45 6 a b 图2 4 限压阀结构与静特性 1 一阀盖；2 一阀门：3 一活塞；4 一活塞密封圈；5 一弹簧：6 一阀体 i 一满载理想特性i i 一空载理想特性 由以上分析可得限压阀的静特性函数 岛：j p 1j 口1 p s ( 2 6 ) “【p ，p 1 p 。 限压阀适用于质心高度与轴距的比值较大的轻型汽车。这类汽车在制动时， 其后轮垂直载荷向前轮转移得较多，其理想的促动压力分配特性曲线中段的斜 率较小，与限压阀特性线a b 相近。 2 5 2 比例阀 比例阀也是串联在液压或气压制动回路的后管路中，一般采用承压面积不 等的差径活塞结构。其作用是当前、后促动管路的压力p 和p ，由零同步增长到 一定值后，即自动对p ，的增长加阻节制，使p ，的增量小于a 的增量。 比例阀的结构与静特性曲线如图2 5 所示口1 ，图2 5 c 、d 分别为比例阀阀门开启 和关闭时的局部放大图。在差径活塞3 上，输入压力p 的作用面积为 a = 石( d ：一d ：) 4 ，输出压力p ：的作用面积为a ：= ，出；4 ，在 面作用一只预 紧力为r 的弹簧9 。当p ：以 p l a i + e 时，差径活塞3 处于上极限位置，由圆柱 体e 下端面与阀座形成的阀门保持开启状态，p ，= p ，；当p 、p ，增长到某一定 值时差径活塞上、下两端的压力差开始大于弹簧9 的预紧力，差径活塞开始下 移。当p 、p ：增长到p 。时，阀门被关闭，比例阀第一次达到平衡状态，此时弹 簧9 的预紧力为，1 ，差径活塞的平衡方程为p ：a ：= p 。a x + f 。当p 、继续升高时， 柱塞上移，阀门再度开启，p ：也随之升高，但是p ：尚未增长到新的p ，值时，柱 塞又下移，阀门又被关闭，比例阀达到新的平衡状态。这样将不断反复上述过 程，使前、后管路压力始终保持一定的比例关系，即p ：一：= p ，a ，+ f 。比例阀 2 起作用的折点a 的位置，可通过调节弹簧预紧力r 的大小来改变。 l234 c d 图2 5 比例阀结构及其静特性 1 一阀体：2 一阎座：3 一差径活塞：4 一密封座；5 一弹簧座； 6 一导向座；7 一钢丝挡躅；8 一密封圈：9 一预紧弹簧；1 0 密封座 i 一满载理想特性i i 一空载理想特性 由以上分析可得比例阀的静特性函数： 胪馏叫g p 1 ：n( 2 7 ) p t p ， 式中t a n 卢= - 土 2 q = p 。( 1 一r a p ) 比例阀适用于质心高度与轴距的比值较小的轻型汽车。这类汽车在制动时， 其后轮垂直载荷向前轮转移得较少，其理想的促动压力分配特性曲线中段的斜 率较大，如果采用限压阀，虽然可以满足制动时前轮先抱死的要求，但是，实 际制动力分配曲线与理想制动力分配曲线相差太大，从而导致后轮地面制动力 远小于地面附着力，使后轮的附着效率过低。 2 5 3 感载阀 有些汽车在实际装载量不同时，其总质量和重心位置变化较大，因而空载和 满载下的理想制动力分配曲线差距较大。对于这些汽车采用一般的静特性不变 的制动力调节装置已不能保证汽车制动性能符合法规的要求，故有必要采用静 特性随汽车实际装载量变化的感载阀。感载阀可分为感载限压阀和感载比例阀 两类。这两种感载阀的工作原理与静特性分别与限压阀和比例阀相似，不同之 处在于，感载阀能够利用车身与车桥之间的距离变化( 外界作用力) 来改变阀 1 7 弹簧的预紧力，随着车辆载荷的变化，相应地进行调整，实现感载调节，使 得在任何载荷条件下都能得到一个近似理想的制动力分配，感载限压阀和感载 比例阀的静特性曲线如图2 6 和图2 7 所示。感载阎的压力调节起始点会随载荷 的变化而变化，在调节起始点之后的静特性为一组平行线，分别与不同的装载 量相对应。 图2 6 感载限压阀静特性曲线 i 一满载理想特性 一空载理想特性 图2 7 感载比例阀静特性曲线 i 一满载理想特性 i i 一空载理想特性 图2 8 所示为一种感载比例阀及其感载控制机构，该阔本身的结构与比例 阀大同小异，阀体3 安装在车身上，其中的活塞4 右部的空腔内有阀门2 。不制 动时，活塞在感载拉力弹簧6 通过杠杆5 施加的推力f 的作 用下处于右极限位置，阀门2 因其杆部顶触螺塞1 而开启。 这种感载比例阀的特点是作用 于活塞的轴向力f 是可变的。 拉力弹簧6 右端经吊耳与摇臂7 相连，而摇臂则夹紧在汽车后 悬架的横向稳定杆8 的中部。 当汽车装载量增加时，后悬架 载荷也增加，因而车轮向车身 移近，后悬架的横向稳定杆便 带动摇臂7 转过一个角度，将 5 图2 8 感载比例阀及其感载控制机构 1 一螺塞；2 一阀门：3 一阀体：4 一活塞；5 一杠杆； 6 一感载拉力弹簧；7 一摇臂；8 一后悬架横向稳定杆 1 4 弹簧6 进一步拉伸，这样作用于活塞上的推力f 便增大。反之，汽车的装载量 减小，推力f 便减小。这样调节作用点就随汽车实际装载量而变化。 感载限压阀的静特性函数为： ：p lplp”(2-8) n 2 1 p ，0p l p l ， 2 ，o 式中空载时p 。= p ： 满载时p 。= p ； 感载比例阀的静特性方程为： f p lp 】 p 见2 1 p i 诅n 斛口p l p , o 也一9 式中t a l 妒= 粤 以2 q = p ( 1 一t a n 声) 空载h 妇。= p ： 满载b 妇。= p ， 感载阀适用于质心位置随汽车载荷变化较大的汽车特别是中、重型货车。 这类汽车空载和满载下的理想促动管路压力分配曲线相差较大。 2 5 4 惯性阀 惯性阀是利用汽车制动减速度的变化对制动力调节作用的起始点压力进行 调节的装置，也可以分为惯性限压阎和惯性比例阀两类，惯性限压阀、惯性比 例阀的静特性方程分别与感载限压阀、感载比例阀相似，不同之处在于感载阀 压力调节起始点p 。的位置由控制弹簧预紧力决定，而惯性阀由安装角决定。 ab 图2 9 惯性比铡阀结构及其静特性 1 一阀体；2 一差径活塞；3 - - 弹簧；4 一球 座：5 一惯性球；6 一阀座：7 一惯性球 i 一满载理想特性i i 一空载理想特性 釜一， 之 一 茗一 ，pl弋 7 一磊 魅。 图2 9 所示为一种惯性比例阀的结构与静特性【2 1 。在惯性球关闭迸、出油路 的通道以前，前管路压力p 。等于后管路压力p ：，并保持同步增长。当制动减速 度达到某值时，惯性球5 在惯性力的作用下沿支承面滚向阀座，关闭进、出 油路的通道。此后，通过差径活塞2 使输出压力p ：受控于输入压力p ，并按一 定比例增长。 图2 1 0 为汽车制动时惯性球的受力情况。当惯性球开始移动时平衡方程为 f i c o s g g s i n o 一 n 一