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基于路面附着系数的汽车制动效能分析 广西大学硕士学位论文基于路面附着系数的汽车制动效能分析姓名:范威申请学位级别:硕士专业:机械设计及理论指导教师:樊社新20110630基于路面附着系数的汽车制动效能分析摘要本文通过分析路面附着系数对制动性能的影响,考虑我国道路的实际情况和影响附着系数的因素,建立基于路面附着系数的汽车制动距离数学模型。与传统的计算制动距离的方法相比,本文按照制动过程的实际情况分为三个部分:纯滚动、边滚边滑和车轮抱死,得到了更加准确的汽车制动距离的数学模型。分析了路面、轮胎和滑动率这三方面对路面附着系数的影响。路面越粗糙,路面的附着系数也越大,但随着使用年限的增加,道路出现老化,变得光滑,路面的附着性能也随之下降。轮胎花纹在胎面和路面间切向力的作用下,能产生较大的切向弹性变形,增强了接触面的磨擦作用,提高轮胎的附着性能。保持滑动率在%范围内,制动系统才能够利用峰值附着系数%获得最大的地面制动力,使制动距离最短。最后,在建立的制动距离数学模型基础上,选取柏油、水泥、碎石、土路、积雪等典型路面,以马自达汽车为研究对象,运用语言对其空载与满载时制动距离与路面附着系数关系进行仿真。得到了在特定初速度下路面附着系数与汽车制动距离的关系曲线。以我国和国际上主要的制动距离管理条例为参考依据,选取路面附着系数分别为伊.、汽车空载与满载时制动距离与制驴.和矽.的较差路面,对马自达动初速度之间的关系进行仿真,得到具有实际参考价值的仿真曲线。关键词:制动效能路面附着系数轮胎模型仿真 . , , ., .,.,., % .%, . ,. .,. .,. .: ; ; ;基于路面附鼍系数的汽车制动致熊分析广西大掣臼炙士掌位论文第一章绪论.问题的提出汽车的制动效能是汽车制动性能最重要的评价指标,它是指汽车以一定的初速度迅速停车的能力,通常以制动距离和制动过程中的制动减速度来表征。因此,制动减速度和制动距离是评价汽车制动效能的指标。制动减速度的大小取决于制动力的大小,而制动力的大小则依赖于路面附着系数。制动距离是指速度为的汽车,从驾驶员开始促动制动控制装置时起到车辆停止时所行驶过的距离【】。制动距离是制动效能最直观的反映。汽车制动时,驾驶员总是希望踏下制动踏板后,制动的距离越短越好。制动距离的长短受到制动减速度和路面附着系数的限制。所以,路面附着系数决定了制动减速度的大小和制动距离的长短。汽车的制动效能与汽车的结构参数、道路条件等有关。汽车的结构参数决定了同步附着系数的大小,进而影响汽车的制动性能。道路是汽车制动性能的存在条件,汽车在路面上行驶时必须克服来自地面与轮胎间相互作用而产生的滚动阻力。它的大小一方面取决于轮胎自身性能,另一方面取决于路面的附着性能。据资料显示,很多交通事故的发生很大程度上是由于路面附着性能低造成的,尤其以湿滑路面的事故率最高。不同路面状况的路面附着系数不同,提供的附着力就不同,汽车的制动距离也就不一样。所以,对于不同的路面状况下的汽车的制动距离进行分析很重要。因此,基于路面附着系数来研究汽车制动效能是一个重要的研究问题。.国内外研究进展与状况.国外研究进展与状况最早对汽车制动距离进行分析并建立制动模型的是玛 建立的制动模型考虑了轮胎特性、环境以【。姆时的研究人员及驾驶员因素对汽车制动距离进行实车实验。通过对数据的计算机分析得出,在考虑上述因素的情况下预测出汽车的制动效能。但是没有考虑不同道路下路面附着系数不同的情况。,他的研最早考虑道路工况对汽车制动距离影响的是加拿大学者硼于路面附着系数的汽车制动效熊分析究还考虑了轮胎的不同【】。该项研究以三种不同等级的轮胎在干燥的沥青路面上进行制动,分析了制动初速度对汽车制动距离的影响。前苏联的.研究了路面附着系数随滑动率和车速变化时,汽车制动距离、制动力矩和加速度的变化,并且指出了传动的汽车制动模型的误差可以达到%【。等人提出了两种制动力分配策略【,。前轮制动力分配策略,可以获得很好的能量回收并且保证制动性,但是在特定的制动强度和路面附着系数下,很容易导致前、后车轮不同程度的抱死。后轮制动力分配策略,可以在获取一定能量的回收同时防止前、后车轮的抱死,但是能量的回收是不如第一种情况那么充分隋。网和 【通过光学传感器来测量路面对光的散射和吸收,以此来识别水或是其他的可以降低路面附着系数的物质,从而研究路面附着系数的变化情况。除此之外,日本的一些学者利用峰值为的激光束装置对路面进行判别,这一装置对于诸如一般的干、湿路面和冰雪路面识别的正确率可达%。该测量方法准确率比较高,而且在附着力比较小的条件下就可以测试路面峰值附着系数。】发现橡胶在冰路面上的摩擦系数随着载荷的增加而减少,并在一定速度时达到最大值。的研究进一步证明在一般情况下橡胶的摩擦系数都会在一定速度下达到最大值,这个峰值与温度有关。等人 通过对不同路面附着系数下汽车的安全距离进行研究,提出了制动距离是道路附着力、平均道路附着力和速度变化的函数。.国内研究进展与状况左曙光【等人建立了一种用于制动过程的非线性轮胎力学模型,通过对模型的仿真分析,得到了路面附着系数随着路面不平度的变化和汽车行驶速度的变化而变化的规律。路面不平度对路面附着系数的影响主要是由于道路的不平整引起了车轮上垂直力和水平力变化,从而导致了路面附着系数的变化。路面不平度的幅度越大,路面附着系数的变化就越大。不平路面上,路面附着系数的大小随着路形的变化而变化,随车轮的速度升高而减小,路面不平度越大,路面附着系数随车轮速度升高而减小的趋势就越大。昆明理工大学的韩继光【】通过设置路面状态参数提出了一种只需测量制动时车轮的角速度,就可以自动识别路面状况的方法,并建立了路面状态观测器。运用/语言进行仿真分析,结果表明:通过设置路面状态参数目的路面观测器于路面附着系教的汽车制动舅眨分析能够实时地辨识出道路路面的状况,可以同步地确定汽车在制动时的最大路面附着系数及其对应的最佳滑移率。并且能够将汽车制动时的路面附着系数控制在最大值的附近,提高了汽车的制动效能和制动安全性。甘智海等人在分析附着系数与滑动率关系的基础上,给出了制动时的临界滑移率和最大附着系数,设计了现场测试附着系数的试验方法,可通过牵引车辆的方法测试轮胎与路面系统之间的附着系数与附着力。长安大学的江文锋【明在总结了国内外轮胎与路面附着系数的研究状况的基础上,运用神经网络轮胎模型对附着系数进行仿真,并用检验样本在训练好的网络中进行了附着系数的研究。通过进行可视化仿真。只需在神经网络轮胎模型输入评价指标中的各参数值,省去了繁杂的计算,即可方便的仿真出路面附着系数的数值。哈尔滨工业大学的赵林辉针对纵向和横向车速以及路面附着系数的联合估计问题进行了讨论,提出了一种适应路面角度和附着系数的车辆状态非线性估计方法。该方法在估计车辆状态的同时,能够有效解决路面附着系数已知情况下的车辆状态估计问题。此外,王超【、李修松和万家庆瞄等人也通过估算方法对路面附着系数进行了研究。.本文研究的主要内容.主要研究内容通过对国内外文献的研究,针对自己提出的问题,本文在对汽车制动时的受力分析基础上,建立三种情况下的汽车制动完整距离公式。通过对路面、轮胎和滑动率的分析,得出影响汽车制动距离的因素。运用语言,通过实例,对汽车制动距离进行分析,得出在特定初速度下制动距离与路面附着系数之间的关系曲线,以及不同路面附着系数下制动距离与制动初速度之问的关系曲线。.主要工作分析路面附着系数与汽车制动效能的关系。从路面、轮胎和滑动率三方面考虑对路面附着系数的影响。制动距离是制动效能最直观的反映,制动距离取决于制动初速度、制动减速度和路面附着系数。附着系数的变化会极大的影响汽车的制动性能,因此,明确附着系数对汽车制动效能的影响,为后续研究提供理论基础。于路面附簟系教的汽车制动舅。电分析掌握汽车制动的全过程,通过对汽车制动时进行受力分析,建立地面制动力、制动器制动力与附着系数之间的关系。把汽车制动时分为三种状态:纯滚动、边滚边滑、车轮抱死。在边滚边滑的状态又分为三种情况:前轮提前抱死;后轮提前抱死;前、后轮同时抱死。建立了基于路面附着系数的汽车制动距离的数学模型。在建立的制动距离数学模型基础上,以马自达汽车为研究对象,运用语言进行实例仿真。以我国不同地区的典型道路状况为研究条件,得到了在特定初速度下路面附着系数与汽车制动距离的关系曲线。以我国和国际上主要的制动距离管理条例为参考依据,对特定路面附着系数下汽车制动初速度和制动距离的关系进行仿真,得到特定路面附着系数下汽车制动距离随着制动初速度的变化过程。.本章小结本章首先介绍了汽车制动性能的重要性,以及研究汽车制动性能的必要性。提出了在考虑路面状况、轮胎特性和滑动率的基础上,基于路面附着系数来研究汽车制动性能是一个重要的研究方向。其次,回顾了汽车制动性能研究的发展历史,对国内外汽车制动性能方面的研究做了一定的概括总结。综合分析得出了,中外对汽车制动性能的研究对于一些细节和特殊情况还有待完善。最后,基于分析结果,提出了本文所要研究的内容和主要工作。于路面附鼍系囊“由汽车制动效能分析第二章 附着系数与汽车制动效能的关系制动性能是汽车最主要的性能之一。汽车在道路上行驶,道路是汽车制动性能的存在条件。路面的附着系数限制汽车的最大制动力,不同的路面其路面附着系数变化较大,这是影响附着力的主要的因素。本章主要建立路面附着系数与汽车制动效能关系的数学模型。.汽车的制动全过程制动距离宣 ./一车生十坠/ . 缒,。/锹.群/ /吕。值/ , :一 一乞 毛.一 一 一 一?一一一一?一图一汽车的制动过程图.如图.所示,汽车制动时的全过程描绘出了制动距离、车速、制动减速度和制动踏板力与制动时间的关系【。驾驶员反映时间是从看到制动信号起,到踩着制动踏板所需要的时间,在图中是从至所用的时间,其中包括反映时间和换踏时间。它取决于驾驶员的反映灵敏程度和技术熟练水平以及体力与疲劳状况,通常为.。制动于路面附着系数的汽车,目动效能分析器起作用时间是从踏着制动踏板开始,到达一定的制动器摩擦力为止所需的时间。在图中是从点开始,一直到点制动减速度达到最大值为止。由于制动传动的迟滞作用,要经过一段时问路面制动力才起作用,使汽车开始产生减速度,在图中点至点为制动传动迟滞时间一。点至点为制动器摩擦力增长时间艺。制动器起作用的时间为趴点与、点之和乞,一般液压传动为.,气压传动为.。持续制动时间相当于从达到指定制动力开始,至有效制动结束的时间。在图中是口点至厂点的时间。在这段时间里汽车的减速度基本不变【。而厶则称为实际制动时间。空驶时间和实际制动时间相应的所行驶的距离分别称为空驶距离和实际制动距离。根据制动距离的定义,制动距离是指在实际制动时间里所行驶的距离。制动彻底解除时间相当于放松制动踏板至汽车制动力消失的时间。在图中是从/点至点的时间。在液压传动中约.,汽车被制动住。传统的计算汽车制动距离的公式为:去萼%.,其中%为初速度,口为减速度【。从传统的计算制动距离的公式可以看出:汽车开始的制动车速、最大的制动减速度和汽车的制动器起作用的时间决定了汽车制动距离的大小。附着力越大、起始制动车速越低,制动距离越短,这是显而易见的。传统的计算制动距离的公式仅是从制动器起作用的时间开始计算,并且任何情况下都运用同一种计算方法。但是,实际的汽车制动过程是复杂的,可以出现不同的制动情况。所以,建立一种完整的汽车制动距离公式是很有必要的。.地面制动力、制动器制动力与附着力间的关系汽车制动的目的是汽车从任意速度制动到较低速度或是停车,来保证安全行驶。为此,就必须使汽车受到一个与行驶方向相反的外力的作用,这个外力只能由空气和路面提供。空气阻力是随机的、不可控制的,且明显的相对较小,实现不了制动的目的。因此地面提供了汽车制动时的主要外力,这个外力称之为地面制动力。汽车的制动减速度和制动距离的大小也都是由地面制动力决定的,所以地面制动力对汽车制动性能具有决定性作用。墓于路面附着系数的汽车制动舅莨分析.地面制动力、附着力与制动器制动力之间的关系当汽车制动时,制动器的制动片就产生一个摩擦力矩,制动器将该力矩传到车轮后,由于车轮与路面间的附着作用,路面对车轮作用一个向后的地面制动力。因此,地面制动力取决于制动器制动力和附着力。制动装置的结构尺寸、制动器的形式、制动器的摩擦副因素和车轮半径等一些参数决定了制动力的大小,此外,制动器制动力还与制动踏板力成正比【。如图?所示【,当驾驶员的踏板力或者是制动系压力小于某一个极限值的时候,汽车制动器产生的摩擦力矩也比较小,因此,地面制动力死能够克服而使得车轮继续转动。此时的地面制动力死和汽车制动器制动力。的大小相等,并随着制动系管路压。力制动器制动力的增长成正比的增长。时莳时,。图制动器制动力巴、地面制动力圪、与踏板力的关系 . , 但地面制动力的值不能超过附着力,即圪匕伊 .蓉于路面附毫系数的汽车制动旁嚆皂分析或最大地面制动力历一为:吣伊?式.和?中各参数意义如表.所示。表参数表 制动力矩地面制动力不车轮半径 制动器制动力毛路面附着系数 附着力伊 踏板力 地面对车轮的法向反力昂如图.,在某一极限值,地面制动力不再随着制动管路压力继续增加,而达到最大值附着力。制动器制动力巴却随着制动系压力摩擦力矩?继续增大。因此,地面制动力受到了路面附着条件的限制,它的大小则决定于制动器制动力,。若要继续提高地面制动力以使汽车具有更大的制动能力,就只有改善车轮与路面间的附着条件,提高附着系数了。.制动时汽车受力分析图制动时的汽车受力图.图.为在书评的道路路面上汽车制动时的受力状况引。图.中忽略了汽车制动时所产生的滚动阻力以及空气对汽车产生的阻力,并且忽略了车轮旋转时产生的惯性力偶矩。根据图.,对后轴和前轴的接地点取力矩,得平于路面附簟系奢的汽.车:制动效能分析衡式为:吖害%?聊一肌老唿式中各参数的意义见表.。表参数表地面对前轴法向反力 地面对后轴的法向反力, 汽车轴距质心高%前轴距 后轴距 朋汽车重力 汽车质量矗制动减速度 制动强度前轴地面制动力 后轴地面制动力前轴制动器制动力 后轴制动器制动力,墨:用于质心的制动惯性力所宰,即:四伊聊警.露%詈害一专考差乞唿缈。?,驴扣知孚弛一劬基于路面附着系教的汽车制动效能分析通过上面的公式可以看出:在路面附着系数为缈的路面上汽车进行制动时,路面的附着力并不是一个定值。它是汽车的制动强度或是地面制动力磊的函数。通过对汽车前、后轴制动器制动力的分配以及汽车的载荷情况和路面附着系数等因素的分析。在制动力足够的情况下,汽车的制动过程可以分为三种情况:.前轮先抱死拖滑,然后后轮抱死拖滑;.后轮先抱死拖滑,然后前轮抱死拖滑;.前、后轮同时抱死拖滑。显然,当前、后车轮同时抱死时路面附着条件利用的最好,则由式.和.可得附着力同时被充分利用的条件为:。阳.垒:盈:尘堕匕:一班 式中各参数的意义见表.。.制动力分配系数、同步附着系数%肼%四图某一汽车线与线. 如所示,在路面附着系数为缈的路面上汽车制动时,能够使前、后汽车车轮同时抱死的汽车制动器制动力匕。、:的关系曲线称之为理想制动力分配曲线,简称为线【】。现代的汽车中大部分为前、后制动器制动力比值为定值的制动系统。用制动力分配系数来表明巴。与巴对汽车制动力分配比,即:基于路面附着系数的汽车制动舅电分析:孕:线与,线的交点位于刀点,曰点所代表的附着系数为同步附着系数。汽车的结构决定了汽车的同步附着系数,它是汽车的制动过程中影响制动效能的一个重要参数,用%表示瞰】。其表达式为:五警 .同步附着系数是影响汽车制动性能的一个重要参数,通过对有固定比值的前、后制动器制动力的汽车,在不同的路面上的制动过程的分析说明,只有在同步附着系数的路面上制动时才能使前、后车轮同时抱死,此时的制动强度。当路面附着系数小于汽车的同步附着系数,即时,汽车制动时总是前轮先抱死拖滑。当缈时,在制动时总是后轮先抱死拖滑。.制动过程分析根据文献【】的说明可以知道,通过对路面印迹的观察,得出的结果是汽车的制动过程中,在路面上留下的轮胎印迹形状从车轮滚动到抱死拖滑为一个渐变过程。印迹基本分三个阶段:在第一阶段内,轮胎留在路面上的印迹形状和轮胎胎面花纹的形状大致上是相同的,此时可以认为车轮为单纯的滚动状态,即:,在第二阶段内,汽车轮胎留在路面上的印迹形状还是能够识别出来,但是已经开始逐渐地模糊,此时可以认为轮胎不仅仅是单纯的滚动,同时还与地面发生一定的滑动,也就是边滚边滑的状态,即:,汽车制动强度会不断的增加,进而滑动的比例会逐渐增强。在第三阶段内,看不出轮胎留在路面上的印迹形状,轮胎在地面上形成一条粗黑的印迹,表明车轮在路面上作完全拖滑状态,而此时车轮已被制动器牢牢抱死,则:于路面附簟系数的汽车制动舅。眨分析通过分析以上三个阶段不难得出:车轮滑动的成分逐渐增强是制动强度的不断增强引起的,同时也表明滚动成分逐渐减少,而滑动成分的多少一般用滑动率来表明:型竺%,根据上面的分析,司以把汽车制动时分为三种情况:纯滚动、边滚边滑和车轮抱死。以下选取路面附着系数为影响参数,对制动距离进行分析。.制动时车轮纯滚动过程在汽车制动时为纯滚动的过程时,可以认为此时汽车做匀速运动,因为汽车未受到外力作用,也就是说没有受到地面的制动力作用。汽车作纯滚动的时间包括驾驶员的反应时间、克服弹簧变形的时间和消除制动装置间隙所需要的时间。即图一的。不同的制动系取值不同,一般情况下需要.铲。在这段时间内,汽车仍以原来的初速度行驶,在这段过程中汽车的制动距离为,建立运动学方程:?.制动时车轮边滚边滑的过程汽车制动边滚边滑时,地面制动力和制动器制动力不断地增大,直到达到极值。在这一过程中,对于不同的路面条件,汽车可能出现三种状况幽,】:当伊时,前轮提前抱死,后轮边滚边滑;当缈时,后轮提前抱死,前轮边滚边滑;当缈时,前、后轮均边滚边滑。制动器作用的时间为前面图?中的乞,它主要取决于驾驶员踩踏板的速度。另外由前面的分析,可以看出制动系统结构影响着制动器作用时问。通常在在.之间。.前轮提前抱死,后轮边滚边滑伊如图.所示为制动时前轮抱死,后轮边滚边滑时,前、后轮地面制动力增长曲线。线表示前轮地面制动力死。的增长情况,在点也就是时刻汽车的前轮被抱死,而后轮边滚边滑。线代表后轮制动力瓦:的增长情况,由图?可以看出线在点后轮于路面附着系数的汽车制动囊嚆巨分析也被抱死,由图?可得:阜乞时,心匀图当缈时,前、后轮地面制动力. 伊当制动力分配为固定值时,有下面关系式:?耻警%.通过式.和.可以求得:。?:半垮一讪一通过式?、和可以求得,在时间内,前、后轮制动力为:耻一嗍丢眍鹾呓 ?【。.伊匕仍一丢通过式、和?可以求得,时间内,制动减速度为:基于瑚面附.系数的汽车制动舅眨分析呔继毗丢炽。一峦乞矿鲥一三一?矿伶时间内,对式进行积分可得汽车的行驶速度屹。为:五驴%一尚四,一詈拦舞以如时间内,对式?进行积分可得汽车的行驶距离岛。为:,一,警伊伊乞一等。,一唿伊一;一争错.后轮提前抱死,前轮边滚边滑伊鲲如图所示为制动时后轮抱死,前轮边滚边滑时,前、后轮地面制动力增长曲线。线表示后轮地面制动力磊:的增长情况,在点也就是时刻汽车的后轮被抱死,前轮边滚边滑。线代表后轮制动力。的增长情况,由图。可以看出线在点前轮也被抱死。心时。,一毋噶幻图当伊时,前、后轮地面制动力 . 缈基于路面附系敦的汽车制动效雉分析由图?中可得:耻譬通过?和.可以求得:卫尘堕一乞缈唿通过式、和可以求得,在时间内,前、后轮制动力为:乞%耻驴孵丢纠、【伊呓通过式、和?可以求得,岛时间内,制动减速度为:?一帆?一?,呓,唿伊,时间内,对式.进行积分可得汽车的行驶速度,为:四屹叩南州一罨呓舞舞磁暂乞时间内,对式进行积分可得汽车的行驶距离是为:五&啪考也一弘蝴?南畦一争器.前、后均轮边滚边滑缈吼如图.所示为制动时前、后轮都边滚边滑时,前、后轮地面制动力增长曲线。线代表后轮制动力。的增长情况,线表示后轮地面制动力:的增长情况,时刻汽车的前、后轮被抱死。基于路面附着系数的汽车制动效能分析莳时幻图当矽时,前、后轮地面制动力 . 通过式、和可以求得,如时间内,前、后轮制动力为:巴驴卜圣参照前面的分析可求得,时间内,制动减速度为:?厶堕叫时间内,对式进行积分可得汽车的行驶速度%一譬乞时间内,对式?进行积分可得汽车的行驶距离篷为:。 &%如一移墓于路面附着系效的汽车彘动舅眨分析.制动时前、后同时抱死过程当汽车的前、后轮制动力达到了最大值一并且保持不变时,前、后轮同时抱死。制动力的大小等于附着力的大小。汽车开始做减速运动一直到汽车完全停止。由式.可得:争二二暑巴磊:缈此时,制动减速度为:一伊面一伊对式?进行积分可得汽车的行驶距离为:吒伊绲缈哇劬绲?伊屹伊.结论通过以上的分析总结,可以求得汽车制动时总的制动距离为:毒媲一扣抑丽,妻篆吾吼,坩考”扣枷焉,釉焉?如吼,五:三生尹乞一.。.本章小结本章首先分析了汽车制动的全过程,并且给出了计算制动距离的传统公式,指出了传统的计算汽车制动距离的公式存在的不足之处。然后针对制动器制动力、地面制动力与附着系数之间的关系,对汽车制动时进行受力分析。通过对路面上轮胎印迹的观察,基于路面附着系数的汽车制动效熊.分析得出的结果是汽车的制动过程中,在路面上留下的轮胎印迹形状从车轮滚动到抱死拖滑为一个渐变过程。以路面附着系数为界定参数,把汽车制动过程分为三个阶段:纯滚动、边滚边滑、车轮抱死。在边滚边滑时又分为:前轮提前抱死、后轮提前抱死和前、后轮同时抱死三种情况。进而建立了基于路面附着系数的汽车制动距离数学模型。于路面附系数的汽车制动舅。眨分析第三章 影响汽车附着生能的因素附着系数的数值主要决定于路面的状况、轮胎结构、轮胎花纹和滑动率等因素。附着系数会随路面性质不同呈大幅度变化。轮胎的磨损会影响它的附着性能。随着胎面花纹深度的减小,它的附着系数将显著下降。保持滑动率在%范围内,制动系统才能够利用峰值附着系数砟获得最大的地面制动力,使制动距离最短。.路面状况对附着性能的影响根据文献】的研究表明附着系数会随路面性质不同呈大幅度变化。由于外界环境和自身因素的影响,无论是新建的道路还是运营多年的旧路,其路面都存在着不同程度的不平整性和破坏现象。路面附着系数会随着路面被破坏而改变。对于路面的破坏形式很多文献都做了深入的研究,西南交通大学的兰波吲和长安大学的陆兆峰【对路面的破坏形式做了详细的介绍。主要有疲劳开裂、车辙、低温开裂和松散老化等等。路面在使用期内经受车轮荷载的反复作用,长期处于应力应变交迭变化状态,致使路面结构强度逐渐下降。一定次数后,内部产生的应力就会超过结构抗力,使路面出现裂纹,产生疲劳破坏。在寒冷的地区路面开裂现象普遍存在。裂纹的存在使得路面变得不平整。路面越粗糙,路面的附着系数也越大。由于路面上存在较大尺寸的微小凸体,这些微小凸体对轮胎表面具有微切削作用,提高了轮胎的弹性变形能力,并且切削力构成附着力的一部分。但是随着使用年限的增加,道路出现老化,变得光滑。路面的附着性能也随之下降。对于这样的现象普遍采用机械打毛的方法,增加粗糙度,提高附着性能。另外,在行车荷载的反复作用下,车轮行驶印迹处比旁边明显凹陷或是沥青面层压缩变形而形成车辙。当车辙达到定的深度时,在辙槽内积水,路面变得潮湿,路面附着性能降低。路面的潮湿程度对附着性能也具有较高的影响。路面越潮湿,说明路面积水越多,则路面附着系数越小。针对这一情况,主要以改善路面排水性和轮胎排水性为主来抑制。路面排水主要使路面横向做成两侧倾斜的坡度,便于及时排水。而对于轮胎而言,可以从轮胎的设计入手在胎面上设计出又宽又深的排水沟,使轮胎与路面间形成较大的排水空间。广西大掌硕士学位论文 基于路面附着系数的汽车制动效能分析为了增加潮湿时的路面附着能力,路面的宏观结构应具有一定的不平度而有自动排水的能力;路面微观结构应是粗糙且具有一定的尖锐棱角,以穿透水膜,让路面与轮胎直接接触,提高路面附着系数。.轮胎特性对附着性能的影响轮胎是汽车上一个重要部件,支承整车,缓和路面不平对车辆的冲击力,为驱动和制动提供良好的附着作用,汽车的许多使用性能与轮胎有关。因此对轮胎的要求也很高,主要有以下几点【】:.要有足够强度和寿命、气密性好,保持行驶安全;.良好的弹性和阻尼特性,和悬架一起缓和由路面不平引起的振动和冲击,噪声要小,保证乘坐舒适和安全;.胎而花纹要增强与地面的附着性,保证必要的驱动力和制动效能;.轮胎变形时,材料中摩擦损失或迟滞损失要小,以保证滚动阻力小;.轮胎侧偏特性好,保证转向灵敏和良好的方向稳定性。轮胎对附着性能的影响主要表现在轮胎的结构型式和胎面花纹。.轮胎结构型式的影响。如图?,按照轮胎的结构分类方式划分为子午线轮胎和斜交线轮胎、斜交轮胎膊叮圆 圈熊一一一/,图一子午线轮胎与斜交线轮胎结构.?广西大掌硕士掌位论文 基于路面附着系数的汽车制动效能分析斜交线轮胎与子午线轮胎的根本区别在于胎体。斜交线轮胎是把横纹编织的帘线布斜裁后相互粘合而形成的;而子午线轮胎的结构特点是胎体帘线方向与轮胎圆周方向垂直,是聚合物多层交叉材质,可减少轮胎被异物刺破的几率。从设计上讲,斜交线轮胎由于胎面部分在地面上滑移,所以耐磨性不如子午线轮胎好。交叉的帘线强烈摩擦易生热,也加速了胎纹的磨损。子午线轮胎则具有较好的柔韧性以适应路面的不规则冲击,又经久耐用。它的数层由钢丝编成的钢带帘布结构可以使行驶中的汽车得到更小的摩擦,而得到更长久的使用寿命。同时,子午线轮胎的出现让无内胎轮胎变为了可能。无内胎轮胎最主要的有点在于轮胎被扎破了以后,并不会与斜交线轮胎一样的爆裂,而是在一段时间内能保持住气压,这样能够提高汽车行驶过程中的安全性。相比较斜交线轮胎,子午线轮胎的耐磨性可以提高%,滚动阻力可降低%,可以节油%。另外,子午线轮胎的耐机械损伤性能好,发热少,缓冲性能好,适合高速下行驶,提高了乘坐舒适性,并可减少零件的损坏。因此,子午线轮胎具有一系列斜交轮胎不可比拟的优点,所以,子午线轮胎附着性能明显优于斜交轮胎。.胎面花纹的影响目前广泛使用的胎面花纹型式主要有纵沟型花纹、横沟型花纹和混合型花纹,如图.。纵沟型花纹臻纵性口稳定.洼较出色;静藩动阻力较小,。轮胎睬青较,、,己, 。生,。,。图轮胎花纹形式仃 . 于路面附着系数的汽车制动舅眨分析通过文献【】可以知道,轮胎花纹的主要作用就是增加胎面与路面间的摩擦力,提高轮胎的附着性能。在一定的载荷作用下,轮胎胎面的局部上会产生一定的应力集中现象,这是由于路面上存在的微小凸体在切向离得作用下,可以对轮胎胎面产生微切削作用。这和我们鞋底的花纹作用时一样的,在这种微切削的过程中产生的阻力就是轮胎与路面间摩擦力的一部分。有试验表明,轮胎与路面间的分子引力作用和轮胎与路面间的粘着作用也都是产生胎面和路面间摩擦力的一些因素。但是,起到最主要作用的仍是胎面花纹的弹性变形。表?给出了不同路面类型、不同路面状况和各类型轮胎下路面附着系数的变化范围。表.不同路面类型、不同路面状况和不同类型轮胎下的附着系数路面类型 路面状况 高压轮胎 普通轮胎 越野轮胎.毋. .国.干燥 .融.柏油或.潮湿 . .电.水泥路面.污染 .旬. .干燥 .?旬. .限. .卵石路面. .融国. .国.干燥碎石路面.国.潮湿 .?. .国。 .干燥 .由。木块路面潮湿 .?. . .电.融一. .国. .国.干燥.供, . .?.土路 潮湿。, 。 . .电.泥泞,. .?. .干燥沙质荒地. . .潮湿干燥 。国. .卸. .?.湿润 .融一. .?旬. .粘土荒地. ?田. . .?.稀湿.?电 .国 .由.松软积雪坟地. .国. .融国.压实. 结冰路面 气温在零下状态 . .?.汽车行驶时可能遇到两种附着能力很小的危险情况:一种是刚开始下雨,路上形成黏度很高的水液,这种水液是由少量的雨水也道路上的尘土、油污等物质互相混合而形成的,而轮胎在滚动的过程中式无法排挤出这种水液膜的。这种水液膜起到了润滑的作用,使得路面附着数大大的降低。另一种情况是,高速行驶的汽车经过有积水层的路面,基于路面附着系教的汽车制动舅电分析胎面与路面间积水来不及排除便会在路面与轮胎间形成水膜,将轮胎慢慢托起。路面的少部分突起与轮胎接触,提供部分附着力,在一定条件下甚至完全离开路面,产生“滑水现象,使路面附着系数变得极低【。轮胎花纹对轮胎对抗滑水性能具有极其重要的影响,它是通过设计方法改进轮胎抗滑水性能的最重要手段【。文献【】指出,无论是厚水膜时的动力滑水,还是薄水膜时的粘性滑水,轮胎花纹对轮胎与路面相互作用时的压力分布,对轮胎、路面、水膜间的相互作用特性,以及排水效率都具有直接影响。近年来,由于高速汽车和低断面轮胎的广泛使用,轮胎的滑水问题越来越受到人们的重视。滑水将使车辆失去制动能力和方向控制能力,从而对行车安全造成严重危害。通过胎面花纹设计,可以改进轮胎的湿行驶性能,提高汽车在湿路面上的附着性能。.滑动率对附着性能的影响根据文献【】和文献【】对轮胎与路面的附着激励的研究可以知道,关于弹性轮胎和路面的附着问题最早的理论研究可以追溯到上世纪五十年代,但是直到今天还有很多基本原理尚不清楚。我们通常在物理学里面所提到的“滑动摩擦力、“滑动摩擦系数”的定义,运用到轮胎力学中来,通常叫做“附着力”、“附着系数。但也有一定的区别。早在年和通过试验研究发现轮胎制动力可以表示成滑移率的函数。当车轮抱死沿路面拖滑,以及车轮完全打滑时,轮胎上作用的摩擦力等于法向载荷和橡胶与路面间摩擦系数的乘积,符合库仑定律。但是,对处于部分滑转或滑移情况下的轮胎,库仑定律就不适用。下面主要说明一下滑动率对附着系数的影响。在第二章介绍了滑动率的计算公式:?% ?,滑动率与路面附着系数妒之间的关系如图.所示:其中:%一峰值附着系数;体一滑动附着系数。于路面附着系教的汽.车:制动舅眨分析昏耧需器滑动宰占阳图.路面附着系数与滑动率关系曲线饥 .由图.可以看出制动力系数伊在段近似为直线,随滑动率的增大而迅速增大;过了点以后上升缓慢,到了点达到最大值,峰值附着系数绵。嘶%时出现。滑动率再增加,制动力系数有所下降直到滑动率%,制动力系数妒达到滑动附着系数%。在干燥路面上,纬与体差别较小,而在湿路面上,砟与体差别较大。由于滑动率%,滑动附着系数较小,地面制动力不是最大,因而制动距离不是最短。而此时的侧向力系数为,车辆能承受的侧向力为,车轮很容易侧滑,不能保证制动时的方向稳定性。理想的制动系统应能防止车轮被抱死,自动保持滑动率在%范围内,能够利用峰值附着系数%获得最大的地面制动力,因而制动距离可以最短,提高汽车的制动效能。.本章小结本章首先分析了路面、轮胎和滑动率这三方面对路面附着系数的影响。路面越粗糙,路面的附着系数也越大,但随着使用年限的增加,道路出现老化,变得光滑,路面的附着性能也随之下降。轮胎花纹在胎面和路面间切向力的作用下,能产生较大的切向弹性变形,增强了接触面的磨擦作用,提高轮胎的附着性能。轮胎的磨损会影响它的附着性墓路面附着系数的汽车制动效熊分析能。随着胎面花纹深度的减小,它的附着系数将显著下降。只有保持滑动率在%范围内,制动系统才能够利用峰值附着系数纬获得最大的地面制动力,使制动距离最短。基于路面附着系数的汽车制动舅眨分析第四章制动效能的仿真研究发现,在公路开通初期路面附着系数较大,由此引发的事故很少,但使用一段时间后,由于磨损,路面附着系数下降很多。车辆在道路上行驶,路面的附着系数并不是一成不变的,而是在一个范围内波动,轮胎与路面间的附着系数会随着车速的增高而减小。干燥路面上车速增高,附着系数稍稍减小;潮湿路面上随着车速的增高,附着系数明显的减小。第二章建立了附着系数和制动距离之间的数学模型式:”忖考”扣帕?瓦畦一扣等署沁,?乞考一扣帕?南唾一扣而;专?吼,忖肾矾。罟?矿训本章将在这一数学模型的基础上,选取柏油、水泥、碎石、土路、积雪等典型路面,以马自达汽车为研究对象,运用语言对其空载与满载时制动距离与路面附着系数关系进行仿真。获取在特定初速度下路面附着系数与汽车制动距离的关系曲线。以我国和国际上主要的制动距离管理条例为参考依据,选取路面附着系数分别为矿.、矿.和矿.的较差路面,对马自达汽车空载与满载时制动距离与制动初速度之间的关系进行仿真,获得具有实际参考价值的仿真曲线。.参数设定本章以马自达为例,参考数据来源于文献【】和文献【】,具体数据为表所示:表马自达数据.一 车型 空载 满载马自达 ,砂 坼叫 基于路面附着系教的汽车触动效能分析上表中给出了空载和满载时的具体数据,第三章表.给出了不同路面类型、不同路面状况、不同轮胎类型时附着系数的取值范围,本章将根据该表进行取值。另外,汽车制动时的其他参数经过分析取值如表.:表其他参数.制动距离与附着系数关系曲线仿真我国幅员辽阔,地形差异较大,造成了各地区的道路路面状况参差不齐。下面,我们将选取柏油或水泥、碎石、土路、积雪等典型路面,对其不同自然条件下空载与满载时制动距离与附着系数关系进行仿真。.柏油或水泥路面我国的高速公路、国道、省道等高等级公路均属于柏油或水泥路面。柏油路面由沥青铺成,学名为沥青混凝土铺面,是现今广泛使用的高速公路道路路面。水泥混凝土路面是指以水泥混凝土为主要材料做面层的路面,简称混凝土路面,亦称刚性路面,俗称白色路面,它是一种高级路面【。因此,选取柏油和水泥路面进行研究是极其重要的。.干燥路面选取初速度为/,根据表.选取普通轮胎。运用进行仿真,得到空载和满载时制动距离和附着系数如图.、.所示。从图.中可以看出,汽车空载时,在干燥的柏油或是水泥马路上制动,其制动距离范围在.,其路面附着系数在.之间。所以在这样的路面上制动时,车距最好保持在之上为好。当然/的速度不算是高速行驶。在高速公路上速度一般在/,其制动距离最好保持在以上,以免发生追尾现象。从图.中可以看出,汽车满载时,在干燥的柏油或是水泥马路上制动,其制动距离范围在.,其路面附着系数在.之间。由于满载的原因在这种路面比较好的情况下,制动距离比空载时略有提升,所以在这样的路面上制动时,车距最好保持在之上为好。广西大曹铒炙士掌位论文 基于叠务面附着系敦的汽车康动舅。眨分析、,、.,;图空载时制动距离随着路面附着系数的变化过程 .: :。、,.。、.。、.、驾满载时制动距离随着路面附着系数伊的变化过程 .于路面附着系教的汽车制动寅嚆皂分析.潮湿路面汽车在公路上行驶时,并不是总在理想的路面条件下行驶。由于天气变化的原因,很多的时候伴随着下雨,下雪等天气行驶。在雨水不是很大或下雪之后,柏油或水泥公路会变得潮湿,路面条件不如干燥时好。路面的附着系数并不是一成不变的,而是在一个范围内波动,轮胎与路面间的附着系数会随着车速的增高而减小。潮湿路面上随着车速的增高,附着系数明显地减小。选取初速度为砌/厅,根据表.选取普通轮胎。运用进行仿真,得到潮湿路面空载和满载时制动距离和附着系数关系如下:图空载时制动距离随着路面附着系数伊的变化过程.从图.可以看出,汽车空载时,在潮湿的柏油马路或是水泥马路上制动,其制动距离范围在.聊一.肌,其路面附着系数在.之间。与干燥路面相比,潮湿路面上制动距离随着附着系数的下降而明显增长。在潮湿的路面上制动要比在干燥的路面上多走出,所以在这样的路面上制动时,车距最好保持在之上,才不至于发生追尾现象。广