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(完整版)车辆制动性的研究及优化
车辆制动性的研究及优化
1 汽车制动受力分析

1。1 地面制动力
地面制动力是使汽车制动而减速行驶的外力［1]，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间的摩擦力，一个是轮胎与地面间的摩擦力——附着力。

Tμ是车轮制动器中摩擦片与制动鼓或制动盘相对滑转时的摩擦力矩；FXb是地面制动力；W为车轮垂直载荷;TP为车轴对车轮的推力;FZ为地面对车轮的法向反作用力;r为车轮半径.
1.2 制动器制动力
在在轮胎周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Fμ表示。它相当于把汽车架离地面，并踩住制动踏板，在轮胎周缘沿切线方向推动车轮直至它能转动所需的力，显然：

并参考试验得到的某四座轿车的制动器制动力踏板的关系曲线：

1.3 地面制动力、制动器制动力与附着力之间的关系

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。
1.4 硬路面上的附着系数
滑移率:

以下是试验所得的制动力系数曲线，可得制动力系数与滑移率的变化关系：

附着系数的数值主要决定于道路的材料、路面状况与轮胎结构、胎面花纹、材料以及汽车运动的速度等因素。也与轮胎充气压力有关。应用被动悬架的动态性能与ABS的PID控制器结合以提高驾驶性能，缩短制动距离。利用悬架挠度提高乘坐舒适性。集成被动悬架和车辆模型将会对ABS的性能产生一些影响,主要包括：增加了非线性性能、明显的路面干扰。如果ABS控制器设计的不理想将会影响悬架的动态性能。因此，控制器需要在保证提供转向控制和良好的乘坐舒适性的前提下处理这些问题[2］。

2汽车的制动效能及其稳定性的研究及优化

2.1 制动距离与制动减速度
汽车的制动效能是指汽车迅速降低车速直至停车的能力。评定制动效能的指标是制动距离s和制动减速度ab。
制动距离是衡量一款车的制动性能的关键性参数之一，它的意思就人们在车辆处于某一时速的情况下，从开始制动到汽车完全静止时，车辆所开过的路程。是汽车在一定的初速度下，从驾驶员急踩制动踏板开始,到汽车完全停住为止所驶过的距离。包括反应距离和制动距离两个部分。制动距离越小，汽车的制动性能就越好。
而制动减速度实际上就是指汽车制动时的减速度，这不是一个定值或稳定变化的值。
图a)是实际测得的，b)是经过简化后的曲线:

从a点到b点所经过的时间称为驾驶员反应时间，一般为0。3~1。0s；
从b点到e点所经过的时间是消除踏板间隙与制动器制动力增长过程所需时间和，称为制动器的作用时间，一般为0.2～0。9s;
从e点到f点为持续制动时间，减速度基本不变。
从f点到g点是驾驶员放松制动器的时间，一般在0。2～1。0s。
从制动的全过程来看,总共包括驾驶员见到信号后作出行动反应、制动器起作用、持续制动和放松制动器四个阶段。一般所指制动距离是开始踩着制动踏板到完全停车的距离。而决定汽车制动距离的主要因素是:制动器起作用的时间、最大制动减速度（即附着力）以及起始制动车速［3]。

2.2 制动效能的恒定性
以上的讨论仅限于在冷制动情况(制动器起始温度在100℃以下)的制动效能。汽车在繁重的工作条件下启动时,制动器温度常在300℃以上,有时高达600～700℃。高速制动时，制动器温度也会很快上升.制动器温度上升后，摩擦力矩常会有显著下降,这种现象成为制动器的热衰退。而且制动效能的恒定性主要指的就是抗热衰退性能.
2。3 汽车的制动性能恒定性方面的优化
制动性能及其恒定性的优化也就主要是在以上两个方面着手，即缩短制动距离，增加抗热衰退性。
1）制动距离主要受到汽车本身质量，制动器效能、车轮材料、路面附着力等影响。首先,路面的附着力我们暂时无法改变，所以制动距离的缩短，就要从汽车质量减轻，制动器改进，车轮材料、安装方式的优化，以及新增一些可以提高制动力的设备这些方面来提高汽车的制动性能。
减轻汽车质量的途经很多。
首先，可以将汽车车架更换成为铝合金或者钛合金（飞行器制造材料，成本很高）,铝合金与钛合金质量很轻，刚度也很高，不但可以缩短汽车的制动距离,还可以提高汽车的动力性能与安全性能。接下来，便可以将车身换成碳纤维的材料,发动机采用镁合金制造外壳,所有零部件都采用轻量化材料。最后，在车身材料以外还可以考虑减少汽车的外附件。例如取消左右后视镜，采用摄像机内部现象；将雨刮器改装成单面全覆盖范围;左、右门风窗操纵方式可改为手动或者改进电路减轻质量。
制动器主要分为盘式制动器和鼓式制动器.曾经的汽车主要采用鼓式制动器.现在的现代性的汽车主要采用前盘后鼓的制动器——即前轮采用盘式制动器,后轮采用鼓式制动器.鼓式制动器多采用内圆柱面为工作表面的内张型的制动鼓；盘式制动器由旋转元件(制动盘）和固定元件（制动钳）组成。盘式制动器的效能较低，但是相对鼓式制动器它的制动效能要更加稳定,质量尺寸小，散热良好,易于保修[4].所以我们希望能尽量改用盘式制动器，并用伺服器装置,以液压系统提供高压辅助汽车制动。
车轮改用子午线轮胎。子午线轮胎的接地面积大，阻力小，散热能力好。缓和性能与负荷能力都很优越，可以很好地提高汽车的制动效能[5].
2）汽车的抗热衰退性能与制动器摩擦副材料及制动器结构有关.所以要提高汽车的抗热衰退能力，主要从这两方面入手。
一般制动器的制动鼓、盘由铸铁制成,而摩擦片由石棉、半金属和无石棉等几种材料制成。石棉有害人的健康,不允许使用.而且高温时，这些摩擦片的制动效能会因为热衰退大幅度降低。可以改进依然使用半金属的高摩擦系数材料，或采用添加了铁粉、石墨、纤维的符合材料，或者是硬度极高的陶瓷材料（但是陶瓷刚度极低，受到剪力易碎，需加纤维包覆）。众所周知，摩擦材料是由粘接剂、增强纤维、摩擦性能调节剂组成的三元复合材料。由于用户对客车的制动性能、舒适性及耐磨性有了更高的要求，故在配方设计时对材料的选用做了大量工作。在材料选用时综合考虑了舒适性及使用寿命，我们对纤维的选择主要从一些渣球含量低的矿物纤维及部分有机纤维和金属纤维。在填料的选择上我们采用了大量多孔性有机及无机填料和优质的摩擦性能调节剂来保证制动的平稳性.还在配方中加入多种固体润滑剂和摩擦性能调节剂，如硫化物、石墨、腰果油摩擦粉等提高了产品的耐磨性[6]。
而在制动器的结构形式方面，常用摩擦效能因数与摩擦因数的关系曲线来说明各种类型制动器的效能及稳定程度.已知盘式制动器的制动效能没有鼓式制动器制动效能大,但其稳定性好。未来几年，盘式制动器在我国将会得到更加快速的推广和应用.它在重型车上的应用更具紧迫性，“前盘/后鼓"的配置也将是重型车底盘和制动系统近几年的重大变化,前盘后鼓布置形式可扬长避短，能充分发挥盘式制动器的优势。世界汽车技术的发展为我们提供了解决重型车前轴制动问题及轴荷问题的途径，它既是重型载货车底盘技术发展的一种趋势，更是车辆全面满足制动安全及轴荷法规的需要［7]。而增力式的制动器的制动效能是最好的，所以应该在盘式制动器与自增力式制动器之间结合改进，使改进后的制动器既具有盘式制动器的制动稳定性,也具有鼓式制动器中自增力式制动器的高效性，能够在一个更加良好的结构环境下，创造出更好的制动效能稳定性。

3 汽车制动时的方向稳定性的研究及优化

3。1 汽车的制动跑偏
制动时汽车自动向左或向右偏驶称为“制动跑偏"。
制动时汽车跑偏的原因有两个:
1）汽车左、右车轮，特别是前轴左、右车轮（转向轮）制动器的制动力不相等.
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（互相干涉）。
以下是制动跑偏受力图：

3.2 制动时后轴侧滑与前轴转向能力的丧失
制动时发生侧滑，特别是后轴侧滑，将引起汽车剧烈的回转运动，严重时可使汽车掉头。由实验与理论分析得知，制动时若后轴车轮比前轴车轮先抱死拖滑，就可能发生后轴侧滑。若能使前、后轴车轮同时抱死或前轴车轮先抱死，后轴车轮再抱死或不抱死，则能防止后轴侧滑。不过前轴车轮抱死后将失去转向能力。

前轮失去转向能力，是指弯道制动时汽车不再按原来的弯道行驶而沿弯道切线方向驶出；直线行驶制动时，虽然转动转向盘但汽车仍按直线方向行驶的现象。失去转向能力和后轴侧滑也是有联系的，一般如果汽车后轴不会侧滑，前轮就可能失去转向能力；后轴侧滑，前轮仍有转向能力。

从两幅受力分析图可判断后轴侧滑力的重合加剧策划,是一种不稳定、危险的工况；前轴侧滑力的重合起阻碍作用,失去转向能力但相对稳定。所以后轴侧滑的危险性要高于前轴侧滑［8］。
3.3 汽车制动时的方向稳定性方面的优化
由以上的分析可以得出，汽车制动时的方向稳定性主要是受“力”的影响:地面附着力、地面对车轮的法相反作用力、制动器制动力的分配等等。所以方向稳定性的优化，就必须从受力的方面进行改进.
对于力的方面，我们需要做的就是调节好前、后制动气制动力的比例关系.后轮先行抱死对汽车的方向稳定新影响很大，而且危险系数非常高，所以在优化改进方面，就是加装制动力分配的控制机构,能够在接收到地面给车轮施加力的同时，自行进行计算检测，并且按照路况及时分配制动力给前后车轴。工作原理类似于汽车的分动器，在四轮驱动汽车中广泛应用，性能突出.
制动力分配的设备核心是传感器。结构型的电容式传感器、压阻式传感器、压电式传感器都适用。同时,差动式传感器能提高传感器的感应效率与感应精度,所以设备选用差动式传感器。连接电桥处理信号,最后接在车架上以电线连接前后车轴、车桥、悬架，感应到地面状况变化与制动力的输出时进行计算输出[9].分配以后到前后车轴控制前后车轮同时达到将抱死而未抱死的状态。此时既不会失去转向能力，也不会发生猛烈的侧滑现象。
开发新的控制策略，将车辆各控制子系统进行集成.然而主要关注的是提高车辆稳定性和紧急情况的操纵性，因此主要研究主动前轮转向系统（AFS)、主动悬架系统（AS）、电子稳定控制系统（ESC）和可变扭力分配系统（VTD）的集成。通过这4个控制系统的集成，减小偏航率和侧滑角。

参考文献：
[1] 庄继德．汽车地面力学[M］．北京：机械工业出版社，1981
［2］ 王浩．车辆滑移率控制器的性能［J]．汽车文摘，2012,07
［3] 孙博华．车辆碰撞紧急制动性能测试[J]．汽车文摘，2012，12
[4] 陈家瑞．汽车构造[M］．北京：机械工业出版社，2000
[5］ 景山克三．汽车性能与试验［M］．常文宣,译．北京：人民交通出版社，1985
［6］ 杨华炬．盘式制动器匹配和制动安全［J］．汽车文摘,2009，08
[7] 孙龙．前盘后鼓气压制动系统的协调性[J]．汽车文摘，2013,06
[8] 余志生．汽车理论[M］．北京：机械工业出版社，2009
［9］ 唐岚．汽车测试技术［M]．北京：机械工业出版社,2006
[10］ 刘宪国．底盘集成控制提高车辆的操纵稳定[J］．汽车文摘，2012，05
[11] 胡倩倩。基于虚拟仪器的汽车制动系制动特性测试系统。 ［J］。 汽车文摘，2012,05