汽车的制动性

第四章汽车的制动性基本概念：制动性的评价指标制动时车轮的受力重点内容：制动效能及其恒定性制动时汽车方向稳定性前、后制动器制动力的比例关系及制动过程分析第四章汽车的制动性汽车行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向稳定性和在下长坡时能维持一定车速的能力称为汽车的制动性。第四章汽车的制动性汽车的制动性是汽车的主要性能之一。制动性直接关系到交通安全，重大交通事故往往与制动距离太大、紧急制动时发生侧滑等情况有关，故汽车的制动性是汽车行驶的重要保障。改善汽车的制动性始终是汽车设计制造和使用部门的重要任务。制动演示§4-1制动性的评价指标汽车的制动性主要由下列三方面来评价：（1）制动效能，即制动距离与制动减速度；（2）制动效能的恒定性，即抗衰退性能；（3）制动时汽车的方向稳定性即制动时汽车不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力的性能。制动效能是指在良好路面上，汽车以一定初速制动到停车的制动距离或制动时汽车的减速度。它是制动性能最基本的评价指标。汽车高速行驶或下长坡连续制动时制动效能保持的程度，称为抗热衰退性能。因为制动过程实际上是把汽车行驶的动能通过制动器吸收转换为热能，所以制动器温度升高后，能否保持在冷状态时的制动效能已成为设计制动器时要考虑的重要问题。制动时汽车的方向稳定性，常用制动时汽车按给定路径行驶的能力来评价。若制动时发生跑偏、侧滑或失去转向能力，则汽车将偏离原来的路径。§4-2制动时车轮的受力汽车受到与行驶方向相反的外力时，才能从一定的速度制动到较小的车速或直至停车。这个外力只能由地面和空气提供。但由于空气阻力相对较小，所以实际上外力是由地面提供的，我们称之为地面制动力。地面制动力愈大，制动减速度愈大，制动距离也愈短，所以地面制动力对汽车制动性具有决定性影响。一、地面制动力从力矩平衡得到式中r——车轮半径，单位为m。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间的摩擦力；一个是轮胎与地面间的摩擦力——附着力。车轮在制动时的受力情况二、制动器制动力在轮胎周缘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。式中Tμ----制动器（摩擦片与制动鼓或盘相对滑转时）的摩擦力矩，单位为N·m。由上式可知，制动器制动力不仅由制动器结构参数所决定，即取决于制动器的形式、结构尺寸、制动器摩擦副的摩擦因数以及车轮半径，并与制动踏板力，即制动系的液压或空气压力成正比。三、地面制动力、制动器制动力与附着力之间的关系车轮滚动时的地面制动力就等于制动器制动力，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，即Fxb≤F=Fz或最大地面制动力Fxbmax为Fxbmax=FzrTF当制动器踏板力或制动系压力上升到某一值（图4-3中为制动系液压力pa），地面制动力Fxb达到附着力值时，车轮即抱死不转而出现拖滑现象。制动系液压力ppa时，地面制动力Fxb达到附着力的值后就不再增加。FFFxb,Fu,FFFxb=FμFxbmax=FFμ0pa制动系油压p图4-3制动过程中地面制动力、制动器制动力及附着力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。四、硬路面上的附着系数仔细观察汽车制动过程，发现胎面留在地面上的印痕从车轮滚动到抱死拖滑是一个渐变的过程。图4-4是汽车制动过程中逐渐增大踏板力时车轮留在地面上的印痕。滑动率的定义是：%1000wwrwuwrusABp1.00.80.60.40.2020406080100纵向滑动率s×100图4-5b—s曲线若令制动力与垂直载荷之比为制动力系数b，则在不同滑动率时，b的数值不同。图4-5给出了试验所得的制动力系数曲线，即b-s曲线。曲线在OA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p,一般出现在s=15%~20%。滑动率再增加，制动力系数有所下降，直至滑动率为100%。S=100%的制动力系数称为滑动附着系数s。在干燥路面上，s与p的差别较小，而在湿路面差别较大。若令γ=s/p，则γ在1/3~1之间。附着系数的数值主要决定于道路的材料、路面的状况与轮胎结构、胎面花纹、材料以及汽车运动的速度等因素。汽车行驶时可能遇到两种附着能力很小的危险情况：一是刚开始下雨，路面上只有少量雨水时;另外一种情况是高速行驶的汽车经过有积水层的路面，出现了滑水（Hydroplaning）现象。§4-3汽车的制动效能及其恒定性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（单位为m）和制动减速度j(单位为m/s2)一、制动距离与制动减速度制动距离是指汽车速度为u0时，从驾驶员开始操纵制动控制装置（制动踏板）到汽车完全停住为止所驶过的距离。汽车能达到的减速度αbmax(单位为m/s2)为：αbmax=bg若允许汽车的前、后车轮同时抱死，则αbmax=sg若装有理想的自动防抱装置来控制汽车的制动，则制动减速度为αbmax=φpg二、制动距离的分析图4-14是驾驶员在接受了紧急制动信号后，制动踏板力、汽车制动减速度与制动时间的关系曲线。图4-14a是实际测得的，图4-14b是经过简化后的曲线1、称为驾驶员反应时间，一般为0.3~1.0S。2、总称为制动器的作用时间，τ2一般在0.2~0.9s之间,。制动距离包括制动器起作用和持续制动两个阶段中汽车驶过的距离s2和s3。在制动器起作用阶段，汽车驶过的距离s2如下估算：在时间内式中u0——起始制动车速。''1'11''2'22'23为持续制动时间2''2max''20''2'2261jusssmax200''2'292.2526.31juusaa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（或最大制动器制动力）、制动的起始车速。附着力（或制动器制动力）愈大、起始车速愈低，制动距离愈短，这是显而易见的。高速制动时，制动器温度也会很快上升。制动器温度上升后，摩擦力矩将显著下降，这种现象称为制动器的热衰退。热衰退是目前制动器不可避免的现象，只是程度上有所差别。制动效能的恒定性主要指的是抗热衰退性能。抗热衰退性能与制动器摩擦副材料及制动器结构有关。一般制动器是以铸铁作制动鼓、盘，石棉摩擦材料作摩擦片组成的。正常制动时，摩擦副的温度在200℃左右，摩擦副的摩擦系数约0.3~0.4。但在更高的温度时，摩擦系数会有很大降低，而出现所谓热衰退现象。三、制动效能的恒定性常用制动效能因数与摩擦系数的关系曲线来说明各种类型制动器的效能及其稳定程度。图4-16是具有典型尺寸的各种制动器制动效能因数与摩擦系数的关系曲线。由图可知，双向自动增力蹄及双增力蹄制动器，由于结构上的几何力学的关系产生增力作用，具有较大的制动效能因数。摩擦系数的微小改变，能引起制动效能大幅度变化，即制动器的稳定性差。双减力蹄制动器情况与之相反增、减力蹄制动器介于二者之间。盘式制动器的制动效能没有鼓式制动器大，但其稳定性好。§4-4制动时汽车的方向稳定性制动过程中，有时会出现制动跑偏、后轴侧滑或前轮失去转向能力而使汽车失去控制离开原来的行驶方向。制动时汽车自动向左或向右偏驶称为“制动跑偏”。侧滑是指制动时汽车的某一轴或两轴发生横向移动。1、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）。第一个原因是制造、调整误差造成的；第二个原因是设计造成的。图4-18给出了由于转向轴左右车轮制动力不相等而引起跑偏的受力分析。一、汽车的制动跑偏设前左轮的制动器制动力大于前右轮，故地面制动力Fx1lFx1r。此时前、后轴分别受到的地面侧向反作用力为FY1和FY2。显然Fx1l绕主销的力矩大于Fx1r绕主销的力矩。虽然方向盘不动，由于转向系各处的间隙及零部件的弹性变形，转向轮仍产生一向左转动的角度而使汽车有轻微的转向行驶，即跑偏。同时由于主销有后倾，也使FY1对转向轮产生一同方向的偏转力矩，这样也增大了向左转动的角度。左右车轮制动力之差用不相等度△Fμγ表示。△Fμγ=式中Fμb----大的制动器制动力Fμl----小的制动器制动力造成跑偏的第二个原因是悬架导向杆系与转向系拉杆发生运动干涉，且跑偏的方向不变。1、前轮无制动力、后轮有足够的制动力，后轮抱死危险。2、后轮无制动力、前轮有足够的制动力，前轮抱死。汽车将失去转向能力。3、前后轮均抱死，但抱死的循序不同，时间间隔不同。二、制动时后轴侧滑与前轴转向能力的丧失图4-22前轮抱死或后轮抱死时汽车纵轴线转过的角度（航向角）若后轮比前轮先抱死拖滑超过0.5s以内，则后轴将发生严重的侧滑。总结为两点：（1）制动过程中，若是只有前轮抱死或前轮先抱死拖滑，汽车基本上沿直线向前行驶（减速停车），汽车处于稳定状态，但汽车丧失转向能力；（2）若后轮比前轮提前一定时间（如对试验中的汽车为0.5s以上）抱死拖滑，且车速超过某一数值（如试验中的汽车为48km/h）时，汽车在轻微的侧向力作用下就会发生侧滑。路面愈滑、制动距离和制动时间愈长，后轴侧滑愈剧烈。因此，从保证汽车方向稳定性的角度出发，首先不能出现只有后轴车轮抱死或后轴车轮比前轴车轮先抱死的情况，以防止危险的后轴侧滑。其次，尽量少出现只有前轴车轮抱死或前后车轮都抱死的情况，以维持汽车的转向能力。最理想的情况就是防止任何车轮抱死，前、后车轮都处于滚动状态，这样就可以确保制动时的方向稳定性。§4-5前、后制动器制动力的比例关系制动过程可能出现上述如下三种情况：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。情况（1）是稳定工况；情况（2）后轴可能出现侧滑，是不稳定工况；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使汽车失去转向能力，较之前两种工况，附着条件利用情况较好。由图4-26，对后轮接地点取力矩得对前轮接地点取力矩得可求得地面法向反作用力为：gzhdtdumGbLF1gzhdtdumGaLF2dtdughbLGFgz1一、地面对前、后车轮的法向反作用力dtdughaLGFgZ2若在不同附着系数的路面上制动，前、后轮都抱死（不论是同时抱死，或分别先后抱死），此时Fxb=Fφ=Fφ或。地面作用于前、后轮的法向反作用力为gdtdu)(1gzhbLGF)(2gzhaLGF前后车轮同时抱死的条件是：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，即得（4-9）一般可用作图法直接求得I曲线理想的前、后制动器制动力分布曲线GFF2111zFF22zFFGFF21gghahbFF21二、理想的前、后制动器制动力分配曲线对于某一值，均可找到两条直线，这两条直线的交点便是满足式（4-9）中两式的Fμ1值和Fμ2值。把对应于不同值的两直线交点A、B、C、…连接起来，便得到了I曲线。曲线上任一点代表在该附着系数路面上前、后制动器制动力应有的数值。I曲线是踏板力增长到前、后车轮同时抱死拖滑时的前、后制动器制动力的分配曲线。曲线也是车轮同时抱死时F1和F2关系曲线。I曲线还是前、后轮都抱死后的地面制动力Fxb1、与Fxb2，即F1与F2的关系曲线。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β表示，即且此直线通过坐标原点，且其斜率为这条直线称为实际前、后制动器制动力分配线，简称β线。FF1121FF1tg三、具有固定比值的前、后制动器制动力与