经典样章-第5章汽车制动性

第5章汽车制动性汽车行驶安全性包括汽车主动安全性和汽车被动安全性。汽车主动安全性是指汽车本身防止或减少道路交通事故的能力。它主要与汽车的制动性、汽车的操纵稳定性、汽车的舒适性、汽车的尺寸与质量参数、汽车的视野与灯光等因素有关。此外，动力性中的超车加速时间短，可以减少整个超车过程中两车并行的时间，对安全有利。汽车被动安全性是指发生汽车事故后，汽车本身减轻人员受伤和货物受损的能力。汽车本身减轻汽车车内乘员受伤和货物受损的性能称为汽车内部被动安全性；汽车本身减轻其他人员伤害和其他车辆损害的性能称为汽车外部被动安全性。汽车内部被动安全性主要通过安全车身、安全带与安全气囊等装置限制驾乘人员位移、消除汽车车内部件的致伤因素等方面来改善。汽车外部被动安全性主要通过保险杠等装置来改善。本章主要介绍汽车制动性。通过本章的学习，应了解汽车行驶安全性的含义，熟练掌握汽车制动性的评价指标；学会分析汽车地面制动力、制动器制动力及其与附着力的关系；掌握制动距离的概念、计算公式，会分析影响汽车制动效能的因素；掌握汽车制动跑偏的概念与产生原因以及汽车制动侧滑的概念与对方向稳定性的影响；会计算汽车制动时地面作用在前、后车轮上的法向反力；通过I曲线、β线、f线、r线分析汽车的制动过程，会分析具有变化值的前、后制动器制动力分配特性；掌握滑动率的概念、会分析制动力系数、侧向力系数随滑动率的变化曲线；会分析ABS、排气制动、缓速器对汽车制动性的影响。汽车行驶安全性概述汽车制动性的概念、评价指标汽车地面制动力、制动器制动力及其与附着力的关系汽车制动距离的概念、计算方法、分析影响制动效能的因素汽车制动效能恒定性、热衰退影响因素、水衰退汽车制动时的方向稳定性的概念、制动跑偏的概念与产生原因、制动侧滑的概念与对方向稳定性汽车制动时地面作用在前、后车轮上的法向反力，I曲线、β线、f线、r线，分析汽车的制动过程，具有变化值的前、后制动器制动力分配特性滑动率、制动力系数、侧向力系数、ABS、排气制动、缓速器汽车制动性是指汽车行驶时能在短距离内停车并且维持行驶方向稳定和在下长坡时能维汽车性能与使用技术118持一定车速的能力，以及汽车在一定坡道上能长时间停车不动的驻车制动能力。汽车制动性是汽车的主要性能之一。自汽车诞生之日起，汽车制动性就显得至关重要，并且随着汽车技术的发展和汽车行驶车速的提高，其重要性也显得越来越明显。汽车的制动性直接关系到行车安全，汽车重大交通事故的发生往往与汽车制动距离太长、汽车紧急制动时发生侧滑等情况有关。所以，汽车的制动性是汽车安全行驶的重要保障。汽车制动性主要由以下三方面指标来评价：1）制动效能，即制动减速度、制动距离以及制动力等。2）制动效能的恒定性，即抵抗制动效能的热衰退和水衰退的能力。3）制动时汽车的方向稳定性，即制动时汽车按照驾驶员给定方向行驶的能力，也就是制动时汽车不发生跑偏、侧滑以及失去转向的能力。5.1汽车制动时车轮的受力汽车行驶时，只有受到与行驶方向相反的外力作用，才能从一定的车速制动到较低的车速或直至停车。外力只能由地面和空气提供。但空气阻力相对较小，故实际上外力主要由地面提供，称之为地面制动力。5.1.1汽车地面制动力汽车在良好硬路面上制动时车轮的受力情况，如图5-1所示。图5-1汽车制动时车轮的受力图由图5-1可见，汽车制动时，车轮制动器中摩擦片与制动鼓或制动盘相对滑转时产生摩擦力矩T，其作用方向与车轮转动方向相反，地面就会给车轮一个与汽车行驶方向相反的作用力xbF，该力称为地面制动力。5.1.2汽车制动器制动力汽车制动器制动力F是指在汽车轮胎周缘为了克服制动器摩擦力矩所需的力。它相当于汽车车桥架离地面制动时，在轮胎周缘沿切线方向扳动车轮旋转所施加的力。第5章汽车制动性119TFr（5-1）F仅由制动系的设计参数所决定，即取决于制动器的类型、结构尺寸、制动器摩擦副的摩擦因数、车轮半径、踏板力等。5.1.3汽车地面制动力、制动器制动力与附着力的关系在制动时，若只考虑车轮的运动为滚动与抱死拖滑两种情况，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即地面制动力xbF，足以克服制动器摩擦力矩而使车轮转动。车轮滚动时，地面制动力xbF始终等于制动器制动力F，并且随踏板力pF增长成正比地增长，如图5-2所示。图5-2汽车地面制动力xbF、制动器制动力F与附着力F的关系当踏板力pF（或制动系液压力p）上升到某一值时，地面制动力xbF达到附着力F，车轮抱死不转而出现拖滑现象。此后，踏板力pF（或制动系液压力p）再增大，制动器制动力F由于制动器摩擦力矩的增大而仍按直线关系持续增大。但是，若作用在车轮上的垂直载荷为常数，地面制动力xbF达到附着力F后就不再增大。汽车的地面制动力xbF是使汽车制动而减速行驶的外力，其大小首先取决于制动器制动力F，但同时又受地面附着条件的制约。只有汽车具有足够的制动器制动力F，同时地面又能提供高的附着力F时，才能获得足够的地面制动力xbF。5.2汽车制动效能汽车制动效能是指汽车能够迅速降低车速直至停车的能力，常用制动距离和制动减速度来评价。汽车性能与使用技术1205.2.1汽车制动距离1．汽车制动距离概念汽车制动距离是指汽车速度为0v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。它是评价汽车制动效能最直观的指标。2．汽车减速制动过程分析汽车减速制动过程，如图5-3所示。图5-3汽车减速制动过程a点表示驾驶员接到紧急停车信号的时刻。1t是从驾驶员接到紧急停车信号（a点）到意识到应进行紧急制动并移动右脚所经历的时间。1t是从驾驶员移动右脚到接触制动踏板（b点）为止所经历的时间。1t=1t+1t，称为驾驶员的反应时间，一般为0.3～1.0s。在该时间内，汽车以0v的初速度作等速行驶。b→d表示在b点以后，随着驾驶员踩制动踏板的动作，踏板力pF迅速增大，至d点达到最大值。2t是从驾驶员脚接触制动踏板（b点）起，到出现制动力，开始产生制动减速度（c点）为止所经历的时间。它用于克服制动系机械传动部分的间隙、克服制动踏板的自由行程、克服气压或液压沿管路的传递等。在该时间内，汽车的减速度为0，汽车以0v的初速度作等速行驶。2t是汽车制动力由0增大到最大值，制动减速度由0（c点）增大到最大值（e点）所经历的时间。2t=2t+2t，称为制动器的作用时间，一般为0.2～0.9s。它一方面取决于驾驶员踩制动踏板的速度，另外更重要的是受制动系结构形式的影响。3t是持续制动时间（由e点到f点）。该时间内，制动减速度基本不变。4t表示从驾驶员松开制动踏板（f点）起，到制动力完全消除，制动减速度为0（g点）所经历的时间，称为制动完全释放时间，一般为0.2～1.0s。这段时间过长，会耽误随后起步行驶的时间。另外，若因车轮抱死而使汽车失去控制，驾驶员采取放松制动踏板时，又会使制动力不能迅速释放，不能迅速解除制动，此时汽车将可能丧失制动稳定性。第5章汽车制动性121由上述可知，一次制动过程，制动时间0t包括驾驶员的反应时间1t、制动器的作用时间2t、持续制动时间3t、制动完全释放时间4t。3．汽车制动距离的理论公式汽车制动距离S是指汽车在制动器作用时间2t和持续制动时间3t内所驶过的距离。经过理论推导（推导过程略），可得20022max3.6225.92vvtStj（5-2）由式（5-2）可见，汽车制动距离S与制动初速度0v、制动器起作用时间2t、最大制动减速度maxj等有关。制动初速度0v越低、制动器起作用时间2t越短、最大制动减速度maxj越大，汽车制动距离S越短。3．汽车制动距离的影响因素（1）制动初速度0v轿车制动距离随制动初速度变化的统计曲线，如图5-4所示。图5-4轿车制动距离曲线它是根据《Autocar》1993～1998年对装有真空助力器的48辆各种轿车，在干燥、良好路面上进行制动试验的结果而拟合得到的，代表了20世纪90年代轿车制动效能的水平。其拟合公式为2000.00340.00451Svv（5-3）（2）制动器起作用时间2t改进制动系结构，缩短制动器起作用时间，是减小制动距离的有效措施。当制动初速度为110km/h时，1s时间内汽车行驶的距离约为30m；如果消除制动器间隙的时间缩短0.2s，则制动距离可缩短6m。例如红旗CA770轿车由真空助力制动系改为压缩空气助力（气顶油）制动系后，以30km/h初速度紧急制动，制动距离实测值由12.25m下降为8.25m，最大制动减速度由7.25m/s2增大为7.65m/s2，制动时间由2.12s下降到1.45s。这种改进使制动距离缩短32%，制动时间减少31.6%，但最大减速度仅提高了3.5%。最大减速度提汽车性能与使用技术122高不大，说明以最大制动减速度制动的时间减小很小。因此，制动器起作用时间的减小，是制动时间减小的主要原因，这导致制动距离的缩短。（3）最大制动减速度maxj最大制动减速度maxj主要与最大制动器制动力（车轮滚动时）、附着力（车轮抱死拖滑时）有关。最大制动器制动力越大、附着力越大，则最大制动减速度maxj越大，制动距离越短。5.2.2汽车制动减速度汽车制动减速度按测试、取值和计算的方法不同，可分为制动稳定减速度、平均减速度和充分发出的平均减速度。1．制动稳定减速度假设WF=0、fF=0，即不计空气阻力和滚动阻力对汽车制动减速的作用。制动时地面制动力maxxbFmg，故汽车能达到的制动减速度maxjg。2．平均减速度平均减速度0d是指按图5-5方法取值的平均减速度。320321d()dttdtttt（5-4）式中：2t——制动压力达到75%最大压力pmax的时刻；3t——到停车时总时间的2/3的时刻。（a）渐增型制动减速度曲线（b）马鞍型制动减速度曲线d－汽车制动减速度；Sp－制动踏板行程；p－管路压力；t－时间图5-5平均减速度取值方法3．充分发出的平均减速度充分发出的平均减速度（MeanFullDevelopedDeceleration，即MFDD）是在汽车制动试验中用速度计测得了制动距离和速度的情况下，根据汽车制动距离与制动车速曲线（见图5-6），第5章汽车制动性123用bv到cv速度间隔汽车驶过的距离根据下列公式计算的平均减速度。2225.92()beebvvMFDDSS（5-5）式中：0v——制动初速度，km/h；bv——汽车制动速度为0.80v，km/h；ev——汽车制动速度为0.10v，km/h；bS——汽车制动速度0v到bv的行驶距离，m；eS——汽车制动速度0v到ev的行驶距离，m。图5-6汽车制动距离与制动车速曲线5.3汽车制动效能的恒定性汽车制动系在不同的使用环境下，制动效能会衰退、降低。根据导致制动效能衰退的原因，可将制动效能的衰退现象分为热衰退和水衰退。汽车制动效能的恒定性是指抗热衰退和水衰退的能力，主要是抗热衰退的能力。5.3.1汽车制动效能的热衰退汽车下长坡制动及汽车高速制动的情况下，制动器的工作温度常在300℃以上，有时竟高达600～700℃。制动器温度升高，制动器的摩擦力矩常会有显著下降，汽车的制动效能会显著降低，这种现象称为汽车制动效能的热衰退。例如凌志LS400轿车在冷制动时，制动初速度为195km/h，制动距离为163.9m，减速度为8.5m/s2；而经过26次下山制动后，前轮制动器温度高达693℃，此时以同样的初速度制动，减速度减小到6.0m/s2，制动距离增加到244.5m。汽车制动效能的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。汽车制动效能的恒定性主要指的是抗热衰退的能力。抗热衰退的能力常用一系列连续制动（以一定的初速度按规定的次数和达到的减速度制动）后，制动效能较冷制动时下降的程度来表示。汽车性能与使用技术124抗热衰退的能力与制动器摩擦副材料及制动器结构有关。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。正常