陳德玲 夏清飛

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心,200438)

1 引言

制動系統(tǒng)直接關(guān)系到車輛、人員的安全,是汽車重要安全件,除了要具有良好的制動效能外,還要具有良好的制動效能穩(wěn)定性,工作可靠。制動過程中,駕駛員踩下制動踏板,踏板力通過傳動機(jī)構(gòu)到各車輪的輪缸,驅(qū)動車輪內(nèi)制動器元件形成摩擦力矩阻止車輪轉(zhuǎn)動。制動器制動力隨踏板力成正比力增長,而地面制動力由于受地面附著情況限制不能無限增長,當(dāng)達(dá)到最大的地面制動力時,車輪抱死不轉(zhuǎn),出現(xiàn)拖滑現(xiàn)象[1]。ABS系統(tǒng)能有效地防止車輪在制動過程中抱死,使汽車在緊急制動時仍能保持其方向穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向能力,同時有能獲得較短的制動距離,但當(dāng)?shù)孛娓街禂?shù)很小,缺乏足夠的不足力時,ABS可能失效。

現(xiàn)代汽車的功率越來越大,車速越來越高,車輛內(nèi)部的摩擦損失越來越小,在不考慮MSR(發(fā)動機(jī)阻力控制)的情況下,發(fā)動機(jī)在制動過程中對車輛不施加驅(qū)動力矩,因此,一般情況下在進(jìn)行制動性能設(shè)計(jì)及分析時都不考慮發(fā)動機(jī)的功率輸出。然而,對針對試驗(yàn)車輛發(fā)動機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),在油門開度為0的情況下,發(fā)動機(jī)的拖滯功率并不很小,在發(fā)動機(jī)3800 rpm的轉(zhuǎn)速下,發(fā)動機(jī)扭矩達(dá)-59.4 N?m。

圖1 發(fā)動機(jī)拖滯力矩Fig.1 The drag torque of engine

在正常行駛時,良好路面的附著系數(shù)高達(dá)0.80～1.0,而結(jié)冰路面僅為0.1～0.25,地面制動力受地面附著力制約,達(dá)到最大的地面制動力有限。因此在從高附至低附路面制動時,可能會造成車輪打滑,導(dǎo)致發(fā)動機(jī)熄火。發(fā)動機(jī)熄火會導(dǎo)致被吸入汽缸的可燃混合氣中的汽油可能凝結(jié)在汽缸壁上稀釋機(jī)油,影響其潤滑效能,加速發(fā)動機(jī)磨損。

2 制動過程中的受力分析

進(jìn)一步從車輛動力學(xué)參數(shù)來研究其數(shù)量關(guān)系。把汽車的部分質(zhì)量、車輪和制動調(diào)節(jié)裝置看作一個具有兩個自由度的簡單調(diào)控系統(tǒng),忽略滾動阻力矩,如圖1,則有[2]：

圖2 車輪動力學(xué)模型Fig.2 The dynamical model of the wheel

式中,J為車輪轉(zhuǎn)動慣量,﹒ω為車輪角加速度,Tφ為地面對車輪的制動力矩,Tu為制動器輸出的制動力矩,Tt為發(fā)動機(jī)對車輪的拖滯力矩。

考慮到車輪加速度與其角加速度的關(guān)系為：

因此在考慮發(fā)動機(jī)拖滯力矩的情況下,制動過程中車輪動態(tài)取決于三個力矩：制動器施加到車輪上的制動力矩、發(fā)動機(jī)對車輪的拖滯力矩、地面對車輪的附著力矩。

2.1 制動器施加到車輪上的制動力矩

制動輪缸驅(qū)動車輪內(nèi)摩擦襯塊和制動盤形成摩擦力矩阻止車輪轉(zhuǎn)動?？紤]制動效能因數(shù)BEF,制動輪缸對制動器的輸入制動力矩Tui與制動器施加到車輛上的制動力矩關(guān)系為：

而制動器的輸入制動力矩為[3]：

式中,P為輪缸壓力,Ps為輪缸壓力損失,D為輪缸直徑,Rb為制動器有效半徑。

2.2 發(fā)動機(jī)對車輪的拖滯力矩

發(fā)動機(jī)拖滯力矩經(jīng)離合器、變速器(包括分動器)、傳動軸、主減速器、差速器、半軸(及輪邊減速器)傳遞至車輪,忽略輪胎和地面的變形,則發(fā)動機(jī)對車輪施加的拖滯力矩Tt有：

式中：Ttq為汽車發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;ig為變速器傳動比;i0主減速器傳動比;ηT為汽車傳動系機(jī)械效率。根據(jù)汽車傳動系各部件的機(jī)械傳動效率,試驗(yàn)車傳動系機(jī)械效率為0.9。

2.3 地面對車輪的制動力矩

路面對車輪作用向后的地面制動力,由車輪經(jīng)車軸和懸架系統(tǒng)傳到車架和車身,迫使整個汽車產(chǎn)生一定的減速度,地面制動力愈大,制動減速度愈大,制動距離就愈短,但地面制動力受地面附著系數(shù)的制約,其最大值為地面附著力矩。對于前驅(qū)車輛,前輪附著力為：

式中：FZ1為前輪地面法向反作用力;L、L2分別是汽車軸距、汽車重心至后軸的距離;hg為汽車重心距地面高度;u汽車速度。

將制動過程中制動器制動力矩、發(fā)動機(jī)拖滯力矩及地面制動力矩帶入,關(guān)系如下：

隨著制動缸有效壓力的增加,制動器的輸入制動力矩也隨之增加,但地面附著力矩受φ的限制不能無限制增大,否則出現(xiàn)滑拖,因此制動器的最大制動力矩也受制約。考慮單邊前輪制動器各有兩個輪缸,帶入制動器的輸入制動力矩公式(8)可得

帶入試驗(yàn)車輛的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù),在使用四季胎情況下,有效制動缸壓力須小于1.1 MPa,當(dāng)超過該值時,車輪滑轉(zhuǎn),ABS失效。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證分析

為分析制動過程中發(fā)動機(jī)拖滯對車輛制動性能的影響,進(jìn)行了對比試驗(yàn)。試驗(yàn)時-30°左右情況下在冰雪路面上,以50 km/h的初速度進(jìn)行制動,其中圖3為變速箱掛三擋的制動情況,圖4為空檔的制動情況。兩圖中,線1為制動主缸壓力,2、3、4、5分別為四個車輪的輪速。

圖3 掛 3檔制動Fig.3 Braking in 3rd gear

圖3中,帶3擋緊急制動,從高附路面進(jìn)入到低附路面后,ABS正常介入,前輪(驅(qū)動輪)輪速在制動壓力為0的情況時,不能及時恢復(fù),此時輪缸壓力很快下降為0,ABS退出,發(fā)動機(jī)熄火。

圖4 空檔制動Fig.4 Braking in neutral gear

圖4中空檔制動,ABS正常減壓之后,輪速恢復(fù),ABS系統(tǒng)可以繼續(xù)正常工作。因此,初步分析對于在低附路面帶檔制動過程中,ABS不能正常及導(dǎo)致發(fā)動機(jī)熄火,是由于輪胎與地面的附著力不足,無法克服發(fā)動機(jī)的拖滯扭矩,所以無法恢復(fù)輪速,從而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)熄火。

為進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證,更換抓地力較好的同型號冬季胎,在冰面帶檔進(jìn)行制動,如圖5所示。

圖5 冬季胎3檔制動Fig.5 Braking in 3rd gear with winter tyres

使用冬季胎后,在冰面帶檔進(jìn)行制動時,不會發(fā)生抱死,沒有發(fā)生發(fā)動機(jī)熄火現(xiàn)象,即冬季胎良好的抓地力,充分利用了地面附著系數(shù),在相同的試驗(yàn)條件下避免了發(fā)動機(jī)拖滯引起的車輪抱死現(xiàn)象,基本消除了發(fā)動機(jī)熄火現(xiàn)象。通過計(jì)算,此時有效制動缸壓力超過2.2 MPa時,車輪才滑轉(zhuǎn),基本與實(shí)際試驗(yàn)情況相符。

4 小結(jié)

在進(jìn)行制動性能設(shè)計(jì)及分析時,通常不考慮路面阻力和發(fā)動機(jī)制動力矩。本文建立了考慮發(fā)動機(jī)拖滯力矩的制動過程動力學(xué)模型,分析在制動試驗(yàn)過程,從高附至低附路面情況下,發(fā)動機(jī)拖滯力矩對制動過程的影響,并與驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行比較分析。

[1]汽車工程手冊設(shè)計(jì)篇,人民交通出版社,2001：500-510.

[2]劉惟信,汽車設(shè)計(jì),清華大學(xué)出版社,2001：753-754.

[3]方泳龍,汽車制動理論與設(shè)計(jì),2005：25-28.