文 朱健

駕乘需求推動(dòng)汽車(chē)不斷變（二）
——良好的制動(dòng)系統(tǒng)提高車(chē)輛安全性

文 朱健

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)由二沖程發(fā)展到四沖程，并且燃燒效率逐步提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力越來(lái)越足。再加上充氣輪胎的使用，減少了車(chē)輛的行駛阻力，加快行駛車(chē)速。這時(shí)，人們就不得不開(kāi)始思考一個(gè)問(wèn)題，如何讓汽車(chē)停下來(lái)？人們需要的是一部能走也能停的機(jī)器。早期的汽車(chē)沿用的是馬車(chē)的停車(chē)方式，但這種方法顯然控制不住汽車(chē)巨大的慣性，那時(shí)的制動(dòng)器不僅非常容易磨損失控，斜坡停車(chē)時(shí)也極不方便，汽車(chē)需要依靠三角墊木才能停穩(wěn)。此時(shí)，汽車(chē)的駐車(chē)性能則成為汽車(chē)進(jìn)化的又一障礙。汽車(chē)制動(dòng)性不好，駕駛員自身和其他人的安全就無(wú)法保證。一輛好的汽車(chē)除了要有很好的動(dòng)力性，同時(shí)還應(yīng)該具備良好的制動(dòng)性能。

1898 年美國(guó)汽車(chē)首次采用了前輪盤(pán)式制動(dòng)器；1911年法國(guó)的標(biāo)致公司設(shè)計(jì)出了第一輛四輪制動(dòng)器汽車(chē)。最原始的制動(dòng)控制與馬車(chē)相仿，駕駛員操縱一組簡(jiǎn)單的機(jī)械裝置向制動(dòng)器施加作用力。這時(shí)的車(chē)輛質(zhì)量比較小，速度比較低，機(jī)械制動(dòng)雖已滿(mǎn)足車(chē)輛制動(dòng)的需要，但隨著汽車(chē)自質(zhì)量的增加，助力裝置對(duì)機(jī)械制動(dòng)器來(lái)說(shuō)已顯得十分必要。1932年生產(chǎn)的質(zhì)量為2860kg的凱迪拉克V16車(chē)四輪采用直徑419.1mm的鼓式制動(dòng)器，并有制動(dòng)踏板控制的真空助力裝置。同年林肯公司推出V12轎車(chē)，該車(chē)配備了由四根拉線(xiàn)控制真空助力器的鼓式制動(dòng)器。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，尤其是軍用車(chē)輛及軍用技術(shù)的發(fā)展為車(chē)輛制動(dòng)帶來(lái)了新的突破，液壓制動(dòng)是繼機(jī)械制動(dòng)后的又一重大革新。Duesenberg Eight車(chē)率先使用了轎車(chē)液壓制動(dòng)器。1924年克萊斯勒的四輪液壓制動(dòng)器問(wèn)世。通用和福特也分別于1934年和1939年采用了液壓制動(dòng)技術(shù)。到20世紀(jì)50年代，液壓助力制動(dòng)器才得到應(yīng)用，并取得了很好的效果。

汽車(chē)制動(dòng)器是制動(dòng)的主要組成部分，目前汽車(chē)制動(dòng)器基本都是摩擦式制動(dòng)器，按照摩擦副中旋轉(zhuǎn)元件的不同，分為鼓式和盤(pán)式兩大類(lèi)制動(dòng)器。鼓式制動(dòng)器在汽車(chē)上應(yīng)用已經(jīng)有近一世紀(jì)的歷史了，但是由于它的可靠性以及強(qiáng)大的制動(dòng)力，現(xiàn)今仍配置在許多車(chē)型上（多使用于后輪）。盤(pán)式制動(dòng)器熱穩(wěn)定性以及抗衰減性能較鼓式制動(dòng)器好，可靠性和安全性也好，從而得到廣泛應(yīng)用。但是盤(pán)式制動(dòng)器效能低，無(wú)法完全防止塵污和銹蝕，兼做駐車(chē)制動(dòng)時(shí)需要較為復(fù)雜的手驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，一般較多應(yīng)用于汽車(chē)前輪，因此很多車(chē)采用“前盤(pán)后鼓”的制動(dòng)系統(tǒng)組成。但隨著技術(shù)的發(fā)展，目前越來(lái)越多的乘用車(chē)前后車(chē)輪都使用了盤(pán)式制動(dòng)。

鼓式制動(dòng)是采用輪轂里面裝設(shè)二個(gè)半圓型的制動(dòng)片，利用“杠桿原理”推動(dòng)制動(dòng)片使制動(dòng)片與輪轂內(nèi)面接觸而發(fā)生摩擦。盤(pán)式制動(dòng)是以制動(dòng)卡鉗控制兩片制動(dòng)片去夾住輪子上的制動(dòng)盤(pán)。在制動(dòng)片夾住制動(dòng)盤(pán)時(shí)，二者間產(chǎn)生的摩擦形成制動(dòng)力。

為了提高制動(dòng)器的散熱性，除了使用鋁合金等散熱快的材料，制動(dòng)盤(pán)表面也并非只是平面，而是在平面上開(kāi)出溝線(xiàn)或直接打出通孔，另外還可以從結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)出通風(fēng)結(jié)構(gòu)。

為了增加制動(dòng)力，并保證制動(dòng)器的可靠性和耐用性，技術(shù)人員不斷研發(fā)新制動(dòng)技術(shù)。碳陶瓷材料（CCM）制動(dòng)盤(pán)就是新材料的應(yīng)用技術(shù)。在密集使用的狀態(tài)下，CCM制動(dòng)盤(pán)能始終如一地保證其卓越性能。這種制動(dòng)器最明顯的優(yōu)勢(shì)是具有卓越的防熱衰減性能。在需要對(duì)制動(dòng)器踏板施以壓力時(shí)，熱衰減現(xiàn)象會(huì)影響駕駛員的控制感和反應(yīng)度。CCM制動(dòng)盤(pán)在正常條件下具有比普通制動(dòng)盤(pán)更長(zhǎng)的使用壽命，即使經(jīng)常在賽道上使用，CCM制動(dòng)器也具有更優(yōu)的耐磨性、更加持久耐用。CCM制動(dòng)系統(tǒng)還能為車(chē)身總重量減重15千克左右，這不僅能提高整體性能，而且還能減少非懸掛質(zhì)量，由此可以提高車(chē)輛的動(dòng)力性能、增加駕駛的舒適感。但是它價(jià)格昂貴，一般只用于賽車(chē)或高級(jí)跑車(chē)。

制動(dòng)系統(tǒng)是保障車(chē)輛安全性最基本也是最重要的部件。汽車(chē)在濕滑或結(jié)冰的低摩擦路面上行駛時(shí)，如果發(fā)生過(guò)度制動(dòng)的情況，車(chē)輪會(huì)被制動(dòng)裝置鎖死而失去抓地力，從而失去控制方向的能力。那么，如何使汽車(chē)車(chē)輪在這種情況下照樣轉(zhuǎn)起來(lái)？正是這個(gè)挑戰(zhàn)促生了制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展史上最重大的發(fā)明——防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)，其原理就是緊急制動(dòng)時(shí)防止輪胎抱死，以維持最大的制動(dòng)力量；同時(shí)也對(duì)車(chē)輪進(jìn)行迅速、準(zhǔn)確、有效、安全的控制，使車(chē)輪的縱向附著系數(shù)達(dá)到峰值，側(cè)向附著系數(shù)也保持較高狀態(tài)，從而達(dá)到提高制動(dòng)速度、縮短制動(dòng)距離、穩(wěn)定制動(dòng)方向的效果。1970年德國(guó)的奔馳公司研制出模擬防抱死制動(dòng)系統(tǒng)，使汽車(chē)在制動(dòng)時(shí)還能保持操控的穩(wěn)定性。

ABS系統(tǒng)的發(fā)展可以追溯到上世紀(jì)初期，早在1928年防抱死制動(dòng)理論就被提出，在30年代機(jī)械式防抱死制動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)始在火車(chē)和飛機(jī)上應(yīng)用，博世（Bosch）公司在1936年獲得了用電磁式車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器獲取車(chē)輪轉(zhuǎn)速的防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的專(zhuān)利權(quán)。進(jìn)入50年代后，汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)始受到較為廣泛的關(guān)注。福特（Ford）公司于1954年將飛機(jī)的防抱死制動(dòng)系統(tǒng)移置在林肯（Lincoin）轎車(chē)上；凱爾塞?海伊斯（Kelsehayes）公司在1957年對(duì)被稱(chēng)為“AUTOMATIC”的防抱死制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明防抱死制動(dòng)系統(tǒng)確實(shí)可以在制動(dòng)過(guò)程中防止汽車(chē)失去方向控制，并且能夠縮短制動(dòng)距離；克萊斯勒（Chrysler）公司在這一時(shí)期也對(duì)被稱(chēng)為“Skid Control”的防抱死制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。這一時(shí)期的各種防抱死制動(dòng)系統(tǒng)采用的都是使用車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器的機(jī)械式制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置，獲取的車(chē)輪轉(zhuǎn)速信號(hào)不夠精確，制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)的適時(shí)性和精確性也難于保證，控制效果并不理想。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子控制防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展成為可能。1964年，Bosch（博士）公司再度開(kāi)始ABS的研發(fā)計(jì)劃，得出“通過(guò)電子裝置控制來(lái)防止車(chē)輪抱死是可行的”結(jié)論，1966年世界上第一具ABS原型機(jī)誕生，向世人證明“縮短制動(dòng)距離”并非不可能完成的任務(wù)。因?yàn)橥度氲馁Y金過(guò)于龐大，ABS初期的應(yīng)用僅限于鐵路車(chē)輛或航空器。在60年代后期，一些電子控制的防抱死制動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)入產(chǎn)品化階段。1968年凱爾塞?海伊斯公司研制生產(chǎn)了稱(chēng)為“Sure Track”兩輪防抱死制動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由電子控制裝置根據(jù)電磁式轉(zhuǎn)速傳感器輸入的后輪轉(zhuǎn)速信號(hào)，對(duì)制動(dòng)過(guò)程中后輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行判定，通過(guò)控制由真空驅(qū)動(dòng)的制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置對(duì)后輪制動(dòng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，并在1969年被福特公司裝備在雷鳥(niǎo)（Thunder bird）和大陸?馬克Ⅲ（Continental MKⅢ）兩款轎車(chē)上。Teldix GmbH公司從1970年和奔馳車(chē)廠合作開(kāi)發(fā)出第一具用于道路車(chē)輛的原型機(jī)——ABS 1， 該系統(tǒng)已具備量產(chǎn)基礎(chǔ)，但可靠性不足，而且控制單元內(nèi)的組件超過(guò)1000個(gè)，導(dǎo)致成本過(guò)高且易發(fā)生故障。克萊斯勒公司與本迪克斯（BENDⅨ）公司合作研制的稱(chēng)為“SURE-TRACK”的防抱死系統(tǒng)，能防止4個(gè)車(chē)輪緊急制動(dòng)時(shí)抱死，在1971年開(kāi)始裝備帝國(guó)（IMPERIAL）轎車(chē)，其結(jié)構(gòu)原理與凱爾塞?海伊斯的“SURE-TRACK”基本相同，兩者不同之處在于兩個(gè)還是四個(gè)車(chē)輪有防抱死制動(dòng)。同年，別克（BUICK）公司研制了由電子控制裝置自動(dòng)中斷發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，以減小發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，防止驅(qū)動(dòng)車(chē)輪發(fā)生滑轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)防抱系統(tǒng)。

1973 年Bosch公 司 購(gòu) 得Teldix GmbH公司50%的股權(quán)及ABS領(lǐng)域的研發(fā)成果，瓦布科（WABCO）公司與奔馳（BENZ）公司合作，在1975年首次將防抱死制動(dòng)系統(tǒng)裝備在氣壓制動(dòng)的載貨汽車(chē)上。這一年AEG、Teldix與Bosch達(dá)成協(xié)議，將ABS系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)計(jì)劃完全委托Bosch公司整合執(zhí)行?！癆BS 2”在經(jīng)過(guò)3年的努力后終于問(wèn)世！有別于ABS 1采用模擬式電子組件，ABS 2系統(tǒng)完全以數(shù)字式組件進(jìn)行設(shè)計(jì)，不但控制單元內(nèi)組件數(shù)目從1000個(gè)銳減到140個(gè)，而且造價(jià)降低、可靠性大幅提升、運(yùn)算速度明顯加快。1978年底兩家德國(guó)車(chē)廠奔馳與寶馬決定將ABS 2這項(xiàng)高科技系統(tǒng)裝置在S級(jí)及7系列車(chē)款上。進(jìn)入70年代后期，數(shù)字式電子技術(shù)和大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，為ABS系統(tǒng)向?qū)嵱没l(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。博世公司在1978年首先推出了采用數(shù)字式電子控制裝置的防抱死制動(dòng)系統(tǒng)——博世ABS 2，并且裝置在奔馳轎車(chē)上，由此揭開(kāi)了現(xiàn)代ABS系統(tǒng)發(fā)展的序幕。盡管博世ABS2的電子控制裝置仍然是由分離元件組成的控制裝置，但數(shù)字式電子控制裝置與模擬式電子控制裝置相比，其反應(yīng)速度、控制精度和可靠性都顯著提高，因此，博世ABS2的控制效果已相當(dāng)理想。從此之后，歐、美、日的許多制動(dòng)器專(zhuān)業(yè)公司和汽車(chē)公司相繼研制了形式多樣的ABS系統(tǒng)。

進(jìn)入八十年代后，電腦控制的ABS逐漸被應(yīng)用于歐洲、美國(guó)及亞洲日本的汽車(chē)上。但是在誕生的前3年中，ABS系統(tǒng)都苦于成本過(guò)于高昂而無(wú)法開(kāi)拓市場(chǎng)。從1978到1980年底，Bosch公司總共才售出24000套ABS系統(tǒng)。所幸第二年增長(zhǎng)到76000套。受到市場(chǎng)上的正面響應(yīng)，Bosch開(kāi)始TCS循跡控制系統(tǒng)的研發(fā)計(jì)劃。1983年推出的ABS 2S系統(tǒng)重量由5.5公斤減輕到4.3公斤，控制組件也減少到70個(gè)。到了1985年代中期，全球新出廠車(chē)輛安裝ABS系統(tǒng)的比例首次超過(guò)1%，通用車(chē)廠也決定把ABS列為旗下主力雪佛蘭車(chē)系的標(biāo)準(zhǔn)配備。1986年是另一個(gè)值得紀(jì)念的年份，除了Bosch公司慶祝售出第100萬(wàn)套ABS系統(tǒng)外，更重要的是Bosch推出史上第一具供民用車(chē)使用的TCS/ASR循跡控制系統(tǒng)。TCS/ASR的作用是防止汽車(chē)起步與加速過(guò)程中發(fā)生驅(qū)動(dòng)輪打滑，特別是防止車(chē)輛過(guò)彎時(shí)的驅(qū)動(dòng)輪空轉(zhuǎn)，并將打滑控制在10%到20%范圍內(nèi)。由于ASR是通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)輪的扭矩來(lái)控制，因而又叫驅(qū)動(dòng)力控制系統(tǒng)，在日本又稱(chēng)之為T(mén)RC或TRAC。ASR和ABS的工作原理方面有許多共同之處，兩者合并使用可形成更佳效果，構(gòu)成具有防車(chē)輪抱死和驅(qū)動(dòng)輪防打滑控制（ABS/ASR）系統(tǒng)。這套系統(tǒng)主要由輪速傳感器、ABS/ASR ECU控制器、ABS驅(qū)動(dòng)器、ASR驅(qū)動(dòng)器、副節(jié)氣門(mén)控制器和主、副節(jié)氣門(mén)位置傳感器等組成。在汽車(chē)起步、加速及行進(jìn)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU根據(jù)輪速傳感器輸入的信號(hào)，當(dāng)判定驅(qū)動(dòng)輪的打滑現(xiàn)象超過(guò)上限值時(shí)，就進(jìn)入防空轉(zhuǎn)程序。首先由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU減少副節(jié)氣門(mén)開(kāi)度以減少進(jìn)油量，使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出扭矩減小。當(dāng)ECU判定需要對(duì)驅(qū)動(dòng)輪介入時(shí)，會(huì)將信號(hào)傳送到ASR驅(qū)動(dòng)器對(duì)驅(qū)動(dòng)輪（一般是前輪）進(jìn)行控制，以防止驅(qū)動(dòng)輪打滑或使驅(qū)動(dòng)輪的打滑保持在安全范圍內(nèi)。第一款搭載ASR系統(tǒng)的新車(chē)型在1987年出現(xiàn)，奔馳S 級(jí)再度成為歷史的創(chuàng)造者。隨著ABS系統(tǒng)的單價(jià)逐漸降低，搭載ABS系統(tǒng)的新車(chē)數(shù)目于1988年突破了爆炸性成長(zhǎng)的臨界點(diǎn)，開(kāi)始飛快增長(zhǎng)，當(dāng)年Bosch的ABS系統(tǒng)年度銷(xiāo)售量首次突破300萬(wàn)套。技術(shù)上的突破讓Bosch在1989年推出的ABS 2E系統(tǒng)首次將原先分離于液壓驅(qū)動(dòng)組件與中控臺(tái)內(nèi)的設(shè)計(jì)更改為“兩組件整合為一”設(shè)計(jì)，是歷史上第一個(gè)舍棄集成電路，改以微處理器（CPU）負(fù)責(zé)所有控制工作的ABS系統(tǒng)，成為防抱死系統(tǒng)發(fā)展史上新的里程碑。該年保時(shí)捷車(chē)廠正式宣布全車(chē)系都已安裝了ABS。1992年ABS的世界年產(chǎn)量已超過(guò)1000萬(wàn)輛份，世界汽車(chē)ABS的裝用率已超過(guò)20%。一些國(guó)家和地區(qū)(如歐洲、日本、美國(guó)等)已制定法規(guī)，使ABS成為汽車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。

配備ABS的制動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車(chē)控制系統(tǒng)的基本組成部分，對(duì)提高車(chē)輛安全性和整車(chē)性能起著越來(lái)越大的作用。而科學(xué)家仍在不停地進(jìn)行新的探索，尋求新的技術(shù)突破和發(fā)展。