喬宗貴 張玉祿

摘 要：運(yùn)用功能概念，對汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）的作用及ABS汽車的緊急制動(dòng)過程進(jìn)行了分析，報(bào)據(jù)功能原理。提出了ABS汽車在平路、上坡、下坡3種不同道路上制動(dòng)距離的計(jì)算方法和公式。分析表明：ABS能防止車輪被制動(dòng)抱死。提高汽車制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向操縱能力;ABS汽車在滑動(dòng)率為15～20時(shí)獲得最大制動(dòng)力系數(shù)。制動(dòng)距離最短。汽車總質(zhì)量與制動(dòng)距離無直接關(guān)系。計(jì)算方法和結(jié)果適合各種ABS汽車。在汽車制動(dòng)性能分析和公路交通安全分析方面具有實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：汽車工程;ABS汽車;制動(dòng)距離;功能原理;計(jì)算方法

ABS汽車是指裝有防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（Antilock Braking System）的汽車，簡稱ABS汽車。汽車制動(dòng)距離是指對行駛中的汽車實(shí)施緊急制動(dòng)，從踏制動(dòng)踏板開始到完全停車為止，汽車所駛過的路程。即汽車需要緊急停車時(shí)，其行車制動(dòng)系所能實(shí)現(xiàn)的最小停車行程。它與行車安全有直接關(guān)系，在汽車制動(dòng)中最有直觀意義，是評價(jià)汽車制動(dòng)性能的重要指標(biāo)，歷來是交通和交警部門驗(yàn)車的主要檢測項(xiàng)目。在一定的條件下，汽車制動(dòng)距離具有一定的理論計(jì)算數(shù)值。ABS汽車在制動(dòng)時(shí)其前后車輪都處于邊滾邊滑狀態(tài)，其制動(dòng)距離如何計(jì)算呢？筆者先分析ABS的作用和ABS汽車的制動(dòng)過程，然后根據(jù)功能原理，建立其制動(dòng)距離的計(jì)算方法和公式。

1 ABS的作用分析

汽車在制動(dòng)過程中：如果只是前輪“抱死”滑移，而后輪還有滾動(dòng)，汽車將喪失轉(zhuǎn)向能力;如果只是后輪“抱死”滑移，而前輪還有滾動(dòng)，汽車將產(chǎn)生甩尾現(xiàn)象;當(dāng)所有承載車輪同時(shí)抱死滑移時(shí)，在直路上容易產(chǎn)生側(cè)滑，甚至掉頭，在彎路上不能轉(zhuǎn)向。這些都極易造成嚴(yán)重的交通事故。因此在制動(dòng)過程中，首先不能出現(xiàn)只有后軸車輪抱死或后軸車輪比前軸車輪先抱死的情況，以保證汽車方向穩(wěn)定性，防止危險(xiǎn)的后軸側(cè)滑;其次盡量少出現(xiàn)只有前軸車輪抱死的情況，以維持汽車的轉(zhuǎn)向能力;最理想的情況是制動(dòng)力矩不增加到將任何車輪完全抱死滑移，而保持前后車輪恰到好處地邊滾邊滑，直到停車，這樣就可以確保汽車制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向操縱能力。ABS就是為了這個(gè)目的而研制的一種安全制動(dòng)裝置。它在制動(dòng)過程中能控制車輪滑動(dòng)率，防止車輪被制動(dòng)抱死，提高汽車的方向穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向操縱能力。根據(jù)摩擦學(xué)中靜摩擦因素大于動(dòng)摩擦因素的原理，ABS還能提高路面制動(dòng)力，縮短汽車制動(dòng)距離。在汽車制動(dòng)過程中，若令路面制動(dòng)力與垂直載荷之比為制動(dòng)力系數(shù)，其值不僅與路面和輪胎的材料及狀態(tài)有關(guān)，還與它們之間的滑動(dòng)率有關(guān)：當(dāng)S=100時(shí)，輪胎對路面是完全滑移的動(dòng)摩擦因素，制動(dòng)力系數(shù)稱為滑動(dòng)附著系數(shù);當(dāng)S=15～20時(shí)，輪胎對路面是臨界滑移的靜摩擦因素，由試驗(yàn)可知，此時(shí)制動(dòng)力系數(shù)會(huì)出現(xiàn)最大值，稱為峰值附著系數(shù)伽，此時(shí)路面制動(dòng)力也相應(yīng)最大，同等條件下制動(dòng)距離最短;當(dāng)小于15時(shí)，輪胎與路面是無滑動(dòng)的靜摩擦，制動(dòng)力系數(shù)小于，且只與制動(dòng)器的制動(dòng)力有關(guān)。由于ABS汽車制動(dòng)時(shí)前后車輪在路面上是邊滾邊滑，輪胎的摩擦和散熱條件改善，使用壽命延長;對于雨水和泥濘路面，還可減少輪胎楔水和滑水現(xiàn)象?？傊珹BS能多方面改善汽車制動(dòng)條件。理想的ABS應(yīng)促使各承載車輪的滑動(dòng)率同步增大，并能控制其最大滑動(dòng)率，讓每個(gè)車輪均能利用峰值附著系數(shù)，做到既保障汽車制動(dòng)時(shí)方向穩(wěn)定，又實(shí)現(xiàn)制動(dòng)距離最短。目前在某些轎車、大客車和重型貨車上已裝備了ABS。事實(shí)上所有汽車都可以裝配ABS，使其制動(dòng)性更好，行車更安全。

2 ABS汽車制動(dòng)過程分析

ABS汽車在緊急制動(dòng)前具有很大的慣性動(dòng)能，其整體具有平動(dòng)動(dòng)能，車輪和其它轉(zhuǎn)動(dòng)部件，由于繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，不僅具有平動(dòng)動(dòng)能，本身還有轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能。制動(dòng)過程中：汽車平動(dòng)動(dòng)能必須靠外力消耗，而其轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能主要是由自身不轉(zhuǎn)動(dòng)的制動(dòng)摩擦片吸收（制動(dòng)蹄上摩擦片對制動(dòng)鼓的摩擦力做功產(chǎn)生熱能，小部分克服滾動(dòng)動(dòng)能，剩下的大部分用來平衡路面制動(dòng)力，控制車輪滑動(dòng)率）。汽車前進(jìn)方向所受的外力主要是路面摩擦阻力，上下坡時(shí)還有重力沿坡面方向的下滑力，它們在制動(dòng)距離上所做功的代數(shù)和等于汽車制動(dòng)前所具有的平動(dòng)動(dòng)能。ABS汽車在制動(dòng)全過程都存在滾動(dòng)，車輪滾動(dòng)時(shí)有滾動(dòng)阻力和前輪前束阻力，汽車前進(jìn)時(shí)有空氣阻力，它們都對制動(dòng)有利，但隨機(jī)性大，難以有效表達(dá)，且影響較小。為了簡便，計(jì)算時(shí)暫不計(jì)入。

3 下坡制動(dòng)距離計(jì)算方法

ABS汽車下坡制動(dòng)時(shí)，道路摩擦阻力與汽車下滑力兩者之差在制動(dòng)距離上所做的功等于汽車制動(dòng)前所具有的平動(dòng)動(dòng)能。同理可得：汽車在t1和t2時(shí)間內(nèi)功能原理方程和下坡總制動(dòng)距離Sd（m）分別為：

式（1）-式（3）中：vd0為上坡制動(dòng)初速度（km/h），但式（1）、（2）中為m/s）;vd1為t1階段末速度（m/s）;Sd1和Sd2分別為t1和t2時(shí)間內(nèi)下坡制動(dòng)距離。根據(jù)不同參數(shù)值，按式（3）計(jì)算汽車相應(yīng)的下坡總制動(dòng)距離Sd如表1。

4 結(jié)語與討論

由以上分析可知：ABS汽車制動(dòng)前具有的慣性動(dòng)能，制動(dòng)中所受的外部阻力和所經(jīng)歷的制動(dòng)過程雖與同時(shí)抱死制動(dòng)汽車無本質(zhì)區(qū)別，但在持續(xù)制動(dòng)階段，增加了路面阻力系數(shù)與車輪滑動(dòng)率S有關(guān)的因素;并非所有ABS汽車都能縮短制動(dòng)距離，只有當(dāng)持續(xù)制動(dòng)階段車輪滑動(dòng)率為15～20，可取峰值附著系數(shù)紛時(shí)，同等條件下路面摩擦阻力最大，其制動(dòng)距離才最短。計(jì)算方法表明：ABS汽車制動(dòng)距離與制動(dòng)初速度的二次函數(shù)成正比，與路面阻力系數(shù)成反比，同時(shí)與制動(dòng)力增加時(shí)間和道路坡度有關(guān);與汽車總質(zhì)量無直接聯(lián)系，該方法適用各種汽車。ABS汽車制動(dòng)距離分析與計(jì)算可為汽車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。其計(jì)算方法和結(jié)果可供汽車制動(dòng)性能分析和公路交通安全分析參考。