汽車附著能力提升的理論與應用探討

何太碧 (西華大學交通與汽車工程學院,四川成都610039)

1 汽車驅動原理

根據汽車行駛平衡方程式:

汽車起動后能夠向前行駛,要求式(1)成立。為了提高汽車行駛的動力性,可采取增加發動機轉矩和加大傳動比等措施來增大汽車驅動力。這些措施只有在驅動輪與路面不發生滑轉現象時才有效。當汽車在泥漿路面行駛時,輪胎表面被泥漿填滿,汽車不能前進,即使通過踩油門使發動機向外輸出的功率達到最大,驅動輪仍在原地加速滑轉,驅動力并沒有增加。由驅動力產生機理可知,驅動力為地面作用于輪胎的切向靜摩擦力。根據物理學知識,在一定正壓力下,兩物體之間靜摩擦力有最大值,當推動力超過此最大值時,兩物體便會發生相對滑動。對于汽車而言,該最大值稱為地面附著力FΨ,該推力就是驅動力Ft。汽車能夠前進,還受輪胎與路面附著條件的限制,即Ft≤FΨ。因此,汽車行駛條件[1～2]為:

通常講FΨ=ΨFz(Ψ為附著系數;Fz為驅動輪法向反作用力)。從汽車行駛條件可看出,提高汽車在起動和行駛中通過能力,同時不會出現滑轉現象,一方面,可通過減少阻力,增大驅動力來實現;另一方面,應使FΨ值盡可能達到最大。依據附著力公式,在Fz為定值時,應使Ψ值達到最大,也就是說當附著系數Ψ增加時,增大了汽車輪胎在路面上的附著能力,提高汽車通過能力。

2 汽車制動原理

汽車行駛過程中,遇到紅綠燈或者障礙物時,需要制動。在這個制動過程中,駕駛員先接受到停車信息,并對信息進行處理,接著操控手和腳,手操控方向盤,腳開始踩制動踏板,消除踏板間隙后,使踏板力由零逐漸增大,增大到地面給車輪的制動力最大,持續這個狀態,使汽車快速停下來,與前面車輛或障礙物保持最安全距離。在這個制動過程中,關鍵是使地面制動力達到最大,如何控制這個狀態?下面分析影響地面制動力[3～5]的因素 (見圖1)。

圖1 地面制動影響因素分析圖

由圖1看出,制動時,當踩下制動踏板,首先消除制動系間隙后,制動器制動力Fu開始增加。開始時踏板力較小,制動器制動力也較小,車輪還在滾動,此時,地面制動力Fb等于制動器制動力Fu,且隨著橫坐標踏板力增加而成線性增加。當增加到C點時,制動器制動力Fu仍然隨著踏板力呈線性增加,而地面制動力Fb不會隨著踏板力增加而增加,此時已達到最大值Fbmax,等于地面附著力FΨ,這時車輪抱死不轉而出現拖滑現象。分析表明:地面制動力Fb取決于制動器的制動力Fu和輪胎與地面的附著力FΨ,就是說當踏板力比較小時,地面制動力取決于制動器制動力,隨著踏板力的增加,增大至一定值時,地面制動力取決于地面附著力。要使地面制動力Fu盡可能達到最大,也就是使地面附著力FΨ達到最大,根據地面附著力表達式:FΨ=ΨFz[1],在車輪法向反作用Fz一定的條件下,地面附著力FΨ主要取決于附著系數 Ψ,即地面附著力FΨ隨著地面附著系數 Ψ增大而增大,對應的地面制動力Fu的最大值也就越大,與前面障礙物相碰的幾率就越小。

3 提高地面附著系數措施

通過以上分析可知,為了提高汽車行駛通過能力和制動安全性,可從提高汽車輪胎附著能力方面采取措施,在車輛裝置、負荷和輪胎一定的條件下,最終歸結為從提高地面的附著系數方面著手。筆者從ABS(汽車防抱死制動)及ARS(汽車驅動防滑)系統工作原理、輪胎、車速、駕駛技術和路面幾個層面研究提高地面附著系數。

3.1 ABS及ARS系統工作原理

圖2 附著系數與滑移率關系圖

在制動過程中的汽車,附著系數 Ψ主要取決于車輪的運動狀態 (用滑移率表示制動車輪的運動狀態)。附著系數與滑移率關系圖如圖2所示。由圖2可看出,當滑移率s較小時,縱向附著系數隨著s近似線性關系增加,隨著s的增加,縱向附著系數增加緩慢,直到達到最大值 Ψp,然后隨著s繼續增加,縱向附著系數開始下降,直到s=100%時,即車輪完全處于拖滑狀態時,縱向附著系數等于滑動附著系數 Ψs。由此可知,在制動過程中,應該控制制動時車輪的運動狀態,將車輪的運動狀態控制在滑移率s為15%～25%范圍內,縱向附著系數接近最大 Ψp,也就是車輪的縱向附著系數達到最大,使車輪地面制動力最大值Fbmax達到最大,減小制動距離。而橫向附著系數隨著s增加而下降,并降幅很大,當車輪完全抱死,橫向附著系數幾乎為0,此時,汽車在運行中失去抗側滑能力,只要有一點側向作用力,汽車就會發生側滑。

為提高汽車制動的安全性,汽車上配置的ABS系統,制動時控制車輪滑移率s在15%～25%范圍,獲得最大地面制動力;同理,ARS系統將滑移率s保持在10%～30%之間,可獲得最大側向附著系數,提高抗側滑能力,在起動加速時,驅動力得到的充分的發揮,驅動輪也不會在路面上打滑。

3.2 輪胎

在松軟路面上行駛時,降低輪胎氣壓,可以使輪胎接地面積增加,降低對路面的單位壓力,使滾動阻力減少,附著系數增加。低壓輪胎較高壓輪胎具有更大的附著系數。

汽車行駛在潮濕的硬路面、山地道路、泥濘道路、冰雪道路和松軟的土路上時,應選用越野花紋輪胎,因為越野花紋輪胎溝槽深,突出面積小,抓地作用強,使附著系數提高。

人字形越野花紋輪胎安裝在驅動輪時,要使人字尖在滾動時先著地,這樣可使花紋嵌入土壤的能力強,與地面的附著能力強,排泥性好。拱形輪胎的斷面比普通輪胎斷面寬,在沙漠、雪地、沼澤和田間行駛有良好的行駛通過能力,在專用越野車上得到廣泛的應用。

在冰凍等形成的滑溜路面上,為了防止車輪滑轉,應增加車輪與路面的附著能力,在驅動輪上裝防滑鏈,以提高汽車通過能力。

3.3 車速

雨天在硬路面上行駛,車速提高,很容易產生輪胎在路面上的滑轉。這是因為輪胎高速運行時形成的水楔作用強,輪胎與路面還沒來的接觸,使附著系數嚴重下降。因此,在雨天應降低車速,提高地面的附著系數。

在松軟的土路上行駛,應降低車速,使土壤的抗剪切能力增強,從而提高附著系數。

3.4 駕駛技術

通過沙地、泥濘地和雪地時,應用低速檔,保持平穩車速,避免換擋、加速,盡量保持直線行駛,否則將難于通過。后輪雙胎的汽車,當雙胎間夾泥石而滑轉,可適當提高車速,以求甩掉夾泥,提高地面的附著系數。沒有配置ABS系統的汽車,在制動時,采用點剎將車輪的運動狀態控制在使地面制動力最大的狀態,也就是將s控制在15%～25%范圍,提高縱向附著系數。

當汽車傳動系統裝有差速鎖時,在有可能使車輪滑轉的地區將差速鎖住。因為車輪一旦滑移后,土壤表面就會被破壞,附著系數下降,再鎖住差速鎖不會起顯著作用。

3.5 路面

由于長期使用,路面由于磨損和風化作用,附著系數下降。因此,在行駛中,不宜高速行駛。干燥而粗糙的水泥混凝土路面比不平整的低級路面附著系數高,汽車在干燥而粗糙的水泥混凝土路面上行駛時,輪胎被堅硬礦質小顆粒壓入胎面橡皮內,阻止輪胎與路面間相對滑移;而在不平整的低級路面上,路面粗糙度不夠。

[1]晏克非.汽車行駛基本原理與性能 [M].北京:人民交通出版社,1996.

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[3]魯植雄.汽車運用工程 [M].南京:東南大學出版社,2008.

[4]許洪國.汽車運用工程基礎 [M].北京:清華大學出版社,2004.

[5]高延齡.汽車運用工程 [M].第2版.北京:人民交通出版社,1999.