基于實際載重的汽車前后軸制動力分配系統設計

張吉康

（武漢科技大學 武漢，430081）

隨著科學技術的飛速發展，汽車日漸成為現代生產勞動和生活不可或缺的交通工具。汽車制動性能直接關系到交通安全。在汽車制動系統的設計工作中，一個重要的技術問題就是如何確定汽車前后軸的制動力分配。當在前輪先抱死拖滑，后輪后抱死拖滑情況下制動時，附著條件無法充分利用，易喪失轉向能力；當在后輪先抱死拖滑，前輪后抱死拖滑的情況下制動時，附著率低，工況不穩定，易出現側滑。可見，汽車前后軸的制動力分配比例直接影響汽車制動時的方向穩定性和附著條件利用程度。

正因為汽車前后軸制動力分配情況對汽車制動時的工況影響很大，故研究與分析汽車前后軸的制動力分配，并針對汽車運行過程中的實際問題研制出相應的對策，從而對制動力分配加以改善，是具有實際意義的，也是非常有必要的。

1 前后軸制動力分配方式的特點分析

1.1 現有制動力分配方式的不足

1.1.1 固定制動力分配比的分配方式

汽車的前后軸制動器制動力之比為一固定值。

該種制動力分配方法控制的汽車，只有在一種附著系數，即同步附著系數路面上制動時才能使前后車輪同時抱死，得到最佳的制動力分配比。這種方式不僅沒有考慮到汽車運行過程中裝載質量的變化，也沒有考慮汽車運行過程中道路附著條件的多變性，因此很難滿足制動力分配比的要求。

1.1.2 電子制動力分配系統（EBD）

EBD使用特殊的ECU功能來分配前軸和后軸之間的制動力。當汽車制動時，中央處理器根據接收到的輪速信號、載荷信號、踏板行程信號以及發動機等有關信號，經處理后向電磁閥和軸荷調節器發出控制指令，使各軸的制動力得到合理分配。

EBD的主要缺點在于其造價昂貴，在國外也只配備在較高檔的新款汽車中，難以推廣和普及，難以投入實際應用。

1.2 基于實際載重的制動力分配方式特點

目前在對制動力分配比的研究中，很少有考慮到汽車實際使用過程中裝載質量的變化對制動力分配的影響。而對于同一汽車在同意附著條件下，其裝載質量對制動力分配的影響是不容忽視的。

基于實際載重的制動力分配方式在目前的制動力分配方式的基礎上將汽車的實際裝載質量考慮進去，從而設計出一種使汽車具有更加良好的制動穩定性和制動效能的制動力分配方式。

2 基于實際載重的制動力分配方式原理

2.1 制動力分配系統的主要構成

如圖1所示，基于實際載重的制動力分配系統主要由車速傳感器、載荷傳感器等相關的傳感器，電子控制單元（ECU），以及執行機構即電磁閥和軸荷調節器等組成。

2.2 制動力分配系統的工作原理

2.2.1 制動力分配系統的工作流程

如圖2所示，為基于實際載重的制動力分配系統的工作流程圖。制動力分配系統對汽車的發動機轉速、車輪速度、載重情況等運行狀況進行實時監測，并由ECU根據實際運行狀況計算出最佳的制動力分配比β，并檢測出實際的制動力分配比β1，電子控制單元將β與β1進行比較，若β=β1則說明制動力分配比正處于最佳值，無需調整；若β≠β1，則說明制動力分配比需要調整。

2.3 制動力分配系統計算模型

2.3.1 制動力分配比的確定

汽車前后軸制動力分配比可用以下公式確定：

其中 Fμ1、Fμ2分別表示前、 后制動器制動力，Fμ表示汽車總制動力。

2.3.2 載重系數的定義

為了敘述方便，在此引進汽車載重系數，用k表示。其值可用以下公式確定：

其中，m為實際載物質量，M為額定載物質量。前后輪同時剛要抱死的情況可以獲得最佳制動力分配比，設此時減速度為=zg，則：

其中，FXb1、FXb2分別為前后輪地面制動力，z為制動強度。

當考慮到汽車的實際載重時，車重G就與載重系數存在函數關系：

由（3）、（4）兩式可得：

取z、k為自變量，β為變量，可建立函數：

其中，φfm、φfk分別為前輪在滿載和空載時的附著系數，φrm、φrk分別為后輪在滿載和空載時的附著系數。

大量研究表明，附著系數φ在0.15≤z≤0.8范圍內，盡可能接近防止車輪抱死所需要的附著系數，亦即φ=z時，地面的附著條件發揮得越充分，汽車前后軸制動力分配比為最佳。

故可取 φmax=0.8，φmin=0.15。因此，（6）式可寫為：

2.3.3 約束條件

根據ECE法規對汽車制動力分配的要求可得如下幾個約束條件：

1）當 0.15≤z≤0.3，應滿足 z-0.08≤φr≤z+0.08；

2）當 z≥0.3 時，應滿足 φr≤；

3）0≤k≤1；

4）附著系數利用率 ε＞0.7。

3 實例分析與驗證

為檢驗基于實際載重的制動力分配方式的正確性及實用性，特別引用實例加以分析和驗證。

下面以某雙軸貨車為例，其原始設計參數見表1。

表1 某雙軸貨車原始設計參數

由實例可知，在調整之前，即當β=0.39時，汽車前后軸在某載重情況下利用附著系數φ與制動強度z的關系如圖3所示。其中，φr和φf分別表示汽車的前、后軸相應的曲線。

在其他條件均不變的情況下，按照基于實際載重的制動力分配方式調整制動力分配比之后，利用附著系數φ與制動強度z的關系如圖4所示。

由圖3和圖4對比，可見經調整后，汽車前后輪在相同的制動強度下可以獲得更高的利用附著系數，并且在較低的制動強度下，前后車輪即可達到相同的利用附著系數，容易實現前后軸同時抱死，獲得前后軸最佳制動力分配比。

另外，對該制動力分配系統進行了仿真實驗，實驗數據如表2所示。

表2 仿真實驗數據記錄表

由表2可見，隨著載重系數k的增大，最佳制動力分配比減小，即后輪地面制動力Fxb2比前輪地面制動力Fxb1增長速度快，可以保證汽車處于后輪先抱死或前后輪同時抱死的工作狀態。后輪先抱死雖然也存在一定的不足，但基本能夠滿足行駛安全性要求，前后輪同時抱死則是理想的制動力分配狀態。

4 結語

汽車在生活及生產中越來越廣泛的應用決定了汽車的重要地位，汽車前后軸制動力分配方式也因其對制動安全性不可忽視的影響而受到廣受關注。汽車前后軸制動力分配的方式有很多種，一些新興的控制手段也正在不斷地發展和完善之中。由于汽車在實際應用中，其載重也是制動力分配的影響因素之一，故在研究制動力分配時將其考慮進去是非常有必要的，對今后的研究也是有著深遠意義的。

從上文的理論模型的建立到試驗分析與驗證可以看出，在制動力分配的研究中，將汽車實際載重情況考慮進去是可行的，具有實際意義，可使得前后軸制動力分配更加切合實際使用情況，可提高制動力分配控制的準確性。

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