防抱死制動系統應用研究及參數設計

林 瑾

(無錫商業職業技術學院，江蘇 無錫 214153)

防抱死系統(ABS)最早應用在飛機上，后來逐步使用在汽車、摩托車上，成為了這些交通工具的主動安全設施之一. 它的主要功能是可以有效提高各類交通工具的制動性能，降低交通事故發生的幾率. 據“中國工業新聞網”報到，47%以上的摩托車事故是由于制動不正確或不及時而造成的. 2016年，歐洲將對所有排量超過50ml的摩托車強制配備ABS.

1 防抱死系統應用原理

駕駛人員一般都知道，在行駛過程中剎車盡量不要一腳踩死，應該分步剎車. 但當遇到緊急情況的時候，人的自然反應會對車輛進行急剎. 急剎時，如果沒有ABS，當制動力超過路面最大附著力時，車輪與路面之間趨于打滑，會發生抱死的現象. 此時，原先的滾動摩擦變為滑動摩擦，制動力迅速下降. 同時如果前車輪抱死，會使車輛失去轉向能力，如果后車輪抱死，車輛會左右甩尾，速度快的時候會出現調頭等易造成嚴重交通事故的現象.

ABS可以通過安裝在車輪或者傳動軸上的傳感器來檢測前后車輪的轉速，并計算出車輪實時的滑移率，將之與理想的滑移率(15%～20%)比對，從而發出增大或減小制動器制動壓力的指令，命令執行機構及時調整制動壓力，使車輪處于理想的制動狀態，不會出現抱死不轉的現象，有效提高汽車的制動性能和穩定性能[1]57-58，[2]8-22.

2 機械式防抱死系統結構參數設定

ABS分為機械式和電子式兩種，電子式的性能較好，但價格較貴. 因此，從經濟性考慮，應用于摩托車上可選擇機械式ABS(MABS). 下面對MABS的結構特征和參數設定進行分析研究.

2.1 結構介紹

圖1所示節流瞬時穩壓式ABS是我國MABS最具代表性的類型之一[3]21-31. 它的殼體由鋁合金制成，進油通道位于頂部P1處，出油通道位于側面P2處. 殼體上方有一活塞，活塞內部有倒F形狀孔，此孔為調節制動力大小的關鍵. 活塞下方設置了彈簧組，起到預緊調節的作用. 當剛開始制動時，制動力小于彈簧預設的控制力，MABS不起作用，制動液從進油通道進入殼體，從活塞下方橫向通道流至出油通道. 當制動力增大超過預設控制力時，活塞推動彈簧下行，此時活塞孔與出油通道錯位，出油通道節流，P1處壓力繼續增大，推動彈簧繼續下行，直至活塞上方橫向通道與出油通道相通，制動液可以流通，殼體上方輸入壓力下降. 彈簧彈力超過輸入制動力，彈簧推動活塞上下振蕩，MABS輸出壓力產生波動，從而可達到防止制動力過大而出現車輪抱死的現象.

為了保證制動液不會泄露，在活塞中部設置了密封圈，它跟隨活塞做上下運動，與出油通道口產生摩擦，因此較容易損壞，甚至會影響出油通道的暢通，這就造成了此類MABS在使用過程中最常見的失效形式之一.

要避免這一現象，可將活塞與殼體內表面設計為緊配合，將密封圈安裝位置移至活塞下方，避免其與出油口接觸，如此設計可以有效改善以上弊端.

圖1 節流瞬時穩壓式ABS

2.2 參數設計

2.2.1 制動時受力分析

摩托車在水平路面上行駛的受力分析如圖2所示(忽略滾動阻力、空氣阻力以及減速時慣性力矩等)，根據平衡方程可得[4]4-23：

圖2 摩托車水平路面上行駛時受力分析圖

G=N1+N2；F=X1+X2；X1=N1×φx

(1)-(3)

X2=N2×φx；G=N1+N2；G×L2+F×h=N1×L

(4)-(6)

(7)

(8)

式中，G——摩托車、駕駛人等總重量；L——前后輪中心距離；L1、L2——前后車輪中心至質心的水平距離；

N1、N2——前后車輪受到地面的法向反力；h——摩托車質心高度；φx——車輪與地面的附著系數；

F——摩托車慣性力.

從公式(7)(8)中可見，若摩托車質心位置不變，前輪所受法向反力大小由附著系數φx確定.φx越大，前輪法向反力越大，后輪法向反力越小.

2.2.2 制動壓力計算

若摩托車前車輪半徑為r，其摩擦力矩大小為：M=X1×r=N1×φx×r

(9)

(10)

式中，μ——摩擦片與制動盤間摩擦系數(可選0.35～0.4之間)；

F′——摩擦片與制動盤間的壓緊力；r1——制動盤有效半徑；

r2——制動鉗活塞半徑；p——制動器制動壓力

車輪正常轉動，未抱死時，M=M′

(11)

(12)

2.2.3 彈簧預緊力計算

彈簧是MABS內部非常重要的零件，它的選擇和安裝會直接影響制動效果.

彈簧預緊力P=p×S

(13)

式中，S——控制器閥芯有效面積

由式(12)可見，若摩托車行駛中質心位置不變，那么影響制動器制動壓力的就是車輪與地面的附著系數[5]31-34. 但行駛過程中質心會發生變化，若質心前移，前輪受到的制動力要增大，此時剎車會增大摩托車制動的距離；反之，前輪受到的制動力減小，剎車時前輪可能會抱死. 據此，在設置MABS預緊力的時候要適當考慮摩托車質心位置的變化，根據變化量的情況設置修正系數，對預緊力進行調整，以適應更多情況.

修正后的預緊力P′=λ×p×S

(14)

式中，λ——修正系數

3 實例

選擇110cc排量的摩托車作為研究對象，其滿載在瀝青(干)路上行駛，制動系統為前碟后鼓，計算摩托車前輪剎車盤最佳預緊力. 相關參數如下：G=2 250 N；L1=0.81 m；L=1.24 m；h=0.52 m；r1=0.11 m；r2=0.017 m；r=0.23 m；活塞直徑d=0.01 m；μ取值0.38；瀝青(干)路上摩托車輪胎與地面的峰值附著系數φx=0.8.

先不考慮質心的變化情況，假定其為固定位置，根據公式(7)可以計算出：

根據公式(12)可計算出：

考慮到制動過程中摩托車的質心會發生變化等情況，需要給出修正系數，使MABS在使用過程中可以適應多種情況.

為保證前輪有足夠的制動力，一般取β理論=0.73來設計制動系統.

修正后的預緊力P′=λ×P=1.074×292=313.61N

根據計算結果預設彈簧預緊力為313.61N，此時車輪不抱死的最大制動壓力為3.72 MPa. 由此結果可知，在制動壓力小于3.72 MPa時，MABS不參與調節，剎車盤正常工作. 若制動壓力超過了3.72 MPa，MABS開始工作，調節制動器的制動壓力處于3.72 MPa上下波動，有效避免車輪出現抱死現象，確保摩托車獲得較好的制動效果.

4 結論

將ABS應用在摩托車領域可以提高駕駛中的安全系數，這是今后摩托車行業需要改進的一個重要方面. 考慮到摩托車的生產成本不宜大幅度增加，優先使用MABS對其進行改進. 選用改良的節流瞬時穩壓式ABS，對其主要參數進行優化設計，并將此應用在實際情況中，有效改善現階段普遍存在的問題.

[1] 溫金中.裝有防抱死制動系統(ABS)車輛的制動性能檢測[J].山西交通科技, 2002(03).

[2] 韓繼光. 車輛ABS系統最大縱向附著系數估計算法研究[D]. 昆明：昆明理工大學,2007.

[3] 黃永益.摩托車機械式ABS的結構研究與設計[D].杭州：浙江大學，2007.

[4] 陳長生.機械基礎[M].北京：機械工業出版社,2005.

[5] 魏 朗,郭榮慶. ABS道路試驗項目及評價方法分析[J].山東交通學院學報, 2002(02).