基于不同路面下坡制動(dòng)對(duì)汽車穩(wěn)定性分析

熊藜，曹明月，楊森淼，陳前彬

（重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074）

引言

汽車在下坡行駛過(guò)程中，制動(dòng)性能的好壞是評(píng)價(jià)汽車安全性能的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。在長(zhǎng)下坡制動(dòng)過(guò)程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)跑偏、后軸側(cè)滑或者前軸失去轉(zhuǎn)向能力致使汽車失去控制。引起這些情況的因素包括：汽車左右車輪（尤其是前軸）制動(dòng)器制動(dòng)力不相等、懸架導(dǎo)向桿系與轉(zhuǎn)向系拉桿相互干涉、地面制動(dòng)力、輪胎側(cè)偏剛度等。在不同的地面附著系數(shù)上，引起前后車輪垂直載荷的變化從而導(dǎo)致車輪不同的抱死順序?qū)ζ嚪€(wěn)定性的影響。

1 汽車在下坡制動(dòng)時(shí)的前后輪力學(xué)分析

在下坡路段，汽車的制動(dòng)性能不僅受制動(dòng)器所發(fā)出的的制動(dòng)力與制動(dòng)器所作用的時(shí)間的制約，它還受到輪胎與地面附著條件的限制。而地面制動(dòng)力決定于地面附著系數(shù)與驅(qū)動(dòng)輪的法向反力的作用。如圖1 所示為汽車在下坡路面上制動(dòng)時(shí)的受力圖。

圖1 汽車下坡制動(dòng)受力圖

圖中，G 為汽車載重重力；i 為道路坡度角；L 為車身長(zhǎng)度，a 為質(zhì)心距前軸的距離，b 為質(zhì)心距后軸的距離；Fw 為空氣阻力；Fzw1、Fzw2為前后輪空氣升力；Fz1、Fz2為前后輪法向反力；Tjw1、Tjw2為作用在前后車輪上的慣性阻力偶矩；Tf1、Tf2為前后軸滾動(dòng)阻力偶矩；Txb1、Txb2為前后車輪所受到的地面制動(dòng)力。

利用力學(xué)分析，分別對(duì)前后車輪與地面接觸點(diǎn)中心建立力矩平衡方程式，可以得到：

2 制動(dòng)跑偏的力學(xué)分析

2.1 汽車制動(dòng)跑偏的原因

汽車制動(dòng)跑偏的原因主要有兩個(gè)，一是汽車左右輪的制動(dòng)器制動(dòng)力不相等，從而導(dǎo)致汽車偏離原來(lái)的行駛方向。其二就是懸架桿系與轉(zhuǎn)向系拉桿的干涉，當(dāng)汽車在緊急制動(dòng)的情況下，前軸會(huì)沿著行駛的方向向前旋轉(zhuǎn)一定的角度θ，由于球頭銷連接著縱向方向的轉(zhuǎn)向拉桿的約束作用，使得轉(zhuǎn)向節(jié)上節(jié)臂上的球頭銷不能隨著前軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度向前移動(dòng)，從而使得拉桿產(chǎn)生彈性形變，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向節(jié)臂相對(duì)于主銷向右偏轉(zhuǎn)，造成跑偏。

2.2 防范制動(dòng)跑偏的基本方法

針對(duì)跑偏防范措施可以從設(shè)計(jì)上面入手，將轉(zhuǎn)向節(jié)上節(jié)臂處的球頭銷安裝位置下移，當(dāng)前鋼板彈簧旋轉(zhuǎn)相同角度時(shí)，可以減少球頭銷的位移量，同時(shí)在增強(qiáng)鋼板彈簧的強(qiáng)度的基礎(chǔ)上可以使得這種跑偏現(xiàn)象消除。

3 前后輪抱死拖滑順序?qū)?cè)滑的影響

3.1 前后輪抱死拖滑順序?qū)?cè)滑的作用

如圖2 所示，假定在方向盤不轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，汽車突然受到一個(gè)側(cè)向力的作用使得汽車前軸發(fā)生側(cè)向滑動(dòng)，此時(shí)前軸中心A 的速度與汽車縱軸產(chǎn)生一個(gè)夾角，而后軸中心B 的速度與縱軸方向一致，從而使得整車會(huì)繞著瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心O作瞬時(shí)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于前軸出現(xiàn)側(cè)滑，因此前軸的側(cè)向力幾乎為零，根據(jù)剛體平面運(yùn)動(dòng)微分方程，后軸側(cè)向力Fy2對(duì)整車中心的力矩Fy2b=-Izwr，使得汽車回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角速度減少，汽車恢復(fù)原來(lái)的直線行駛狀態(tài)趨于穩(wěn)定；對(duì)于汽車后輪側(cè)滑，后軸的側(cè)向力約為零，前輪側(cè)向力對(duì)質(zhì)心的矩增大了汽車的角速度，加劇后軸側(cè)滑的可能性。

圖2 左：前軸側(cè)滑運(yùn)動(dòng)狀況（右：后軸側(cè)滑運(yùn)動(dòng)狀況）

3.2 不同路面附著系數(shù)下制動(dòng)過(guò)程的分析

汽車在下坡制動(dòng)過(guò)程中，車輪同時(shí)抱死對(duì)汽車的穩(wěn)定性與地面附著率均是最高的，但實(shí)際制動(dòng)過(guò)程中只有在一種情況下前后車輪才會(huì)出現(xiàn)同時(shí)抱死。此時(shí)地面的附著系數(shù)為同步附著系數(shù)。

圖3 以一輛BJ1041 貨車的結(jié)構(gòu)參數(shù)，作出f 與r 線組、β 線與I 曲線分析汽車在不同ψ 值路面上的制動(dòng)過(guò)程。其中，I 曲線的獲得是根據(jù)前后車輪同時(shí)抱死時(shí)前后制動(dòng)器制動(dòng)力之和等于地面附著力，同時(shí)前后輪前后輪制動(dòng)器制動(dòng)力等于各自的附著力，即：

得到理想的前后制動(dòng)器制動(dòng)力分配曲線，同時(shí)求出的ψ0=0.716。實(shí)際路面上制動(dòng)器制動(dòng)力分配線是根據(jù)分配系數(shù)β獲得的一條直線。f 線組是在后輪未抱死時(shí)，前輪在各種路面上抱死時(shí)前、后地面制動(dòng)力的關(guān)系曲線；r 線組則是在前輪未抱死的情況下所獲得的曲線。

圖3 不同ψ值路面上制動(dòng)過(guò)程分析

圖中給出了0.1、0.2、0.3、0.8f 線組，0.2、0.8、0.9、1.0r 線組。1）當(dāng)汽車在路面附著系數(shù)ψ＜ψ0時(shí)，以ψ=0.2 為例，制動(dòng)開始后，前后地面制動(dòng)力與制動(dòng)器制動(dòng)力均隨著β線上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)A 點(diǎn)后，前輪達(dá)到了抱死的狀態(tài)，則前后輪地面制動(dòng)力會(huì)隨著0.2f 線上升；隨著制動(dòng)踏板力的增大，當(dāng)0.2f 線與I 曲線相交A1 點(diǎn)時(shí)，后輪達(dá)到了抱死所需要的地面制動(dòng)力，此時(shí)達(dá)到最大的制動(dòng)減速度0.2g，汽車始終處于穩(wěn)定工況，但前輪會(huì)失去轉(zhuǎn)向能力，對(duì)于下坡制動(dòng)的汽車若前方遇到大的障礙物是不利的。2）當(dāng)?shù)孛娓街禂?shù)ψ＞ψ0時(shí)，以ψ=0.8 為例，制動(dòng)開始后，前后地面制動(dòng)力與制動(dòng)器制動(dòng)力會(huì)按照上述相同的規(guī)律變化，不同的是β 線會(huì)率先與0.8r線相交于B 點(diǎn)，后輪達(dá)到了抱死的狀態(tài)，此后地面制動(dòng)力會(huì)隨著0.8r 線變化，直到0.8r 線與I 曲線相交于B1 點(diǎn)，達(dá)到前輪抱死的條件，此時(shí)最大的制動(dòng)減速度為0.8g，汽車在后輪抱死后的過(guò)程中會(huì)一直處于一種危險(xiǎn)工況下。

4 不同路面附著系數(shù)的制動(dòng)效率

圖4 前后制動(dòng)效率曲線

評(píng)價(jià)制動(dòng)時(shí)地面制動(dòng)力附著情況，根據(jù)制動(dòng)效率描述地面附著條件的利用程度，其定義為不發(fā)生任何車輪抱死時(shí)的最大制動(dòng)強(qiáng)度于地面附著系數(shù)的比值。圖4 為前后輪抱死時(shí)實(shí)際的制動(dòng)效率，當(dāng)ψ=0.2，滿載時(shí)前輪制動(dòng)效率為0.82，說(shuō)明在不抱死的情況下制動(dòng)減速度只有0.164g。

5 結(jié)語(yǔ)

汽車下坡制動(dòng)造成汽車跑偏與側(cè)滑是發(fā)生安全事故致命的敵人，因此駕駛者只有在掌握好不同工況下出現(xiàn)側(cè)滑與跑偏的原因，才能有效作出應(yīng)對(duì)措施。