第二节 防抱死制动系统的基本原理

一、制动时车轮的受力分析

汽车只有受到与行驶方向相反的外力时，才能制动减速，直至停车。这个外力只能由地面和空气提供，但由于空气阻力相对较小，所以实际上外力是由地面提供的，称之为地面制动力。地面制动力越大，制动减速度越大，制动距离也越短，所以地面制动力对汽车的制动性能具有决定性的影响。

1.地面制动力

汽车在良好路面上制动时，车轮受力如图1-4所示。

地面制动力是使汽车制动而减速或停车的外力。它的产生源于制动力矩T_μ。在T_μ的作用下，地面反作用于车轮一个使汽车减速或停车的切向力。地面制动力的大小一方面取决于制动器内制动摩擦片与制动鼓（盘）间的摩擦力，另一方面受轮胎与地面的附着力的制约。

图1-4 车轮在制动时的受力分析

2.制动器制动力

制动器制动力是为克服制动器摩擦力矩而在轮胎周缘所需施加的切向力，用符号F_μ表示。它等于把汽车架离地面，踩住制动踏板后，在轮胎周缘切线方向推动车轮直至它能转动所需施加的力。公式表示为

式中 T_μ——车轮制动器摩擦力矩，单位为N·m；

r——车轮半径，单位为m。

由上式可知，制动器制动力仅取决于制动器的摩擦力矩，即取决于制动器的形式、结构尺寸、制动器摩擦副的摩擦系数和车轮半径，并与制动踏板力（制动系的液压或空气压力）成正比。

3.地面制动力、制动器制动力与地面附着力的关系

汽车制动时，根据制动强度的不同，车轮的运动可简单地考虑为减速滚动和抱死滑动两种状态。此时地面制动力、制动器制动力及地面附着力之间的关系如图1-5所示。

1）车轮作减速滚动。当制动踏板力较小时，制动器摩擦力矩不大，地面制动力足以克服制动器摩擦力矩而使车轮维持滚动。显然，车轮滚动时的地面制动力就等于制动器制动力，且随着制动踏板力的增大而增大。

2）车轮抱死滑拖。当制动踏板力或制动系压力上升到某一极限，地面制动力达到地面附着力时，车轮会抱死不转而出现拖滑现象。制动踏板力或制动系压力继续增大，制动器制动力由于制动器摩擦力矩的增长按线性关系继续增大。若作用在车轮上的法向载荷不变，则地面制动力达到地面附着力后不再增大。若要增大地面制动力，只能通过提高附着系数来实现。

由此可见，汽车的地面制动力首先取决于制动器制动力，同时又受地面附着条件的限制。所以只有汽车具有足够的制动器制动力，同时又能提供高的地面附着力时，才能获得足够的地面制动力。

二、防抱死制动系统的功用

图1-5 地面制动力、制动器制动力 与地面附着力的关系

由上述汽车理论可知，当制动器制动力大于轮胎-道路附着力（简称附着力）时，车轮就会抱死滑移。只有汽车具有足够的制动器制动力，同时地面又能提供较大的附着力时，汽车才能获得较好的制动效果。

汽车在制动时，除车轮旋转平面的纵向附着力外，还有垂直于车轮旋转平面的横向附着力。纵向附着力决定汽车纵向运动，影响汽车的制动距离；横向附着力决定汽车的横向运动，影响汽车的方向稳定性和转向控制能力。

电子控制防抱死制动系统的功用是在汽车制动过程中，自动调节车轮的制动力，防止车轮抱死滑移，从而获得最佳制动性能（缩短制动距离、提高方向稳定性、增强转向控制能力），减少交通事故。

三、车轮滑移率S及其影响因素

图1-6 制动车轮受力分析

a）车轮滚动运动 b）车轮抱死滑移

当汽车匀速行驶时，实际车速v（即车轮中心的纵向速度）与车轮速度v_ω（即车轮滚动的圆周速度）相等，车轮在路面上的运动为纯滚动运动，如图1-6a所示。然而，在汽车实际运行过程中，当驾驶人踩下制动踏板后，在制动器摩擦力矩的作用下，车轮的角速度减小，实际车速与车轮速度之间就会产生一个速度差，轮胎与地面之间就会产生相对滑移，如图1-6b所示。

轮胎滑移的程度用滑移率S来表示。车轮滑移率是指实际车速v与车轮速度v_ω之差同实际车速v的比率，其表达式为

式中 S——车轮滑移率；

v——车速（车轮中心纵向速度），单位为m/s；

v_ω——车轮速度（车轮瞬时圆周速度），单位为m/s；

r——车轮半径，单位为m；

ω——车轮转动角速度，单位为rad/s。

当v=v_ω时，滑移率S=0，车轮自由滚动。

当v_ω=0时，滑移率S=100%，车轮完全抱死滑移。

当v＞v_ω时，滑移率0＜S＜100%，车轮既滚动又滑移。滑移率越大，车轮滑移程度越大。

在制动过程中，车轮抱死滑移的根本原因是制动器制动力大于轮胎-道路附着力。因此影响车轮滑移率的因素包括以下几个方面：

1）汽车载客人数或载物量。

2）前、后轴的载荷分布情况。

3）轮胎种类即轮胎与道路的附着状况。

4）路面种类和路面状况。

5）制动力大小及其增长速率。

四、车轮滑移率S与附着系数φ的关系

汽车纵向附着系数和侧向附着系数对滑移率有很大影响。试验证明，在地面附着条件差（例如冰雪路面）的情况下，由于道路附着力很小，使可以得到的最大地面制动力减小，因此在制动踏板力（或制动轮缸压力）很小时，地面制动力就会达到最大附着力，车轮就会抱死滑移。附着系数与滑移率之间的关系如图1-7所示。由图可见：

1）附着系数取决于路面性质。一般说来，干燥路面附着系数大，潮湿路面附着系数小，冰雪路面附着系数更小。

2）在各种路面上，附着系数都随滑移率的变化而变化。

3）在各种路面上，当滑移率为20%左右时，纵向附着系数最大，制动效果最好。

图1-7 附着系数与滑移率的关系

（虚线与实线标注的上下顺序一一对应）

纵向附着系数最大时的滑移率称为理想滑移率或最佳滑移率。当滑移率超过理想滑移率时，纵向附着系数减小，产生的地面制动力随之下降，制动距离将增长。滑移率大于理想滑移率的区域称为非稳定制动区域或非稳定区，如图1-8所示。

横向附着系数是研究汽车行驶稳定性的重要指标之一。横向附着系数越大，汽车制动时的方向稳定性和保持转向控制的能力越强。滑移率为零时，横向附着系数最大。随着滑移率的增加，横向附着系数逐渐减小。当车轮抱死时，横向附着系数接近于零，汽车将失去方向稳定性和转向控制能力，危害极大。如果前轮抱死，虽然汽车能沿直线向前行驶，但是失去转向控制能力，由于前轮维持转弯运动能力的横向附着力丧失，汽车仍将按原行驶方向滑行，因此可能冲入其他车道与其他车辆相撞或冲出路面与障碍物相撞而发生恶性交通事故。如果后轮抱死，汽车的制动稳定性就会变差，抵抗横向外力的能力很弱，后轮稍有外力（如侧向风力）作用就会发生侧滑（甩尾），甚至出现掉头等危险现象。

图1-8 干燥硬实路面上附着系数与滑移率的关系

综上所述，为了获得最佳制动性能，应将车轮滑移率控制在10%～30%范围内。采用电子控制防抱死制动系统即可达到这一目的。