汽车制动时车轮受力分析-检测与维修

图7-1所示是汽车在良好的路面上制动时车轮的受力分析。

图7-1 汽车在良好的路面上制动时车轮的受力分析

v—汽车瞬时速度 ω—车轮旋转角速度 M_j—惯性力矩 M_μ—制动阻力矩 W—车轮法向载荷 F_z—地面法向反力 T—车轴对车轮的推力 F_x—地面制动力 r—车轮半径

1.制动器制动力

制动蹄与制动鼓（盘）压紧时形成的摩擦力矩M_μ通过车轮作用于地面的切向力F_μ，如图7-2所示，即当汽车制动时，阻止车轮转动的是制动器阻力矩M_μ，将制动器阻力矩M_μ转化为车轮周缘的一个切向力，称其为制动器制动力F_μ。

提示：制动器制动力是由制动器的结构参数决定的，并与制动踏板力成正比。

2.地面制动力

制动时地面对车轮的切向反作用力F_x，如图7-2所示，即汽车制动时，由于制动鼓（盘）与制动蹄摩擦片之间的摩擦作用，形成了摩擦力矩M_μ，此力矩与车轮转动方向相反。车轮在M_μ的作用下给地面一个向前的作用力，与此同时地面给车轮一个与行驶方向相反的切向反作用力F_x，这个力就是地面制动力，它是迫使汽车减速或停车的外力。

提示：地面制动力的大小取决于制动器制动力的大小和轮胎与地面之间的附着力。附着力是地面对轮胎切向反作用力的极限值Fϕ，取决于轮胎与路面之间的摩擦作用及路面的抗剪强度。

图7-2 汽车制动时制动器制动力和地面制动力受力分析

小知识：汽车行驶的基本原理

汽车行驶过程中，路面情况千变万化，非常复杂。可以从车辆受力情况来分析其行驶基本原理。

汽车在行驶时会受到各种不同的阻力，这些阻力主要有：

1）滚动阻力（F_f）：车轮滚动时轮胎与路面之间的摩擦阻力。只要汽车在运动，就存在滚动阻力，其数值与汽车的总重量、轮胎的结构和气压以及路面状况有关。

2）空气阻力（F_w）：汽车行驶时，汽车前部受到空气流压力、后部因空气涡流产生拉力、空气与车身表面产生的摩擦力，这些力总称为空气阻力。空气阻力主要与车速、汽车的形状和汽车的正面投影面积有关。

3）上坡阻力（F_i）：汽车上坡时，其重力沿路面方向形成的与汽车行驶方向相反的阻力。上坡阻力的大小取决于汽车的总质量和道路的纵向坡度。

4）加速阻力（F_j）：汽车在加速时，因汽车惯性所产生的阻力。

欲使汽车行驶，必须对汽车施加一个推动力以克服上述各种阻力，这个推动力称为汽车驱动力，也称为汽车牵引力。

驱动力产生的原理如图7-3所示，其中M_t为汽车作用在驱动轮上的转矩，r为车轮滚动半径，F_o为驱动轮对路面作用力，F_t为路面对车轮的反作用力，它们之间存在下述关系

驱动轮旋转对路面产生一个切向力F_o，按牛顿第三运动定律，路面对车轮有一个反作用力F_t，这就是推动汽车行驶的外力，即驱动力。

当汽车在纵向坡道上作加速行驶时，F_t=F_f+F_w+F_i+F_j。

当汽车在纵向坡道上作等速行驶时，F_t=F_f+F_w+F_i。

当汽车在水平路面上作等速行驶时，F_t=F_f+F_w。

图7-3 驱动力产生的原理

附着力Fϕ：即路面阻止车轮滑转的阻力。它与轮胎性质、路面状况、作用在驱动轮上的压力有关。附着力对驱动力起制约的作用，即驱动力的大小不仅仅取决于M_t的大小，还受到附着力Fϕ的限制。

Fϕ=Nϕ

式中 N——作用在驱动轮上的压力；

ϕ——附着系数，其数值因轮胎和路面性质而异，一般由试验测定。

在水平路面上，压力N等于汽车所受的重力，因此

Fϕ=Nϕ=Gϕ（G为车辆重量）

要使车轮不产生打滑，附着力Fϕ必须大于或等于驱动力F_t。即F_t≤Fϕ=Gϕ。

综上所述，要保证汽车正常行驶必须满足两个条件：一是发动机有足够的功率，二是驱动轮与路面间要有足够的附着力。

3.地面制动力F_μ、制动器制动力F_x和附着力F_ϕ之间的关系

图7-4所示为不考虑制动过程中附着系数变化时地面制动力、制动器制动力和附着力三者的关系。在制动过程中，车轮的运动只有减速滚动和抱死滑移两种状态。当驾驶人踩制动踏板的力较小、制动摩擦力矩较小时，车轮只作减速滚动，并且随着摩擦力矩的增加，制动器制动力和地面制动力也随之增长且在车轮未抱死前地面制动力始终等于制动器的制动力。此时，制动器的制动力可全部转化为地面制动力，但地面制动力不可能超过附着力。(www.xing528.com)

当制动系液压力（制动踏板力）增大到某一值时，地面制动力达到与附着力相等，即地面制动力达到最大值。此时，车轮即开始抱死不转而出现拖滑的现象。当再加大制动系统液压力时，制动器制动力随着制动器摩擦力矩的增长仍按直线关系继续上升，但是，地面制动力已不再随制动器制动力的增加而增加。

要想获得好的制动效果，必须同时具备两个条件，即汽车具有足够的制动器制动力，同时又要有附着系数较高的路面提供足够的地面制动力。

图7-4 地面制动力、制动器制动力和附着力的关系

提示：影响附着系数的因素很多，如路面的状况、轮胎的花纹、车辆的行驶速度、轮胎与路面的运动状态等。在诸多因素中，车轮相对于路面的运动状态对附着力的影响比较重要，特别是在湿路面上其影响更为明显。

4.硬路面上附着系数ϕ与滑移率S的关系

（1）滑移率的定义 汽车匀速行驶时，汽车的实际车速与车轮滚动的圆周速度（也称车轮速度）是相同的。在驾驶人踩制动踏板使车轮的轮速降低时，车轮滚动的圆周速度（轮胎胎面在路面上移动的速度）也随之降低，但由于汽车自身的惯性，汽车的实际车速与车轮的速度不再相等，使车速与轮速之间产生一个速度差。此时，轮胎与路面之间产生相对滑移现象，其滑移程度用滑移率表示。

滑移率是指车轮在制动过程中其滑移成分在车轮纵向运动中所占的比例，用S表示。其定义表达式为

式中 S——车轮的滑移率；

r——车轮的滚动半径；

ω——车轮的转动角速度；

v——车轮中心的纵向速度。

由上式可知汽车制动过程中车轮的3种运动状态。

1）第一阶段：当汽车的实际车速等于车轮滚动时的圆周速度时，滑移率为零，车轮为纯滚动；路面印痕与胎面花纹基本一致，车速v=轮速vω，如图7-5所示。

2）第二阶段：当汽车制动时，逐渐踩下制动踏板，车轮边滚动边滑动，滑移率在0%～100%之间；车轮边滚边滑，路面印痕可以辨认出轮胎花纹，但花纹逐渐模糊，车速v>轮速vω，如图7-6所示。

3）第三阶段：当制动踏板完全踩到底，车轮处于抱死状态，而车身又具有一定的速度时，车轮滚动圆周的速度为零，则滑移率为100%。此时，抱死拖滑，路面印痕粗黑，轮速vω为零，如图7-7所示。

图7-5 车轮为纯滚动状态

图7-6 车轮为边滚边滑状态

（2）附着系数与滑移率的关系 大量的试验证明，在汽车的制动过程中，附着系数的大小随着滑移率的变化而变化。图7-8所示为干燥硬实路面附着系数与滑移率的关系。对于纵向附着系数，随着滑移率的迅速增加，并在S=20%左右时，纵向附着系数最大；然后随着滑移率的进一步增加，当S=100%，即车轮抱死时，纵向附着系数有所下降，制动距离会增加，制动效能下降。对于横向附着系数，当S=0时，横向附着系数最大；然后随着滑移率的增加，横向附着系数逐渐下降，并在S=100%，即车轮抱死时横向附着系数下降为零左右。此时车轮将完全丧失抵抗外界侧向力作用的能力。稍有侧向力干扰（如路面不平产生的侧向力、汽车重力的侧向分力、侧向风力等），汽车就会产生侧滑而失去稳定性。而转向轮抱死后将失去转向能力。因此，车轮抱死将导致制动时汽车的方向稳定性变差。

图7-7 车轮为抱死状态

从以上分析可知，制动时车轮抱死，制动效能和制动方向稳定性都将变坏。而如果制动时将车轮的滑移率S控制在15%～30%，即图7-8中所示的S_p处，此时纵向附着系数最大，可得到最好的制动效能；同时横向附着系数也保持较大值，使汽车具有较好的制动方向稳定性。

在汽车的制动过程中，若能将滑移率控制在最大附着系数所对应的滑移率范围，汽车将处于最佳制动状态。但如何才能控制滑移率呢？

要控制滑移率就要对作用在车轮上的力矩进行瞬时的自适应调节。防抱死制动系统就是通过电子控制单元、车轮转速传感器和制动压力调节器，对作用在制动轮缸内的制动液压力进行瞬时的自动控制（每秒约10次），从而控制制动车轮上的制动器压力，使制动车轮尽可能保持在最佳的滑移率范围内运动，从而使汽车的实际制动过程接近于最佳制动状态成为可能。

图7-8 干燥硬实路面附着系数与滑移率的关系

（3）分析总结

1）S＜20%为制动稳定区域，S＞20%为制动非稳定区域。

2）将车轮滑移率S控制在20%左右，便可获取最大的纵向附着系数和较大的横向附着系数，这是最理想的控制效果。

（4）理想的制动控制过程

1）制动开始时，让制动压力迅速增大，使S从零上升至20%所需时间最短，以便获取最短的制动距离和方向稳定性。

2）制动过程中，当S上升到稍大于20%时，对制动轮迅速而适当降低制动压力，使S迅速下降到20%；当S下降到稍小于20%时，对制动轮迅速而适当增大制动压力，使S迅速上升到20%。

（5）得出结论 车轮在制动过程中，以5～10次/秒的频率进行增压、保压、减压的不断切换，使S稳定在20%是最理想的制动控制过程。ABS的功用是控制实际制动过程接近于理想制动过程。