駕乘需求推動汽車不斷變（二）
——良好的制動系統提高車輛安全性

文 朱健

駕乘需求推動汽車不斷變（二）
——良好的制動系統提高車輛安全性

文 朱健

汽車發動機由二沖程發展到四沖程，并且燃燒效率逐步提高，發動機的動力越來越足。再加上充氣輪胎的使用，減少了車輛的行駛阻力，加快行駛車速。這時，人們就不得不開始思考一個問題，如何讓汽車停下來？人們需要的是一部能走也能停的機器。早期的汽車沿用的是馬車的停車方式，但這種方法顯然控制不住汽車巨大的慣性，那時的制動器不僅非常容易磨損失控，斜坡停車時也極不方便，汽車需要依靠三角墊木才能停穩。此時，汽車的駐車性能則成為汽車進化的又一障礙。汽車制動性不好，駕駛員自身和其他人的安全就無法保證。一輛好的汽車除了要有很好的動力性，同時還應該具備良好的制動性能。

1898 年美國汽車首次采用了前輪盤式制動器；1911年法國的標致公司設計出了第一輛四輪制動器汽車。最原始的制動控制與馬車相仿，駕駛員操縱一組簡單的機械裝置向制動器施加作用力。這時的車輛質量比較小，速度比較低，機械制動雖已滿足車輛制動的需要，但隨著汽車自質量的增加，助力裝置對機械制動器來說已顯得十分必要。1932年生產的質量為2860kg的凱迪拉克V16車四輪采用直徑419.1mm的鼓式制動器，并有制動踏板控制的真空助力裝置。同年林肯公司推出V12轎車，該車配備了由四根拉線控制真空助力器的鼓式制動器。隨著科學技術的發展及汽車工業的發展，尤其是軍用車輛及軍用技術的發展為車輛制動帶來了新的突破，液壓制動是繼機械制動后的又一重大革新。Duesenberg Eight車率先使用了轎車液壓制動器。1924年克萊斯勒的四輪液壓制動器問世。通用和福特也分別于1934年和1939年采用了液壓制動技術。到20世紀50年代，液壓助力制動器才得到應用，并取得了很好的效果。

汽車制動器是制動的主要組成部分，目前汽車制動器基本都是摩擦式制動器，按照摩擦副中旋轉元件的不同，分為鼓式和盤式兩大類制動器。鼓式制動器在汽車上應用已經有近一世紀的歷史了，但是由于它的可靠性以及強大的制動力，現今仍配置在許多車型上（多使用于后輪）。盤式制動器熱穩定性以及抗衰減性能較鼓式制動器好，可靠性和安全性也好，從而得到廣泛應用。但是盤式制動器效能低，無法完全防止塵污和銹蝕，兼做駐車制動時需要較為復雜的手驅動機構，一般較多應用于汽車前輪，因此很多車采用“前盤后鼓”的制動系統組成。但隨著技術的發展，目前越來越多的乘用車前后車輪都使用了盤式制動。

鼓式制動是采用輪轂里面裝設二個半圓型的制動片，利用“杠桿原理”推動制動片使制動片與輪轂內面接觸而發生摩擦。盤式制動是以制動卡鉗控制兩片制動片去夾住輪子上的制動盤。在制動片夾住制動盤時，二者間產生的摩擦形成制動力。

為了提高制動器的散熱性，除了使用鋁合金等散熱快的材料，制動盤表面也并非只是平面，而是在平面上開出溝線或直接打出通孔，另外還可以從結構上設計出通風結構。

為了增加制動力，并保證制動器的可靠性和耐用性，技術人員不斷研發新制動技術。碳陶瓷材料（CCM）制動盤就是新材料的應用技術。在密集使用的狀態下，CCM制動盤能始終如一地保證其卓越性能。這種制動器最明顯的優勢是具有卓越的防熱衰減性能。在需要對制動器踏板施以壓力時，熱衰減現象會影響駕駛員的控制感和反應度。CCM制動盤在正常條件下具有比普通制動盤更長的使用壽命，即使經常在賽道上使用，CCM制動器也具有更優的耐磨性、更加持久耐用。CCM制動系統還能為車身總重量減重15千克左右，這不僅能提高整體性能，而且還能減少非懸掛質量，由此可以提高車輛的動力性能、增加駕駛的舒適感。但是它價格昂貴，一般只用于賽車或高級跑車。

制動系統是保障車輛安全性最基本也是最重要的部件。汽車在濕滑或結冰的低摩擦路面上行駛時，如果發生過度制動的情況，車輪會被制動裝置鎖死而失去抓地力，從而失去控制方向的能力。那么，如何使汽車車輪在這種情況下照樣轉起來？正是這個挑戰促生了制動系統發展史上最重大的發明——防抱死制動系統(ABS)，其原理就是緊急制動時防止輪胎抱死，以維持最大的制動力量；同時也對車輪進行迅速、準確、有效、安全的控制，使車輪的縱向附著系數達到峰值，側向附著系數也保持較高狀態，從而達到提高制動速度、縮短制動距離、穩定制動方向的效果。1970年德國的奔馳公司研制出模擬防抱死制動系統，使汽車在制動時還能保持操控的穩定性。

ABS系統的發展可以追溯到上世紀初期，早在1928年防抱死制動理論就被提出，在30年代機械式防抱死制動系統開始在火車和飛機上應用，博世（Bosch）公司在1936年獲得了用電磁式車輪轉速傳感器獲取車輪轉速的防抱死制動系統的專利權。進入50年代后，汽車防抱死制動系統開始受到較為廣泛的關注。福特（Ford）公司于1954年將飛機的防抱死制動系統移置在林肯（Lincoin）轎車上；凱爾塞?海伊斯（Kelsehayes）公司在1957年對被稱為“AUTOMATIC”的防抱死制動系統進行了試驗研究，研究結果表明防抱死制動系統確實可以在制動過程中防止汽車失去方向控制，并且能夠縮短制動距離；克萊斯勒（Chrysler）公司在這一時期也對被稱為“Skid Control”的防抱死制動系統進行了試驗研究。這一時期的各種防抱死制動系統采用的都是使用車輪轉速傳感器的機械式制動壓力調節裝置，獲取的車輪轉速信號不夠精確，制動壓力調節的適時性和精確性也難于保證，控制效果并不理想。隨著電子技術的發展，電子控制防抱死制動系統的發展成為可能。1964年，Bosch（博士）公司再度開始ABS的研發計劃，得出“通過電子裝置控制來防止車輪抱死是可行的”結論，1966年世界上第一具ABS原型機誕生，向世人證明“縮短制動距離”并非不可能完成的任務。因為投入的資金過于龐大，ABS初期的應用僅限于鐵路車輛或航空器。在60年代后期，一些電子控制的防抱死制動系統開始進入產品化階段。1968年凱爾塞?海伊斯公司研制生產了稱為“Sure Track”兩輪防抱死制動系統，該系統由電子控制裝置根據電磁式轉速傳感器輸入的后輪轉速信號，對制動過程中后輪的運動狀態進行判定，通過控制由真空驅動的制動壓力調節裝置對后輪制動壓力進行調節，并在1969年被福特公司裝備在雷鳥（Thunder bird）和大陸?馬克Ⅲ（Continental MKⅢ）兩款轎車上。Teldix GmbH公司從1970年和奔馳車廠合作開發出第一具用于道路車輛的原型機——ABS 1， 該系統已具備量產基礎，但可靠性不足，而且控制單元內的組件超過1000個，導致成本過高且易發生故障。克萊斯勒公司與本迪克斯（BENDⅨ）公司合作研制的稱為“SURE-TRACK”的防抱死系統，能防止4個車輪緊急制動時抱死，在1971年開始裝備帝國（IMPERIAL）轎車，其結構原理與凱爾塞?海伊斯的“SURE-TRACK”基本相同，兩者不同之處在于兩個還是四個車輪有防抱死制動。同年，別克（BUICK）公司研制了由電子控制裝置自動中斷發動機點火，以減小發動機輸出轉矩，防止驅動車輪發生滑轉的驅動防抱系統。

1973 年Bosch公 司 購 得Teldix GmbH公司50%的股權及ABS領域的研發成果，瓦布科（WABCO）公司與奔馳（BENZ）公司合作，在1975年首次將防抱死制動系統裝備在氣壓制動的載貨汽車上。這一年AEG、Teldix與Bosch達成協議，將ABS系統的開發計劃完全委托Bosch公司整合執行。“ABS 2”在經過3年的努力后終于問世！有別于ABS 1采用模擬式電子組件，ABS 2系統完全以數字式組件進行設計，不但控制單元內組件數目從1000個銳減到140個，而且造價降低、可靠性大幅提升、運算速度明顯加快。1978年底兩家德國車廠奔馳與寶馬決定將ABS 2這項高科技系統裝置在S級及7系列車款上。進入70年代后期，數字式電子技術和大規模集成電路的迅速發展，為ABS系統向實用化發展奠定了技術基礎。博世公司在1978年首先推出了采用數字式電子控制裝置的防抱死制動系統——博世ABS 2，并且裝置在奔馳轎車上，由此揭開了現代ABS系統發展的序幕。盡管博世ABS2的電子控制裝置仍然是由分離元件組成的控制裝置，但數字式電子控制裝置與模擬式電子控制裝置相比，其反應速度、控制精度和可靠性都顯著提高，因此，博世ABS2的控制效果已相當理想。從此之后，歐、美、日的許多制動器專業公司和汽車公司相繼研制了形式多樣的ABS系統。

進入八十年代后，電腦控制的ABS逐漸被應用于歐洲、美國及亞洲日本的汽車上。但是在誕生的前3年中，ABS系統都苦于成本過于高昂而無法開拓市場。從1978到1980年底，Bosch公司總共才售出24000套ABS系統。所幸第二年增長到76000套。受到市場上的正面響應，Bosch開始TCS循跡控制系統的研發計劃。1983年推出的ABS 2S系統重量由5.5公斤減輕到4.3公斤，控制組件也減少到70個。到了1985年代中期，全球新出廠車輛安裝ABS系統的比例首次超過1%，通用車廠也決定把ABS列為旗下主力雪佛蘭車系的標準配備。1986年是另一個值得紀念的年份，除了Bosch公司慶祝售出第100萬套ABS系統外，更重要的是Bosch推出史上第一具供民用車使用的TCS/ASR循跡控制系統。TCS/ASR的作用是防止汽車起步與加速過程中發生驅動輪打滑，特別是防止車輛過彎時的驅動輪空轉，并將打滑控制在10%到20%范圍內。由于ASR是通過調整驅動輪的扭矩來控制，因而又叫驅動力控制系統，在日本又稱之為TRC或TRAC。ASR和ABS的工作原理方面有許多共同之處，兩者合并使用可形成更佳效果，構成具有防車輪抱死和驅動輪防打滑控制（ABS/ASR）系統。這套系統主要由輪速傳感器、ABS/ASR ECU控制器、ABS驅動器、ASR驅動器、副節氣門控制器和主、副節氣門位置傳感器等組成。在汽車起步、加速及行進過程中，發動機ECU根據輪速傳感器輸入的信號，當判定驅動輪的打滑現象超過上限值時，就進入防空轉程序。首先由發動機ECU減少副節氣門開度以減少進油量，使發動機動力輸出扭矩減小。當ECU判定需要對驅動輪介入時，會將信號傳送到ASR驅動器對驅動輪（一般是前輪）進行控制，以防止驅動輪打滑或使驅動輪的打滑保持在安全范圍內。第一款搭載ASR系統的新車型在1987年出現，奔馳S 級再度成為歷史的創造者。隨著ABS系統的單價逐漸降低，搭載ABS系統的新車數目于1988年突破了爆炸性成長的臨界點，開始飛快增長，當年Bosch的ABS系統年度銷售量首次突破300萬套。技術上的突破讓Bosch在1989年推出的ABS 2E系統首次將原先分離于液壓驅動組件與中控臺內的設計更改為“兩組件整合為一”設計，是歷史上第一個舍棄集成電路，改以微處理器（CPU）負責所有控制工作的ABS系統，成為防抱死系統發展史上新的里程碑。該年保時捷車廠正式宣布全車系都已安裝了ABS。1992年ABS的世界年產量已超過1000萬輛份，世界汽車ABS的裝用率已超過20%。一些國家和地區(如歐洲、日本、美國等)已制定法規，使ABS成為汽車的標準設備。

配備ABS的制動系統已經成為現代汽車控制系統的基本組成部分，對提高車輛安全性和整車性能起著越來越大的作用。而科學家仍在不停地進行新的探索，尋求新的技術突破和發展。