ABS汽車制動距離分析與計算

喬宗貴 張玉祿

摘 要：運用功能概念，對汽車防抱死制動系統(tǒng)（ABS）的作用及ABS汽車的緊急制動過程進行了分析，報據(jù)功能原理。提出了ABS汽車在平路、上坡、下坡3種不同道路上制動距離的計算方法和公式。分析表明：ABS能防止車輪被制動抱死。提高汽車制動時的方向穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向操縱能力;ABS汽車在滑動率為15～20時獲得最大制動力系數(shù)。制動距離最短。汽車總質(zhì)量與制動距離無直接關(guān)系。計算方法和結(jié)果適合各種ABS汽車。在汽車制動性能分析和公路交通安全分析方面具有實用性。

關(guān)鍵詞：汽車工程;ABS汽車;制動距離;功能原理;計算方法

ABS汽車是指裝有防抱死制動系統(tǒng)（Antilock Braking System）的汽車，簡稱ABS汽車。汽車制動距離是指對行駛中的汽車實施緊急制動，從踏制動踏板開始到完全停車為止，汽車所駛過的路程。即汽車需要緊急停車時，其行車制動系所能實現(xiàn)的最小停車行程。它與行車安全有直接關(guān)系，在汽車制動中最有直觀意義，是評價汽車制動性能的重要指標，歷來是交通和交警部門驗車的主要檢測項目。在一定的條件下，汽車制動距離具有一定的理論計算數(shù)值。ABS汽車在制動時其前后車輪都處于邊滾邊滑狀態(tài)，其制動距離如何計算呢？筆者先分析ABS的作用和ABS汽車的制動過程，然后根據(jù)功能原理，建立其制動距離的計算方法和公式。

1 ABS的作用分析

汽車在制動過程中：如果只是前輪“抱死”滑移，而后輪還有滾動，汽車將喪失轉(zhuǎn)向能力;如果只是后輪“抱死”滑移，而前輪還有滾動，汽車將產(chǎn)生甩尾現(xiàn)象;當所有承載車輪同時抱死滑移時，在直路上容易產(chǎn)生側(cè)滑，甚至掉頭，在彎路上不能轉(zhuǎn)向。這些都極易造成嚴重的交通事故。因此在制動過程中，首先不能出現(xiàn)只有后軸車輪抱死或后軸車輪比前軸車輪先抱死的情況，以保證汽車方向穩(wěn)定性，防止危險的后軸側(cè)滑;其次盡量少出現(xiàn)只有前軸車輪抱死的情況，以維持汽車的轉(zhuǎn)向能力;最理想的情況是制動力矩不增加到將任何車輪完全抱死滑移，而保持前后車輪恰到好處地邊滾邊滑，直到停車，這樣就可以確保汽車制動時的方向穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向操縱能力。ABS就是為了這個目的而研制的一種安全制動裝置。它在制動過程中能控制車輪滑動率，防止車輪被制動抱死，提高汽車的方向穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向操縱能力。根據(jù)摩擦學中靜摩擦因素大于動摩擦因素的原理，ABS還能提高路面制動力，縮短汽車制動距離。在汽車制動過程中，若令路面制動力與垂直載荷之比為制動力系數(shù)，其值不僅與路面和輪胎的材料及狀態(tài)有關(guān)，還與它們之間的滑動率有關(guān)：當S=100時，輪胎對路面是完全滑移的動摩擦因素，制動力系數(shù)稱為滑動附著系數(shù);當S=15～20時，輪胎對路面是臨界滑移的靜摩擦因素，由試驗可知，此時制動力系數(shù)會出現(xiàn)最大值，稱為峰值附著系數(shù)伽，此時路面制動力也相應(yīng)最大，同等條件下制動距離最短;當小于15時，輪胎與路面是無滑動的靜摩擦，制動力系數(shù)小于，且只與制動器的制動力有關(guān)。由于ABS汽車制動時前后車輪在路面上是邊滾邊滑，輪胎的摩擦和散熱條件改善，使用壽命延長;對于雨水和泥濘路面，還可減少輪胎楔水和滑水現(xiàn)象。總之，ABS能多方面改善汽車制動條件。理想的ABS應(yīng)促使各承載車輪的滑動率同步增大，并能控制其最大滑動率，讓每個車輪均能利用峰值附著系數(shù)，做到既保障汽車制動時方向穩(wěn)定，又實現(xiàn)制動距離最短。目前在某些轎車、大客車和重型貨車上已裝備了ABS。事實上所有汽車都可以裝配ABS，使其制動性更好，行車更安全。

2 ABS汽車制動過程分析

ABS汽車在緊急制動前具有很大的慣性動能，其整體具有平動動能，車輪和其它轉(zhuǎn)動部件，由于繞定軸轉(zhuǎn)動，不僅具有平動動能，本身還有轉(zhuǎn)動動能。制動過程中：汽車平動動能必須靠外力消耗，而其轉(zhuǎn)動動能主要是由自身不轉(zhuǎn)動的制動摩擦片吸收（制動蹄上摩擦片對制動鼓的摩擦力做功產(chǎn)生熱能，小部分克服滾動動能，剩下的大部分用來平衡路面制動力，控制車輪滑動率）。汽車前進方向所受的外力主要是路面摩擦阻力，上下坡時還有重力沿坡面方向的下滑力，它們在制動距離上所做功的代數(shù)和等于汽車制動前所具有的平動動能。ABS汽車在制動全過程都存在滾動，車輪滾動時有滾動阻力和前輪前束阻力，汽車前進時有空氣阻力，它們都對制動有利，但隨機性大，難以有效表達，且影響較小。為了簡便，計算時暫不計入。

3 下坡制動距離計算方法

ABS汽車下坡制動時，道路摩擦阻力與汽車下滑力兩者之差在制動距離上所做的功等于汽車制動前所具有的平動動能。同理可得：汽車在t1和t2時間內(nèi)功能原理方程和下坡總制動距離Sd（m）分別為：

式（1）-式（3）中：vd0為上坡制動初速度（km/h），但式（1）、（2）中為m/s）;vd1為t1階段末速度（m/s）;Sd1和Sd2分別為t1和t2時間內(nèi)下坡制動距離。根據(jù)不同參數(shù)值，按式（3）計算汽車相應(yīng)的下坡總制動距離Sd如表1。

4 結(jié)語與討論

由以上分析可知：ABS汽車制動前具有的慣性動能，制動中所受的外部阻力和所經(jīng)歷的制動過程雖與同時抱死制動汽車無本質(zhì)區(qū)別，但在持續(xù)制動階段，增加了路面阻力系數(shù)與車輪滑動率S有關(guān)的因素;并非所有ABS汽車都能縮短制動距離，只有當持續(xù)制動階段車輪滑動率為15～20，可取峰值附著系數(shù)紛時，同等條件下路面摩擦阻力最大，其制動距離才最短。計算方法表明：ABS汽車制動距離與制動初速度的二次函數(shù)成正比，與路面阻力系數(shù)成反比，同時與制動力增加時間和道路坡度有關(guān);與汽車總質(zhì)量無直接聯(lián)系，該方法適用各種汽車。ABS汽車制動距離分析與計算可為汽車制動系統(tǒng)設(shè)計提供理論依據(jù)。其計算方法和結(jié)果可供汽車制動性能分析和公路交通安全分析參考。