汽車防抱死制動系統對制動距離的影響

孫建濤,劉浪,崔洋

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

近年來 ，中國汽車保有量不斷增加，但道路交通死亡人數一直在下降。汽車保有量從1995年的0.1億臺升到2012年的1.2億臺，增長了12倍；但交通事故數從27萬起降低到20萬起，降低了26%。這不僅是由于道路限速和禁止酒駕等法律規定，同時也與汽車防抱死制動系統ABS安裝普及率息息相關，大大提高了主動安全性。

發生事故時，被動安全系統通過使用諸如側面碰撞保護、安全帶預緊器和安全氣囊等系統來保護乘客，并減少事故的后果，而主動安全系統則可防止和避免事故的發生：防止發生或降低撞擊速度。

主動安全最重要的方面之一是通過優化制動和制動距離性能來預防事故。

1 ABS對車輪滑移率的影響分析

ABS在汽車制動時，根據車輪滑移率自動調節制動器的壓力和制動力的大小，使車輪不被抱死，處于邊滾邊滑的狀態最佳，以充分利用車輪與地面的附著力。ABS具有縮短制動距離、保持制動時可轉向性、增強制動時車身穩定性三大作用。

ABS對車輪滑移率的控制，基礎是對制動器制動力的控制。根據BOSCH在1978年發表的關于滑移率的基本算法以及車輪動力學，可知車輪的制動力矩取決于輪胎和地面的附著系數，而附著系數主要與輪胎的效率有關。車輪滑移率在制動情況下定義為：

λ=(v-ωR)/v

式中：λ為車輪滑移率;v為車速;ω為車輪角速度;R為輪胎滾動半徑。

當車輪滑移率為1時，車輪角速度為0，處于抱死純滑動狀態;當車輪滑移率為0時，車輪處于純滾動狀態[2]。根據車輪滑移率與路面附著系數的關系，當車輪滑移率在一定范圍內，能達到輪胎附著系數的最大值，即車輛能達到最大的制動減速度。

1.1 車輪附著系數與滑移率占比關系

最佳的制動距離通過輪胎達到最大的路面附著系數來實現。 除絕對制動距離外，滑動直方圖是可以評估ABS控制器控制質量的一種方法。 圖1顯示了在干瀝青路面以0～100 km/h的制動作用下，通過穩定的ABS控制在10～80 km/h的主減速階段中車輪滑移率的變化，通過測試得到輪胎滑移率和附著系數曲線，并對各滑移率占比進行統計。

圖1 車輪附著系數與滑移率占比的變化曲線

由圖可知，在最大可傳遞縱向力的范圍內，滑移率占比越多，ABS控制器在制動過程中對輪胎潛力的利用就越好，而ABS的質量就越好，同等條件下，能得到最優的制動距離。

1.2 不同路面的車輪滑移率與附著系數關系

當駕駛員開始制動時，隨著制動力矩增加，制動器力矩也隨著增加，車輪角速度開始下降，車輪滑移率也開始上升，由圖2的輪胎特性可以看出：隨著滑移率的上升，附著系數也開始上升[3]。在達到最大峰值附著系數以前，車輪處于穩定的區域內，這時制動器制動力與地面附著力達到平衡，制動器制動力與地面的附著力成正比。

圖2 不同路面的車輪滑移率與附著系數關系

1.3 車輪橫向和縱向附著系數關系

在比較濕滑的路面上全力制動時，制動器制動力則要超過地面最大附著力，這時，如果制動器制動力不能及時減小時，車輪則完全處于輪胎特性曲線的不穩定區域，車輪會很快抱死。在高速濕滑路面上制動抱死時，路面附著系數會大大小于峰值處的附著系數，這樣車輪制動力大大減小。而在轉彎情況下，抱死車輪會使輪胎橫向力迅速減小，如圖3所示，這樣車輪的穩定性很容易喪失。

圖3 車輪縱向和橫向附著系數關系

2 ABS控制原理

ABS的主要任務是確保輪胎在最佳滑移范圍內以最大的縱向制動力傳遞，以確保ABS制動距離性能，以及可以在各種輪胎以及具有不同摩擦因數表面上的最佳滑移范圍內實現車輪的穩健調節[4]，從而可以在最佳附著力附近敏感地調節車輪打滑。ABS控制器不僅需要保證在均勻的路面條件下實現最佳的制動距離，還應在不同條件變化的情況下，保證最短的制動距離，需要考慮的路面變化和路面狀況包括：凸起和凹坑，路面不平整，礫石，摩擦因數的變化以及車輪兩側的不同摩擦因數。 車輛造成的影響包括：例如改變制動摩擦因數，輪胎的溫度特性，車輛的負載狀況，駕駛員對制動系統的不同應用(起始坡度、作用力)，ABS控制器可以滿足車重在一定范圍的變化，并能很好地適應制動系統的要求。此外，ABS控制邏輯還包括確保轉彎時在穩定性和減速之間取得最佳平衡的功能。

圖4顯示了ABS控制器的減速原理，控制器可以在不同的摩擦因數下利用各種輪胎的最佳附著力。

圖4 ABS控制器減速原理

ABS觸發后，后繼的ABS循環，在開始的增壓階段要有較小的增壓速率，因為這時車輪處于輪胎特性的穩定區域，有較大的縱向力和橫向力，要盡量使該運動保持久些，增壓速度應減小，但太小的增壓速率將會導致過長時間的增壓，使車輪處于較小的路面附著系數，導致制動距離增加，所以應有一個適當的增壓速度。當車輪由保壓變換為增壓時，第一次增壓要有適當的大小，這樣做可以使系統很快達到最佳附著系數90%左右。

如果在開始制動后，車輛的俯仰和制動扭矩的建立相互精確地協調，則可以通過將地面附著力逐漸增加到車輪的摩擦力，從而使輪胎的附著系數在最佳范圍內長時間調節，車輪在附著系數的穩定范圍內長時間運動。 如果輪胎能夠在接近制動后盡可能地長時間保持在附著系數的穩定范圍內運動，那么通過精細的ABS標定可以獲得最佳的制動距離，而無需考慮不斷變化的車輛影響和環境條件。然而，這種變化通常很難控制，無法在變化的條件下保證最佳的制動距離，比如在制動過程中，對于車輪俯仰過程中的制動力損失，會導致ABS控制難度加大，進而降低ABS的控制效率，給駕駛員產生的主觀感覺，即車輛的制動器被松開。

為了獲得在各路面的最佳制動距離，需要充分利用輪胎附著系數特性。除有足夠的制動器制動力獲得足夠的制動力矩外，ABS對輪胎滑移率的控制至關重要，為獲得最佳的制動距離，一般車輪滑移率控制在10%～20%之間。

有了ABS的電子控制，駕駛員不用擔心車輪的抱死狀態，所需要做的就是保持踩踏制動踏板，提供足夠的制動器制動力，使車輪快速達到ABS觸發條件，讓ABS系統接管，以便精確控制，達到最優的制動距離。

3 結束語

ABS作為制動系統重要的安全部件，自誕生以來對車輛的安全性能明顯提升，特別在縮短制動距離方面，樹立了安全的旗幟。通過配備ABS，無須駕駛員進行控制，ABS控制器會通過精細計算，精確對每一個車輪進行制動控制，保持每個車輪在最佳的滑移率范圍，最大限度地利用輪胎與地面的附著系數，進而盡可能地縮短制動距離，提升車輛的安全性能。