汽車制動時的方向穩定性分析

陳嵐林 馬宗超 陳力

摘 要：基于車輪制動時的受力分析，得出了汽車制動跑偏與制動側滑產生的原因。結論表明：前軸左右輪制動力之差、后軸左右輪制動力之差、前后車輪抱死順序，均會對汽車制動時的方向穩定性產生很大影響。

關鍵詞：制動跑偏;制動側滑;轉向能力

汽車在制動過程中的方向穩定性，是指汽車在制動過程中保持直線或在預定曲線上行駛的能力。在測試中，往往會規定一定寬度的測試通道（如1.5倍車寬或3.7m），制動時方向穩定性合格的車輛，在試驗過程中，為減少不可控因素的影響，不允許離開試驗通道。汽車制動的方向不穩定現象主要表現為制動跑偏、制動側滑和前輪失去轉向能力，這是車輛失去控制、偏離原行駛方向，從而造成交通事故的重要原因。資料顯示，人類傷亡的交通事故中約有1/3與濕滑路面側滑有關，70%～80%與冰雪路面側滑有關，50%與制動側滑有關。

1制動跑偏的產生原因

制動時，原本預計直線行駛的汽車自動轉向左側或右側，稱為制動偏差。制動跑偏的主要原因是制動力增加不一致，汽車左右輪制動力不相等，尤其是前軸左右輪（轉向輪）。這通常是制造和調整誤差造成的，要看具體情況具體分析。

圖1 顯示了轉向軸左右輪制動力不相等導致的偏差的受力分析。為了簡化，假設車速低，跑偏不嚴重，跑偏過程中方向盤不動;制動過程中沒有側滑，汽車做圓周運動時忽略了車身質心周圍的離心力和慣性矩。

設前左輪的制動器制動力大于前右輪，故地面制動力Fx11>Fx1r。此時，前、后軸分別受到的地面側向反作用力為FY1和FY2。顯然，Fx11繞主銷的力矩大于Fx1r繞主銷的力矩。雖然轉向盤不動，但由于轉向系各處的間隙及零部件的彈性變形，偏偏產生一向左轉動的角度而使汽車有輕微的轉彎行駛，即跑偏。同時，由于主銷有后傾，也使FY1對轉向輪產生一同方向的偏轉力矩，這樣也增大了向左轉動的角度。

試驗表明，前軸左右輪制動力差超過5%，后輪軸左右輪制動力差超過10%，會造成制動偏差。制動偏差隨著左右車輪制動力的差異而增加，并在車輪抱死時增加。如果左右車輪主銷內傾角不相等，即使制動力相等，也會跑偏到主銷內傾角較小的一側。為了防止車輛跑偏，在用制動力法測試車輛制動效率時，提出了左右輪制動器動力平衡的要求。此外，懸架導向桿系統和轉向系拉桿的不協調運動，也會導致車輛跑偏。

2制動側滑的產生原因

側滑是指汽車在制動過程中某一個或兩個軸發生橫向運動。側滑與跑偏有關，嚴重的跑偏在特定條件下會導致后軸的側滑，而容易發生側滑的汽車也往往會加重跑偏。

制動時發生側滑，特別是后軸側滑，會導致汽車偏轉，在嚴重的情況下，它可以使汽車掉頭，特別是高速制動時，后軸側滑最危險。制動時，如果后輪在前輪之前抱死，后軸很容易打滑;若前后輪同時抱死，或前輪先抱死，后輪再抱死或未抱死，可防止后軸打滑。但是，前輪寶死后會失去轉向能力。

制動側滑試驗表明，在制動過程中，如果僅前輪抱死，車輛基本沿直線減速，車輛處于穩定狀態，但車輛將失去轉向能力;如果后輪先于前輪抱死（例如， 抱死時間提前0.55秒以上），并且汽車速度超過一定值（如48 km/h）測試速度，只要有一個輕微的側向力，后軸就會發生側滑。側滑的程度與地面平整度、制動距離、制動時間成正比。

2.1側滑的條件

制動過程中車輪側滑的受力情況如圖2 所示。

該輪所受垂直載荷為W，地面垂直反力為F，制動器摩擦力矩為Tμ，所產生的地面制動力為FXb，由于側向風、道路橫坡引起的側向力及轉彎時離心力的作用，車輪上產生側向力Fr，相應的地面側向反力為Y。

FXb及Y的合力為R，顯然，當R=Rzψ（車輪和地面的附著力）時，將產生側滑。在地面制動力FXb的作用下，不產生側滑所承受的側向力為：

上式表明，汽車抵抗側滑的能力與作用在車輪上的地面制動力和法向力有關。當地面制動力與車輪和地面的附著力相等時，即FXb=Fzψ時，即使是微小的側向力都將引起車輪的側向滑移。

2.2側滑時的運動

圖3顯示了汽車側滑時的運動。圖3a為汽車前軸在側滑時的運動示意圖，當汽車直線行駛制動時，如果前輪抱死，后輪滾動，前軸在側向力的作用下會發生側滑。汽車前軸中點處的速度矢量會偏離汽車的縱軸，其夾角為α。后軸中點的速度矢量uB保持不變。當汽車轉彎時，其瞬時轉彎中心是速度uA和uB與兩條垂直線的交點0，相當于繞O做圓周運動，所產生的離心慣性力為Fj，其作用總是起到抵消側向力、減少側滑的作用，一旦側向力消失，Fj具有自動對準汽車的功能。因此，在汽車前進過程中，僅前軸抱死引起的側滑對方向變化影響不大。

圖3b為汽車后輪抱死、前輪滾動時后軸運動示意圖。如果后軸在側向力作用下發生側滑，側滑方向與慣性力Fj的方向基本一致，此時慣性力會使后軸側滑加劇，后軸的進一步側滑又將促進了慣性力的增加。如果這種情況繼續下去，汽車就會出現甩尾，甚至掉頭的情況。發生側滑時，駕駛員往往來不及反應，即使采用放松制動踏板的措施，一般也不可能恢復對汽車的控制。如駕駛員還有反應時間，可在后軸側滑方向適度轉動方向盤，以增大轉彎半徑，減小慣性力。車速越高，離心力越大，側滑就越快。因此，在高等級公路上行駛應盡量減少不必要的制動。

2.3前輪失去轉向能力

前輪失去轉向能力，是指汽車在制動時不再按照原曲線道路行駛，而是沿曲線切線方向行駛，或者在制動時雖然轉動方向盤，但仍在直線方向行駛的現象。

汽車制動時，隨著車輪滑動率的增加，側向附著系數降低，汽車的轉向能力也隨之降低。只有前輪抱死或前輪先抱死時，由于側向附著系數為零，在地面上不再產生側向反作用力，汽車才無法按方向盤給定的方向行駛，失去轉向能力。

3結語

從保證汽車方向穩定性的角度出發，調整車輪制動力時，前軸左右制動力差不應超過5%，后軸左右制動力差不應超過10%。車輛行駛時，不能出現只有后軸車輪抱死或后軸車輪比前軸車輪先抱死的情況，以防止后軸打滑;其次，盡量減少只有前輪抱死或者前后輪都抱死的情況，以保持汽車的轉向能力。最理想的情況是，避免任何車輪抱死，以保證制動時的方向穩定性。

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