第二節 防抱死制動系統的基本原理

一、制動時車輪的受力分析

汽車只有受到與行駛方向相反的外力時，才能制動減速，直至停車。這個外力只能由地面和空氣提供，但由于空氣阻力相對較小，所以實際上外力是由地面提供的，稱之為地面制動力。地面制動力越大，制動減速度越大，制動距離也越短，所以地面制動力對汽車的制動性能具有決定性的影響。

1.地面制動力

汽車在良好路面上制動時，車輪受力如圖1-4所示。

地面制動力是使汽車制動而減速或停車的外力。它的產生源于制動力矩T_μ。在T_μ的作用下，地面反作用于車輪一個使汽車減速或停車的切向力。地面制動力的大小一方面取決于制動器內制動摩擦片與制動鼓（盤）間的摩擦力，另一方面受輪胎與地面的附著力的制約。

圖1-4 車輪在制動時的受力分析

2.制動器制動力

制動器制動力是為克服制動器摩擦力矩而在輪胎周緣所需施加的切向力，用符號F_μ表示。它等于把汽車架離地面，踩住制動踏板后，在輪胎周緣切線方向推動車輪直至它能轉動所需施加的力。公式表示為

式中 T_μ——車輪制動器摩擦力矩，單位為N·m；

r——車輪半徑，單位為m。

由上式可知，制動器制動力僅取決于制動器的摩擦力矩，即取決于制動器的形式、結構尺寸、制動器摩擦副的摩擦系數和車輪半徑，并與制動踏板力（制動系的液壓或空氣壓力）成正比。

3.地面制動力、制動器制動力與地面附著力的關系

汽車制動時，根據制動強度的不同，車輪的運動可簡單地考慮為減速滾動和抱死滑動兩種狀態。此時地面制動力、制動器制動力及地面附著力之間的關系如圖1-5所示。

1）車輪作減速滾動。當制動踏板力較小時，制動器摩擦力矩不大，地面制動力足以克服制動器摩擦力矩而使車輪維持滾動。顯然，車輪滾動時的地面制動力就等于制動器制動力，且隨著制動踏板力的增大而增大。

2）車輪抱死滑拖。當制動踏板力或制動系壓力上升到某一極限，地面制動力達到地面附著力時，車輪會抱死不轉而出現拖滑現象。制動踏板力或制動系壓力繼續增大，制動器制動力由于制動器摩擦力矩的增長按線性關系繼續增大。若作用在車輪上的法向載荷不變，則地面制動力達到地面附著力后不再增大。若要增大地面制動力，只能通過提高附著系數來實現。

由此可見，汽車的地面制動力首先取決于制動器制動力，同時又受地面附著條件的限制。所以只有汽車具有足夠的制動器制動力，同時又能提供高的地面附著力時，才能獲得足夠的地面制動力。

二、防抱死制動系統的功用

圖1-5 地面制動力、制動器制動力 與地面附著力的關系

由上述汽車理論可知，當制動器制動力大于輪胎-道路附著力（簡稱附著力）時，車輪就會抱死滑移。只有汽車具有足夠的制動器制動力，同時地面又能提供較大的附著力時，汽車才能獲得較好的制動效果。

汽車在制動時，除車輪旋轉平面的縱向附著力外，還有垂直于車輪旋轉平面的橫向附著力。縱向附著力決定汽車縱向運動，影響汽車的制動距離；橫向附著力決定汽車的橫向運動，影響汽車的方向穩定性和轉向控制能力。

電子控制防抱死制動系統的功用是在汽車制動過程中，自動調節車輪的制動力，防止車輪抱死滑移，從而獲得最佳制動性能（縮短制動距離、提高方向穩定性、增強轉向控制能力），減少交通事故。

三、車輪滑移率S及其影響因素

圖1-6 制動車輪受力分析

a）車輪滾動運動 b）車輪抱死滑移

當汽車勻速行駛時，實際車速v（即車輪中心的縱向速度）與車輪速度v_ω（即車輪滾動的圓周速度）相等，車輪在路面上的運動為純滾動運動，如圖1-6a所示。然而，在汽車實際運行過程中，當駕駛人踩下制動踏板后，在制動器摩擦力矩的作用下，車輪的角速度減小，實際車速與車輪速度之間就會產生一個速度差，輪胎與地面之間就會產生相對滑移，如圖1-6b所示。

輪胎滑移的程度用滑移率S來表示。車輪滑移率是指實際車速v與車輪速度v_ω之差同實際車速v的比率，其表達式為

式中 S——車輪滑移率；

v——車速（車輪中心縱向速度），單位為m/s；

v_ω——車輪速度（車輪瞬時圓周速度），單位為m/s；

r——車輪半徑，單位為m；

ω——車輪轉動角速度，單位為rad/s。

當v=v_ω時，滑移率S=0，車輪自由滾動。

當v_ω=0時，滑移率S=100%，車輪完全抱死滑移。

當v＞v_ω時，滑移率0＜S＜100%，車輪既滾動又滑移。滑移率越大，車輪滑移程度越大。

在制動過程中，車輪抱死滑移的根本原因是制動器制動力大于輪胎-道路附著力。因此影響車輪滑移率的因素包括以下幾個方面：

1）汽車載客人數或載物量。

2）前、后軸的載荷分布情況。

3）輪胎種類即輪胎與道路的附著狀況。

4）路面種類和路面狀況。

5）制動力大小及其增長速率。

四、車輪滑移率S與附著系數φ的關系

汽車縱向附著系數和側向附著系數對滑移率有很大影響。試驗證明，在地面附著條件差（例如冰雪路面）的情況下，由于道路附著力很小，使可以得到的最大地面制動力減小，因此在制動踏板力（或制動輪缸壓力）很小時，地面制動力就會達到最大附著力，車輪就會抱死滑移。附著系數與滑移率之間的關系如圖1-7所示。由圖可見：

1）附著系數取決于路面性質。一般說來，干燥路面附著系數大，潮濕路面附著系數小，冰雪路面附著系數更小。

2）在各種路面上，附著系數都隨滑移率的變化而變化。

3）在各種路面上，當滑移率為20%左右時，縱向附著系數最大，制動效果最好。

圖1-7 附著系數與滑移率的關系

（虛線與實線標注的上下順序一一對應）

縱向附著系數最大時的滑移率稱為理想滑移率或最佳滑移率。當滑移率超過理想滑移率時，縱向附著系數減小，產生的地面制動力隨之下降，制動距離將增長。滑移率大于理想滑移率的區域稱為非穩定制動區域或非穩定區，如圖1-8所示。

橫向附著系數是研究汽車行駛穩定性的重要指標之一。橫向附著系數越大，汽車制動時的方向穩定性和保持轉向控制的能力越強。滑移率為零時，橫向附著系數最大。隨著滑移率的增加，橫向附著系數逐漸減小。當車輪抱死時，橫向附著系數接近于零，汽車將失去方向穩定性和轉向控制能力，危害極大。如果前輪抱死，雖然汽車能沿直線向前行駛，但是失去轉向控制能力，由于前輪維持轉彎運動能力的橫向附著力喪失，汽車仍將按原行駛方向滑行，因此可能沖入其他車道與其他車輛相撞或沖出路面與障礙物相撞而發生惡性交通事故。如果后輪抱死，汽車的制動穩定性就會變差，抵抗橫向外力的能力很弱，后輪稍有外力（如側向風力）作用就會發生側滑（甩尾），甚至出現掉頭等危險現象。

圖1-8 干燥硬實路面上附著系數與滑移率的關系

綜上所述，為了獲得最佳制動性能，應將車輪滑移率控制在10%～30%范圍內。采用電子控制防抱死制動系統即可達到這一目的。