淺談商用車(chē)氣壓ABS 的設計匹配對制動(dòng)性能的影響論文
汽車(chē)的制動(dòng)性能是汽車(chē)的主要性能之一，直接關(guān)系到公路交通安全。重大的交通事故往往與制動(dòng)距離太長(cháng)、緊急制動(dòng)時(shí)發(fā)生側滑等息息相關(guān)。裝有防抱死系統的車(chē)輛能夠很好地保持車(chē)輛行駛的穩定性，有效避免緊急制動(dòng)時(shí)側滑情況的發(fā)生。然而，防抱死系統的合理匹配及在整車(chē)上的布置，以及其控制模式的選擇都對車(chē)輛制動(dòng)性能的影響至關(guān)重要。
1 布置型式與控制模式的影響
防抱死系統的布置型式和控制模式對其制動(dòng)性能和穩定性有至關(guān)重要的影響。規定，道路試驗中制動(dòng)系統的制動(dòng)性能是用在規定的條件下通過(guò)測量相應的初速度的條件下的制動(dòng)距離(S)和充分發(fā)出的平均減速度(MFDD)來(lái)確定�？蛰d和滿(mǎn)載車(chē)輛分別按照標準規定的試驗方法進(jìn)行試驗。在規定的車(chē)速下，各類(lèi)車(chē)輛的試驗結果必須達到規定的最低性能要求。制動(dòng)時(shí)汽車(chē)的方向穩定性一般稱(chēng)為汽車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中維持直線(xiàn)行駛或按預定彎道行駛的能力，主要表現在制動(dòng)跑偏、側滑和前輪失去轉向能力等。帶有防抱死制動(dòng)功能的制動(dòng)系統在制動(dòng)過(guò)程中能夠保持前輪的轉向能力，有效地避免后軸側滑。但不同布置型式及控制模式下的測試結果與標準規定值的差異是不一樣的。
商用車(chē)防抱死系統的常用布置型式主要有：4S/3M(4 個(gè)傳感器和3 個(gè)電磁閥); 4S/4M(4 個(gè)傳感器和4 個(gè)電磁閥); 6S/6M(6 個(gè)傳感器和6 個(gè)電磁閥)。根據車(chē)輛的車(chē)型配置來(lái)選擇相應的布置型式。對于驅動(dòng)型式為4×2 的車(chē)輛可以安裝4S/3M或4S/4M，其中4S/3M是指每一個(gè)車(chē)輪都安裝有車(chē)輪速度傳感器，但前橋只安裝1個(gè)電磁閥來(lái)同步地控制轉向橋的制動(dòng)氣室，后橋的兩個(gè)車(chē)輪則分別安裝2 個(gè)電磁閥分別控制左右兩個(gè)氣室。而4S/4M是指在前后橋分別安裝2 個(gè)傳感器和2 個(gè)電磁閥來(lái)分別控制每根軸上的左右兩個(gè)制動(dòng)氣室。對于6×4 或6×2 的車(chē)輛，可以安裝4S/4M或6S/6M的型式。目前我國市場(chǎng)上應用最多的是4S/4M和6S/6M的布置型式。
防抱死系統的主要控制模式有：車(chē)輪獨立控制(IR)、修正的前橋獨立控制(MIR)、修正的前橋控制(MAR)、可變的橋控(VAR)、修正的側向后橋控制(MSR)。對于4×2 或6×4 車(chē)輛裝用4S/4M的防抱死系統，從控制制動(dòng)氣室壓力的角度，每個(gè)車(chē)輪單獨控制(IR)是比較優(yōu)化的控制模式，這樣在同一附著(zhù)系數的路面上制動(dòng)時(shí)能夠獲得最大的制動(dòng)力;但如果車(chē)輛兩側的車(chē)輪在不同的附著(zhù)系數的路面(對開(kāi)路面)上制動(dòng)時(shí)，將會(huì )影響車(chē)輛的制動(dòng)穩定性。這是因為左右車(chē)輪的附著(zhù)系數存在較大的差異，從而造成左右車(chē)輪的制動(dòng)力不相等，特別是前軸左右車(chē)輪(轉向車(chē)輪)的制動(dòng)力不同會(huì )造成前輪失去轉向能力。
給出了轉向軸左、右車(chē)輪制動(dòng)力不相等而引起跑偏的受力分析示意圖。假設前左輪的制動(dòng)器制動(dòng)力大于前右輪，故地面制動(dòng)力Fx1l>Fx1r，此時(shí)，前后軸受到的地面側向反作用力分別為Fy1 和Fy2。顯然，Fx1l 繞主銷(xiāo)的力矩大于Fx1r 繞主銷(xiāo)的力矩，雖然轉向盤(pán)不動(dòng)，但是由于相關(guān)零部件的彈性變形，轉向輪仍產(chǎn)生一向左轉動(dòng)的角度使汽車(chē)有左轉彎行駛，即左跑偏的趨勢。另外，由于主銷(xiāo)的后傾，也使Fy1 對轉向輪產(chǎn)生一同方向的偏轉力矩，增大了向左轉動(dòng)的角度。即使裝有防抱死系統，如果采取每個(gè)車(chē)輪獨立的控制模式(IR)，在制動(dòng)過(guò)程中也不能完全避免車(chē)輛跑偏，無(wú)法保持車(chē)輛行駛的穩定性。
要解決車(chē)輛在對開(kāi)路面上制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)跑偏和失去行駛穩定性的問(wèn)題，最根本的解決方案是使轉向軸左、右車(chē)輪制動(dòng)力相等。防抱死系統的4S/3M的布置型式帶有修正的前橋控制(MAR)功能，或者是常說(shuō)的“低選原則”能夠保證車(chē)輛在制動(dòng)過(guò)程中轉向軸左、右輪有相同的制動(dòng)力，雖然解決了車(chē)輛的制動(dòng)跑偏問(wèn)題，但是車(chē)輛的制動(dòng)距離變長(cháng)了。另外，對于4S/3M的布置型式，可以選擇可變的橋控(VAR)，或者叫“高選原則”。該控制模式在對開(kāi)路面上制動(dòng)時(shí)，允許在低附著(zhù)系數路面上的車(chē)輪抱死，使在高附著(zhù)系數路面上的車(chē)輪有較大的制動(dòng)壓力，進(jìn)而縮短制動(dòng)距離，但是車(chē)輛的穩定性比較差。ECER13 和GB 13594 規定，轉向角的調整角度在對開(kāi)路面上制動(dòng)時(shí)，前2 s 轉向角的調整角度在120°以?xún)�，在整個(gè)過(guò)程中轉向角的調整角度不得超過(guò)240°，所以可變的橋控(VAR)的控制模式的參數設置必須根據車(chē)型的參數來(lái)確定，而且需要通過(guò)詳細的試驗驗證得到。
既要保持車(chē)輛的穩定性，又要減少車(chē)輛的制動(dòng)距離，只有最大限度地利用在高附路面上的地面制動(dòng)力的同時(shí)通過(guò)方向盤(pán)修正車(chē)輛的行駛方向。這樣最好的布置型式為4S/4M，并且前橋采用修正的獨立控制(MIR)。高低附著(zhù)路面的前后橋各參數變化情況可看出，增加了在高附路面的轉向車(chē)輪的壓力保持時(shí)間后，最大限度地利用了車(chē)輪制動(dòng)器的制動(dòng)力，至于在高附路面的車(chē)輪制動(dòng)壓力保持時(shí)間的長(cháng)短及制動(dòng)壓力的大小要通過(guò)方向盤(pán)的轉向角度及整車(chē)的運動(dòng)狀態(tài)來(lái)判斷。所以，必須通過(guò)大量的試驗來(lái)驗證，最終達到理想的控制狀態(tài)。
2 安裝技術(shù)匹配的影響
2.1 齒圈及傳感器安裝的技術(shù)匹配
前橋和后橋齒圈與輪胎周長(cháng)之間的關(guān)系應相同或在一定的公差范圍內。在齒圈的齒數計算匹配過(guò)程中，如果沒(méi)有任何特殊的參數設置，ECU 調節允許的動(dòng)態(tài)輪胎周長(cháng)/ 齒數數目的比率范圍設定在27.4~36.8 mm/齒之間，標準值為32 mm/ 齒。故在匹配防抱死系統時(shí)，要根據輪胎的動(dòng)態(tài)滾動(dòng)周長(cháng)精確地選擇齒圈的齒數。
固定在橋上的輪速傳感器與安裝在輪轂上并與車(chē)輪一起運動(dòng)的齒圈相對運動(dòng)，產(chǎn)生了頻率與輪速成比例的信號。由于車(chē)輛的參考車(chē)速是由對角線(xiàn)車(chē)輪速度決定的，所以，傳感器的安裝要符合規定的技術(shù)條件，齒圈和傳感器的最小間隙要小于0.7 mm，最大電壓與最小電壓之比要小于等于2。輪速傳感器包括一個(gè)永久磁鐵、磁芯和線(xiàn)圈，齒圈的旋轉運動(dòng)切割磁力線(xiàn)，產(chǎn)生交變的信號輸入ECU(控制單元)，ECU 根據輸入的輪速信號計算出車(chē)輪的“滑移率λ”，并根據車(chē)輪的“滑移率λ”來(lái)控制車(chē)輪制動(dòng)氣室的壓力。
滑移率的計算公式：λ=(Vf - Vr)/Vf ×100%
式中：Vf 為車(chē)輛的參考速度;Vr 為車(chē)輪的速度。如果齒圈的匹配齒數超出了規定的值或偏差比較大，或者傳感器的安裝不能滿(mǎn)足要求，防抱死系統的控制參數“滑移率λ”將不能準確地被ECU計算出來(lái)。這種情況下無(wú)論在何種路面上制動(dòng)，車(chē)輛都將出現車(chē)輪脫滑、抱死等現象，使車(chē)輛的制動(dòng)距離變長(cháng)，制動(dòng)穩定性變差。
2.2 電磁閥與制動(dòng)氣室的安裝匹配
防抱死系統電磁閥的作用為在防抱死系統工作時(shí)為制動(dòng)氣室充氣、排氣和實(shí)現壓力保持[7]。如果沒(méi)有主動(dòng)控制，輸入的壓力只是由此經(jīng)過(guò)。在主動(dòng)控制過(guò)程中，它根據車(chē)輪的狀態(tài)為制動(dòng)氣室充氣、排氣和實(shí)現壓力保持。在防抱死工作的過(guò)程中，電磁閥的充氣過(guò)程和排氣過(guò)程是成梯度的增加和減少的，工作頻率非常的高。為保證防抱死系統的工作性能減少對制動(dòng)系統和穩定性的影響，所以安裝匹配應滿(mǎn)足壓力梯度的要求：在制動(dòng)系統達到切斷壓力情況下，僅促動(dòng)電磁閥，測量到的2~5 bar 之間的壓力增加時(shí)，前橋電磁閥的壓力梯度范圍在30~45 bar/sec 之內、后橋電磁閥的壓力梯度范圍在25~40 bar/sec 之內;測量到的5~2 bar 之間的壓力降低時(shí)，前橋電磁閥的壓力梯度在35~45 bar/sec 之內、后橋電磁閥的壓力梯度范圍在25~45 bar/sec 之內。
電磁閥本身的故障率極低，出現壓力梯度不滿(mǎn)足的主要原因是由于制動(dòng)器本身回位慢或者說(shuō)制動(dòng)器的機械響應頻率低。因為不帶防抱死系統緊急制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)氣室推桿及制動(dòng)蹄是相對不動(dòng)的，帶有防抱死系統后的整個(gè)制動(dòng)過(guò)程為動(dòng)態(tài)，所以響應不及時(shí)會(huì )造成不滿(mǎn)足壓力梯度要求，制動(dòng)時(shí)將出現車(chē)輪斷續的拖印或制動(dòng)鼓發(fā)熱或制動(dòng)跑偏，加速了制動(dòng)器的衰退，嚴重影響車(chē)輛的制動(dòng)性能和制動(dòng)時(shí)的方向穩定性。改善制動(dòng)器回位的方法有很多種，最主要的解決方式是加強制動(dòng)氣室回位彈簧的回位力。另外，氣制動(dòng)管路布置不合理也會(huì )造成壓力梯度不滿(mǎn)足要求。在布置上電磁閥與制動(dòng)氣室之間的管路要盡量短，同時(shí)盡量避免直角管接頭的使用，以保證管路順暢。
2.3 與防抱死系統相匹配的制動(dòng)器型式
決定汽車(chē)制動(dòng)距離的主要因素是：制動(dòng)器起作用的時(shí)間、最大制動(dòng)減速度以及制動(dòng)初速度，而真正使汽車(chē)減速停車(chē)的是制動(dòng)器的持續作用時(shí)間。減小制動(dòng)器持續作用的時(shí)間最有效的方式為最大限度地利用輪胎和路面之間的附著(zhù)系數及增大摩擦副的摩擦因數，同時(shí)還要保證隨著(zhù)制動(dòng)時(shí)間的增大，制動(dòng)器在溫度上升的過(guò)程中不應出現熱衰退或在高強度的制動(dòng)時(shí)，摩擦材料的摩擦系數雖有下降，但對制動(dòng)效能影響不大。
常用制動(dòng)性能因數與摩擦系數的關(guān)系曲線(xiàn)來(lái)說(shuō)明不同類(lèi)型制動(dòng)器的制動(dòng)效能及其穩定程度。隨著(zhù)制動(dòng)次數的增加，盤(pán)式制動(dòng)器和鼓式制動(dòng)器的溫度變化和輸出的扭矩的變化�？梢钥闯�，對于鼓式制動(dòng)器，摩擦系數的微小改變能引起制動(dòng)效能大幅變化，所以其制動(dòng)穩定性差，而且熱衰退比較大;而盤(pán)式制動(dòng)器的制動(dòng)效能沒(méi)有鼓式制動(dòng)器大，但其制動(dòng)穩定性好，且響應時(shí)間短。所以如果制動(dòng)系統為盤(pán)式制動(dòng)器，防抱死系統能夠控制“滑移率λ”的門(mén)限值更小，制動(dòng)過(guò)程中能夠最大限度地利用輪胎和路面之間的附著(zhù)系數，而且制動(dòng)過(guò)程中熱衰退比較小，能有效地減少制動(dòng)器持續起作用的時(shí)間。
3 結束語(yǔ)
防抱死系統在車(chē)輛上的布置型式和控制模式的不同，其性能、成本也隨之不同。因此，要根據車(chē)輛的配置參數來(lái)合理安裝和選用防抱死系統。在選定布置型式和控制模式的基礎上，防抱死系統的安裝技術(shù)匹配必須予以重視，以最大限度地改善汽車(chē)在制動(dòng)時(shí)的效能與方向穩定性。
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