制动时汽车的方向稳定性.doc

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制动时汽车的方向稳定性

在对汽车实施制动过程中，有时会出现制动跑偏、后轴侧滑或前轮失去转向能力等现象，从而造成汽车失去控制而离开原来的行驶方向，甚至发生撞入对方车辆行驶轨道、下沟、滑下山坡的危险情况。

一般称汽车在制动过程中维持直线行驶或按预定弯道行驶的能力为制动时汽车的方向稳定性。

制动跑偏是指制动时汽车自动向左或向右偏驶的现象。

制动侧滑是指制动时汽车的某一轴或两轴发生横向移动的现象。

最危险的情况是在高速制动时发生后轴侧滑，此时汽车常发生不规则的急剧回转运动而失去控制。

跑偏与侧滑是有联系的，严重的跑偏有时会引起后轴侧滑，易于发生侧滑的汽车也有时加剧跑偏的趋势。

图[1]画出了单纯制动跑偏和由跑偏引起后轴侧滑时轮胎留在地面上的印迹的示意图。

前轮失去转向能力，是指弯道制动时汽车不再按原来的弯道行驶而沿弯道切线方向驶出；直线行驶制动时，虽然转向盘但汽车仍按直线方向行驶的现象。

失去转向能力和后轴侧滑也是有联系的，一般如果汽车后轴不会侧滑，前轮就可能失去转向能力；后轴侧滑，前轮常仍有转向能力（后面将做具体分析）。

一、汽车的制动跑偏

制动时汽车跑偏的原因有两个：

1）汽车左、右轮，特别是前轴左、右车轮（转向轮）制动器的制动力不相等。

2）制动时悬架导向杆系与转向杆系拉杆在运动学上的不协调（相互干涉）。

其中，第一原因是制造、调整误差造成的，汽车究竟向左或向右跑偏，要根据具体情况而定；而第二个原因是设计造成的，制动时汽车总是向左（或向右）一方跑偏。

图[2]给出了由于转向轴左、右车轮制动力不相等而引起跑偏的受力分析。

为了简化，假定车速较低，跑偏不严重，且跑偏过程中转向盘是不动的，在制动过程中也没有发生侧滑，并忽略汽车做圆周运动产生的离心力及车身绕质心的惯性力偶矩。

设前左轮的制动器制动力大于右轮，故地面制动力FX1l>FX1r时，前、后轴分别受到的地面侧向反作用力为FY1和FY2。

显然，FX1l绕主销的力矩大于FX1l绕主销的力矩。

虽然转向盘不动，由于转向系各处的间隙及零部件的弹性变形，转向轮仍产生一向左转动的角度而使汽车有轻微的转弯行驶，即跑偏。

同时，由于主销有后倾，也使FY1对转向轮产生一同方向的偏转力矩，这样也增大了向左转动的角度。

在轿车上做了专门的试验来观察左、右车轮制动力不相等的程度对制动跑偏的影响：

试验车的前轴左、右车轮制动泵装有可以调节液压的限压阀，以产生不同的制动器制动力。

后轴上也装有一个可调节的限压阀，以改变前、后轴制动力之比，使汽车在制动时产生后轴车轮抱死与不抱死两种工况：

转向盘可以锁住。

左、右车轮制动力之差用不相等度表示，即

式中，Fb为大的制动器制动力；Fl为小的制动器制动力。

试验的结果用车身横向位移和汽车的航向角来表示。

航向角为制动时汽车纵轴线与原定行驶方向的夹角。

试验结果示于图[3]和图[4]。

。

由图可见，制动跑偏随着的增加而增大；当后轮抱死时，跑偏的程度加大。

造成左右转向轮制动力不等的原因主要有：

1）同轴两侧车轮的制动蹄片接触情况不同。

2）同轴两侧车轮制动蹄、鼓间隙不一致。

3）同轴两侧车轮的胎压不一致或胎面磨损不均。

4）前轮定位参数失准。

5）左右轴距不等。

造成跑偏的第二个原因是悬架导向杆系与转向系拉杆发生运动干涉，且跑偏的方向不变。

例如一试制中的货车，在紧急制动时总是向右跑偏，在车速30km/h时，最严重的跑偏距离为1.7m。

分析原因主要是转向节上节臂处的球头销离前轴中心线太高，且悬架钢板弹簧的刚度又太小造成的。

图[5]给出了该货车的前部简图。

在紧急制动时，前轴向前扭转了一个角度，转向节臂球头销本应相应的移动，但由于球头销又连接在转向纵拉杆上，仅能克服转向拉杆的间隙，使拉杆有少许弹性变形而不允许球头销作相应的移动，致使转向节臂相对于主销作向右的偏转，于是引起转向轮向右转动，造成汽车跑偏。

后来改进了设计，使转向节上节臂处球头销的位置下移，在前钢板弹簧扭转相同角度时，球头销位移量减少，转向节偏转也减少；同时增加了前钢板弹簧的刚度，从而基本上消除了跑偏现象。

二、制动时后轴侧滑与前轴转向能力的丧失

制动时发生侧滑，特别时后轴侧滑，将引起汽车剧烈的回转运动，严重时可使汽车调头。

由试验与理论分析得知，制动时若后轴车轮先抱死托滑，就可能发生后轴侧滑。

若能使前、后轴车轮同时抱死或前轴车轮先抱死，后轴车轮再抱死或不抱死，则能防止后轴侧滑。

不过前轴车轮抱死后将失去转向能力。

下述直线行驶制动试验可以清楚地看到这些结论。

试验是在一条一侧有2.5%的横向坡（设定正向行驶时左侧为坡下）的平直混凝土路面上进行的。

为了降低附着系数使之容易发生侧滑，在地面上洒了水。

试验用的轿车有个调节各自车轮制动器液压的装置，以控制每根车轴的制动力，达到改变前、后车轮抱死托滑次序的目的。

调节装置甚至可使车轮制动器液压为零，即在制动时时该车轮根本不制动。

下面给出四项试验结果：

（1）前轮无制动力而后轮有足够的制动力试验结果如图[6]曲线A所示。

曲线A说明，随着车速提高，侧滑的程度更加剧烈。

车速在48km/h，汽车纵轴与行驶方向的夹角（航向角）可达180度。

（2）后轮无制动力而前轮有足够的制动力试验结果如图[6]曲线B所示。

由图可知，即使车速达到65km/h，汽车的纵轴转角也不大，夹角的最大值只有10度，即汽车基本上维持直线行驶。

不过应当指出，前轴车轮抱死后，汽车将失去转向能力，若遇到障碍，只有放松制动踏板，才能绕开行驶。

（3）前、后车轮都有足够的制动力，但它们抱死托滑的次序和时间间隔不同试验时利用车上制动器液压调节器，可是前、后车轮在制动到抱死拖滑时有不同的先后次序和时间间隔。

以64.4km/h起始车速制动，若前轮比后轮先抱死拖滑（此时前轮丧失转向能力），或后轮比前轮先抱死且时间间隔在0.5s以内，则汽车基本上按直线行驶；若后来比前轮先抱死拖滑超过0.5s，则后轴将发生严重的侧滑。

（4）起始车速和附着系数的影响试验时还做了起始车速为48.2km/h及72.3km/h的制动。

试验表明，起始车速为48.2km/h时，即使后轮比前轮先抱死拖滑在0.5s以上，汽车纵轴线的转角也只有25度；起始车速为72.3km/h时，侧滑的情况与64.4km.h时一样。

这说明只有在起始车速超过48km/h时，后轴侧滑才成为一种危险侧滑。

为了查明附着系数对侧滑的影响，还在干燥路面上做了同样的试验。

试验时前轮无制动力，后轮可制动到抱死拖滑。

在干燥路面上的制动距离是湿路面的70%，就是说在湿路面上制动时的制动时间要长。

在干燥路面上，汽车纵轴转角比湿路面上要小。

每次试验还记录后轮开始拖滑的时间，在同样的时间内，干、湿路面的汽车纵轴转角相差不多。

可见，在低附着系数路面上制动，侧滑程度的增加主要是由于制动时间增加的缘故。

以上四项试验可以总结为两点：

1）制动过程中，若是只有前轮抱死或前轮先抱死拖滑，汽车基本上沿直线向前行驶（减速停车）；汽车处于稳定状态，但丧失转向能力。

2）若后轮比前轮提前一定时间（如对试验中的汽车为0.5s以上）先抱死拖滑，且车速超过某一数值（如试验中的汽车车速超过48km/h）时，汽车在轻微的侧向力作用下酒会发生侧滑。

路面越滑、制动距离和制动时间越长，后轴侧滑越剧烈。

下面从受力情况分析前轮抱死拖滑或后轮抱死拖滑的两种运动情况。

图[7]a所示为前轮抱死而后轮滚动。

设转向盘固定不动，汽车受到偶然并短暂的侧向外力作用后，前轴发生侧滑，因此前轴中点A的前进速度uA与汽车纵轴线的夹角为；后轴因未发生侧滑，所以uB的方向仍为汽车纵轴方向。

此时，汽车将发生类似转弯的运动，运动其瞬时回转中心为速度uA、uB两垂线的交点O；汽车作圆周运动时产生了作用于质心C的惯性力FJ。

显然，FJ的方向与汽车侧滑的方向相反，就是说FJ能起到减小或阻止前轴侧滑的作用，即汽车处于一种稳定状态。

图[7]b所示为后轮制动抱死而前轮滚动。

如有侧向力作用，后轴发生侧滑的方向正好与惯性力FJ的方向一致，于是惯性力加剧后轴侧滑；后轴侧滑又加剧惯性力FJ，汽车将急剧转动。

因此，后轴侧滑是一种不稳定、危险工况。

因此为了保证汽车制动时的方向稳定性，首先不能出现只有后轴车轮抱死或后轴车轮比前轴车轮先抱死的情况，以防止危险的后轴侧滑；其次尽量少出现只有前轴车轮抱死或前、后车轮都抱死的情况，以维持汽车的转向能力。

最理想的情况就是前、后车轮都处于滚动状态而不抱死，这样就可以确保制动时的方向稳定性。

目前汽车上普遍采用的防抱死制动系统（ABS）就基本上解决了制动时车轮的抱死问题

以上讨论了评价汽车制动性的三项指标，即制动效能、制动效能的恒定性以及制动汽车的方向稳定性，并分析了各种影响因素。

参考文献

[1]张文春汽车理论p105图5-11

[2]张文春汽车理论p106图5-12

[3]张文春汽车理论p106图5-13

[4]张文春汽车理论p107图5-14

[5]张文春汽车理论p107图5-15

[6]张文春汽车理论p108图5-16

[7]张文春汽车理论p109图5-17

结论：

（1）一般称汽车在制动过程中维持直线行驶或按预定弯道行驶的能力为制动时汽车的方向稳定性。

（2）制动跑偏是指制动时汽车自动向左或向右偏驶的现象。

制动侧滑是指制动时汽车的某一轴或两轴发生横向移动的现象。

（3）前轮失去转向能力，是指弯道制动时汽车不再按原来的弯道行驶而沿弯道切线方向驶出；直线行驶制动时，虽然转向盘但汽车仍按直线方向行驶的现象。

（4）造成跑偏的第二个原因是悬架导向杆系与转向系拉杆发生运动干涉，且跑偏的方向不变。

（5）制动过程中，若是只有前轮抱死或前轮先抱死拖滑，汽车基本上沿直线向前行驶（减速停车）；汽车处于稳定状态，但丧失转向能力。

（6）若后轮比前轮提前一定时间（如对试验中的汽车为0.5s以上）先抱死拖滑，且车速超过某一数值（如试验中的汽车车速超过48km/h）时，汽车在轻微的侧向力作用下酒会发生侧滑。