乘用车与轻型货车的制动系统设计外文翻译资料

英语原文共 31 页

乘用车与轻型货车的制动系统设计

引言

本章介绍了两轴车制动系统高水平设计的基本理论。这是在基本制动理论方面，最先进的汽车配置，包括乘用车、轻型货车和单人商用车(其中的公共汽车和卡车不包含拖车)。对于一些两轴以上的商用车，本文的分析仍然适用，假定力系统集中在一个“复合”轴上。分析结果符合联合国制动法规13和13H (联合国, 2014年3月和2014年2月)(第13条适用于商用车——包括轻型货车——和第13H条适用于乘用车和轻型货车;见第8章)，世界许多地区都采用了这一法规。在这些法规中，本文理论适用的车辆类别有：M1(本书称之为乘用车),M2和M3(公共汽车和旅客车厢),N1(货物车辆,类似于客车总体布局、质量最大不超过3.5吨,它们将在这本书中称为轻型货车),和商用车类别N 2和N3。拖车(O类)在第4章中进行了研究，主要集中于商用车辆和车辆/拖车组合。其他类别的车辆，L1-L5(两轮及三轮车辆)、I6及l7(四轮车)，以及T/C及R/S(农用拖拉机和轨道车)，虽然基本理论适用，但并没有明确提及。

关于汽车制动系统高水平设计的基本理论和分析基于“摩托车”模型，该模型是汽车的二维(2D)表示，假设在制动过程中，车轮不受侧向力。这里的分析不包括先进制动技术，如防抱死制动(ABS)和电子制动力分布(EBD)，这些都在第11章中涉及。这些技术的作用是在极端的操作和使用条件下，保证汽车控制的安全性，而不是弥补基础制动系统设计的不足。因此，本章的重点是设计一个良好的基础制动系统所需要的理论、知识和理解，然后可以结合制动相关安全技术进一步完善。

制动质量转移

汽车制动系统的主要功能是产生汽车的减速度。与这种减速度相关联的是与汽车及其部件的动态效应;最明显的是刹车时经常出现的“点头”现象，即车辆的车头会因为车轴之间的“质量转移”而下沉。动态效果分析基于ISO配置全局轴集(图3.1)，本章使用的符号和表示法基于联合国条例13和13H (UN, 2014年3月和2014年2月)所采用的命名法。在图3.1所示的汽车配置轴系中，车辆纵轴为X，横轴为Y，纵轴为Z。为了避免在本书中给出的公式中出现不必要的复杂情况，只在必要的情况下才使用定义力方向、挠度等的下标，如处于车轮道路接触面的纵向力和侧向力的综合作用时。

两轴汽车(乘用车)在动平衡状态下的受力图，如图3.2所示。这就是所谓的“摩托车”模型，在这个模型中，他施加在轮轴两端的力是相同的，也就是说，这是一个二维的表示，在这个模型中，两边的力没有差别。为进行道路车辆制动过程的全动态仿真，3D汽车模型是必需的,如多个自由度(自由度)模型包括纵向力、侧向力、俯仰力、侧倾力和横摆力。但这超出了这本书的范围，读者能在车辆动力学中看到。

图 3.1 汽车坐标系

图 3.2 制动条件下的二自由度道路车辆力系统 静态(a)和动态(b)

常用符号表

由图3.3可知，取后轮与路面瞬时接触点的力矩为:

图 3.3 在水平道路行驶的汽车，全轮制动无抱死时的二维模型，

静止时:

以 减速 ：

注意：

为前轮的静态法向反力，称为“重量转移”项，表示在制动过程中转移到前轴(本例中来自后轴)的额外法向反力。

相似地，在后轮：

在这种情况下，是后轮的静态法向反力，重量转移项为负，表示重力从后轴(转移到前桥)。这一分析忽略了汽车上的其他阻力，例如空气阻力和其他向下的力源，如空气下推力。

质量转移量取决于汽车减速度,所以当车辆不减速时(制动强度z=0),质量转移项为零。它还取决于两个车辆设计参数，即车辆重心在路面以上的高度(h)和轴距(E)，因此，一辆高而短的车辆在刹车时将比一辆长而低的车辆有更大的质量转移到前轮。车辆使用者可能会通过前弹簧额外的压缩变形注意到质量转移，即在刹车时车盖的倾角。悬架的设计可以结合防点头的几何结构，以减少倾角效应，但质量转移仍然存在。图3.4所示为空载情况下，按表3.1所载的设计规格计算出的一辆客车在刹车时的重量转移情况。“空载”条件通常包括驾驶员，通常被称为“仅驾驶员体重”，缩写DoW，而“负载”条件通常是指汽车的“汽车总重量”，缩写GVW。

图 3.4：制动重力传递对乘用车前后轮法向反力的影响(每轮)

表 3.1 : 乘用车设计规范范例

图 3.5 汽车在水平道路抱死拖滑

在车辆制动的正常情况下，每个车轮的制动器产生一个制动力矩。制动产生的制动力矩用轮胎/路面界面的制动力与车轮轮胎滚动半径的乘积来表示(见第6章，公式(6.1a))。如第6章所述，车辆的减速度和每个车轮上的制动力是由驾驶员的施力来决定(即他/她踩在刹车踏板上的力)。如果驾驶员施力足够大,制动转矩超过轮胎/道路反作用扭矩,轮胎抱死(停止旋转),如果所有的车轮都已抱死、开始拖滑，如图3.5所示，骑车会处于打滑条件并且其减速度只取决于在轮胎和路面之间的滑动摩擦系数。这显然是一种不可取的情况，原因有二:(a)车辆无法控制，(b)动能是通过轮胎/路面滑动摩擦耗散的，而不是通过刹车中的转子/定子滑动摩擦耗散的。轮胎的设计不是通过滑动摩擦来耗散动能的，如果发生拖滑，轮胎会很快过热并产生严重损坏。然而，基本的质量转移分析仍然适用，如下所示

由图3.5可知，此时骑车处于动态平衡状态，所有车轮处于抱死拖滑状态：

分析垂直方向受力：

牛顿第二定律：

轮胎/道路滑动摩擦：

因此，当全部车轮滑动时:

注意，是轮胎与路面之间的滑动摩擦系数。

在这种情况下，后桥的重力仍然会转移到前桥，即公式(3.1)e(3.3)仍然适用，即使车轮是抱死拖滑的。不同之处在于，使车辆减速的摩擦功是由路上的轮胎所做的，而不是像预期的那样由转子上的制动摩擦材料所做的。汽车减速时绝对不该处于车轮抱死拖滑的状态，因为驾驶员将无法对汽车进行方向控制，因此刹车系统必须设计去尽可能地避免车轮抱死。如前所述，欧洲和许多其他国家的现代道路车辆都安装了ABS和ESC，以确保车轮在刹车时不会抱死。然而，为了理解汽车制动系统的设计，有必要考虑当一个或多个轴上的车轮处于抱死状态时会发生什么情况。

参照图3.3，和定义了轮胎与路面垂直的法向动态接触力。这些力最终决定了可以通过轮胎传递到路面的车辆的总制动力，从而决定了车辆的减速度，为了实现这一点，必须设计制动系统使每个车轮上产生适当的制动力。这被称为车辆上的“制动力分配”。只有所有车轮的轮胎/道路附着力都被充分利用时，最大汽车减速度才能实现,并且这必须在法律和制造商标准的约束（如制动减速度和车轮抱死顺序）、物理约束（比如制动盘大小、车轮大小、空间包络线）和操作要求(如在所有轴上制动可接受的磨损)内实现。

在实际操作中，所有车辆在行驶过程中都会受到侧向力的作用。风、路面弯度和转弯会引入侧向力，影响轮轴两端轮胎与路面之间的接触力。因此，轮胎与路面之间的法向反力(接触力)不仅受到制动过程中纵向重力传递(沿x轴)的影响，还受到车辆绕x轴“侧倾”产生的横向重量传递的影响。图3.6所示的汽车正沿向读者行驶，其中:

P为通过重心作用的车辆重力(CG);

和分别是汽车静止时内轮和外轮(仅显示前轮)的法向反力;

和是汽车转弯时每个车轮(仅显示前轮)的法向载荷。

分析外侧车轮接触受力：

静止的汽车：

转弯的汽车：

图 3.6 水平道路上转弯的汽车（a）静止 （b）转弯

转弯力, v是汽车的速度(M)和R是角落的半径(米)。分析外侧的轮胎接触受力:

由前文分析可知，P/2为车轮上的静载荷,称为“转弯质量转移”项，表示在侧偏过程中额外的法向力(从内轮)传递到外轮。当车辆没有转弯或受到任何其他侧向力时，这一项为零。分析忽略了对汽车侧倾角(g)的任何修正;侧倾角是由汽车的“侧倾刚度”决定的，它是悬架几何形状和各轴的弹簧刚度的函数。

图 3.7： 侧向重量传递对轿车转弯时前后轮法向反力的影响

图3.7是表3.1所示道宽为1550mm的汽车在转弯时计算出的侧向重力传递(车轮法向反力)。侧向重量转移是转弯时制动是一个潜在危险操纵的原因之一。在转弯过程中，外轮的动力法向反力增大，而内轮的动力法向反力减小。因此，外轮可能在其附着力极限以下运行，而内轮可能在其附着力极限以上运行，从而导致车轮抱死。通过电子制动力分配系统(EBD)，不仅可以调整前轮和后轮之间的制动力，还可以调整车辆两侧的制动力。这一系统在日常车辆使用中引入了安全制动，并进一步增强了车辆稳定控制的优势，如第11章所述。

轮胎/道路附着力

轮胎对车辆制动至关重要，因为轮胎提供了车辆和路面之间的“抓地力”，使车辆上的动力能够被路面所阻碍。如果轮胎不能正常工作，例如轮胎损坏或磨损，或路面受到污染，则会危及制动安全(以及整个车辆安全)。因此，基本了解轮胎在路面上的抓地力特性是了解道路车辆制动的必要组成部分。制动时车轮抱死，加速时车轮滑转，急转弯时打滑，这些都是赛车运动中令人兴奋的常见特征，但在日常安全驾驶中却完全不受欢迎。这些都是轮胎功能极限已被超越并因此不能很好的完成工作的情况，所以为了实现在合理操作条件下的道路安全驾驶，汽车设计师们尽一切努力确保轮胎的功能不超过极限。然而,许多操作和环境因素不受到汽车设计师的控制,如由于下雨,雪或冰而湿滑的道路,在这种

资料编号：[4982]

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