車輛動力學基礎5上課講義

1、車輛動力學基礎5制動原理 汽車制動簡單來講，就是利用摩擦將動能汽車制動簡單來講，就是利用摩擦將動能轉換成熱能，使汽車失去動能而停止下來。轉換成熱能，使汽車失去動能而停止下來。 制動原理 車輛的制動問題與車輛的加速驅動同屬車輛的縱向動力學問題，前面的表達式和方程式繼續(xù)有效，通常只需加一負號即可，制動力矩是負的驅動力矩，減速度是負的加速度，下坡就是負的坡度。 車輛的制動裝置通過以下幾種方式制動：車輛的制動裝置通過以下幾種方式制動： 1）慣性制動：）慣性制動： 阻止下坡行駛時產生不希望的加速。阻止下坡行駛時產生不希望的加速。 2）減速制動：）減速制動： 降低車速，必要時直到停車。降低車速，必要時直到

2、停車。 3）駐車制動防止靜止車輛發(fā)生不希望有的）駐車制動防止靜止車輛發(fā)生不希望有的移動。移動。制動性的評價指標包括：制動性的評價指標包括： 制動性的評價指標根據對汽車制動性的定義根據對汽車制動性的定義，如何確定制動性的評價指標？如何確定制動性的評價指標？思考思考 制動效能制動效能制動距離與制動減速度；制動距離與制動減速度； 制動效能恒定性；制動效能恒定性； 制動時的方向穩(wěn)定性。制動時的方向穩(wěn)定性。路面條件路面條件載荷條件載荷條件制動初速度制動初速度1.制動效能制動效能即制動距離和制動減速度。制動效能即制動距離和制動減速度。制動距離制動距離制動距離主要與哪些因素有關？制動距離主要與哪些因素有關？

3、思考思考制動時汽車按給定路徑行駛的能力。制動時汽車按給定路徑行駛的能力。即在制動中不發(fā)生跑偏、側滑或失去轉向能力的性能。即在制動中不發(fā)生跑偏、側滑或失去轉向能力的性能。3.制動時汽車的方向穩(wěn)定性2.制動效能的恒定性制動效能的恒定性即抗熱衰退性能。制動效能的恒定性即抗熱衰退性能。 研究的重點是：如何使汽車在保證方向穩(wěn)定性的前研究的重點是：如何使汽車在保證方向穩(wěn)定性的前提下，獲得最好的制動效能。提下，獲得最好的制動效能。第一節(jié) 制動性的評價指標 本節(jié)主要介紹地面制動力、制動器制動力及其與附本節(jié)主要介紹地面制動力、制動器制動力及其與附著力的關系；介紹滑動率的概念；分析制動力系數、側著力的關系；介紹滑

4、動率的概念；分析制動力系數、側向力系數與滑動率的關系。向力系數與滑動率的關系。制動時車輪的受力制動中的車輛制動中的車輛g1ddhtumGbLFZg2ddhtumGaLFZg1ddhtumGbLFZ制動中的車輛制動中的車輛auWpTrTbXFZFbXTFr制動力矩制動力矩T 地面附著力地面附著力bXFF由制動力矩所引起的、地由制動力矩所引起的、地面作用在車輪上的切向力。面作用在車輪上的切向力。一、地面制動力 bXFbXFrTF二、制動器制動力F在輪胎周緣克服制動器摩擦力矩所需的切向力。在輪胎周緣克服制動器摩擦力矩所需的切向力。與附著力無關與附著力無關F取決于制動器的類型、結構尺寸、制動器摩擦取決

5、于制動器的類型、結構尺寸、制動器摩擦副的摩擦因數及車輪半徑，并與踏板力成正比。副的摩擦因數及車輪半徑，并與踏板力成正比。三、 FXb、F與 的關系FFFXbmaxapFXb=FFFwr0wruwr0wruwr0wru0w車輪接近純滾動車輪接近純滾動車輪邊滾邊滑車輪邊滾邊滑車輪抱死拖滑車輪抱死拖滑四、硬路面上的附著系數 從制動過程的三個階段看，隨著制動強度的增加，車從制動過程的三個階段看，隨著制動強度的增加，車輪幾何中心的運動速度因滾動而產生的部分越來越少，因輪幾何中心的運動速度因滾動而產生的部分越來越少，因滑動而產生的部分越來越多?；瑒佣a生的部分越來越多。1.滑動率滑動率：車輪接地處的滑動速

6、度與車輪中心運動速度的滑動率：車輪接地處的滑動速度與車輪中心運動速度的比值。比值。 滑動率的數值說明了車輪運動中滑動成分所占的比例?；瑒勇实臄抵嫡f明了車輪運動中滑動成分所占的比例。wuur0rO（速度瞬心）rwwurr0wruwr0wuurw100%usuwr0ww100%uruw滑動率滑動率s的計算的計算wwurr0wruwr0wuurw100%usuwr0ww100%uru滑動率滑動率s的計算的計算純滾動時純滾動時 u= 0，s = 0；純滑動時純滑動時 w=0， =u，s =100%；邊滾邊滑時邊滾邊滑時 0 s FX1r 使前輪偏轉、汽車跑偏使前輪偏轉、汽車跑偏FX1形成形成轉向力矩轉

7、向力矩FY1FY2地面?zhèn)认虻孛鎮(zhèn)认蛄π纬傻牧π纬傻姆戳胤戳谾Y1將使前輪繞主銷偏轉，將使前輪繞主銷偏轉，加劇跑偏加劇跑偏FX1對主銷的力矩會對主銷的力矩會使前輪發(fā)生偏轉使前輪發(fā)生偏轉思考：為什么轉向盤鎖住對制動跑偏有明顯的抑制作用思考：為什么轉向盤鎖住對制動跑偏有明顯的抑制作用? ?思考：為什么轉向盤鎖住對制動跑偏的抑制作用不明顯了？思考：為什么轉向盤鎖住對制動跑偏的抑制作用不明顯了？2.懸架導向桿系與轉向系拉桿在運動學上不協調FXb1FXb1前輪抱死時，前輪抱死時，Fj的的方向與前軸側滑的方方向與前軸側滑的方向相反，向相反，Fj能阻止或能阻止或減小前軸側滑，汽車減小前軸側滑，汽車處于穩(wěn)定

8、狀態(tài)。處于穩(wěn)定狀態(tài)。uAABFY201YFuBOCFj（離心力）（離心力）1.前輪抱死拖滑二、制動時后軸側滑與前軸轉向能力的喪失FXb2FXb2oFj后輪抱死時，后輪抱死時，Fj與后與后軸側滑方向一致，慣性軸側滑方向一致，慣性力加劇后軸側滑，后軸力加劇后軸側滑，后軸側滑又加劇慣性力，汽側滑又加劇慣性力，汽車將急劇轉動，處于不車將急劇轉動，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定狀態(tài)。ACBuAuBFY1FY202.后輪抱死拖滑FXb1FXb1FXb2FXb23.前輪抱死或后輪抱死時汽車縱軸線轉過的角度 試驗是在一條一側有試驗是在一條一側有2.5%橫向坡的平直混凝土路面橫向坡的平直混凝土路面上進行。上進行。 為了降

9、低附著系數，使之容易發(fā)生側滑，在地面上為了降低附著系數，使之容易發(fā)生側滑，在地面上灑了水。灑了水。 試驗用轎車有調節(jié)各個車輪制動器液壓的裝置，以試驗用轎車有調節(jié)各個車輪制動器液壓的裝置，以控制每根車軸的制動力，達到改變前后車輪抱死拖滑次控制每根車軸的制動力，達到改變前后車輪抱死拖滑次序的目的，調節(jié)裝置甚至可使車輪制動器液壓為零。序的目的，調節(jié)裝置甚至可使車輪制動器液壓為零。試驗條件試驗條件（1）前輪無制動力而后輪有足夠的制動力（曲線A）或后輪無制動力而前輪有足夠的制動力（曲線B）（2）前、后輪都有足夠的制動力，但抱死拖滑的次序和時間間隔不同（3）起始車速和附著系數的影響（4）試驗的總結 1）制

10、動過程中，如果只有前輪抱死或前輪先抱死拖滑，）制動過程中，如果只有前輪抱死或前輪先抱死拖滑，汽車基本上沿直線向前行駛，汽車處于穩(wěn)定狀態(tài)，但喪失汽車基本上沿直線向前行駛，汽車處于穩(wěn)定狀態(tài)，但喪失轉向能力；轉向能力； 2）若后輪比前輪提前一定時間先抱死拖滑，且車速超過）若后輪比前輪提前一定時間先抱死拖滑，且車速超過某一數值，汽車在輕微的側向力作用下就會發(fā)生側滑，路某一數值，汽車在輕微的側向力作用下就會發(fā)生側滑，路面越滑、制動距離和制動時間越長，后軸側滑越劇烈。面越滑、制動距離和制動時間越長，后軸側滑越劇烈。第四章 汽車的制動性第五節(jié)前、后制動器制動力的比例關系 本節(jié)將分析地面作用在前、后車輪上的法

11、向反力，本節(jié)將分析地面作用在前、后車輪上的法向反力，分析前、后車輪制動器制動力的比例關系，通過分析前、后車輪制動器制動力的比例關系，通過 I 曲線、曲線、 線、線、f 線、線、r 線分析汽車的制動過程，介紹汽車的附著線分析汽車的制動過程，介紹汽車的附著利用率、附著效率的計算方法，利用單輪模型分析利用率、附著效率的計算方法，利用單輪模型分析ABS的制動控制過程。的制動控制過程。 本節(jié)內容是本章的重點。本節(jié)內容是本章的重點。返回目錄返回目錄制動過程的三種可能制動過程的三種可能 1）前輪先抱死拖滑，然后后輪抱死拖滑；穩(wěn)定工）前輪先抱死拖滑，然后后輪抱死拖滑；穩(wěn)定工況，但喪失轉向能力，附著條件沒有充分

12、利用。況，但喪失轉向能力，附著條件沒有充分利用。 2）后輪先抱死拖滑，然后前輪抱死拖滑；后軸可）后輪先抱死拖滑，然后前輪抱死拖滑；后軸可能出現側滑，不穩(wěn)定工況，附著利用率低。能出現側滑，不穩(wěn)定工況，附著利用率低。 3）前、后輪同時抱死拖滑；可以避免后軸側滑，）前、后輪同時抱死拖滑；可以避免后軸側滑，附著條件利用較好。附著條件利用較好。前、后制動器制動力的分配比例，將影響制前、后制動器制動力的分配比例，將影響制動時前后輪的抱死順序，從而影響汽車制動動時前后輪的抱死順序，從而影響汽車制動時的方向穩(wěn)定性和附著條件利用程度。時的方向穩(wěn)定性和附著條件利用程度。一、地面對前、后車輪的法向反作用力g1ddh

13、tumGbLFZg2ddhtumGaLFZdduzgt令LzhbGFZg1LzhaGFZg2z z 制動強度制動強度bXFFgtuddg2g1haLGFhbLGFZZ當前、后輪都抱死時當前、后輪都抱死時zdduGmt思考：為什么有些轎車采用前盤后鼓的制動系統配置？思考：為什么有些轎車采用前盤后鼓的制動系統配置？制動管路為什么采用交叉布置？制動管路為什么采用交叉布置？GFF2111ZFF22ZFF“理想理想”的條件是：前后車輪同時抱死。的條件是：前后車輪同時抱死。I 曲線曲線：在各種附著系數的路面上制動時，要使前、后：在各種附著系數的路面上制動時，要使前、后車輪同時抱死，前、后輪制動器制動力應滿

14、足的關系曲線。車輪同時抱死，前、后輪制動器制動力應滿足的關系曲線。二、理想的前后制動器制動力分配曲線代入將g2g1haLGFhbLGFZZgg2121hahbFFGFF消去變量消去變量1.解析法確定 I 曲線212121ZZFFFFGFF由理想的條件可得由理想的條件可得1g1g2g22421FhGFGLhbhGFgg2121hahbFFGFF1.解析法確定 I 曲線212121ZZFFFFGFF由理想的條件可得由理想的條件可得思考：思考：I 曲線受哪些曲線受哪些因素影響？對特定的因素影響？對特定的汽車是唯一的嗎？汽車是唯一的嗎？11222421gggFhGFGLhbhGF0.40.20.30.

15、11Fd /d0.1utg2F0.3g0.2g0.4g2.作圖法確定 I 曲線1）按照）按照 作圖，得到一組等間隔的作圖，得到一組等間隔的45平行線。平行線。GFF21GFF21tugGddddugt這組線稱為這組線稱為“等制動減速度線組等制動減速度線組”。線上任何一點都有以下特點：線上任何一點都有以下特點：0.40.20.31 . 01Fd /d0.1utg2F2）按）按 作射線束作射線束g21gahFFbh0.10.30.20.4I曲線曲線0.3g0.2g0.4g21FFFFF1FF 12制動器制動力分配系數制動器制動力分配系數：前、后制動器制動力之比為固：前、后制動器制動力之比為固定值時

16、，前輪制動器制動力與汽車總制動器制動力之比。定值時，前輪制動器制動力與汽車總制動器制動力之比。1FF三、具有固定比值的前、后制動器制動力與同步附著系數1.線121FF為一直線12FBF1tan直線斜率線線：實際前、后制動器制動力分配線。：實際前、后制動器制動力分配線。線線F2F10F1、F2具有固定比值具有固定比值的汽車，使前、后車輪同的汽車，使前、后車輪同時抱死的路面附著系數稱時抱死的路面附著系數稱為為同步附著系數。同步附著系數。2.同步附著系數 從圖中看，從圖中看，同步附著同步附著系數是系數是線和線和 I 曲線交點曲線交點處對應的附著系數。處對應的附著系數。 該點所對應的減速度該點所對應的

17、減速度稱為稱為臨界減速度臨界減速度。得由gg1hahbg0hbL 同步附著系數的計算同步附著系數的計算滿足固定比滿足固定比值的條件值的條件滿足同時抱滿足同時抱死的條件死的條件后輪沒有抱死、前輪抱死時，前、后輪地面制動力后輪沒有抱死、前輪抱死時，前、后輪地面制動力FXb1、FXb2間的關系曲線。間的關系曲線。四、前后制動器制動力具有固定比值的汽車在各種路面上制動過程的分析1. f 線組 一定時，一定時，f 線為直線線為直線與與 無關無關代入將b2b1bXXXFFFgb2b1b1hLFFLGbFXXXFXb1=0gXhGbFb2FXb2=0gXhLGbFb1前輪抱死的條件是前輪抱死的條件是gb1g

18、gb2hGbFhhLFXXLhFLGbFFXZXgb1b1FXb1FXb2g(0,)Gbhf 線組線組1 . 0f 線組作圖線組作圖0.20.30.40.5代入并整理得將b2b1bXXXFFF2. r 線組前輪沒有抱死、后輪抱死時，前輪沒有抱死、后輪抱死時，FXb1、FXb2間的關系曲線。間的關系曲線。b1gXGaFhgb2hLGaFX0b1XF0b2XF 一定時，一定時，r 線為直線線為直線與與 無關無關后輪抱死的條件是后輪抱死的條件是LhFLGaFFXZXgb2b2gb1ggb2hLGaFhLhFXXFXb1FXb2g(0,)Gbh1 . 0g(,0)Gahr 線組線組I曲線曲線1 . 0

19、r 線組作圖線組作圖f 線組線組0.20.30.40.50.20.30.40.5當當FXb20時是地面驅動力，無意義。時是地面驅動力，無意義。f 線與橫坐標的交點線與橫坐標的交點 后輪制動管路失后輪制動管路失效，前輪抱死時的效，前輪抱死時的地面制動力。地面制動力。 后輪制動嚴重滯后輪制動嚴重滯后，前輪抱死后，后，前輪抱死后，后輪才將開始制動。后輪才將開始制動。3. f 線組和r組線的分析1）f 線組思考：為什么隨著思考：為什么隨著FXb2FXb1 ？1b1ZXFF 當當 f 線與線與 r 線相交以后，前后輪線相交以后，前后輪都抱死，進入穩(wěn)定狀態(tài)。都抱死，進入穩(wěn)定狀態(tài)。后輪參與制動后后輪參與制動

20、后 FZ1 bXFjF2）r 線組 前輪制動管路前輪制動管路失效，后輪抱死失效，后輪抱死時的地面制動力。時的地面制動力。隨著隨著FXb1FXb2 ？前輪參與制動后前輪參與制動后2b2ZXFF FZ2 I 曲線以下的曲線以下的 r 線組沒有意義線組沒有意義r 線與縱坐標的交點線與縱坐標的交點bXFjF 前輪制動嚴重滯后，前輪制動嚴重滯后，后輪抱死后，前輪才后輪抱死后，前輪才將開始制動。將開始制動。 利用利用線、線、I 曲線、曲線、f 和和 r 線組分析汽車線組分析汽車在不同在不同 值值路面上的制動路面上的制動過程。過程。4.制動過程分析 從圖中看，同從圖中看，同步附著系數是多步附著系數是多少？少

21、？3900.3). 0(10設） A點前輪抱死。點前輪抱死。此時的制動減此時的制動減速度？速度？ 點前后輪同點前后輪同時抱死。時抱死。 點前后輪同點前后輪同時抱死時的制動時抱死時的制動器制動力。器制動力。AA0前輪先抱死前輪先抱死27. 0z前輪抱死時前輪抱死時3 . 0z前后輪同前后輪同時抱死時時抱死時結論結論3). 0(10設） 點前后輪點前后輪同時抱死。同時抱死。 點前后輪點前后輪同時抱死時的制同時抱死時的制動器制動力。動器制動力。B7). 0(20設） B點后輪抱死。點后輪抱死。此時的制動減速此時的制動減速度？度？B0后輪先抱死后輪先抱死60.z后輪抱死時后輪抱死時70.z前后輪同前后

22、輪同時抱死時時抱死時結論結論7). 0(20設） 4）只要）只要 ，要使兩輪都不抱死所得到的制動強，要使兩輪都不抱死所得到的制動強度總是小于附著系數，即度總是小于附著系數，即 。 3）當）當 時，時，線與線與I曲線相交，前、后輪同時曲線相交，前、后輪同時抱死；抱死； 2）當）當 時時, 線位于線位于I曲線上方，后輪先抱死；曲線上方，后輪先抱死；000 1）當）當 時，時，線位于線位于I曲線下方，前輪先抱死；曲線下方，前輪先抱死；0z3）制動過程分析得到的結論ibiiZXFF五、利用附著系數與附著效率1.利用附著系數利用附著系數：利用附著系數：對于一定的制動強度對于一定的制動強度z z，不發(fā)生車

23、輪抱死，不發(fā)生車輪抱死所要求的最小路面附著系數。所要求的最小路面附著系數。式中式中 FXbi對應于制動強度對應于制動強度z，汽車第，汽車第 i 軸產生的地面制動力；軸產生的地面制動力；FZi制動強度為制動強度為 z 時，地面對第時，地面對第 i 軸的法向反力；軸的法向反力； 第第 i 軸對應于制動強度軸對應于制動強度 z 的利用附著系數；的利用附著系數； i利用附著系數與制動強度的關系曲線最理想的情況是最理想的情況是 空載時總是前空載時總是前輪先抱死；輪先抱死； 滿載時滿載時的路面上前輪先的路面上前輪先抱死。抱死。z01） ，前輪先抱死，前輪先抱死0z1b1fZXFFb11XFFtugGddG

24、zg1hbLGFZgf1zhbLz前軸利用附著系數前軸利用附著系數2.利用附著系數的計算2） ，后輪先抱死 0z2b2rZXFFtugGFXdd1b2Gz 1g2haLGFZgr11zhaLz后軸利用附著系數后軸利用附著系數由由 得得 如果如果 ，后輪先抱死，后輪先抱死計算計算由由 得得maxgbzLh如果如果 ，前輪先抱死，前輪先抱死0r0g0hbLfmaxg(1)azLh3）由利用附著系數計算車輪不抱死條件下的maxzgzamaxbmaxbmaxaa0auus922526312022. 沒有沒有ABS又不允許車輪抱死時的最短制動距離又不允許車輪抱死時的最短制動距離4）車輪不抱死條件下能達到

25、的最大制動減速度maxg(1)azLh由0FF1只能用后只能用后輪制動輪制動maxgazLh5）前輪或后輪制動管路失效時的思考：前輪制動失效的特點？思考：前輪制動失效的特點？maxgbzLh11FF只能用前只能用前輪制動輪制動maxgbzLh由后輪制動失效后輪制動失效maxz時0ffzE LhLbgf時0rrzE LhLagr1制動效率制動效率：車輪將要抱死時的制動強度與被利用的附：車輪將要抱死時的制動強度與被利用的附著系數之比。著系數之比。3.制動效率E六、對前、后制動器制動力分配的要求1.ECE制動法規(guī)2.具有變化值的前、后制動器制動力的分配特性 通過使用比例閥或載荷比例閥等制動力調節(jié)裝置

26、，根通過使用比例閥或載荷比例閥等制動力調節(jié)裝置，根據制動強度、載荷等因素，改變前、后制動器制動力的比據制動強度、載荷等因素，改變前、后制動器制動力的比值，使之接近于理想制動力分配曲線，滿足制動法規(guī)的要值，使之接近于理想制動力分配曲線，滿足制動法規(guī)的要求。求。 制動力分配曲線的設計兼顧制動穩(wěn)定性和最短制動距制動力分配曲線的設計兼顧制動穩(wěn)定性和最短制動距離但優(yōu)先穩(wěn)定性的原則。離但優(yōu)先穩(wěn)定性的原則。 轉折點的選擇一般低于轉折點的選擇一般低于 I 曲線。曲線。七、輔助制動器和發(fā)動機制動對制動力分配和制動效能的影響 商用車連續(xù)制商用車連續(xù)制動時，容易導致制動時，容易導致制動器的溫度大幅度動器的溫度大幅度

27、升高，從而使摩擦升高，從而使摩擦因數下降，磨損加因數下降，磨損加大，結果將導致制大，結果將導致制動器失去或部分失動器失去或部分失去制動效能。去制動效能。1.汽車緩速器的制動力發(fā)動機制動和排氣制動時，制動力與車速的關系發(fā)動機制動和排氣制動時，制動力與車速的關系r2rFFFr1FF 1rTiF0r2.汽車緩速器對制動力分配的影響T緩速器的制動力矩。緩速器的制動力矩。11ZFFghbLGrggr11FhbLGhbLGFFgghahb01r2gGLFbah0gLbh八、防抱制動裝置 在制動過程中防止車輪被制動抱死，提高汽車在制動過程中防止車輪被制動抱死，提高汽車的方向穩(wěn)定性和轉向操縱能力，縮短制動距離的安的方向穩(wěn)定性和轉向操縱能力，縮短制動距離的安全裝置。全裝置。1.ABS系統的組成2.ABS的液壓原理mTFZbbZXFFbddTrFtIX3.ABS單輪模型aubXF11ssssssssppspspppb10為了分析方便，假設為了分析方便，假設1）車輪抱死過程很快，忽略車速的降低。）車輪抱死過程很快，忽略車速的降低。2）車輪的載荷是一個常數，）車輪的載荷是一個常數