汽車防滑控制系統(tǒng)的安全性

趙 春

（遵義職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 遵義563123）

0 引 言

車輛在高速行駛過程中所發(fā)生的嚴(yán)重行車交通事故一般均與車輛失控有關(guān)，汽車側(cè)滑是導(dǎo)致車輛失控的主要原因，據(jù)資料統(tǒng)計證明，車速在80～100km／h時所發(fā)生車禍的40%與汽車側(cè)滑失控有關(guān)，而車速超過160km／h時所發(fā)生車禍則幾乎100%與汽車側(cè)滑失控有關(guān).汽車在加速、轉(zhuǎn)向或制動時，決定汽車行為特征的主要外力均來自地面，當(dāng)輪胎與地面之間的摩擦力出現(xiàn)異常時，便有可能出現(xiàn)車輛側(cè)滑.

為了防止汽車各種工況下產(chǎn)生側(cè)滑，汽車底盤上設(shè)置了各種控制系統(tǒng)，以協(xié)調(diào)車輪與地面之間的運動，平衡汽車運動過程中的整體力學(xué)關(guān)系，如汽車的防抱死制動系統(tǒng)、驅(qū)動防滑系統(tǒng)和穩(wěn)定性控制系統(tǒng)等.

圖1 汽車制動時受力狀態(tài)

圖2 附著系數(shù)與滑動率

1 汽車防抱死制動系統(tǒng)的安全性

汽車在制動減速過程中所受外力如圖1所示，所謂制動減速即是車輛受到地面制動力Fxb作用而改變運動狀態(tài)的運動過程，當(dāng)?shù)孛嬷苿恿]有達到附著極限時，汽車制動效果的好壞受到制動系統(tǒng)本身的制約，而當(dāng)?shù)孛嬷苿恿_到附著極限以后，制動效果將取決于地面制動力極限值所具有的特性.由于車輛緊急制動時地面制動力一般都將達到極限，所以該極限制動力會對制動效果產(chǎn)生決定性影響.地面制動力是地面與輪胎之間的摩擦力，因此具有摩擦力的一般特性.即當(dāng)汽車慣性力較小時，地面摩擦力未達到極限值，它可隨車輛慣性力Fj的增大而增加；但當(dāng)汽車慣性力達到一定數(shù)值后，地面摩擦力將達到極限值，以后不再繼續(xù)增大.按照摩擦力的物理特性可知，這時的最大地面制動力：

式中：Fxbmsx——地面制動力的最大值

Fz——作用在車輪上的法向載荷

φ——附著系數(shù)

由此可知，在緊急制動情況下，若欲縮短制動距離或增大制動減速度，必須設(shè)法增大Fxbmsx，顯然，提高附著系數(shù)φ可以實現(xiàn)此目的.

實驗證明，附著系數(shù)受到車輪相對于地面的運動方式影響，其變化規(guī)律如圖2所示，即縱向附著系數(shù)最大值φp一般出現(xiàn)在滑動率S＝15%～25%之間，滑動率S達到100%（車輪抱死）時的附著系數(shù)（也稱滑動附著系數(shù)）φs小于峰值附著系數(shù)φp.一般情況下，（φpφs）隨道路狀況的惡化而增大，即滑動附著系數(shù)φs會遠遠低于φp.而橫向附著系數(shù)φl在S＝100%時趨于0，即這時車輪無法從地面獲得橫向摩擦力.若這種情況出現(xiàn)在前輪上，即前輪抱死通常會導(dǎo)致汽車喪失轉(zhuǎn)向能力；若這種狀況出現(xiàn)在后輪上，則后輪抱死，此時后軸極易產(chǎn)生劇烈的側(cè)滑，使汽車處于危險的失控狀態(tài).

綜上所述，理想制動系統(tǒng)的特性應(yīng)當(dāng)是：當(dāng)汽車制動時，將車輪滑動率S控制在峰值系數(shù)滑動率（即S＝20%）附近，這樣既能使汽車獲得較高的制動效能，又可保證它在制動時的方向穩(wěn)定性.汽車防抱死制動系統(tǒng)（anti－lock braking system簡稱ABS）能在制動過程中隨時監(jiān)控車輪的滑轉(zhuǎn)程度，通過自動調(diào)節(jié)車輪上的制動力矩，防止車輪抱死.它不僅能避免車輪發(fā)生側(cè)滑，而且能夠縮短制動距離，減少輪胎磨損.

2 汽車驅(qū)動力控制系統(tǒng)的安全性

汽車行駛時，驅(qū)動力取決于發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩，但又受到驅(qū)動輪附著力的限制，而附著力的大小取決于路面的附著系數(shù).對于雨雪、濕滑的路面，發(fā)動機過大的輸出轉(zhuǎn)矩將會引起驅(qū)動輪打滑，從而破壞了車輛行駛的穩(wěn)定性.在汽車行駛過程中，時常會出現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)動而車身不動，或者汽車的移動速度低于驅(qū)動輪輪緣速度的情況，此時，意味著輪胎接地點與地面之間出現(xiàn)了相對滑動，這種滑動稱為驅(qū)動輪的“滑轉(zhuǎn)”，它區(qū)別于汽車制動時車輪抱死而產(chǎn)生的車輪“滑移”.驅(qū)動車輪的滑轉(zhuǎn)，同樣會使車輪與地面的縱向附著力下降，從而使得驅(qū)動輪上可獲得的極限驅(qū)動力減小，最終導(dǎo)致汽車的起步、加速性能和在濕滑路面上的通過性能下降.同時還會出現(xiàn)橫向摩擦系數(shù)幾乎完全喪失，使驅(qū)動輪上出現(xiàn)橫向滑動，隨之產(chǎn)生汽車行駛過程中的方向失控.

驅(qū)動力控制系統(tǒng)（traction control system，簡稱TRC或TRAC）又稱驅(qū)動輪防滑轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)（anti－slip regulation，簡稱ASR）系統(tǒng)，它是繼防抱死制動系統(tǒng)（ABS）之后，為了適時地根據(jù)行駛條件來調(diào)節(jié)發(fā)動機驅(qū)動力，設(shè)置在汽車上專門用來防止驅(qū)動輪起步、加速和在濕滑路面行駛時驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)的電子驅(qū)動力調(diào)節(jié)系統(tǒng).他可以在驅(qū)動狀態(tài)下，通過計算機幫助駕駛員實現(xiàn)對車輪運動方式的控制，以便在汽車的驅(qū)動輪上獲得盡可能大的驅(qū)動力，同時保持汽車驅(qū)動時的方向控制能力，改善了燃油經(jīng)濟性，減少了輪胎磨損.

與ABS相似，驅(qū)動輪防滑轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)仍然以滑動率作為控制目標(biāo)，由于后者只需對驅(qū)動輪進行控制，顧此時滑動率的表達式可寫為：

式中：S——驅(qū)動滑動率；

UL——驅(qū)動輪輪緣速度；

Ua——汽車車身速度，實際應(yīng)用時常以非驅(qū)動輪輪緣速度代替.

當(dāng)車身未動（Ua＝0）而驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動時，S＝100%，車輪處于完全滑轉(zhuǎn)狀態(tài)；當(dāng)UL＝Ua時，S＝0，驅(qū)動車輪處于純滾動狀態(tài).ASR系統(tǒng)的電子控制器可以根據(jù)各車輪上的轉(zhuǎn)速傳感器信號，適時計算出各車輪的滑動率S.當(dāng)S值超過預(yù)先設(shè)定的界限值時，電子控制器就會向ASR執(zhí)行裝置輸出控制信號，抑制或消除驅(qū)動車輪上的滑轉(zhuǎn).

3 汽車車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)的安全性

電子穩(wěn)定程序（ESP）是博世公司對車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)的稱謂.汽車車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)是近年來在ABS和ASR等系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，用以提高汽車在復(fù)雜路面上的以操縱穩(wěn)定性為目的專門控制系統(tǒng)，對于提高車輛在極限行駛工況下的主動安全性能具有重要意義.它不僅能包括ASR等功能，可以控制驅(qū)動力和制動力，而且可以控制從動輪，可以分別獨立控制每個車輪，從而可以“糾正”更危險的車輛不穩(wěn)定狀況.

汽車行駛穩(wěn)定性主要受到輪胎與地面之間的附著特性影響，車輪在地面上所受到的切向力和側(cè)向力決定了汽車的行為方式，由汽車?yán)碚摽芍邢蛄Γㄖ苿恿蝌?qū)動力）Fx與側(cè)向力Fy的附著特性表現(xiàn)為圖3所示的近似橢圓曲線關(guān)系.側(cè)向力與輪胎產(chǎn)生的側(cè)偏角有關(guān)，小側(cè)偏角時兩者呈線性關(guān)系，大側(cè)偏角卻表現(xiàn)出非線性特性，極限狀態(tài)下側(cè)向力幾乎不隨側(cè)偏角的增加而增加（圖4）.由此可知，當(dāng)汽車處于劇烈轉(zhuǎn)向狀態(tài)時，由于輪胎側(cè)偏角明顯增大，側(cè)向力與側(cè)偏角之間已經(jīng)出現(xiàn)明顯的非線性傾向，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角半徑之間的線性關(guān)系已不復(fù)存在，經(jīng)驗的駕車感覺不再能夠準(zhǔn)確地控制車輛、甚至在極端情況下，車輪可能已經(jīng)出現(xiàn)側(cè)向滑動，導(dǎo)致出現(xiàn)車輛急轉(zhuǎn)（spin out）失控現(xiàn)象.

圖3 地面切向力對側(cè)偏的影響

圖4 側(cè)向力與側(cè)偏角的關(guān)系

車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)通過控制發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩分配，以及獨立控制制動器的制動力矩，實現(xiàn)對四個車輪上切向力Fx的調(diào)整，以此形成補償車輛行駛穩(wěn)定性的偏轉(zhuǎn)力矩，從而達到避免出現(xiàn)車輛發(fā)生急轉(zhuǎn)或沖出彎道的目的.

車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)能夠在提高汽車制動效能和改善驅(qū)動性能的基礎(chǔ)上，改進汽車在各種道路條件和工況下的操縱響應(yīng)特性，即保持車輛操縱的可預(yù)測性，保證車輛在轉(zhuǎn)彎制動或驅(qū)動條件下的穩(wěn)定性和可控性，并將車輛在極限操縱狀態(tài)下的橫擺角速度和側(cè)偏角限制在能夠掌握的范圍內(nèi)，防止其出現(xiàn)過大的不足轉(zhuǎn)向或過多轉(zhuǎn)向.還能有效降低汽車側(cè)翻的可能性.

4 結(jié)束語

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，主動安全技術(shù)發(fā)展很快，一輛汽車的安全性，必須要首先看其主動安全性.從某種程度上講，它比被動安全性更重要，因為它時時刻刻都用得上，而被動安全性只有在發(fā)生事故時才起一定作用.可以這么說，能夠防患于未然的主動安全性，是汽車安全性的根本，汽車防滑控制系統(tǒng)的安全性也體現(xiàn)出了其的重要性.

［1］陳家瑞.汽車構(gòu)造［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005

［2］何效先.汽車底盤構(gòu)造與維修［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2004

［3］陳志恒，等.汽車電控技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2010

［4］陳亞新.如此購車最聰明［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012