汽车方向盘及轮胎的制动原理

汽车的制动性能是指汽车在行驶中强制降低车速以至停车，或在下坡时保持一定速度行驶的能力。

汽车制动性能的好坏，直接关系到汽车行驶的安全，只有当汽车具有良好的制动性能时，才能保证行车安全，提高汽车的行驶速度，充分发挥汽车的其他使用性能，以提高其平均行驶速度，从而获得较高的运输生产率。

1.汽车的制动过程分析

汽车的制动过程就是人为地增加汽车的行驶阻力使汽车的动能或位能（当汽车下坡行驶时）转化为其他形式的能（一般为热能）。 车轮制动是利用制动器内的摩擦阻力矩来形成与汽车运动方向相反的路面对车轮的切向摩擦阻力，简称为车轮制动力。

车轮制动力随制动摩擦阻力矩的增加而增加（这时车轮仍然处于滚动状态），它等于车轮对地面的垂直载力G与轮胎和地面的摩擦系数φ的乘积。 可见，车辆在制动过程中，地面与轮胎之间的摩擦力不断在增长。

大量试验证明，一个弹性轮胎在路面上滚动过程中制动时，其摩擦系数不是理论上的纯滚动状态下达到最大值，而是在部分滑动时才达到最大值。若用滑移率·100，式中v、w、rk分别为车轮平移的线速度、车轮角速度、工作半径)来代表滑移与滚动的百分比，则弹性轮胎能传递的最大切向力发生在滑移率为20％左右。 滑移率20％是个极值点，在这个点上摩擦系数达到最大值。 再继续滑移，将形成一种不稳定状态，摩擦系数将迅速下降到全滑移时的摩擦系数。 为了说明弹性轮胎的这种特性，把橡胶轮胎的摩擦系数确切地称为道路附着系数。

汽车在制动过程中，随车轮制动力的不断增长，轮胎的滚动也不断增加滑移量。 这种滑移现象，在坚硬的路面上则逐渐出现有清晰的轮胎花纹印痕（通常称为“压印”）。 从轮胎局部滑移到全滑移的过程中，轮胎花纹的黑印长度逐渐增加达到连成一片（通常称为“拖印”）。 这时，车轮已被制动器抱死。

当车轮制动力已达到附着力的极限时（抱死），滚动阻力消失，制动器已不能吸收能量，汽车原有的能量均消耗于轮胎与路面之间的摩擦而转化为热能，使轮胎剧烈发热而降低了胎面的强度，造成附着系数的降低和胎面剧烈的磨损。 除此之外，车轮抱死滑移时还将失去承受侧向力的能力，使汽车行驶稳定性受到破坏。 汽车驾驶实践经验表明，经验丰富的驾驶员在滑路上往往是采用连续点式制动的方法获得最大的制动效果，而不致使汽车滑溜以确保制动的安全。

汽车在下坡时，制动器就要较长时间地、连续地作强度较大的制动，制动器温度常在300℃以上，有时高达600～700℃。 制动器温度上升后，其摩擦力矩将显著下降。 当温度超过450℃时，制动力矩仅为通常温度时的25％～30％。 因此，在道路设计时，坡度不宜过长，在连续下坡的山区公路，须设置缓和坡段。 另外，为了避免制动器长时间工作而过热，或在滑溜的路上，避免制动力过大而引起车轮侧滑，通常使变速器挂入低速挡，利用发动机起一部分制动作用。

2.制动时汽车的运动方程

汽车的制动是由于车轮制动的作用，车轮上的最大制动力，取决于轮胎与路面的附着力。因此，作用在汽车上的最大制动力可按下式计算：

PT（max）＝Gφ （2.39）

式中 G——传到制动轮上的车重力，当前后轮都制动时，G＝Ga；

φ——轮胎与地面之间的附着系数，可按路面状况为一般潮湿状态采用。

汽车制动减速行驶时，作用于车轮上的力矩方向与行驶方向相反。 其余各项运动阻力与牵引行驶时一样存在。 因此，这时汽车的运动力平衡方程可写为：

-PT＝Pf±Pi＋Pw＋Pj（2.40）

由于制动初速度不高及速度下降迅速，故空气阻力可略去不计，即Pw≈0，式（2.40）可简化为：0＝PT＋Pf±Pi＋Pjψ＝f±i

即：

3.汽车制动性能的评价指标

汽车制动性能的评价指标是：制动减速度、制动时间及制动距离。

（1）制动减速度js

从式（2.41）中可知，制动减速度js为：

取路面状况为干燥状态的φ值，制动减速度js值可达7.0～9.0m／s2。实际使用中，为防止轮胎损耗、减少燃料消耗及为了乘客舒适，一般情况下js≤1.5～2.5m／s2，只有在紧急情况下才有js＞4.0m／s2。

（2）制动时间ts

汽车制动时，如果地面制动力达到了附着极限而保持不变，则可以认为这时汽车是作等减速行驶。 这样，理论上开始制动到车辆停止的制动时间可按下式计算：

式中 v B——汽车在开始制动时的速度，km／h。

实际制动时间因司机反应及制动生效延迟，要比式（2.43）所确定的大。 因为从驾驶员开始得到制动信号起，到制动器完全发生作用为止，需要经过一段时间。 这段时间取决于驾驶者的反应时间（即驾驶者从看到障碍物的时间起，到踩下制动蹬时为止的时间，其值变化于0.5～0.7s）和制动生效时间（由开始踏制动蹬到制动器生效，并使制动减速度增至最大值时所需的时间。 对液压式制动可采用0.4s，对气压式制动可用0.6～1.0s）。 在公路设计中，通常这两部分时间之和为1.2s。

（3）制动距离Ls

由式（2.42）可知：

式中 v1，v2——制动时的初速及制动后的终速。

若制动完全停止，v2＝0，则

考虑到驾驶员的反应时间和制动有效时间，以及实际使用中有时制动不充分而采用一个使用系数（或称制动系数），汽车制动减速行驶的全部制动距离应为：

式中 K——制动实际使用系数（或称制动系数），其值在1.0～1.4。 公路设计中一般可取为1.2。