汽车运用工程第四章

第四章汽车的行驶安全性汽车安全性一般分为主动安全性、被动安全性、事故后安全性和生态安全性。主动安全性指汽车本身防止或减少道路交通事故发生的性能。被动安全性指交通事故发生后汽车本身减轻人员伤害和货物损坏的能力，可分为汽车内部被动安全性（减轻车内乘员受伤和货物受损）以及外部被动安全性（减轻对事故所涉及的其他人员和车辆的损害）两类。事故后安全性指汽车能减轻事故后果的性能。即能否迅速消除事故后果，并避免新的事故发生的性能。生态安全性指发动机排气污染、汽车行驶噪声和电磁波对环境的影响。本章主要介绍对汽车主动安全性有重要影响的制动性和操纵稳定性，并简要介绍汽车的被动安全性。第一节汽车的制动性汽车行驶时能迅速停车且维持方向稳定，并能在下长坡时控制车速及能在一定坡道上驻车的能力，称为汽车的制动性。汽车的制动性可以用汽车的制动效能、制动效能的恒定性和制动时汽车的方向稳定性三个方面的指标评价。一、制动时车轮的受力地面制动力的大小与制动蹄-制动毂和轮胎-路面两个摩擦副有关，不仅取决于制动器制动力，而且取决于地面附着力。1．制动器制动力在轮胎周缘沿切线方向克服车轮制动器摩擦力矩所需的力称为制动器制动力（N）。其值为：制动器制动力取决于制动器结构、型式与尺寸大小、制动器摩擦副摩擦系数和车轮半径r。一般情况下，其数值与制动踏板力成正比，即与制动系的液压或气压大小成线性关系。对于结构、尺寸一定的制动器而言，制动器制动力主要取决于制动踏板力与摩擦副的表面状况，如接触面大小、表面有无油污等。rTFF2．地面制动力地面制动力的值为：在制动过程中，制动蹄摩擦片-制动毂相互作用产生的摩擦力决定着制动力矩和制动器制动力的大小；轮胎-路面间的附着力是地面制动力的极限值。显然，若地面附着力足够大，即满足＞，有：=，意味着制动器产生的制动器制动力完全转化为地面制动力。但当地面附着状况不良，＜时，有=＜，这说明制动器制动力受到附着力的限制而不能完全转化为地面制动力。rTFbbFFFFbFFFbFFF3．制动力的增长制动过程中，地面制动力和由制动器制动力矩所决定的制动器制动力随制动踏板力增大的变化关系见图所示。车辆制动时，车轮有滚动或抱死托滑两种运动状态。踏板力较小时，地面制动力足以克服制动摩擦力矩使车轮滚动。车轮滚动时的地面制动力等于制动器制动力，且随踏板力的增长成正比增长。但当制动踏板力增大至时，地面制动力增大到等于附着力，车轮即抱死不转而出现拖滑现象。此时，制动力受轮胎与路面附着条件的限制，达到其最大值。此后，随着制动踏板力继续增大（＞），制动器摩擦力矩由于摩擦表面间作用力的增大仍可增大，因而制动器制动力随继续增大几乎成线性上升，但地面制动力达到极限值后却保持在该极限值而不再增大。bFTFPF'PPFFPF'F4．地面附着力制动过程中，地面制动力的最大值等于作用于车轮的地面垂直反力与附着系数的乘积：1）附着率和附着系数（1）附着率：令轮胎与路面间传递的切向力与地面垂直反力的比值称之为附着率：（2）滑移率制动过程中，随着制动强度增大，车轮的运动从纯滚动转变为纯滑动。地面制动力产生前，车轮作纯滚动。即：式中：-车轮旋转线速度，rad/s；r-车轮半径，m。制动开始后，产生制动器制动力矩，使车轮旋转速度相对于车速降低。＞随着制动强度进一步增大，产生的制动器制动力矩达到使车轮抱死。=0定义制动滑移率为：驱动滑移率定义为：maxbFZbFFmaxZxFFrVVrrVrVsrVrs（3）附着率与滑移率的关系制动过程中，附着率不是常数，而是随着制动强度的变化而变化的。试验证明：附着率是滑移率的函数。当制动强度不大，因而滑移率较小时，纵向附着率几乎随滑移率的增大成正比增大；而后，随增长，缓慢增长，直至达到最大值。称为峰值附着系数。试验表明：当达到15%～20%左右时，=。然后，随着滑移率继续增大，反而下降，直至当车轮抱死滑移=100%后，附着率达到一稳定值，该值称之为滑动附着系数。通常，＜。侧向附着率也随滑移率变化。滑移率较小时，侧向附着率的值较大，表明汽车可以承受较大的侧向力；随滑移率增大，的值减小；而当车轮抱死滑移后，滑移率=1时，的值降至接近于零。bssbbppbbssssplsllss（4）影响附着系数的因素附着系数的数值主要取决于道路的材料、路面状况和轮胎结构、轮胎气压、胎面花纹、材料以及汽车行驶速度等。图4-4表明不同道路对附着系数的影响，各种不同路面上的附着系数的平均值见表4-1。在其他条件不变时，潮湿路面的附着系数低于干燥路面的附着系数，冰雪路面附着系数非常小。路面结构应在宏现上有一定的不平度而有自排水能力；路面的微观结构应粗糙且有一定的棱角，以穿透水膜，让路面与胎面直接接触，提高附着能力。增大轮胎与地面的接触面积可提高附着能力；低气压、宽断面和子午线轮胎承受垂直载荷时变形大，因而附着系数大。不同花纹的轮胎，其与路面的接触状况不同，因而附着系数也不同；轮胎磨损后，随着花纹深度减小，其附着系数有显著降低。车速对附着系数的影响如图所示，车速提高后，不仅峰值附着系数和滑动附着系数的值大大下降，而且两者的差明显增大。2）垂直反力若汽车的总重为G，在汽车制动过程中，作用于车轮上的地面法向反作用力与汽车的总体布置、行驶状况及道路的坡度有关。若汽车在水平路面上制动，并忽略制动过程中的空气阻力的影响，则制动过程中作用于汽车前后轴的地面垂直反力的值为：由此可见，汽车在水平路面上制动过程中，作用于前后轴上的垂直载荷之和等于汽车总重，并不因汽车制动而改变。但在制动过程中会发生载荷的转移，即：前轴的垂直载荷增大，而后轴的垂直载荷减小。即使当前后轴的附着系数相同时，汽车制动时的轴荷转移也会影响前后车轮附着力的相对大小，因而影响着前后车轮所能获得的最大地面制动力的相对大小，同时影响着前后车轮达到最大地面制动力的进程，因此对于汽车的制动性能会发生重要影响。dtdVMLhGLLFdtdVMLhGLLFgzgz1221二、汽车的制动过程紧急制动时，制动踏板力、制动减速度与制动时间的关系曲线见图。驾驶员反应时间：即从驾驶员识别障碍到把踏板力施加到制动踏板上所经历的时间。其中包括驾驶员发现、识别障碍并作出紧急制动的决定所经历的时间；驾驶员移动右脚从加速踏板换到制动踏板上所经历的时间。驾驶员反应时间的长短因人而异，一般为0.3～1.0s。制动器起作用时间：即从制动踏板力开始上升到地面制动力增长到最大值所需的时间。制动器起作用时间主要取决于汽车制动系的结构形式，还取决于驾驶员踩踏板的速度。持续制动时间：在该时间段内，汽车的制动减速度基本不变，以最大制动强度制动至停车。制动释放时间：指驾驶员松开制动踏板至制动力完全消除所需时间。三、汽车的制动效能汽车的制动效能指汽车迅速降低车速直至停车的能力。汽车的制动效能可以用制动距离、制动力和制动减速度三个指标评价。1．制动力和制动减速度地面制动力的大小与制动蹄摩擦片-制动毂和轮胎-路面两个摩擦副有关，不仅取决于制动器制动力，而且取决于地面附着力，在数值上等于二者中的较小值。显然，若汽车总质量为M，道路附着系数为，制动过程中所可能产生的最大制动力为：制动减速度是汽车制动时所产生的地面制动力作用于汽车的直接结果。在汽车制动器技术状况良好（能够制动到抱死拖滑）的前提下，持续制动期间汽车能达到的最大减速度取决于附着力，因此：maxbFgMFbmaxmaxmaxjMgMFbgjmax2．汽车的制动距离制动距离指汽车以一定初速制动到停车所驶过的距离，其大小等于在整个制动过程的各个阶段驶过的距离之和。1）驾驶员反应时间内汽车驶过的距离在驾驶员反应时间（s）内，制动踏板力和地面制动力均为零，汽车仍然以原有初速（m/s）行驶，所驶过的距离（m）为：101tVS1t0V1S2）制动器起作用时间内汽车驶过的距离在制动器起作用时间内，在时间段制动力为零，汽车继续匀速行驶，所驶过的距离为：在制动力增长所需时间内，制动减速度几乎成线性的从零增长到，汽车的减速度（）为：其中，，因此有：注意到，在时间从0到t的过程中，车速从初速变化到V。积分上式得内的汽车速度V（）为：2t'2t101tVS''2tmaxjj2s/mtkdtdVj2maxtjktdtkdV0V''2t2021tkVVs/m当（e点）时，其车速记为，则：又有：该时间段汽车驶过的距离s（m）为：当（e点）时，汽车驶过的距离为：在制动器起作用时间内，汽车驶过的距离为：2tteV2021tkVVedttkVds)21(203061tktVs2tt2S22max20261tjtVS22max2'202'2261)(tjttVSSS2t2S4）汽车的制动距离汽车在制动过程中驶过的总距离为上述各阶段驶过的距离之和。即：由于在驾驶员反应时间内汽车驶过的距离与汽车无关，因此一般所指汽车制动距离是从踩下制动踏板至完全停车汽车驶过的距离，即：。上式中最后一项很小，可以忽略。因此等于：把制动起始车速（m/s）用（km/h）表示，则：若制动器技术状况良好，，汽车的制动距离可用下式计算：242222maxmax2002'21321tjjVVtttSSSS32SSSmax2002'222jVVttS0V0aVmax2002'292.2526.31jVVttSaagjmaxgVVttSaa92.2526.312002'23．影响汽车制动效能的因素决定汽车制动距离的主要因素为制动器起作用时间、最大制动减速度及制动起始车速。在持续制动期间，汽车能达到的最大减速度取决于附着力。因此，道路附着系数的大小，对汽车的制动距离有重要影响。制动起始车速越低，制动距离越短。真正使汽车减速停车的是持续制动时间，但由于汽车在制动器起作用时间内的速度很快，因而的大小对制动距离的影响很大。制动器起作用时间与制动系的结构形式有密切的关系。当驾驶员急速踩下制动踏板时，液压制动系的制动器起作用时间可短至0.1s或更短；真空助力制动系和气压制动系为0.3～0.9s；货车拖带挂车时，汽车列车的制动器起作用时间有时竟长达2s，但精心设计的汽车列车制动系可缩短到0.4s。因此，改进制动系结构，缩短制动器起作用时间，是缩短制动距离、提高制动效能的一项有效措施。2t四、制动效能的恒定性1．制动器的抗热衰退性能及评价汽车制动性能的另一方面的评价指标是汽车制动效能的恒定性。制动效能的恒定性主要指制动器的抗热衰退能力，反映了汽车高速行驶或下长坡连续制动时制动效能保持的程度。汽车制动时，其行驶动能转化为车轮制动器摩擦副和车轮-路面摩擦副的摩擦热能，使制动器温度升高。汽车长时间进行强度较大的制动时（如下长坡连续制动或高速制动），制动器的温度常在300℃以上，有时甚至能达到600℃～700℃。制动器温度升高后，制动摩擦片性能下降，制动器摩擦副的摩擦系数减小，所产生的摩擦力矩和制动力减小，制动效能降低。这种现象称之为制动器的热衰退。制动器温度升高后能否保持足够的制动效能，是评价车辆制动性能的重要方面。特别是山区行驶的货车和高速行驶的轿车，因制动器制动强度大，更应有较好的抗热衰退性能。制动器抗热衰退性能一般用一系列连续制动时制动效能的保持程度来衡量。根据国家行业标准ZBT24007-89，要求以一定车速连续制动15次，每次的制动强度为3.0，最后的制动效能应不低于规定的冷试验制动效能（5.8）的60%。2s/m2s/m2．影响制动器的抗热衰退性能的因素抗热衰退性能与制动器摩擦副材料及制动器结构形式有关。一般制动器的制动鼓、盘由铸铁制成，而制动摩擦片由石棉、半金属材料制成。正常制动时，制动器摩擦副的温度在200℃左右，摩擦副的摩擦系数约为