基于路面附着系数的汽车制动效能分析

基于路面附着系数的汽车制动效能分析本文通过分析路面附着系数对制动性能的影响，考虑我国道路的实际情况和影响附着系数的因素，建立基于路面附着系数的汽车制动距离数学模型。

与传统的计算制动距离的方法相比，本文按照制动过程的实际情况分为三个部分：纯滚动、边滚边滑和车轮抱死，得到了更加准确的汽车制动距离的数学模型。

分析了路面、轮胎和滑动率这三方面对路面附着系数的影响。

路面越粗糙，路面的附着系数也越大，但随着使用年限的增加，道路出现老化，变得光滑，路面的附着性能也随之下降。

轮胎花纹在胎面和路面间切向力的作用下，能产生较大的切向弹性变形，增强了接触面的磨擦作用，提高轮胎的附着性能。

保持滑动率s在15％～20％范围内，制动系统才能够利用峰值附着系数％获得最大的地面制动力，使制动距离最短。

最后，在建立的制动距离数学模型基础上，选取柏油、水泥、碎石、土路、积雪等典型路面，以马自达1600汽车为研究对象，运用MATLAB语言对其空载与满载时制动距离与路面附着系数关系进行仿真。

得到了在特定初速度下路面附着系数与汽车制动距离的关系曲线。

以我国和国际上主要的制动距离管理条例为参考依据，选取路面附着系数分别为伊=o．45、驴=0．35和矽=o．25的较差路面，对马自达1 600汽车空载与满载时制动距离与制动初速度之间的关系进行仿真，得到具有实际参考价值的仿真曲线。

汽车的制动效能是汽车制动性能最重要的评价指标，它是指汽车以一定的初速度迅速停车的能力，通常以制动距离和制动过程中的制动减速度来表征。

因此，制动减速度和制动距离是评价汽车制动效能的指标。

制动减速度的大小取决于制动力的大小，而制动力的大小则依赖于路面附着系数。

制动距离是指速度为vo 的汽车，从驾驶员开始促动制动控制装置时起到车辆停止时所行驶过的距离【l】。

制动距离是制动效能最直观的反映。

汽车制动时，驾驶员总是希望踏下制动踏板后，制动的距离越短越好。

制动距离的长短受到制动减速度和路面附着系数的限制。

所以，路面附着系数决定了制动减速度的大小和制动距离的长短。

汽车的制动效能与汽车的结构参数、道路条件等有关。

汽车的结构参数决定了同步附着系数的大小，进而影响汽车的制动性能。

道路是汽车制动性能的存在条件，汽车在路面上行驶时必须克服来自地面与轮胎间相互作用而产生的滚动阻力。

它的大小一方面取决于轮胎自身性能，另一方面取决于路面的附着性能。

据资料显示121，很多交通事故的发生很大程度上是由于路面附着性能低造成的，尤其以湿滑路面的事故率最高。

不同路面状况的路面附着系数不同，提供的附着力就不同，汽车的制动距离也就不一样。

所以，对于不同的路面状况下的汽车的制动距离进行分析很重要。

因此，基于路面附着系数来研究汽车制动效能是一个重要的研究问题。

左曙光【16l等人建立了一种用于制动过程的非线性轮胎力学模型，通过对模型的仿真分析，得到了路面附着系数随着路面不平度的变化和汽车行驶速度的变化而变化的规律。

路面不平度对路面附着系数的影响主要是由于道路的不平整引起了车轮上垂直力和水平力变化，从而导致了路面附着系数的变化。

路面不平度的幅度越大，路面附着系数的变化就越大。

不平路面上，路面附着系数的大小随着路形的变化而变化，随车轮的速度升高而减小，路面不平度越大，路面附着系数随车轮速度升高而减小的趋势就越大。

昆明理工大学的韩继光【17】通过设置路面状态参数p提出了一种只需测量制动时车轮的角速度，就可以自动识别路面状况的方法，并建立了路面状态观测器。

运用Matlab／Simulink语言进行仿真分析，结果表明：通过设置路面状态参数目的路面观测器于路面附着系教的汽车制动舅d眨分析能够实时地辨识出道路路面的状况，可以同步地确定汽车在制动时的最大路面附着系数及其对应的最佳滑移率。

并且能够将汽车制动时的路面附着系数控制在最大值的附近，提高了汽车的制动效能和制动安全性。

甘智海‘181等人在分析附着系数与滑动率关系的基础上，给出了制动时的临界滑移率和最大附着系数，设计了现场测试附着系数的试验方法，可通过牵引车辆的方法测试轮胎与路面系统之间的附着系数与附着力。

长安大学的江文锋【1明在总结了国内外轮胎与路面附着系数的研究状况的基础上，运用BP神经网络轮胎模型对附着系数进行仿真，并用检验样本在训练好的网络中进行了附着系数的研究。

通过GUI进行可视化仿真。

只需在BP神经网络轮胎模型输入评价指标中的各参数值，省去了繁杂的计算，即可方便的仿真出路面附着系数的数值。

哈尔滨工业大学的赵林辉[20l针对纵向和横向车速以及路面附着系数的联合估计问题进行了讨论，提出了一种适应路面角度和附着系数的车辆状态非线性估计方法。

该方法在估计车辆状态的同时，能够有效解决路面附着系数已知情况下的车辆状态估计问题。

此外，王超【211、李修松[221和万家庆瞄1等人也通过估算方法对路面附着系数进行了研究。

1主要研究内容通过对国内外文献的研究，针对自己提出的问题，本文在对汽车制动时的受力分析基础上，建立三种情况下的汽车制动完整距离公式。

通过对路面、轮胎和滑动率的分析，得出影响汽车制动距离的因素。

运用MATLAB语言，通过实例，对汽车制动距离进行分析，得出在特定初速度下制动距离与路面附着系数之间的关系曲线，以及不同路面附着系数下制动距离与制动初速度之问的关系曲线。

主要工作分析路面附着系数与汽车制动效能的关系。

从路面、轮胎和滑动率三方面考虑对路面附着系数的影响。

制动距离是制动效能最直观的反映，制动距离取决于制动初速度、制动减速度和路面附着系数。

附着系数的变化会极大的影响汽车的制动性能，因此，明确附着系数对汽车制动效能的影响，为后续研究提供理论基础。

掌握汽车制动的全过程，通过对汽车制动时进行受力分析，建立地面制动力、制动器制动力与附着系数之间的关系。

把汽车制动时分为三种状态：纯滚动、边滚边滑、车轮抱死。

在边滚边滑的状态又分为三种情况：前轮提前抱死；后轮提前抱死；前、后轮同时抱死。

建立了基于路面附着系数的汽车制动距离的数学模型。

下路面附着系数与汽车制动距离的关系曲线。

以我国和国际上主要的制动距离管理条例为参考依据，对特定路面附着系数下汽车制动初速度和制动距离的关系进行仿真，得到特定路面附着系数下汽车制动距离随着制动初速度的变化过程。

附着系数与汽车制动效能的关系制动性能是汽车最主要的性能之一。

汽车在道路上行驶，道路是汽车制动性能的存在条件。

路面的附着系数限制汽车的最大制动力，不同的路面其路面附着系数变化较大，这是影响附着力的主要的因素，本章主要建立路面附着系数与汽车制动效能关系的数学模型。

2．1汽车的制动全过程图1 汽车的制动过程图如图1所示，汽车制动时的全过程描绘出了制动距离、车速、制动减速度和制动踏板力与制动时间的关系。

驾驶员反映时间是从看到制动信号起，到踩着制动踏板所需要的时间，在图中是从a 至b 所用的时间t 1，其中包括反映时间'1t 和换踏时间"1t 。

它取决于驾驶员的反映灵敏程度和技术熟练水平以及体力与疲劳状况，通常为0.1～l s 。

制动器起作用时间是从踏着制动踏板开始，到达一定的制动器摩擦力为止所需的时间。

在图中是从b 点开始，一直到e 点制动减速度达到最大值为止。

由于制动传动的迟滞作用，要经过一段时问路面制动力才起作用，使汽车开始产生减速度，在图中b 点至c 点为制动传动迟滞时间'2t 。

c 点至e 点为制动器摩擦力增长时间"2t 。

制动器起作用的时间为b 、c 点与c 、e 点之和t 2，一般液压传动为0.2~o.25s 。

持续制动时间相当于从达到指定制动力开始，至有效制动结束的时间。

在图中是e 点至f 点的t 3时间。

在这段时间里汽车的减速度基本不变而t 2+t 3则称为实际制动时间。

空驶时间和实际制动时间相应的所行驶的距离分别称为空驶距离和实际制动距离。

根据制动距离的定义，制动距离是指在实际制动时间里所行驶的距离。

制动彻底解除时间相当于放松制动踏板至汽车制动力消失的时间。

在图1中是从f 点至g 点的t 4时间。

在液压传动中约0．2s ，汽车被制动住。

传统的计算汽车制动距离的公式为：a v v t S 92.252t 6.3120022+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛"+'=，其中v 0为初速度，a 为减速度。

从传统的计算制动距离的公式可以看出：汽车开始的制动车速、最大的制动减速度和汽车的制动器起作用的时间决定了汽车制动距离的大小。

附着力越大、起始制动车速越低，制动距离越短，这是显而易见的。

传统的计算制动距离的公式仅是从制动器起作用的时间开始计算，并且任何情况下都运用同一种计算方法。

但是，实际的汽车制动过程是复杂的，可以出现不同的制动情况。

所以，建立一种完整的汽车制动距离公式是很有必要的。

地面制动力、制动器制动力与附着力间的关系汽车制动的目的是汽车从任意速度制动到较低速度或是停车，来保证安全行驶。

为此，就必须使汽车受到一个与行驶方向相反的外力的作用，这个外力只能由空气和路面提供。

空气阻力是随机的、不可控制的，且明显的相对较小，实现不了制动的目的。

因此地面提供了汽车制动时的主要外力，这个外力称之为地面制动力Fb。

汽车的制动减速度和制动距离的大小也都是由地面制动力决定的，所以地面制动力对汽车制动性能具有决定性作用.地面制动力、附着力与制动器制动力之间的关系当汽车制动时，制动器的制动片就产生一个摩擦力矩Tμ，制动器将该力矩传到车轮后，由于车轮与路面间的附着作用，路面对车轮作用一个向后的地面制动力Fb 。

因此，地面制动力Fb取决于制动器制动力Fμ和附着力Fψ。

制动装置的结构尺寸、制动器的形式、制动器的摩擦副因素和车轮半径等一些参数决定了制动力的大小，此外，制动器制动力还与制动踏板力成正比。

如图2所示，当驾驶员的踏板力或者是制动系压力小于某一个极限值的时候，汽车制动器产生的摩擦力矩也比较小，因此，地面制动力Fb 能够克服Tμ而使得车轮继续转动。

此时的地面制动力Fb 和汽车制动器制动力Fμ的大小相等，并随着制动系管路压力(制动器制动力)的增长成正比的增长。

图2制动器制动力Fμ、地面制动力Fb与踏板力Fp的关系但地面制动力Fb 的值不能超过附着力Fψ即或最大地面制动力Fbmax为：式中各参数意义如表1所示。

表1参数表F b到最大值附着力Fψ。

制动器制动力Fμ却随着制动系压力(摩擦力矩Tμ)继续增大。

因此，地面制动力F b受到了路面附着条件的限制，它的大小则决定于制动器制动力Fμ。

若要继续提高地面制动力以使汽车具有更大的制动能力，就只有改善车轮与路面间的附着条件，提高附着系数了。

制动时汽车受力分析通过上面的公式可以看出：在路面附着系数为ψ的路面上汽车进行制动时，的函路面的附着力并不是一个定值。