汽车附着能力提升的理论与应用探讨

2010-08-11何太碧西华大学交通与汽车工程学院四川成都610039

长江大学学报(自科版) 2010年2期

何太碧 (西华大学交通与汽车工程学院,四川成都610039)

1 汽车驱动原理

根据汽车行驶平衡方程式:

汽车起动后能够向前行驶,要求式(1)成立。为了提高汽车行驶的动力性,可采取增加发动机转矩和加大传动比等措施来增大汽车驱动力。这些措施只有在驱动轮与路面不发生滑转现象时才有效。当汽车在泥浆路面行驶时,轮胎表面被泥浆填满,汽车不能前进,即使通过踩油门使发动机向外输出的功率达到最大,驱动轮仍在原地加速滑转,驱动力并没有增加。由驱动力产生机理可知,驱动力为地面作用于轮胎的切向静摩擦力。根据物理学知识,在一定正压力下,两物体之间静摩擦力有最大值,当推动力超过此最大值时,两物体便会发生相对滑动。对于汽车而言,该最大值称为地面附着力FΨ,该推力就是驱动力Ft。汽车能够前进,还受轮胎与路面附着条件的限制,即Ft≤FΨ。因此,汽车行驶条件[1～2]为:

通常讲FΨ=ΨFz(Ψ为附着系数;Fz为驱动轮法向反作用力)。从汽车行驶条件可看出,提高汽车在起动和行驶中通过能力,同时不会出现滑转现象,一方面,可通过减少阻力,增大驱动力来实现;另一方面,应使FΨ值尽可能达到最大。依据附着力公式,在Fz为定值时,应使Ψ值达到最大,也就是说当附着系数Ψ增加时,增大了汽车轮胎在路面上的附着能力,提高汽车通过能力。

2 汽车制动原理

汽车行驶过程中,遇到红绿灯或者障碍物时,需要制动。在这个制动过程中,驾驶员先接受到停车信息,并对信息进行处理,接着操控手和脚,手操控方向盘,脚开始踩制动踏板,消除踏板间隙后,使踏板力由零逐渐增大,增大到地面给车轮的制动力最大,持续这个状态,使汽车快速停下来,与前面车辆或障碍物保持最安全距离。在这个制动过程中,关键是使地面制动力达到最大,如何控制这个状态?下面分析影响地面制动力[3～5]的因素 (见图1)。

图1 地面制动影响因素分析图

由图1看出,制动时,当踩下制动踏板,首先消除制动系间隙后,制动器制动力Fu开始增加。开始时踏板力较小,制动器制动力也较小,车轮还在滚动,此时,地面制动力Fb等于制动器制动力Fu,且随着横坐标踏板力增加而成线性增加。当增加到C点时,制动器制动力Fu仍然随着踏板力呈线性增加,而地面制动力Fb不会随着踏板力增加而增加,此时已达到最大值Fbmax,等于地面附着力FΨ,这时车轮抱死不转而出现拖滑现象。分析表明:地面制动力Fb取决于制动器的制动力Fu和轮胎与地面的附着力FΨ,就是说当踏板力比较小时,地面制动力取决于制动器制动力,随着踏板力的增加,增大至一定值时,地面制动力取决于地面附着力。要使地面制动力Fu尽可能达到最大,也就是使地面附着力FΨ达到最大,根据地面附着力表达式:FΨ=ΨFz[1],在车轮法向反作用Fz一定的条件下,地面附着力FΨ主要取决于附着系数 Ψ,即地面附着力FΨ随着地面附着系数 Ψ增大而增大,对应的地面制动力Fu的最大值也就越大,与前面障碍物相碰的几率就越小。

3 提高地面附着系数措施

通过以上分析可知,为了提高汽车行驶通过能力和制动安全性,可从提高汽车轮胎附着能力方面采取措施,在车辆装置、负荷和轮胎一定的条件下,最终归结为从提高地面的附着系数方面着手。笔者从ABS(汽车防抱死制动)及ARS(汽车驱动防滑)系统工作原理、轮胎、车速、驾驶技术和路面几个层面研究提高地面附着系数。

3.1 ABS及ARS系统工作原理

图2 附着系数与滑移率关系图

在制动过程中的汽车,附着系数 Ψ主要取决于车轮的运动状态 (用滑移率表示制动车轮的运动状态)。附着系数与滑移率关系图如图2所示。由图2可看出,当滑移率s较小时,纵向附着系数随着s近似线性关系增加,随着s的增加,纵向附着系数增加缓慢,直到达到最大值 Ψp,然后随着s继续增加,纵向附着系数开始下降,直到s=100%时,即车轮完全处于拖滑状态时,纵向附着系数等于滑动附着系数 Ψs。由此可知,在制动过程中,应该控制制动时车轮的运动状态,将车轮的运动状态控制在滑移率s为15%～25%范围内,纵向附着系数接近最大 Ψp,也就是车轮的纵向附着系数达到最大,使车轮地面制动力最大值Fbmax达到最大,减小制动距离。而横向附着系数随着s增加而下降,并降幅很大,当车轮完全抱死,横向附着系数几乎为0,此时,汽车在运行中失去抗侧滑能力,只要有一点侧向作用力,汽车就会发生侧滑。

为提高汽车制动的安全性,汽车上配置的ABS系统,制动时控制车轮滑移率s在15%～25%范围,获得最大地面制动力;同理,ARS系统将滑移率s保持在10%～30%之间,可获得最大侧向附着系数,提高抗侧滑能力,在起动加速时,驱动力得到的充分的发挥,驱动轮也不会在路面上打滑。

3.2 轮胎

在松软路面上行驶时,降低轮胎气压,可以使轮胎接地面积增加,降低对路面的单位压力,使滚动阻力减少,附着系数增加。低压轮胎较高压轮胎具有更大的附着系数。

汽车行驶在潮湿的硬路面、山地道路、泥泞道路、冰雪道路和松软的土路上时,应选用越野花纹轮胎,因为越野花纹轮胎沟槽深,突出面积小,抓地作用强,使附着系数提高。

人字形越野花纹轮胎安装在驱动轮时,要使人字尖在滚动时先着地,这样可使花纹嵌入土壤的能力强,与地面的附着能力强,排泥性好。拱形轮胎的断面比普通轮胎断面宽,在沙漠、雪地、沼泽和田间行驶有良好的行驶通过能力,在专用越野车上得到广泛的应用。

在冰冻等形成的滑溜路面上,为了防止车轮滑转,应增加车轮与路面的附着能力,在驱动轮上装防滑链,以提高汽车通过能力。

3.3 车速

雨天在硬路面上行驶,车速提高,很容易产生轮胎在路面上的滑转。这是因为轮胎高速运行时形成的水楔作用强,轮胎与路面还没来的接触,使附着系数严重下降。因此,在雨天应降低车速,提高地面的附着系数。

在松软的土路上行驶,应降低车速,使土壤的抗剪切能力增强,从而提高附着系数。

3.4 驾驶技术

通过沙地、泥泞地和雪地时,应用低速档,保持平稳车速,避免换挡、加速,尽量保持直线行驶,否则将难于通过。后轮双胎的汽车,当双胎间夹泥石而滑转,可适当提高车速,以求甩掉夹泥,提高地面的附着系数。没有配置ABS系统的汽车,在制动时,采用点刹将车轮的运动状态控制在使地面制动力最大的状态,也就是将s控制在15%～25%范围,提高纵向附着系数。

当汽车传动系统装有差速锁时,在有可能使车轮滑转的地区将差速锁住。因为车轮一旦滑移后,土壤表面就会被破坏,附着系数下降,再锁住差速锁不会起显著作用。