基于实际载重的汽车前后轴制动力分配系统设计

张吉康

（武汉科技大学 武汉，430081）

随着科学技术的飞速发展，汽车日渐成为现代生产劳动和生活不可或缺的交通工具。汽车制动性能直接关系到交通安全。在汽车制动系统的设计工作中，一个重要的技术问题就是如何确定汽车前后轴的制动力分配。当在前轮先抱死拖滑，后轮后抱死拖滑情况下制动时，附着条件无法充分利用，易丧失转向能力；当在后轮先抱死拖滑，前轮后抱死拖滑的情况下制动时，附着率低，工况不稳定，易出现侧滑。可见，汽车前后轴的制动力分配比例直接影响汽车制动时的方向稳定性和附着条件利用程度。

正因为汽车前后轴制动力分配情况对汽车制动时的工况影响很大，故研究与分析汽车前后轴的制动力分配，并针对汽车运行过程中的实际问题研制出相应的对策，从而对制动力分配加以改善，是具有实际意义的，也是非常有必要的。

1 前后轴制动力分配方式的特点分析

1.1 现有制动力分配方式的不足

1.1.1 固定制动力分配比的分配方式

汽车的前后轴制动器制动力之比为一固定值。

该种制动力分配方法控制的汽车，只有在一种附着系数，即同步附着系数路面上制动时才能使前后车轮同时抱死，得到最佳的制动力分配比。这种方式不仅没有考虑到汽车运行过程中装载质量的变化，也没有考虑汽车运行过程中道路附着条件的多变性，因此很难满足制动力分配比的要求。

1.1.2 电子制动力分配系统（EBD）

EBD使用特殊的ECU功能来分配前轴和后轴之间的制动力。当汽车制动时，中央处理器根据接收到的轮速信号、载荷信号、踏板行程信号以及发动机等有关信号，经处理后向电磁阀和轴荷调节器发出控制指令，使各轴的制动力得到合理分配。

EBD的主要缺点在于其造价昂贵，在国外也只配备在较高档的新款汽车中，难以推广和普及，难以投入实际应用。

1.2 基于实际载重的制动力分配方式特点

目前在对制动力分配比的研究中，很少有考虑到汽车实际使用过程中装载质量的变化对制动力分配的影响。而对于同一汽车在同意附着条件下，其装载质量对制动力分配的影响是不容忽视的。

基于实际载重的制动力分配方式在目前的制动力分配方式的基础上将汽车的实际装载质量考虑进去，从而设计出一种使汽车具有更加良好的制动稳定性和制动效能的制动力分配方式。

2 基于实际载重的制动力分配方式原理

2.1 制动力分配系统的主要构成

如图1所示，基于实际载重的制动力分配系统主要由车速传感器、载荷传感器等相关的传感器，电子控制单元（ECU），以及执行机构即电磁阀和轴荷调节器等组成。

2.2 制动力分配系统的工作原理

2.2.1 制动力分配系统的工作流程

如图2所示，为基于实际载重的制动力分配系统的工作流程图。制动力分配系统对汽车的发动机转速、车轮速度、载重情况等运行状况进行实时监测，并由ECU根据实际运行状况计算出最佳的制动力分配比β，并检测出实际的制动力分配比β1，电子控制单元将β与β1进行比较，若β=β1则说明制动力分配比正处于最佳值，无需调整；若β≠β1，则说明制动力分配比需要调整。

2.3 制动力分配系统计算模型

2.3.1 制动力分配比的确定

汽车前后轴制动力分配比可用以下公式确定：

其中 Fμ1、Fμ2分别表示前、 后制动器制动力，Fμ表示汽车总制动力。

2.3.2 载重系数的定义

为了叙述方便，在此引进汽车载重系数，用k表示。其值可用以下公式确定：

其中，m为实际载物质量，M为额定载物质量。前后轮同时刚要抱死的情况可以获得最佳制动力分配比，设此时减速度为=zg，则：

其中，FXb1、FXb2分别为前后轮地面制动力，z为制动强度。

当考虑到汽车的实际载重时，车重G就与载重系数存在函数关系：

由（3）、（4）两式可得：

取z、k为自变量，β为变量，可建立函数：

其中，φfm、φfk分别为前轮在满载和空载时的附着系数，φrm、φrk分别为后轮在满载和空载时的附着系数。

大量研究表明，附着系数φ在0.15≤z≤0.8范围内，尽可能接近防止车轮抱死所需要的附着系数，亦即φ=z时，地面的附着条件发挥得越充分，汽车前后轴制动力分配比为最佳。

故可取 φmax=0.8，φmin=0.15。因此，（6）式可写为：

2.3.3 约束条件

根据ECE法规对汽车制动力分配的要求可得如下几个约束条件：

1）当 0.15≤z≤0.3，应满足 z-0.08≤φr≤z+0.08；

2）当 z≥0.3 时，应满足 φr≤；

3）0≤k≤1；

4）附着系数利用率 ε＞0.7。

3 实例分析与验证

为检验基于实际载重的制动力分配方式的正确性及实用性，特别引用实例加以分析和验证。

下面以某双轴货车为例，其原始设计参数见表1。

表1 某双轴货车原始设计参数

由实例可知，在调整之前，即当β=0.39时，汽车前后轴在某载重情况下利用附着系数φ与制动强度z的关系如图3所示。其中，φr和φf分别表示汽车的前、后轴相应的曲线。

在其他条件均不变的情况下，按照基于实际载重的制动力分配方式调整制动力分配比之后，利用附着系数φ与制动强度z的关系如图4所示。

由图3和图4对比，可见经调整后，汽车前后轮在相同的制动强度下可以获得更高的利用附着系数，并且在较低的制动强度下，前后车轮即可达到相同的利用附着系数，容易实现前后轴同时抱死，获得前后轴最佳制动力分配比。

另外，对该制动力分配系统进行了仿真实验，实验数据如表2所示。

表2 仿真实验数据记录表

由表2可见，随着载重系数k的增大，最佳制动力分配比减小，即后轮地面制动力Fxb2比前轮地面制动力Fxb1增长速度快，可以保证汽车处于后轮先抱死或前后轮同时抱死的工作状态。后轮先抱死虽然也存在一定的不足，但基本能够满足行驶安全性要求，前后轮同时抱死则是理想的制动力分配状态。

4 结语

汽车在生活及生产中越来越广泛的应用决定了汽车的重要地位，汽车前后轴制动力分配方式也因其对制动安全性不可忽视的影响而受到广受关注。汽车前后轴制动力分配的方式有很多种，一些新兴的控制手段也正在不断地发展和完善之中。由于汽车在实际应用中，其载重也是制动力分配的影响因素之一，故在研究制动力分配时将其考虑进去是非常有必要的，对今后的研究也是有着深远意义的。

从上文的理论模型的建立到试验分析与验证可以看出，在制动力分配的研究中，将汽车实际载重情况考虑进去是可行的，具有实际意义，可使得前后轴制动力分配更加切合实际使用情况，可提高制动力分配控制的准确性。

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