商用车气压ABS的设计匹配对制动性能的影响

李　春，郝永明，李　玲

（1.上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240；2.金龙联合汽车工业（苏州）有限公司，江苏苏州215026；3.克诺尔制动设备（上海）有限公司，上海201201；4.克诺尔车辆设备（苏州）有限公司，江苏苏州215151）

商用车气压ABS的设计匹配对制动性能的影响

李春1，2，郝永明3，李玲4

（1.上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240；2.金龙联合汽车工业（苏州）有限公司，江苏苏州215026；3.克诺尔制动设备（上海）有限公司，上海201201；4.克诺尔车辆设备（苏州）有限公司，江苏苏州215151）

随着法规对制动要求的提高，气压制动防抱死系统在商用车上的使用越来越广泛。合理匹配并充分发挥防抱死系统的性能尤为重要。本文重点对防抱死系统的选型及技术匹配对制动性能的影响进行分析。

商用车；气压ABS；制动性能；设计匹配

汽车的制动性能是汽车的主要性能之一，直接关系到公路交通安全。重大的交通事故往往与制动距离太长、紧急制动时发生侧滑等息息相关。装有防抱死系统的车辆能够很好地保持车辆行驶的稳定性，有效避免紧急制动时侧滑情况的发生［1］。然而，防抱死系统的合理匹配及在整车上的布置，以及其控制模式的选择都对车辆制动性能的影响至关重要。

1　布置型式与控制模式的影响

防抱死系统的布置型式和控制模式对其制动性能和稳定性有至关重要的影响。文献［2］和文献［3］中规定，道路试验中制动系统的制动性能是用在规定的条件下通过测量相应的初速度的条件下的制动距离（S）和充分发出的平均减速度（MFDD）来确定。空载和满载车辆分别按照标准规定的试验方法进行试验。在规定的车速下，各类车辆的试验结果必须达到规定的最低性能要求。制动时汽车的方向稳定性一般称为汽车在制动过程中维持直线行驶或按预定弯道行驶的能力，主要表现在制动跑偏、侧滑和前轮失去转向能力等。带有防抱死制动功能的制动系统在制动过程中能够保持前轮的转向能力，有效地避免后轴侧滑。但不同布置型式及控制模式下的测试结果与标准规定值的差异是不一样的。

商用车防抱死系统的常用布置型式主要有：4S/3M（4个传感器和3个电磁阀）；4S/4M（4个传感器和4个电磁阀）；6S/6M（6个传感器和6个电磁阀）。根据车辆的车型配置来选择相应的布置型式。对于驱动型式为4×2的车辆可以安装4S/3M或4S/4M，其中4S/3M是指每一个车轮都安装有车轮速度传感器，但前桥只安装1个电磁阀来同步地控制转向桥的制动气室，后桥的两个车轮则分别安装2个电磁阀分别控制左右两个气室。而4S/4M是指在前后桥分别安装2个传感器和2个电磁阀来分别控制每根轴上的左右两个制动气室。对于6×4或6×2的车辆，可以安装4S/4M或6S/6M的型式。目前我国市场上应用最多的是4S/4M和6S/6M的布置型式［4-6］。

防抱死系统的主要控制模式有：车轮独立控制（IR）、修正的前桥独立控制（MIR）、修正的前桥控制（MAR）、可变的桥控（VAR）、修正的侧向后桥控制（MSR）。

对于4×2或6×4车辆装用4S/4M的防抱死系统，从控制制动气室压力的角度，每个车轮单独控制（IR）是比较优化的控制模式，这样在同一附着系数的路面上制动时能够获得最大的制动力；但如果车辆两侧的车轮在不同的附着系数的路面（对开路面）上制动时，将会影响车辆的制动稳定性。这是因为左右车轮的附着系数存在较大的差异，从而造成左右车轮的制动力不相等，特别是前轴左右车轮（转向车轮）的制动力不同会造成前轮失去转向能力。

图1给出了转向轴左、右车轮制动力不相等而引起跑偏的受力分析示意图。假设前左轮的制动器制动力大于前右轮，故地面制动力Fx1l＞Fx1r，此时，前后轴受到的地面侧向反作用力分别为Fy1和Fy2。显然，Fx1l绕主销的力矩大于Fx1r绕主销的力矩，虽然转向盘不动，但是由于相关零部件的弹性变形，转向轮仍产生一向左转动的角度使汽车有左转弯行驶，即左跑偏的趋势。另外，由于主销的后倾，也使Fy1对转向轮产生一同方向的偏转力矩，增大了向左转动的角度。即使装有防抱死系统，如果采取每个车轮独立的控制模式（IR），在制动过程中也不能完全避免车辆跑偏，无法保持车辆行驶的稳定性。

要解决车辆在对开路面上制动时，制动跑偏和失去行驶稳定性的问题，最根本的解决方案是使转向轴左、右车轮制动力相等。防抱死系统的4S/3M的布置型式带有修正的前桥控制（MAR）功能，或者是常说的“低选原则”能够保证车辆在制动过程中转向轴左、右轮有相同的制动力，虽然解决了车辆的制动跑偏问题，但是车辆的制动距离变长了。另外，对于4S/3M的布置型式，可以选择可变的桥控（VAR），或者叫“高选原则”。该控制模式在对开路面上制动时，允许在低附着系数路面上的车轮抱死，使在高附着系数路面上的车轮有较大的制动压力，进而缩短制动距离，但是车辆的稳定性比较差。ECE R13和GB 13594规定［3］，转向角的调整角度在对开路面上制动时，前2 s转向角的调整角度在120°以内，在整个过程中转向角的调整角度不得超过240°，所以可变的桥控（VAR）的控制模式的参数设置必须根据车型的参数来确定，而且需要通过详细的试验验证得到。

既要保持车辆的稳定性，又要减少车辆的制动距离，只有最大限度地利用在高附路面上的地面制动力的同时通过方向盘修正车辆的行驶方向。这样最好的布置型式为4S/4M，并且前桥采用修正的独立控制（MIR）。图2是高低附着路面的前后桥各参数变化情况。从图中可看出，增加了在高附路面的转向车轮的压力保持时间后，最大限度地利用了车轮制动器的制动力，至于在高附路面的车轮制动压力保持时间的长短及制动压力的大小要通过方向盘的转向角度及整车的运动状态来判断。所以，必须通过大量的试验来验证，最终达到理想的控制状态。

2　安装技术匹配的影响

2.1齿圈及传感器安装的技术匹配

前桥和后桥齿圈与轮胎周长之间的关系应相同或在一定的公差范围内。在齿圈的齿数计算匹配过程中，如果没有任何特殊的参数设置，ECU调节允许的动态轮胎周长/齿数数目的比率范围设定在27.4～36.8 mm/齿之间，标准值为32 mm/齿。故在匹配防抱死系统时，要根据轮胎的动态滚动周长精确地选择齿圈的齿数。

固定在桥上的轮速传感器与安装在轮毂上并与车轮一起运动的齿圈相对运动，产生了频率与轮速成比例的信号。由于车辆的参考车速是由对角线车轮速度决定的，所以，传感器的安装要符合规定的技术条件，齿圈和传感器的最小间隙要小于0.7 mm，最大电压与最小电压之比要小于等于2。轮速传感器包括一个永久磁铁、磁芯和线圈，齿圈的旋转运动切割磁力线，产生交变的信号输入ECU（控制单元），ECU根据输入的轮速信号计算出车轮的“滑移率λ”，并根据车轮的“滑移率λ”来控制车轮制动气室的压力。

滑移率的计算公式：λ=（Vf-Vr）/Vf×100%式中：Vf为车辆的参考速度；Vr为车轮的速度。

如果齿圈的匹配齿数超出了规定的值或偏差比较大，或者传感器的安装不能满足要求，防抱死系统的控制参数“滑移率λ”将不能准确地被ECU计算出来。这种情况下无论在何种路面上制动，车辆都将出现车轮脱滑、抱死等现象，使车辆的制动距离变长，制动稳定性变差。

2.2电磁阀与制动气室的安装匹配

防抱死系统电磁阀的作用为在防抱死系统工作时为制动气室充气、排气和实现压力保持［7］。如果没有主动控制，输入的压力只是由此经过。在主动控制过程中，它根据车轮的状态为制动气室充气、排气和实现压力保持。在防抱死工作的过程中，电磁阀的充气过程和排气过程是成梯度的增加和减少的，工作频率非常的高。为保证防抱死系统的工作性能减少对制动系统和稳定性的影响，所以安装匹配应满足压力梯度的要求：在制动系统达到切断压力情况下，仅促动电磁阀，测量到的2～5 bar之间的压力增加时，前桥电磁阀的压力梯度范围在30～45 bar/sec之内、后桥电磁阀的压力梯度范围在25～40 bar/sec之内；测量到的5～2 bar之间的压力降低时，前桥电磁阀的压力梯度在35～45 bar/sec之内、后桥电磁阀的压力梯度范围在25～45 bar/sec之内［8］。

电磁阀本身的故障率极低，出现压力梯度不满足的主要原因是由于制动器本身回位慢或者说制动器的机械响应频率低。因为不带防抱死系统紧急制动时，制动气室推杆及制动蹄是相对不动的，带有防抱死系统后的整个制动过程为动态，所以响应不及时会造成不满足压力梯度要求，制动时将出现车轮断续的拖印或制动鼓发热或制动跑偏，加速了制动器的衰退，严重影响车辆的制动性能和制动时的方向稳定性。改善制动器回位的方法有很多种，最主要的解决方式是加强制动气室回位弹簧的回位力。另外，气制动管路布置不合理也会造成压力梯度不满足要求。在布置上电磁阀与制动气室之间的管路要尽量短，同时尽量避免直角管接头的使用，以保证管路顺畅。

2.3与防抱死系统相匹配的制动器型式

决定汽车制动距离的主要因素是：制动器起作用的时间、最大制动减速度以及制动初速度，而真正使汽车减速停车的是制动器的持续作用时间。减小制动器持续作用的时间最有效的方式为最大限度地利用轮胎和路面之间的附着系数及增大摩擦副的摩擦因数，同时还要保证随着制动时间的增大，制动器在温度上升的过程中不应出现热衰退或在高强度的制动时，摩擦材料的摩擦系数虽有下降，但对制动效能影响不大。

常用制动性能因数与摩擦系数的关系曲线来说明不同类型制动器的制动效能及其稳定程度，如图3所示［9-10］。随着制动次数的增加，盘式制动器和鼓式制动器的温度变化和输出的扭矩的变化，如图4所示。可以看出，对于鼓式制动器，摩擦系数的微小改变能引起制动效能大幅变化，所以其制动稳定性差，而且热衰退比较大；而盘式制动器的制动效能没有鼓式制动器大，但其制动稳定性好，且响应时间短。所以如果制动系统为盘式制动器，防抱死系统能够控制“滑移率λ”的门限值更小，制动过程中能够最大限度地利用轮胎和路面之间的附着系数，而且制动过程中热衰退比较小，能有效地减少制动器持续起作用的时间［11］。

3　结束语

防抱死系统在车辆上的布置型式和控制模式的不同，其性能、成本也随之不同。因此，要根据车辆的配置参数来合理安装和选用防抱死系统。在选定布置型式和控制模式的基础上，防抱死系统的安装技术匹配必须予以重视，以最大限度地改善汽车在制动时的效能与方向稳定性。

［1］饶峻，黄虎.气压制动系统制动压力调节方法的研究［J］.上海工程技术大学学报，2005，（3）

［2］ECE R13，关于就制动方面批准M类、N类和O类车辆的统一规定［S］.

［3］GB/T 13594-2003，机动车和挂车防抱死制动性能和试验方法［S］.北京：中国标准出版社，2003.

［4］谢建蔚，陶国良，周洪.客车ABS气压电磁阀动态性能检测系统的设计［J］.机床与液压，2004，（10）

［5］周应兵，谢习斌.气压防抱系统建模的研究［J］.汽车科技，2000，（1）

［6］郑智忠，王会义，祁雪乐，等.气压ABS压力调节单元的建模与分析［J］.机床与液压，2005，（8）

［7］余志生.汽车理论［M］.5版.北京：机械工业出版社，2010.

［8］罗文发.气压防抱死制动系统电磁阀的性能评价方法［J］.汽车电器，2008，（6）

［9］罗文发.商用车气压防抱死制动系统技术应用［J］.重型汽车，2009，（2）

［10］蒋强，罗宏，林桦，等.气压防抱死制动系统调节器动态特性试验研究［J］.自动化仪表，2011，（9）

［11］童成前，何仁，赵玲，等.车制动器与整车匹配设计方法研究［J］.公路与汽运，2010，（6）

修改稿日期：2015-03-18

Influence of Design Match on Pneumatic ABS for Commercial Vehicle on Brake Performances

Li Chun1，2，Hao Yongm ing3，Li Ling4
（1.School ofMechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；2.Higer Bus Company Limited，Suzhou 215026，China；3.Knorr-Bremse Brake Equipment（Shanghai）Co.，Ltd，Shanghai 201201，China；4.Knorr-Bremse Systems for Rail Vehicles（Suzhou）Co.，Ltd，Suzhou 215151，China）

With the raise of regulations to brake requirements，the pneumatic ABSis widelyused on commercial vehicles more and more.It is especially important to reasonably match ABS and fully develop ABS performances.The authors mainly analyse the influence ofABS type selection and technique match on brake system performances.

commercial vehicle；pneumatic ABS；brake performance；design match

U463.52+6

B

1006-3331（2015）03-0046-03

李春（1978-），男，工程师；研究方向：客车底盘及新能源系统仿真。