汽车制动时的方向稳定性分析

陈岚林 马宗超 陈力

摘 要：基于车轮制动时的受力分析，得出了汽车制动跑偏与制动侧滑产生的原因。结论表明：前轴左右轮制动力之差、后轴左右轮制动力之差、前后车轮抱死顺序，均会对汽车制动时的方向稳定性产生很大影响。

关键词：制动跑偏;制动侧滑;转向能力

汽车在制动过程中的方向稳定性，是指汽车在制动过程中保持直线或在预定曲线上行驶的能力。在测试中，往往会规定一定宽度的测试通道（如1.5倍车宽或3.7m），制动时方向稳定性合格的车辆，在试验过程中，为减少不可控因素的影响，不允许离开试验通道。汽车制动的方向不稳定现象主要表现为制动跑偏、制动侧滑和前轮失去转向能力，这是车辆失去控制、偏离原行驶方向，从而造成交通事故的重要原因。资料显示，人类伤亡的交通事故中约有1/3与湿滑路面侧滑有关，70%～80%与冰雪路面侧滑有关，50%与制动侧滑有关。

1制动跑偏的产生原因

制动时，原本预计直线行驶的汽车自动转向左侧或右侧，称为制动偏差。制动跑偏的主要原因是制动力增加不一致，汽车左右轮制动力不相等，尤其是前轴左右轮（转向轮）。这通常是制造和调整误差造成的，要看具体情况具体分析。

图1 显示了转向轴左右轮制动力不相等导致的偏差的受力分析。为了简化，假设车速低，跑偏不严重，跑偏过程中方向盘不动;制动过程中没有侧滑，汽车做圆周运动时忽略了车身质心周围的离心力和惯性矩。

设前左轮的制动器制动力大于前右轮，故地面制动力Fx11>Fx1r。此时，前、后轴分别受到的地面侧向反作用力为FY1和FY2。显然，Fx11绕主销的力矩大于Fx1r绕主销的力矩。虽然转向盘不动，但由于转向系各处的间隙及零部件的弹性变形，偏偏产生一向左转动的角度而使汽车有轻微的转弯行驶，即跑偏。同时，由于主销有后倾，也使FY1对转向轮产生一同方向的偏转力矩，这样也增大了向左转动的角度。

试验表明，前轴左右轮制动力差超过5%，后轮轴左右轮制动力差超过10%，会造成制动偏差。制动偏差随着左右车轮制动力的差异而增加，并在车轮抱死时增加。如果左右车轮主销内倾角不相等，即使制动力相等，也会跑偏到主销内倾角较小的一侧。为了防止车辆跑偏，在用制动力法测试车辆制动效率时，提出了左右轮制动器动力平衡的要求。此外，悬架导向杆系统和转向系拉杆的不协调运动，也会导致车辆跑偏。

2制动侧滑的产生原因

侧滑是指汽车在制动过程中某一个或两个轴发生横向运动。侧滑与跑偏有关，严重的跑偏在特定条件下会导致后轴的侧滑，而容易发生侧滑的汽车也往往会加重跑偏。

制动时发生侧滑，特别是后轴侧滑，会导致汽车偏转，在严重的情况下，它可以使汽车掉头，特别是高速制动时，后轴侧滑最危险。制动时，如果后轮在前轮之前抱死，后轴很容易打滑;若前后轮同时抱死，或前轮先抱死，后轮再抱死或未抱死，可防止后轴打滑。但是，前轮宝死后会失去转向能力。

制动侧滑试验表明，在制动过程中，如果仅前轮抱死，车辆基本沿直线减速，车辆处于稳定状态，但车辆将失去转向能力;如果后轮先于前轮抱死（例如， 抱死时间提前0.55秒以上），并且汽车速度超过一定值（如48 km/h）测试速度，只要有一个轻微的侧向力，后轴就会发生侧滑。侧滑的程度与地面平整度、制动距离、制动时间成正比。

2.1侧滑的条件

制动过程中车轮侧滑的受力情况如图2 所示。

该轮所受垂直载荷为W，地面垂直反力为F，制动器摩擦力矩为Tμ，所产生的地面制动力为FXb，由于侧向风、道路横坡引起的侧向力及转弯时离心力的作用，车轮上产生侧向力Fr，相应的地面侧向反力为Y。

FXb及Y的合力为R，显然，当R=Rzψ（车轮和地面的附着力）时，将产生侧滑。在地面制动力FXb的作用下，不产生侧滑所承受的侧向力为：

上式表明，汽车抵抗侧滑的能力与作用在车轮上的地面制动力和法向力有关。当地面制动力与车轮和地面的附着力相等时，即FXb=Fzψ时，即使是微小的侧向力都将引起车轮的侧向滑移。

2.2侧滑时的运动

图3显示了汽车侧滑时的运动。图3a为汽车前轴在侧滑时的运动示意图，当汽车直线行驶制动时，如果前轮抱死，后轮滚动，前轴在侧向力的作用下会发生侧滑。汽车前轴中点处的速度矢量会偏离汽车的纵轴，其夹角为α。后轴中点的速度矢量uB保持不变。当汽车转弯时，其瞬时转弯中心是速度uA和uB与两条垂直线的交点0，相当于绕O做圆周运动，所产生的离心惯性力为Fj，其作用总是起到抵消侧向力、减少侧滑的作用，一旦侧向力消失，Fj具有自动对准汽车的功能。因此，在汽车前进过程中，仅前轴抱死引起的侧滑对方向变化影响不大。

图3b为汽车后轮抱死、前轮滚动时后轴运动示意图。如果后轴在侧向力作用下发生侧滑，侧滑方向与惯性力Fj的方向基本一致，此时惯性力会使后轴侧滑加剧，后轴的进一步侧滑又将促进了惯性力的增加。如果这种情况继续下去，汽车就会出现甩尾，甚至掉头的情况。发生侧滑时，驾驶员往往来不及反应，即使采用放松制动踏板的措施，一般也不可能恢复对汽车的控制。如驾驶员还有反应时间，可在后轴侧滑方向适度转动方向盘，以增大转弯半径，减小惯性力。车速越高，离心力越大，侧滑就越快。因此，在高等级公路上行驶应尽量减少不必要的制动。

2.3前轮失去转向能力

前轮失去转向能力，是指汽车在制动时不再按照原曲线道路行驶，而是沿曲线切线方向行驶，或者在制动时虽然转动方向盘，但仍在直线方向行驶的现象。

汽车制动时，随着车轮滑动率的增加，侧向附着系数降低，汽车的转向能力也随之降低。只有前轮抱死或前轮先抱死时，由于侧向附着系数为零，在地面上不再产生侧向反作用力，汽车才无法按方向盘给定的方向行驶，失去转向能力。

3结语

从保证汽车方向稳定性的角度出发，调整车轮制动力时，前轴左右制动力差不应超过5%，后轴左右制动力差不应超过10%。车辆行驶时，不能出现只有后轴车轮抱死或后轴车轮比前轴车轮先抱死的情况，以防止后轴打滑;其次，尽量减少只有前轮抱死或者前后轮都抱死的情况，以保持汽车的转向能力。最理想的情况是，避免任何车轮抱死，以保证制动时的方向稳定性。

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