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1、第 2 0卷 第 1 期 四川理工学院学报(自然科 学版)V o 1 2 0 No 1 J oURNAL OF SI CHUAN UNI VERSI TY OF 2 0 0 7年 2月 S C I E NC EE NG I N E E R I NG(NA T UR A L S C I E N C E E D I T I ON)F e b 2 0 0 7 文章编号：1 6 7 3 1 5 4 9(2 0 0 7)0 1 0 0 1 0 0 5 A B S汽车制动前后轴的受力分析与计算 肖朝明，王润琪，张春花，王少雷(中南林业科技 大学工业学院，长沙 4 1 0 0 0 0)摘 要：应用力矩平衡原
2、理，分析 了装有 AB S的汽车在水平行驶、下坡、上坡时紧急制动的受力状 况。分析 了在这 3 种情况下地面对汽车前、后轮 的压力，以及前、后轮制动器的制动力。并 由此得 出汽 车在这 3种情况下的理想的前、后制动器制动力关系式。关键词：汽车制动；受力分析；制动力计算 中图分类号：T H1 3 3 2 文献标识码：A 引 言 对于一般的四轮汽车而言，当紧急制动时会出现 3 种情况及所产生的 3 种状况：(1)前轮先抱死拖 滑，然后后轮抱死拖滑。这属于稳定工况，但在制动时汽车失去转向能力；(2)后轮先抱死拖滑，然后 前轮抱死拖滑。这种状况后轴容易产生侧滑(3)前、后轮同时抱死拖滑。可以避免后轴侧
3、滑，同时前 转向轮只有在最大制动强度下才使汽车失去转向能力。所以，前后制动器制动力分配的比例将影响汽车制动的性能，而且也是汽车防抱死制动系统(A B S)的理论基础之一。而装有 AB S的汽车制动时的前、后轴的受力分析就是其研究 的基础。1制动时车轮 受力分析 汽车受到与行驶方向相反的外力时，才能从一定的速度制动到较小车速或直到停车。这个外力只能 由地面和空气提供。但由于空气阻力相对较小，所以实际上外力主要由地面提供的。与轮胎接触的路面 给相应车轮提供了地面制动力。但是地面制动力取决于两个摩擦副的摩擦力；一个是制动器内制动蹄摩 擦片与制动鼓间的摩擦力制动器的制动力，另一个是轮胎与路面间的摩擦力
4、 附着力(地面制动 力)。，、R。图 1 图 1 为车轮在制动时的受力情况示意图，地面制动力可 由下式确定：Fb：M|r 收稿 日期：2 0 0 6 0 5 2 4 作者简介：肖朝明(1 9 8 2 )，男，江苏无锡人，硕士研 究生，主要研究方向为汽车 A B S。维普资讯 http:/ 第2 0 卷 第 1 期 肖朝明等：A B S汽车制动前后轴的受力分析与计算 l l 式(1)中：F b 地面制动力(N)；M 制动器摩擦力矩(Nm o 制动器制动力相当于将汽车架离路面，并踩住制动踏板，在轮胎周缘沿切线方向推动车轮直至它能 转动所需 的力，可由(2)式确定。F=M r (2)式(2)中：F
5、制动器制动力(N)。当制动踏板力较小，制动器摩擦器力矩不大，路面与轮胎之间的摩擦力地面制动力足以克服制 动器就等于制动器动力，且随踏板的增长而增长，但地面制动力是滑动摩擦的约束反力，它的值不能超 过附着力，即：F b F=G(3)m“=F口 (4)式(3)、式(4)中：F 地面附着力(N)；G车轮上的垂直载荷(N)；地面附着力系数(路面附着 力与垂直载荷之 比)。汽车的地面制动力首先取决于制动器制动力，同时受地面附着条件的限制，当路面能提供足够高的 附着力时，才能获得足够高的地面制动力。2 汽车水平制动 受力分析 图 2 图 2 是汽车在水平路面上制动时的受力情况。图中忽略了汽车的滚动阻力偶矩
6、、空气阻力以及旋转 质量减速时产生的惯性力偶矩。此外，下面的分析中还忽略制动时车轮边滚边滑的过程，附着系数只取 定值。由图2 得对后轮接地点取力矩得：1 L：Gb+m(5)f 式(5)中：G汽车重力(N)；b汽车质心至后轴 中心线的距离(m)；m汽车质量(k g)；h g 汽车质心 高度(m)；d u 汽车的减速度(m l s o 对前轮接地点取力矩得：F z 2 L：Gam(6)f 式(6)中F z 2 为地面对后轮的法向反作用力；a 为质心至前轴中心线的距离。令：z g，则可求的地 f 面法向反作用力为：FZ l=G(b+一z h g)LF z 2 G(a z h g)L J2=(7)维普
7、资讯 http:/ l 2 四川理工学院学报(自然科学版)2 0 0 7年 2月 由于装有 A BS系统，因此前、后轮都处在最佳滑移率的状态，也就是边滚边滑的临界状态，此时 F x b (汽车总的制动力)：F (附着力)：G 或：。地面作用于前、后轮的法向反作用力为：dt (+(8)：(口一 在任何附着系数 的路面上，前、后车轮同时抱死的条件是：前、后轮制动力之和等于附着力，并且前、后轮制动器制动力分别等于各 自的附着力，即：一 十 z=l=O F z l (9)F fl 2=tp F z 2 J 将(8)式代入(9)式得：2=一 (1 0)l一+F#2 一 n一9 h g)削去变量，得：1
8、G 3汽车下坡制动受力分析 图 3 是汽车在下坡制动时的受力情况。同样图中也忽略了汽车的滚动阻力偶矩、空气阻力 以及旋转 质量减速时产生的惯性力偶矩。此外，下面的分析中也忽略制动时车轮边滚边滑的过程，附着系数只取 定值。图 3 由图 3 得对前、后轮接地点取力矩得：=0 0 s f+f+，l老 Fz 2 L：Gac o s i Gh g s i ni 一，l j t t 则地面法 向反作用力为：(1 2)维普资讯 http:/ 第2 0 卷 第 1 期 肖朝明等：A B S 汽车制动前后轴的受力分析与计算 l 3 F z l=G(b c o s i+h g s i n f+q h g)L 1
9、F z 2=G(a c o s 一h g s i n f 一 h g)l 根据前、后车轮同时处在最佳滑移率的状态，也就是边滚边滑 的临界状态的条件可得：F l+Fg 2=C O S f、Fg l=F z l F 1 2=2 j 将(1 3)式代入(1 4)式，得：F l+F g 2=C O S 1 削去变量，得：F l b c o s i+h g(s i n i+一=一 F g 2 a C O S i h g(s i ni+)z=1 _ Gc o s i 一(Gc o s i(b c os i+h g s in i)+2 )】4汽车上坡制动受力分析(1 3)(1 4)(1 5)(1 6)图 4
10、 图 4 是汽车在上坡制动时的受力情况。同样图中也忽略了汽车的滚动阻力偶矩、空气阻力以及旋转 质量减速时产生的惯性力偶矩。此外，下面的分析中也忽略制动时车轮边滚边滑的过程，附着系数只取 定值。由图 4得对前、后轮接地点取力矩得：l L：Gb c o s i+G h g s i n i m 2 L：G a c o s i G h g s i n i+m(1 7)m m 则地面法向反作用力为：(1 8)一 宝 一 一 心 维普资讯 http:/ 1 4 四川理工学院学报(自然科学版)2 o o 7 年 2月 根据前、后车轮同时处在最佳滑移率的状态，也就是边滚边滑的临界状态的条件可得：Fm+F t
11、2=c os f 、Fpl=FZ l Fl l 2=FZ 2 将(1 8)式代人(1 9)式，得：Fm F t 2=c o s i Fm 一=F t 2 削去变量 缈，得：5结束语 b c o s i+h g(s i n i 一 )a c o s i h g(s i n i 一 )z=1 I_ Gc o s i (2 )】(1 9)(2 0)(21)由于制动减速的作用，制动过程中，汽车前、后轮的垂直载荷始终在发生变化。因此，路面对前、后轮能提供的附着力也在发生变化。这就要求前、后轮的制动器制动力也应该随着路面附着力的不同而 不同，以避免制动过程中，盲目增加制动器制动力。本文通过分析和计算装有
12、A B S的汽车在水平行驶、下坡、上坡时紧急制动时前、后车轮同时处在最佳滑移率的状态下的受力状况，得出了理想的前、后制 动器制动力关系式，为计算汽车制动时制动力在前、后轴的分配，提供了可行的方法。参 考 文 献：【1 1余志生，主编 汽车理论【M1 北京：机械工业出版社，2 0 0 3 【2 1周志立，徐 斌，卫尧编著，汽 车 AB S原理与结构【M1 北京：机械 工业 出版社，2 0 0 5 Th e o r e t ic al An a l y s is a n d Co mp u t i n g t h e S t r e s s o f ABS Au t o mo b i le Br
13、a k i n g i n Fr o n t a n d Ba c k Ax l e t r e e XI AO Ch a o-mi n g-WANG Ru n q i ZHANG Chu n h u a WANG Sh ao l e i (I n d u s t r y I n s t i t u t e，Ce n t r a J S o u t h Un i v e r s i t y o f F r o e s t r y T e c h n o l o g y，Ch a n g s h a 4 1 0 0 0 0，Ch i n a)Abs t r a c t：By u s i n g
14、t o r q u e p r i n c i p l e，t h e s t r e s s c o n d i t i o n o f ABS a u t o mo b i l e i s a n a l y z i n g wh e n e me r g e n c y b r o k e i n t h e l e v e l t r a v e l，t h e d o wn h i l l，the u p h i l l，a n d i n the s e t h r e e k i n d s o f s i t u a t i o n s the p r e s s u r e
15、o f a u t o mo b i l e i n f r o n t an d tr a i l i n g wh e e l，a s we l l a s，f r o n t a n d t r a i l i n g wh e e l b r a k e S b r a k i n g f o r c e An d i t h a s the res u l t o f the a u t o mo bi l e s f r o n t a n d re a r b r ak e b r a ki ng f or c e r e l a t i o ns h i p i n t he s e three kin ds o f s i t ua t i o ns Ke y wor d s：a u t o mo b i l e b r ak i n g；s t r e s s an a l y s i s；b r a k i n g f o r c e c o mp u t i n g；An t i l o c k Br a k e S y s t e m(A B S)维普资讯 http:/