摩托车制动系统力学性能研究

摩托车制动系统力学性能研究　设计・研究　Ｄｅｓｉｇｎ・Ｒｅｓｅａｒｃｈ　

Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ　

Ｂｒａｋｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　

吴龙辉　

ＷｕＬｏｎｇｈｕｉ　

南昌摩托车质量监督检验所（中航工业洪都摩检所）　

Ｎａｎｃｈａｎｇ　Ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ　Ｑｕａｌｉｔｙ　Ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ＆Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ（Ａｖｉｃ　Ｈｏｎｇｄｕ　Ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ１　

摘要／Ａｂｓｔｒａｃｔ　…　……　…　…　…　

本文通过对摩托车在制动过程中所受力的不同，系统地研究和分析了摩托车制动器制动　

力、地面制动力及附着力之间的关系，从而进一步分析了摩托车在不同附着系数路面上的前后　

轮制动器制动力理想分配曲线，从理论上分析了摩托车制动减速度、制动距离等。　

Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｂｒａｋｉｎｇ　ｆｏｒｃｅｓ，ｔｈｅ　ｇｒｏｕｎｄ　ｂｒａｋｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　

ａｄｈｅｓｉｏｎ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ　ｂｒａｋｅ　ａｒｅ　ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｆｏｒｃｅ　

ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｂｒａｋｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎｄ　ｉｔ　ｉｎｃｌｕｄｅｓ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ　ｉｎ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ａｄｈｅｓｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｂｒａｋｉｎｇ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｒｏｎｔ　ａｎｄ　ｒｅａｒ　ｗｈｅｅｌ　ｂｒａｋｅｓ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　

ｄｅｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｂｒａｋｉｎｇ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ　ｂｒａｋｅ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ．　

关键词／Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　…………………　…　……　…　……　

制动力　制动距离　制动减速度　附着系数　

Ｂｒａｋｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ　Ｂｒａｋｉｎｇ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　Ｂｒａｋｉｎｇ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｓｐｅｅｄ　Ａｄｈｅｓｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　

摩托车制动性是摩托车的主要性能之一，对摩　托车驾驶过程中的安全性起到决定性的作用，制动性　

能好坏直接影响到摩托车动力性能的充分发挥，摩托　

车动力性能越好，对其制动性能的要求就越高，只有　这样才能满足摩托车行驶的安全性要求。本文就制动　

系统制动过程的受力分析、制动器制动力的分配以　

及制动效能等方面进行分析，为检测人员在按　ＧＢ　２００７３－－２００６摩托车和轻便摩托车制动性能要求及试验　方法　进行制动性能测试时，提供参考。　

１摩托车运动中受力分析　

１．１地面制动力　

摩托车制动性能密切相关主要包含三个力——地　

０３３　设计・研究　Ｄｅｓｉｇｎ－Ｒｅｓｅａｒｃｈ　

面制动力、制动器制动力与地面附着力。　

图１为车辆在良好硬路面上制动时，车轮的受力　

情况。其中　是车轮制动器中摩擦片与制动鼓或盘相　

对滑动时的摩擦力矩，　为地面制动力，　为车轮垂　

直载荷，　为车轴对车轮的推力，ｚ为地面对车轮的　法向反作用力。图１中滚动阻力偶矩和减速时的惯性力、　

惯性力矩均忽略不计。　

Ｏ３４　图１　摩托车车轮在制动时的受力状况　

从力矩平衡得Ｆｂ＝Ｔ　／ｒ，是使摩托车制动而减速行　驶的外力。地面制动力取决于两对摩擦副的摩擦力：　

一个是制动器摩擦副问的摩擦力；另一个是轮胎与地　面间的附着力。　

１．２制动器制动力　

在轮胎周缘克服制动器摩擦力矩　所需的力，称　为制动器制动力，用Ｆ　表示。　

显然Ｆ　＝　／ｒ，式中　车轮半径。　

由此可知，制动器制动力是由制动系的设计参数　所决定的。即取决于制动器型式、尺寸、摩擦系数、　

车轮半径。　

１．３制动器制动力　地面制动力及附着力之间的关系　

在制动时，若车轮的运动只考虑滚动与拖滑两种　状况，一般首先是滚动，最后抱死。　

当制动踏板力较小时，制动器摩擦力矩不大，地　面与车轮之间的摩擦力即地面制动力足以克服制动器　

摩擦力矩而使车轮滚动，此时，地面制动力就等于制　

动器制动力，且随踏板力的增加成正比地增长。显然，　

车轮滚动时的地面制动力就等于制动器制动力。　

当制动器踏板力或制动系的压力升到某一值时，　地面制动力　达到附着力值时，车轮抱死不转而出现　

拖滑现象。当制动系的压力尸＞Ｐａ时，制动器制动力　

Ｆ　随制动器摩擦力矩的增长沿着直线关系继续上升，　但是，只要作用在车轮上的垂直载荷为常数，地面制　

动力　达到附着力Ｆ　的值后就不再增加，见图２，相　

互关系如公式（１）。　

≤Ｆ　＝ｚ　（１）　

最大地面制动力为：　

凡ｍａｘ＝Ｚ　

—　Ｆ　ｋ　，　

图２摩托车制动过程中的地面制动力　制动器　制动力及附着力的关系　Ｐ　

由图２可见，制动器制动力可以随制动系油压的　

增大而增大，而地面制动力在达到附着力的值后，就　不再增加了。此时若想提高地面制动力，以使车辆具　

有更大的制动效能，只有提高附着系数。　

由此可见，摩托车的地面制动力，首先取决于制　

动器制动力，但同时又受到地面附着条件的限制。只　

有摩托车具有足够的制动器制动力，同时，地面又能　提供高的附着力时，才能获得足够的地面制动力。

　２摩托车理想的前、后制动器制动力分配　

在附着系数为　的路面上，摩托车在制动时想要　

获得最佳的制动效果，其条件是前、后轮制动器制动　力之和Ｆ　等于摩托车的附着力　，并且其前、后轮　

制动器制动力Ｆ　ｕ１、Ｆ　分别等于各自的附着力Ｆ　、　

Ｆ　２，即：　

Ｉ　＝　，：Ｚｌ　｛　：＝　＝Ｚ２　（２）　

ｌ　＝　。＋　：＝Ｇ　设计・研究　Ｄｅｓｉｇｎ－Ｒｅｓｅａｒｃｈ　

方程组（２）中有三个变量Ｆ　Ｆ　ｚ、　，若　

值给定（　＝０．１、０．２、０．３……１．０），则用图解法求解　可得出Ｆ　、Ｆ　：之间的关系曲线图，即为摩托车前　

后轮制动器制动力理想分配曲线　称为Ｉ曲线，如图３　

所示。　‘　Ｉ曲线上对于的数值表示摩托车前后轮制动时在　

不同的附着系数的路面上所能获得的最大制动力，即　

说明前后轮的制动都能最大限度地利用路面的附着力，　

这是摩托车制动力的最理想分配。　

３摩托车前后轮制动器制动力分配系数与同　

步附着系数　

＼　／　

、　、　＿／　ＩＦ＝Ｉ。Ｑ　＼＼　＼　ｌ　＼　ＩＦ：Ｏ．１　：　０　＝０．３　、　ＩＦ＝Ｏ．９　＼　／　／　ＩＦ：　４　＼　＼、　＼、　＼　／　／　、＼　ＩＦ＝Ｏ．８　、、　＼、＼／　／　

／　／／　Ｊｌｆ＝０．５　＼　＼　：＼ｎ　７、　、　／、　＼　／　ｌ　

＼　＼　、　－　一　、．　／　／／　＝ｎ　６　＼　、　＝ｎ６　／　／　＼　

＼　＝０．５＼　、　＼＼　／　、　＜　／／　／　＝　＾　＼　＼　＼一／／　—一　＝ｎ　７　

＼　＼　＼　’　／＼＞　／、　＞＜’　，　Ｉ＝ｎ　８　＼　＿　＼　、。／　一　一　Ｉ　：ｏ．３、　

一一　

ＩＦ：Ｏ．２　＼　／＼、、　，Ｘ　＞＜　≥　／　、　一　ＩＦ：Ｏ．９　…一一一　、Ｌ一　ｌ　／一　一　≮　一一一　———　＿　：１．０　—　

ｖ＝　１　三　一一’　＿＼　１　＼、、　、　——　——一　—一　一　

三　：：　—一一　＼　、＼、、　＼　１　＼　＼＼、　＼、　＼　

０　ｉ００　２００　３００　４００　５００　６００　７Ｏ０　Ｂ００　９００　１　０００　１　１００　ｌ　２００　Ｆ　】（Ｎ）　－，，Ｉｂ，－摩托苇前后棺剜动嚣捌动力壤悠分￡雌墁　

图３摩托车前后轮制动气制动力理想分配曲线．１曲线　

制动系统施加在前后轮上的实际制动力通常被设　

计成一个不变的线性比例关系，即将摩托车前轮制动　器制动力与总制动力之比来表示：　

＝鲁　㈥　

式中：　——摩托车制动器制动力分配系数；　Ｆ　——摩托车总制动力，Ｎ；　

Ｆ　——摩托车前轮制动器制动力，Ｎ。　则有：　

（４）　

根据式（４）可制作出摩托车实际制动力分配曲　黜　哪　啪　踟　啪　踟　ｍ　。　

＾　设计・研究　Ｄｅｓｉｇｎ－Ｒｅｓｅａｒｃｈ　

线．　线，见图４。当　线与Ｉ曲线交与一点时，仅当　

此情况下，摩托车的前后轮制动器才能达到最大制动　

力，此时的路面附着系数称为同步附着系数　。。　

０３６　Ｆ　ＬＩｌ（Ｎ）　

图４摩托车实际制动力分配卢线与Ｉ曲线　

根据图４可知，在摩托车制动时，当附着系数　

＜　。时，即　线位于Ｉ曲线下方的区间，摩托车前　轮先出现抱死情况，此时摩托车将丧失转向能力；当　

附着系数　＞　。时，即　线位于Ｉ曲线上方的区间，　

摩托车后轮先出现抱死情况，此时摩托车将产生侧滑，　

危险性较大。　

４摩托车制动效能　

摩托车制动效能，是指摩托车迅速降低车速直至　

停车的能力。摩托车制动效能的评价指标是最大制动　减速度（单位ｒｒｄｓ。）和制动距离Ｓ（单位ｍ）。　

４．１　最大制动减速度计算　

在制动稳定性符合法规要求、制动器制动力足够　

的情况下，车辆的制动减速度主要取决于路面附着系　数及利用。在不考虑滚动阻力、风阻等的情况下车辆　

可获得的最大减速度可用以下公式表示：　

ａ）当制动器制动力没有达到附着力，车轮未抱死　的情况下：　

ｌｍ　＝Ｆ　／ｍ　（５）　

ｂ）当车轮即将抱死滑移的情况下，摩托车总的制　动力等于总的附着力，则根据公式（５）可知：　

＝　＝Ｇ　＝　鲁　（６）　

得到：　

．ｄｕ　．，ｍ　ｆａｇ　（７）　

４．２制动距离　制动距离Ｓ，是指摩托车以给定的初速　从踩到　

制动踏板至摩托车停住所行驶的距离。制动距离与踏　

板力（或者制动系管路压力）以及地面的附着情况有关，　

也与制动器的热工况有关。　

．－．＿　Ｐｐ　．　

．．　．．．・・・・　，，　ｊ　…・・　・‘　………”：，‘…・　／　／　ｌ‘　ｅ　、　、　

／　、　／　、　８　ｂ÷ｃ｜　、　ｆ　－Ｊ　●　”　—　１　ｇ　ｆ　２　２　ｌ　。　３　ｄ　

图５摩托车制动过程的时间简图　

为驾驶员感知、判断、决策时间，　ｌ为驾驶员　手或脚的移动时间，　：　＋　’总计为驾驶员的反应　时间。　

Ｔ２为制动器滞后时间，即踩下制动踏板克服回位　弹簧力并消除制动蹄片与制动鼓间的间隙所需的时间，　

为制动器制动力增长的时间，ｒ２＝＝＝　２＋　为制动器作　用时间。　

为制动器持续时间。　ｚＩ４为制动器放松的时间。　ａ）制动器起作用阶段的行驶距离为　ｚ，等于制　

动器滞后时间和制动器制动力增长的时间行驶的距离　

之和：　

在为制动器滞后时间　内，　；＝ＵｏＴ；（８）　

在制动器制动力增长的时间　内，ｃ点初速度为　ｅ点最大减速度为，　，则平均减速度为：