安全行车中车轮受力情况与制动距离探析

安全行车中车轮受力情况与制动距离探析吴伟铨(福建省泉州市技工学校,福建泉州362000) 汽车的行车安全系指汽车在行驶过程中不会发生损伤旅客、货物和车辆,以及不发生碰撞行人、其他车辆和建筑物等交通事故。在行驶中遇到一些特殊情况时,为了保证安全,总希望汽车能在原地把车停住,但是,在客观实际中是做不到的,而总是有一段过程使车辆继续行驶一段距离,这段距离是我们不想见到的,但却也不可能避免。我们把这一段随时有发生危险的距离称为制动非安全区。一、汽车的路面制动力与附着力汽车只有受到与行驶方向相反的外力作用时才能把行驶速度降低直至停车。由于空气阻力很小,所以这个外力基本上由路面提供,驾驶员踩下制动踏板产生制动摩擦力矩,因而路面制动力矩与制动摩擦力矩的方向相反,在不计滚动阻力和车轮本身的惯性力时,我们画出了在良好硬路面上制动时车轮的受力情况,如图1所示。图1　制动时车轮的受力情况图2　制动过程路面制动力与制动摩擦力及附着力关系从力矩平衡可得到Fxb=Tu/r(Fxb:路面制动力,r:车轮半径,Tu:制动摩擦力矩),路面制动力直接影响到汽车的制动效果,在同样条件下,路面制动力越大,汽车的减速度也越大,停车越快,制动距离就短,反之则相反。但路面制动力取决于两个摩擦力:一个是制动器的摩擦力;一个是轮胎与地面间的摩擦力———附着力。图2所示,汽车制动时,若只考虑车轮的运动为滚动与抱死滑动两种状况,当制动摩擦力矩不大,路面制动力也较小,车轮运动受阻,但是还可以滚动,这时路面制动力就等于制动器的制动力,且随着踏板力或制动系的压力的加大而成正比增加。当制动系的压力达到一定值a时,制动器摩擦力等于附着力,这时车轮就停止不转,出现抱死拖滞现象。如果压力继续增大,P>Pa时,则制动器摩擦力仍直线上升。而地面制动力达到附着力后就不再增加了,这时路面制动力必须满足以下条件:

Fxb≤Fφ=Fz・φFxb:路面制动力Fφ:附着力Fz:路面对车轮的垂直反作用力φ:附着系数

从公式可以看出φ=Fφ/Fz,也就是说附着系数为每公斤垂直反作用力所能提供的滑动摩擦力。图3列出了不同类型的路面及其干湿路面状态附着系数值。图3轮胎与路面的附着系数路面轮胎的附着系数类型状态高压低压越野车

沥青或混凝土路面

干燥0.5.～0.700.70～0.800.70～0.80

潮湿0.35～0.450.45～0.550.50～0.60

有泥浆0.25～0.450.25～0.400.25～0.45

卵石路面干燥0.40～0.500.50～0.550.60～0.70

碎石路面干燥0.50～0.600.60～0.700.60～0.70

潮湿0.30～0.400.40～0.500.40～0.55

土路干燥0.40～0.500.50～0.600.50～0.60潮湿0.20～0.400.30～0.450.35～0.50

泥泞0.15～0.250.15～0.150.20～0.30

沙质路面干燥0.20～0.300.25～0.400.20～0.30

湿润0.35～0.400.40～0.500.40～0.50

积雪路面松软0.20～0.300.20～0.400.20～0.40

压实0.15～0.200.20～0.250.30～0.50

结冰路面零下温度0.08～0.150.1～0.200.05～0.1

73科学技术 引进与咨询2006年第7期 影响附着系数的因素很多,其数值主要取决于道路的材料、路面的状况与轮胎结构、胎面花纹、材料以及汽车运动的速度等因素。在计算中取平均值,仅仅供应用时参考。路面上如有尘土、细沙、油垢或其它脏物,这样又会使磨擦系数下降20%～60%,在潮湿的情况下降更多,这些因素必须考虑进去以引起注意。二、汽车的制动过程汽车的制动过程就是人为地增加汽车的行驶阻力,使汽车行驶中的动能或位能(当汽车下坡行驶时)转化为其他形式的能(一般转化为热能),在采取紧急制动时,汽车行驶中所储备的动能不能立即全部转化成其它能量,而总是要有一个过程使车辆继续行驶一段距离。图4是驾驶员发现到了紧急情况,汽车制动减速度与制动时间的关系。图4　制动减速度与制动时间的关系驾驶员反映时间t1+t2:当驾驶员接到紧急停车信号(图中a点)并没有立即动作,而要经过t1秒钟后才意识到紧急制动,并移动右脚,再经过t2秒钟后才开始踩着制动踏板,在图中是从a点到b点再到c点,它取决于驾驶员的反应灵敏程序和技术熟练的水平以及体力的疲劳状况,通常为0.3～1秒。制动器作用时间t3+t4:在c点以后,当踏动制动踏板后,这时由于制动系中有一定的残余压力,且蹄片是由回位弹簧拉着的,蹄片与制动蹄之间存在着间隙,经过t3秒时间到达d点,制动器才起作用,使汽车开始产生减速度。t4是制动器摩擦力增长过程所需的时间,到达e点时,制动压力到达最大值。制动器作用时间一方面取决于驾驶员踩踏板的速度,更重要的是要制动系结构型式的影响。一般液压制动装置传动为0.2～0.25秒,气压制动装置传动为0.3～0.9秒。持续制动时间t5:从e点到f点,踏板力假定不变,在这段时间内汽车的减速度基本不变,它相当于从达到指定制动开始至有效制动结束的时间。制动彻底解除时间t6:从f点到g点相当于放松制动踏板至汽车制动力消失的时间。t6一般在0.2～1秒。从制动过程可以看出,汽车制动的全部时间是由以下各项时间积累而成的:驾驶员反映时间t1+t2,制动器起作用的时间t3+t4,持续制动时间t5,制动彻底解除时间t6。三、汽车的制动停车距离制动停车距离是指从驾驶员发现情况,采取制动措施到汽车完全停止时为止,汽车所经过的路程。车辆行驶时最理想的情况是想慢就慢,想停就停。但实际上并不是这样,从上面对制动过程的分析,我们知道制动停车距离的长短,受各种因素制约。从图5(a)、5(b)可以看出,驾驶员在A点发现情况,到E点迫使汽车停住,经过驾驶员心理反应阶段t1+t2驶过的距离S1,机械反应阶段t3驶过的距离S2,汽车减速度增长阶段t4驶过的距离S3,持续制动阶段t5驶过的距离S4。

图5　制动过程示意图1、驾驶员反应时间驶过的距离S1

驾驶员接到紧急信号,并没有立即行动,图5(b)中

的S1点,经过了心理上的感知、判断、决定、身体的抬脚,移动,踏上制动踏板等几个过程,它取决于驾驶员的反映灵敏程度和技术熟练的水平,以及体力与疲劳状况,

通常为0.3～1秒,在反映时间内车速保持不变,所经过的距离S1为驾驶员的反应距离。S1=VA(t1+t2)

VA:车速(km/h)　t1+t2:反应时间例如车速为60km/h　S1大约为11m左右。2、机械反应时间驶过的距离S2

驾驶员踏下制动踏板,制动系开始工作,各连接机构

消除配合间隙,此时,车速等于初速度VA不变车辆所驶过的距离S2,一般液压制动装置为0.03～0.05秒,气压制动为0.2～0.5秒。S2=VA・t3(km)如车速60km/h　S2大约为:液压1m;气压5m。3、汽车减速度增长阶段驶过的距离S3

从图a中看出:加速度(这里的取负值)又∵t=0时,

V=VA,根据位移与速度的关系式可得S3=

83 引进与咨询2006年第7期 科学技术一般液压制动装置为0.17～2.45(秒),气压制动为0.1～0.4(秒)4、持续制动阶段行驶的距离S4。在持续制动时间内踏板力假定不变,减速度不变,此阶段汽车以作匀减速运动,初速度为V2,末速度为零。据速度与加速度的关系式,可得:四、影响汽车制动距离的因素从上式中可看出,影响制动距离的主要因素是:制动器起作用时间、制动时的开始车速等。附着力越大,制动起始车速愈低,制动距离就愈短。而持续制动距离与车速的平方成正比的增加。当车速快,不仅会使制动距离骤然增加,而且还会使轮胎与路面的附着系数相应地减小,这样又延长了制动距离。因此,为了减少制动距离,缩小汽车的制动非安全区,

就必须严格控制汽车的制动距离。图6,实验得出了几种不同路面和不同车速时的制动距离,对驾驶员合理使用制动有积极的参考价值。

图6制动距离与附着系数和行驶速度的关系路面附着系数汽车行驶速度(km/h)的制动距离(m)

102030405060708090结冰路面、有泥浆粘土荒地0.2～0.327.917.731.549.270.896.4126159

湿沥清和混凝土0.3～0.413.98.815.724.635.448.26379.7

干碎石路0.6～0.70.72.65.910.516.423.632.14253.1

干沥青或混凝土0.7～0.80.562.2591420.227.535.945.5

另外,汽车的载荷经常会改变,作用在前、后轮的法向载荷之比并非一个常数,而是随着道路附着系数和重心位置的不同而改变。所以各车轮的路面制动力也不一定能同时达到附着力,这样就会造成汽车制动距离的改变。同时,汽车满载与空载的制动距离也不同,实验得出:当车速在30km/h时,重量大于3吨的载重汽车,每增加1吨的重量,制动距离就要增加0.5～1m。还有驾驶员的反应快慢对汽车制动的安全是很重要的,它主要是由于驾驶员的注意力不集中,或过于疲劳、精神状态不良或高速行驶等原因引起反应时间的增加。为了安全行车,以上这些因素都必须引起足够的重视。

(上接第36页)互界面,供环保用户操作和使用,实现环

保行业的各项业务。五、系统功能实现系统功能的实现从大的方面可划分为监控与GIS应用两部分,监控与GIS应用以偶合方式覆盖所有功能需求。监控是GIS应用的基础。1、监控部分完成重点污染源、水气环境质量监测站的在线监测数据、设备运行状态、不间断电源工作数据等信息的自动上传,对超标排放、环境质量污染、装置或仪器运转异常、掉电以及通信网络状态实时报警,存储各类信息并自动分析、处理并予以统计计算。该部分同时还具备召唤实时数据,查看原始数据、告警信息,修改、录入、重新统计审核数据,调阅、分析统计数据等功能以及其他信息管理功能。2、GIS应用部分的主要功能包括空间数据访问、地图管理、综合查询、实时告警以及GIS平台的通用功能等。环境状况等信息通过WEBGIS进行发布,并能够以页面方式在电子地图为导航的基础上进行查询,包括在线监测数据、统计报表、基础信息、行业规范与标准等等在内的各类信息。同时该应用部分能实时准确且直观生动地将严重的超标排放或者环境污染情况的告警和数据反映到地图上,

辅助环境执法与事故应急指挥。六、系统建设前瞻性福建省环境自动监测监控系统建成后,用户能实时调取环境监测点位数据并显示在省环境自动监测监控指挥中心的大屏幕上,此外,一旦出现污染物超标、监控仪断电、与采集装置通讯中断等事故,红色报警信息会即时在系统中显示出来,提醒工作人员及时采取相应处理措施。通过该系统,可以使用基于Web的环保地理信息系统,准确定位污染源(或者环境质量监测点)等点位并调取数据和相关信息,直观的显示污染源等监测监控点位的周边环境地理信息,方便环境污染事故的应急指挥。通过该系统,还可以查询各排污单位、水质量自动站和空气质量自动站的历史数据信息,可以查询每时、每日、每月甚至每年的环境测量量均值、排污总量等数据。同时,与数字福建及将来办公自动化系统的高度集成,