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abs為什麼要控制滑移率
abs為什麼要控制滑移率
更新时间:2025-04-04 10:09:19

前面一個視頻,我們了解了汽車制動的基本知識,分析了為什麼前、後軸抱死都是危險工況,以及它們各自不同的表現。最後挖了個坑,來聊聊更加安全的ABS系統背後的基礎原理,今天咱就來填坑!不要覺得ABS很古老很簡單,相信你看完本期節目,對此會有一個更加透徹的了解。

什麼是好的制動過程

首先來回顧一下,一個理想的制動過程要達到一個什麼樣的狀态呢?兩個核心要求:

  • 車輪不會抱死拖滑,這樣不會浪費地面附着力
  • 前輪仍然保持轉向的能力,可以在緊急制動下躲避障礙物

仔細觀察這兩個要求,其實是有因果關系的,如果能保證前輪不發生抱死拖滑,那麼前輪也就不會失去轉向的能力。因此核心的核心就是,如何避免制動時的車輪抱死!

abs為什麼要控制滑移率(你真的了解ABS的物理原理嗎)1

制動抱死跑偏(紫色車)

你可能會說,那好辦,在車輪将要發生抱死之前,我松開刹車踏闆不就行了?思路很正确,但我問你,如何判斷抱死呢?你可能又會說,很簡單,我檢測車輪旋轉的(角)速度不就行了?如果檢測到将要到0,那就是發生了抱死呗!聽起來也沒錯,但在實際應用中,這樣做有兩個缺點:

首先,車輪由轉動到抱死的短暫時間裡,轉速并不是一個速度均勻下降到零的過程,而是在快到抱死狀态之前,車輪會處于一種半拖半滾的狀态,因此輪子轉速也呈現大範圍的間斷和波動,這會對你的判斷造成幹擾;

更重要的是,這種半拖半滾的狀态,會讓輪胎與地面之間的附着力降低,損失地面制動力,從而影響汽車的制動性能。

關鍵先生『滑移率』

那究竟應該怎麼辦呢?我們來看看ABS系統的做法吧。但為了講清楚原理,咱們先要了解一個名詞:滑移率!(Slip Ratio)。聽名字好像和輪胎的拖滑有點關系,沒錯,其實這個參數就是來衡量輪胎相對地面被拖滑的程度。它有兩種形式,在制動的時候是這樣定義的(懶得打了,用百度百科的網圖):

abs為什麼要控制滑移率(你真的了解ABS的物理原理嗎)2

哎,看到公式先别忙着關文章,聽我解釋你就明白了!誰讓我叫『戴森方程式』呢?多少得整兩個方程出來才對得起這硬核欄目的定位嘛:)

輪胎在地面正常滾動的時候,轉過的角度和車輛走過的距離之間是有一個固定比例的,這個比例就是車輪半徑!也就是說,在車輪在地面勻速滾動的時候,輪子轉一圈360度,那麼向前行駛的距離就是車輪的周長。因此現在看那個公式,沒這麼難受了吧:u衡量的是車輛的速度,而公式中的『rw』就是由車輪旋轉的角速度乘以車輪半徑折算得到的車速,更簡單粗暴的說,那就是前者『u』反映車身速度,後者『uw』或『rw』反映的是車輪速度,隻要汽車不是在勻速運動,那不論加速還是減速狀态,這兩個速度都不會完全相等。

abs為什麼要控制滑移率(你真的了解ABS的物理原理嗎)3

滑移率的百分比表達式,二者都可以

然後我們可以這樣理解,在制動減速過程中,制動力是地面傳遞給輪子,然後輪子再傳遞給車身,因此輪子總會比車身先減速!那麼在同一時刻,反映車輪速度的wR那一項,總是比車身速度v要小一些!制動力越大,刹車越猛,二者之間的差距越大!

拓展:那麼在加速過程中如何呢?你一定不難想到,就是輪子總是先于車身加速的,因此同一時刻wR要比v更大,而且加速越猛,二者差值越大!

現在可以來梳理一下滑移率的變化規律了,我們先隻看兩頭的極限情況:

  • 如果車輛勻速滑行,不加速也不減速,那麼v=wR,滑移率s=0
  • 如果車輛緊急制動造成了車輪抱死,在地面上拖滑,那麼車還在動,因此車速v不是0,但是輪子不轉了,wR=0,故而滑移率s=1

很明顯,滑移率是一個百分比類型的參數,反映了車輪在地面上滾動和在地面上拖滑的一個比例,随着制動強度的增加,這個比例也在變,直到完全抱死時,比例達到1!現在能明白我所說的制動過程中輪胎處于『半拖半滾』狀态的意思了吧。

滑移率與地面附着力

讀到這裡,如果你依然思路清晰,那麼後面的分析就水到渠成了!人們經過實驗發現,輪胎的滑移率和與地面之間的附着系數二者之間存在着密切的關系!(附着系數是汽車理論裡面的術語,在這你可以粗暴理解為摩擦系數,其實還是有些區别,在這不展開)具體來說,對于常見的子午線輪胎,在幹燥的水泥路面上行駛時,它的附着系數變化曲線是這樣的:

abs為什麼要控制滑移率(你真的了解ABS的物理原理嗎)4

不難看出,随着滑移率從0變化到100%,附着系數并不是一直增加的,而是存在一個峰值,是在滑移率20%附近達到的!這個峰值大概是0.8~0.9。因為附着系數定義為地面制動力(術語叫做縱向制動力,即沿着車輛行駛方向)與輪胎垂直載荷之比,因此這就意味着在附着系數達到峰值的時候,地面可以提供接近車重9成的力用來刹車!這也是理論上最大的制動力,不論你的刹車卡鉗多麼的牛x,但是地面最多提供這麼大的制動力,隻要超過這個值,輪胎就會發生抱死拖滑,根據上面的分析,拖滑時地面能提供的摩擦力隻有車重的7成左右了。

這麼一來,我們就很清楚,想要在整個制動過程中保持最大的地面制動力,必須要把滑移率維持在20%左右,沒錯!這正是ABS控制的目标!

ABS的工作原理

當我們踩下制動踏闆的時候,ABS就會根據每個輪子的輪速和車速來計算車輪的滑移率,并通過對制動卡鉗的控制來讓滑移率維持在20%左右。具體來說,如果滑移率比20%高,那麼說明輪子被刹得太用力了,就松開卡鉗,反之如果比20%低,就要刹緊車輪,這樣通過對刹車卡鉗不停的開關動作,就可以讓滑移率維持在20%的上下來回跳動,而隻要執行頻率夠高,刹車動作足夠快,就可以把這個上下跳動的幅度控制在20%附近一個很窄的範圍内。

abs為什麼要控制滑移率(你真的了解ABS的物理原理嗎)5

這種控制方法就像拿兩塊木闆之間夾着一個乒乓球,乒乓球可以不停的在兩塊闆之間跳動,但是不會逃出這個區間,因此這種控制方式也被形象的稱為:Bang-bang Control !是一種非常簡單粗暴且應用廣泛的開關控制策略。

當然ABS還可以使用更複雜和先進的控制方式,但就控制效果而言,上面這種方式就足夠達到目的了!現在回顧一下我們最初設立的理想的制動方式要具有的特點:

  • 車輪不抱死
  • 前輪能轉向

ABS是不是都達到了要求?而且人家還超額完成了任務,不僅沒有發生抱死,還最大限度利用了地面的附着力(将滑移率維持在20%)!

隻有ABS還不夠保命?

說到這裡,ABS基本的知識都已經說清了,但大家有沒有意識到可能存在什麼問題呢?比如,左邊車輪行駛在幹燥路面,右側車輪行駛在潮濕或者積水路面,如果這時候緊急制動,又會發生什麼情況呢?

根據ABS基本原理,每個輪子上顯然都不會出現抱死拖滑的現象,但是左右兩側車輪的峰值地面附着力卻顯著不同,幹燥路面一側制動力大,濕滑路面一側制動力小,因此車輛就會産生一個較大的橫擺力矩,車就會發生甩尾的危險。

因此,我們還必須考慮車身制動時的穩定性,而不能隻盯着每個車輪各自的滑移率這一個變量。簡單來說,在上述這種左右側路面附着條件差異巨大的情況中,制動力大的那一側(幹燥路面)隻能去遷就制動力小的那一側(濕滑路面),以保證左右兩側的地面制動力差别不大。這就像所謂的『木桶理論』,四個車輪中,誰與地面之間的附着力最小,誰就是木桶中最短的那塊木闆,那麼木桶的最大儲水量,就取決于最短的這塊木闆。

這樣做雖然在幹燥路面一側的車輪浪費了很多制動力,但是卻讓車身獲得了制動穩定性,不會發生災難性的橫擺和甩尾。在汽車中來完成這個任務的是EBD(電子制動力分配)模塊,因此這也就是為什麼一般ABS總是和EBD結伴出現的原因。

ABS還能成就更多嗎?

ABS和EBD都是在緊急制動這種千鈞一發的時刻才對你出手相救,好是好,但難免讓人覺得心有餘悸,有沒有更加積極和預防性的方式可以幫我們更早的規避一些危險呢?當然是有的,那就是在ABS基礎架構上實現的更先進和複雜的ESP(電子穩定程序)。它能夠在更廣泛的場景中發揮作用,保護我們的行駛安全,但是要說清楚這個東西,那就要先了解一下汽車的轉向動力學内容了。我打算在下面幾期視頻和文章中,慢慢向大家介紹汽車的側向動力學方面的内容,想跟我繼續深入了解汽車背後的物理學原理的小夥伴,不要錯過,下期我們先從最基本的輪胎特性說起,然後就是引戰無數的『不足轉向』和『過多轉向』之争,請期待吧。

當然如果你喜歡看有點專業深度的内容,歡迎看我很早之前寫就的兩篇介紹轉向特性的文章,接下來的視頻将會是它們的簡化版,相信你會有所收獲:

牛頓力學分析:每天聽人說轉向不足和轉向過度,你真的了解它們嗎?

轉向幾何學分析:認為汽車轉彎很簡單?來了解下這背後的科學原理吧

我是戴森,一個熱愛分享汽車與科學主題的科普創作者!

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