車輛制動科學技術的發(fā)展與研究進展

摘要：論述了車輛制動科學技術的發(fā)展和研究進展。車輛制動性作為車輛的主要性能之一，其科學技術的發(fā)展直接關系到車輛安全行駛。21世紀能源與環(huán)境保護技術、新材料技術、先進的制造技術、信息與控制技術等成為科學技術發(fā)展的重要領域，這些領域的科技進步對車輛制動科學技術的發(fā)展將產生重要的推動作用。

關鍵詞：車輛 制動 科學技術 發(fā)展 研究進展

1. 概述

從汽車誕生時起，車輛制動系統(tǒng)在車輛的安全方面就扮演著至關重要的角色。提高車速是提高運輸流量的主要技術措施之一，但車輛高速行駛時，必須以保證行駛安全為前提。在道路行駛流量較小的情況下，車輛可以高速行駛，而在即將轉向，或路面條件差，或車流比較大時，特別是遇到障礙物，或是有發(fā)生車禍的危險時，就需要在盡可能短的距離內將車速降到很低，甚至停車。如果車輛不具有這一性能，最求高速就不切實際；車輛在下長坡時，在重力沿坡道分量作用下，有不斷加速到危險車速的趨勢，此時應當將車速維持在一定的安全值下，并保持穩(wěn)定；此外，對已經(jīng)停駛（特別是在坡道上停駛）的車輛，應使其可靠地駐留在原地。以上使行駛中的車輛減速及停車，使下坡的車輛速度穩(wěn)定，駐車保持不動這些作用統(tǒng)稱作制動。

車輛制動性是車輛的主要性能之一，它直接關系到交通安全。重大的交通事故往往與制動有關，故車輛制動性是車輛安全行駛的重要保障。車輛制動性主要從三個方面來評價[1]：①制動效能，即車輛制動距離與制動減速度；②制動效能的穩(wěn)定性，即抗熱衰減的性能；③制動時車輛行駛的方向穩(wěn)定性，即制動時不發(fā)生跑偏、側滑以及失去轉向能力的性能。

近年來，隨著車輛技術的進步和汽車速度的不斷提高，人們的安全意識越來越高，對制動技術提出了新的要求。眾多的汽車工程師在改進車輛制動性能的研究中傾注了大量的心血。目前關于車輛制動的研究主要集中在安全、節(jié)能、環(huán)保等方面。

2. 車輛制動科學技術的發(fā)展[2][3][4]

車輛制動科學技術直接關系到行駛安全。伴隨著現(xiàn)代車輛設計、制造技術的發(fā)展和使用需求的增加，車輛制動科學技術也在不斷發(fā)展和創(chuàng)新。

2.1 車輛制動形式的發(fā)展

制動系統(tǒng)是汽車的一個重要組成部分。直接采用氣壓制動是發(fā)展最早的一種汽車制動形式，它以發(fā)動機的動力驅動空氣壓縮機作為制動器唯一能源，而駕駛員的體力僅作為控制能源，這種制動系統(tǒng)稱為氣壓制動系統(tǒng)。

氣壓制動形式很快發(fā)展為液壓制動。液壓制動較氣壓制動來說有許多優(yōu)點：首先它可以提高制動壓力，減少制動結構的體積；其次它可以省去體積龐大的冷氣瓶，更重要的是它為電液防滑控制制動系統(tǒng)的應用提供了可行性。但液壓制動系統(tǒng)也存在它的缺點：重量大、易起火、響應較慢等。

為了解決液壓制動的不足，伴隨著電子技術的發(fā)展，電動制動產生了。電制動系統(tǒng)與液壓制動系統(tǒng)就制動原理來說是相同的，其車輪和制動裝置的主要部分是相同的。不同的是在電動制動系統(tǒng)中，電源代替了液壓源，機電作動器代替了液壓作動筒(汽缸座活塞組件)。與液壓制動系統(tǒng)相比，電制動系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢。在電制動系統(tǒng)中采用電力操縱，不存在油液流動，因而對制動指令響應速度比液壓制動系統(tǒng)快得多。電作動器的響應頻率是液壓裝置響應頻率的2～3倍。同理由于響應頻率較快，有助于改善防滑性能。由于取消了液壓附件，減少了失效危險，提高了安全性，也減輕了重量。另外，車輛電制動系統(tǒng)還改善了系統(tǒng)的故障診斷能力，減少了維護工作量，降低了維護要求。值得指出的是，沒有液壓油，因而也不存在常見的液壓系統(tǒng)污染問題。

多年來，在提高制動效能及其安全性、可靠性和可維修性的需求牽引下，現(xiàn)代車輛制動技術的改進和創(chuàng)新始終沒有停止過。流變體制動的研究和應用是20世紀后期的一項重大技術成就，為車輛制動技術領域開辟了一片新天地。流變體制動尚處于理論研究階段的一種新制動理念，它使磁流變體和電流變體等新星材料，在調節(jié)外加電場或磁場的情況下，迅速改變粘度，甚至由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)。在系統(tǒng)的動靜盤之間形成剪切力，從而產生阻礙的制動力矩。受電場支配的稱為電流變體(ERF)，受磁場支配的稱為磁流變體(MRF)，材料的這種現(xiàn)象叫做“溫斯羅(Winslow)效應”。這種制動動盤和靜盤之間充以流變體，在沒有制動情況下，流變體不起作用，動盤可自由轉動。制動時在電場(或磁場)作用下，流變體粘度迅速改變，從而在動靜盤之間形成剪切力，這樣就產生了阻礙動盤旋轉的制動力矩。流變體制動較機械摩擦式制動的顯著優(yōu)點是制動平穩(wěn)，效率高，目前已經(jīng)試用于車輛的制動。其缺點是結構復雜，能否在汽車上應用，取決于研究的進展情況。

汽車制動過程是一個將巨大的動能轉化為熱能而耗散的過程。從電機制動方式得到啟示，電磁場原理可應用于汽車制動，稱為電磁場制動。在行駛中車輪作為發(fā)電機發(fā)電貯存起來，在制動過程中車輪作為電動機，制動時反向給電機反相電壓，使車輪產生一個與轉動方向相反的電磁力矩，從而達到減速停車的目的。制動過程機械能轉化為電能可反饋給電源。這種設想符合能量守恒原理，理論上應當是可行的。正處于實驗研究狀態(tài)，這將是汽車制動技術富有革命性的創(chuàng)新，因為它不再借助摩擦制動，而是采用電磁場制動，并有效利用回收行駛過程中的能量的。

2.2 車輛制動控制系統(tǒng)的發(fā)展

目前車輛制動的研究在控制方面投入比較大，包括制動控制的理論和方法，以及新技術的采用。傳統(tǒng)的制動控制系統(tǒng)只做一件事情，即均勻分配油液壓力。當制動踏板工作時，主缸就將等量的油液送往每個制動器，使前后平衡。然而要達到真正的“平衡”，必須借助控制系統(tǒng)。

最原始的控制系統(tǒng)是靠駕駛員操縱一組簡單的機械裝置來控制向制動器施加的作用力，在當時車輛質量比較輕、速度比較低、車流很小的情況下，這種控制可以滿足要求。隨著車輛重量的增加和車速的不斷提高以及汽車工業(yè)的發(fā)展，尤其是軍用車輛及軍用技術的發(fā)展，車輛制動控制技術有了新的突破，機—液控制系統(tǒng)是繼機械控制系統(tǒng)后的的又一重大革新。上世紀80年代后期，隨著電子技術的發(fā)展，世界汽車技術領域最大最顯著的成就就是防抱制動系統(tǒng)(ABS：Antilock Brake System)的使用和推廣。ABS是集電子技術、精密加工技術、液壓控制技術為一體，是機電一體化的高技術產品。它的安裝大大提高了汽車的主動安全性和操縱性。ABS是基于車輪加、減速門限及參考滑移率方法設計的，不同的車輛需要不同的匹配技術。發(fā)展ABS的控制技術成為關鍵，現(xiàn)在，多種控制技術在ABS的控制邏輯中得到應用，如傳統(tǒng)的邏輯門限控制、PID控制、變結構控制、模糊控制、基于狀態(tài)空門及線性反饋理論控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制、智能控制等。

隨著機電一體化在汽車工業(yè)中的廣泛應用，出現(xiàn)了測控一體化制動控制系統(tǒng)。測控一體化制動控制系統(tǒng)是充滿創(chuàng)意的電子控制式制動系統(tǒng)，它是將傳統(tǒng)的液力制動系統(tǒng)轉變?yōu)楦鼜姶蟮臋C電一體化系統(tǒng)。它的微處理器被集成到車輛的資料中，能夠處理從不同電子控制裝置傳來的資訊。通過這種方法，電子脈沖和傳感器信號就可以很快地轉換成制動信號，從而給駕駛員帶來顯著的安全感和舒適感。這種控制系統(tǒng)將成為提高汽車駕駛安全性的一個新里程碑。

2.3 再生制動技術

車輛制動過程是把車輛的動能通過摩擦的方式以熱能的形式耗費掉。因此車輛制動過程中消耗了大量的能量，如果將這些能量回收起來，以其它的形式存儲讓車輛再次利用，將有助于提高能源利用率，減少燃料消耗，減輕制動器的熱負荷，減少磨損，提高車輛行駛安全性和使用經(jīng)濟性。再生制動技術就這樣產生了。

再生制動技術根據(jù)不同的存能機理可分為：飛輪儲能式，利用高速旋轉飛輪來存儲和釋放能量，即飛輪電池；液壓儲能式，先將汽車在制動或減速過程中的動能轉換成液壓能的形式，并將液壓能貯藏在液壓蓄能器中，當汽車再次起動或加速時，儲能系統(tǒng)又將蓄能器中的液壓能以機械能的形式反作用于汽車，以增加汽車的行駛動能；電化學儲能式，首先將汽車在制動或減速過程中的動能，通過發(fā)電機轉化為電能并以化學能的形式存儲在儲能器中，當汽車需要起動或加速時，再將儲能器中的化學能通過電動機轉化為汽車行駛的動能；復合儲能式，將化學電池與超級電容器的組合，將電器儲能元件與電力電子功率變換電路相結合，進行快速大功率能量的儲蓄，緩沖釋放的再生能量以化學能的形式儲存起來。

另外，采用再生制動能量回收技術，在進行能量回收的同時，可以大大降低制動噪音。

2.4 制動噪聲控制技術

汽車制動所發(fā)生的尖叫噪聲和振顫聲，會分散人們的注意力，造成人們心情緊張煩躁、不舒服，又影響環(huán)境，損害人們的健康。隨著人們環(huán)保意識的增強，汽車制動噪音問題越來越受到人們的重視，特別在人口密集的鬧區(qū)，制動尖叫聲污染了人們的聽覺，更嚴重的是表明了汽車制動效能已下降，會帶來安全隱患。因此，降低汽車制動噪聲是改善汽車舒適性和城市環(huán)境的一項重要任務。

為解決噪聲污染問題，首先必須對制動噪聲產生的機理進行研究，弄清它們與摩擦片及制動部件結構設計之間的相互關系。然后在理論指導下，通過研制新型制動材料，采取必要的技術（如阻尼降噪、主動控制抑噪技術），或進行結構優(yōu)化設計。據(jù)悉武漢理工大學汽車工程學院與武漢一家企業(yè)聯(lián)合開發(fā)了一種氣壓盤式制動器，已成功應用于城市公交客車，能有效地解決長期困擾我國城市公交的制動噪音問題。不同程度的減振降噪效果，適應于環(huán)保要求。

3. 車輛制動科學技術的研究進展

回顧車輛制動科學技術發(fā)展史可以清楚地知道，車輛制動性能作為汽車主要性能之一，其科學技術地發(fā)展直接影響到汽車的行駛安全性。人類安全意識的提高對車輛制動性提出了新的要求。21世紀能源與環(huán)境保護技術、新材料技術、先進的制造技術、信息與控制技術等成為科學技術發(fā)展的重要領域，這些領域的科技進步對車輛制動科學技術的發(fā)展將產生重要的推動作用。

現(xiàn)代車輛制動科學技術的研究進展：

⑴車輛制動系統(tǒng)的節(jié)能與環(huán)境保護。節(jié)能與環(huán)境保護是汽車技術發(fā)展的前提。車輛制動系統(tǒng)的節(jié)能與環(huán)保即包括制動系本身的節(jié)能與環(huán)境保護，也包括整個車輛的節(jié)能與環(huán)境保護。研發(fā)再生制動技術，充分的利用回收能量，節(jié)約能源；避免制動摩擦帶來的粉塵污染，有效的抑制制動噪聲污染，保護我們生存的環(huán)境。

⑵新材料在制動系統(tǒng)中的應用。材料科學與技術是21世紀重點發(fā)展的科技領域。各種新星材料在車輛制動系統(tǒng)中的應用已經(jīng)推動、必將繼續(xù)推動車輛制動科學技術的發(fā)展和性能的提高。梯度材料、高分子材料、納米材料、復合材料等由于它們自身的性能特點，將對制動系統(tǒng)的性能產生巨大的影響。能有效的延長制動系統(tǒng)的壽命，改善制動性能（如抗熱衰退性），消除噪聲污染等。

⑶車輛制動的信息化、智能化。車輛制動的智能化、集成化是信息技術、電子集成技術和控制技術與制動技術的結合。其特點是根據(jù)制動要求和制動系的工作特點，通過計算機智能控制，實現(xiàn)對制動力的實時控制，有效的改善車輛制動性能、安全性、可靠性和可維修性等。

⑷車輛制動裝置的高性能、低成本、小型輕量化。優(yōu)越的性能、精密、低噪聲、長壽命、重量輕、體積小、低成本一直以來是制動技術的發(fā)展方向。要達到上述要求，必須進行制動系統(tǒng)結構創(chuàng)新方面的研究，探索制動系統(tǒng)的新類型；進行制動動力學特性和振動研究，以求提高特性、降低噪聲；采用先進的制造技術來提高制動性能和降低成本；對制動的材料和機理進行研究，提高壽命減小質量。

車輛制動科學與技術的發(fā)展經(jīng)歷了相當長的時期，在世紀范圍內已經(jīng)達到較高水平。與國外相比，我們的差距比較大。我們需要跟蹤和消化國外的先進技術，把握發(fā)展的新動向，加大基礎投入，整合資源，深入研究，強化應用開發(fā)，努力開發(fā)自主的知識產權。