车辆制动科学技术的发展与研究进展

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摘要：论述了车辆制动科学技术的发展和研究进展。车辆制动性作为车辆的主要性能之一，其科学技术的发展直接关系到车辆安全行驶。21世纪能源与环境保护技术、新材料技术、先进的制造技术、信息与控制技术等成为科学技术发展的重要领域，这些领域的科技进步对车辆制动科学技术的发展将产生重要的推动作用。  

    关键词：车辆 制动 科学技术 发展 研究进展  

    1. 概述  

    从汽车诞生时起，车辆制动系统在车辆的安全方面就扮演着至关重要的角色。提高车速是提高运输流量的主要技术措施之一，但车辆高速行驶时，必须以保证行驶安全为前提。在道路行驶流量较小的情况下，车辆可以高速行驶，而在即将转向，或路面条件差，或车流比较大时，特别是遇到障碍物，或是有发生车祸的危险时，就需要在尽可能短的距离内将车速降到很低，甚至停车。如果车辆不具有这一性能，最求高速就不切实际；车辆在下长坡时，在重力沿坡道分量作用下，有不断加速到危险车速的趋势，此时应当将车速维持在一定的安全值下，并保持稳定；此外，对已经停驶（特别是在坡道上停驶）的车辆，应使其可靠地驻留在原地。以上使行驶中的车辆减速及停车，使下坡的车辆速度稳定，驻车保持不动这些作用统称作制动。  

    车辆制动性是车辆的主要性能之一，它直接关系到交通安全。重大的交通事故往往与制动有关，故车辆制动性是车辆安全行驶的重要保障。车辆制动性主要从三个方面来评价[1]：①制动效能，即车辆制动距离与制动减速度；②制动效能的稳定性，即抗热衰减的性能；③制动时车辆行驶的方向稳定性，即制动时不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力的性能。  

    近年来，随着车辆技术的进步和汽车速度的不断提高，人们的安全意识越来越高，对制动技术提出了新的要求。众多的汽车工程师在改进车辆制动性能的研究中倾注了大量的心血。目前关于车辆制动的研究主要集中在安全、节能、环保等方面。  

    2. 车辆制动科学技术的发展[2][3][4]  

    车辆制动科学技术直接关系到行驶安全。伴随着现代车辆设计、制造技术的发展和使用需求的增加，车辆制动科学技术也在不断发展和创新。  

    2.1 车辆制动形式的发展  

    制动系统是汽车的一个重要组成部分。直接采用气压制动是发展最早的一种汽车制动形式，它以发动机的动力驱动空气压缩机作为制动器唯一能源，而驾驶员的体力仅作为控制能源，这种制动系统称为气压制动系统。  

    气压制动形式很快发展为液压制动。液压制动较气压制动来说有许多优点：首先它可以提高制动压力，减少制动结构的体积；其次它可以省去体积庞大的冷气瓶，更重要的是它为电液防滑控制制动系统的应用提供了可行性。但液压制动系统也存在它的缺点：重量大、易起火、响应较慢等。  

    为了解决液压制动的不足，伴随着电子技术的发展，电动制动产生了。电制动系统与液压制动系统就制动原理来说是相同的，其车轮和制动装置的主要部分是相同的。不同的是在电动制动系统中，电源代替了液压源，机电作动器代替了液压作动筒(汽缸座活塞组件)。与液压制动系统相比，电制动系统具有明显优势。在电制动系统中采用电力操纵，不存在油液流动，因而对制动指令响应速度比液压制动系统快得多。电作动器的响应频率是液压装置响应频率的2～3倍。同理由于响应频率较快，有助于改善防滑性能。由于取消了液压附件，减少了失效危险，提高了安全性，也减轻了重量。另外，车辆电制动系统还改善了系统的故障诊断能力，减少了维护工作量，降低了维护要求。值得指出的是，没有液压油，因而也不存在常见的液压系统污染问题。  

    多年来，在提高制动效能及其安全性、可靠性和可维修性的需求牵引下，现代车辆制动技术的改进和创新始终没有停止过。流变体制动的研究和应用是20世纪后期的一项重大技术成就，为车辆制动技术领域开辟了一片新天地。流变体制动尚处于理论研究阶段的一种新制动理念，它使磁流变体和电流变体等新星材料，在调节外加电场或磁场的情况下，迅速改变粘度，甚至由液态变为固态。在系统的动静盘之间形成剪切力，从而产生阻碍的制动力矩。受电场支配的称为电流变体(ERF)，受磁场支配的称为磁流变体(MRF)，材料的这种现象叫做“温斯罗(Winslow)效应”。这种制动动盘和静盘之间充以流变体，在没有制动情况下，流变体不起作用，动盘可自由转动。制动时在电场(或磁场)作用下，流变体粘度迅速改变，从而在动静盘之间形成剪切力，这样就产生了阻碍动盘旋转的制动力矩。流变体制动较机械摩擦式制动的显著优点是制动平稳，效率高，目前已经试用于车辆的制动。其缺点是结构复杂，能否在汽车上应用，取决于研究的进展情况。  

    汽车制动过程是一个将巨大的动能转化为热能而耗散的过程。从电机制动方式得到启示，电磁场原理可应用于汽车制动，称为电磁场制动。在行驶中车轮作为发电机发电贮存起来，在制动过程中车轮作为电动机，制动时反向给电机反相电压，使车轮产生一个与转动方向相反的电磁力矩，从而达到减速停车的目的。制动过程机械能转化为电能可反馈给电源。这种设想符合能量守恒原理，理论上应当是可行的。正处于实验研究状态，这将是汽车制动技术富有革命性的创新，因为它不再借助摩擦制动，而是采用电磁场制动，并有效利用回收行驶过程中的能量的。  

    2.2 车辆制动控制系统的发展  

    目前车辆制动的研究在控制方面投入比较大，包括制动控制的理论和方法，以及新技术的采用。传统的制动控制系统只做一件事情，即均匀分配油液压力。当制动踏板工作时，主缸就将等量的油液送往每个制动器，使前后平衡。然而要达到真正的“平衡”，必须借助控制系统。  

    最原始的控制系统是靠驾驶员操纵一组简单的机械装置来控制向制动器施加的作用力，在当时车辆质量比较轻、速度比较低、车流很小的情况下，这种控制可以满足要求。随着车辆重量的增加和车速的不断提高以及汽车工业的发展，尤其是军用车辆及军用技术的发展，车辆制动控制技术有了新的突破，机—液控制系统是继机械控制系统后的的又一重大革新。上世纪80年代后期，随着电子技术的发展，世界汽车技术领域最大最显著的成就就是防抱制动系统(ABS：Antilock Brake System)的使用和推广。ABS是集电子技术、精密加工技术、液压控制技术为一体，是机电一体化的高技术产品。它的安装大大提高了汽车的主动安全性和操纵性。ABS是基于车轮加、减速门限及参考滑移率方法设计的，不同的车辆需要不同的匹配技术。发展ABS的控制技术成为关键，现在，多种控制技术在ABS的控制逻辑中得到应用，如传统的逻辑门限控制、PID控制、变结构控制、模糊控制、基于状态空门及线性反馈理论控制、模糊神经网络控制、智能控制等。  

    随着机电一体化在汽车工业中的广泛应用，出现了测控一体化制动控制系统。测控一体化制动控制系统是充满创意的电子控制式制动系统，它是将传统的液力制动系统转变为更强大的机电一体化系统。它的微处理器被集成到车辆的资料中，能够处理从不同电子控制装置传来的资讯。通过这种方法，电子脉冲和传感器信号就可以很快地转换成制动信号，从而给驾驶员带来显著的安全感和舒适感。这种控制系统将成为提高汽车驾驶安全性的一个新里程碑。  

    2.3 再生制动技术  

    车辆制动过程是把车辆的动能通过摩擦的方式以热能的形式耗费掉。因此车辆制动过程中消耗了大量的能量，如果将这些能量回收起来，以其它的形式存储让车辆再次利用，将有助于提高能源利用率，减少燃料消耗，减轻制动器的热负荷，减少磨损，提高车辆行驶安全性和使用经济性。再生制动技术就这样产生了。  

    再生制动技术根据不同的存能机理可分为：飞轮储能式，利用高速旋转飞轮来存储和释放能量，即飞轮电池；液压储能式，先将汽车在制动或减速过程中的动能转换成液压能的形式，并将液压能贮藏在液压蓄能器中，当汽车再次起动或加速时，储能系统又将蓄能器中的液压能以机械能的形式反作用于汽车，以增加汽车的行驶动能；电化学储能式，首先将汽车在制动或减速过程中的动能，通过发电机转化为电能并以化学能的形式存储在储能器中，当汽车需要起动或加速时，再将储能器中的化学能通过电动机转化为汽车行驶的动能；复合储能式，将化学电池与超级电容器的组合，将电器储能元件与电力电子功率变换电路相结合，进行快速大功率能量的储蓄，缓冲释放的再生能量以化学能的形式储存起来。  

    另外，采用再生制动能量回收技术，在进行能量回收的同时，可以大大降低制动噪音。  

    2.4 制动噪声控制技术  

    汽车制动所发生的尖叫噪声和振颤声，会分散人们的注意力，造成人们心情紧张烦躁、不舒服，又影响环境，损害人们的健康。随着人们环保意识的增强，汽车制动噪音问题越来越受到人们的重视，特别在人口密集的闹区，制动尖叫声污染了人们的听觉，更严重的是表明了汽车制动效能已下降，会带来安全隐患。因此，降低汽车制动噪声是改善汽车舒适性和城市环境的一项重要任务。  

    为解决噪声污染问题，首先必须对制动噪声产生的机理进行研究，弄清它们与摩擦片及制动部件结构设计之间的相互关系。然后在理论指导下，通过研制新型制动材料，采取必要的技术（如阻尼降噪、主动控制抑噪技术），或进行结构优化设计。 据悉武汉理工大学汽车工程学院与武汉一家企业联合开发了一种气压盘式制动器，已成功应用于城市公交客车，能有效地解决长期困扰我国城市公交的制动噪音问题。不同程度的减振降噪效果，适应于环保要求。  

    3. 车辆制动科学技术的研究进展  

    回顾车辆制动科学技术发展史可以清楚地知道，车辆制动性能作为汽车主要性能之一，其科学技术地发展直接影响到汽车的行驶安全性。人类安全意识的提高对车辆制动性提出了新的要求。21世纪能源与环境保护技术、新材料技术、先进的制造技术、信息与控制技术等成为科学技术发展的重要领域，这些领域的科技进步对车辆制动科学技术的发展将产生重要的推动作用。  

    现代车辆制动科学技术的研究进展：  

    ⑴车辆制动系统的节能与环境保护。节能与环境保护是汽车技术发展的前提。车辆制动系统的节能与环保即包括制动系本身的节能与环境保护，也包括整个车辆的节能与环境保护。研发再生制动技术，充分的利用回收能量，节约能源；避免制动摩擦带来的粉尘污染，有效的抑制制动噪声污染，保护我们生存的环境。  

    ⑵新材料在制动系统中的应用。材料科学与技术是21世纪重点发展的科技领域。各种新星材料在车辆制动系统中的应用已经推动、必将继续推动车辆制动科学技术的发展和性能的提高。梯度材料、高分子材料、纳米材料、复合材料等由于它们自身的性能特点，将对制动系统的性能产生巨大的影响。能有效的延长制动系统的寿命，改善制动性能（如抗热衰退性），消除噪声污染等。  

    ⑶车辆制动的信息化、智能化。车辆制动的智能化、集成化是信息技术、电子集成技术和控制技术与制动技术的结合。其特点是根据制动要求和制动系的工作特点，通过计算机智能控制，实现对制动力的实时控制，有效的改善车辆制动性能、安全性、可靠性和可维修性等。  

    ⑷车辆制动装置的高性能、低成本、小型轻量化。优越的性能、精密、低噪声、长寿命、重量轻、体积小、低成本一直以来是制动技术的发展方向。要达到上述要求，必须进行制动系统结构创新方面的研究，探索制动系统的新类型；进行制动动力学特性和振动研究，以求提高特性、降低噪声；采用先进的制造技术来提高制动性能和降低成本；对制动的材料和机理进行研究，提高寿命减小质量。  

    车辆制动科学与技术的发展经历了相当长的时期，在世纪范围内已经达到较高水平。与国外相比，我们的差距比较大。我们需要跟踪和消化国外的先进技术，把握发展的新动向，加大基础投入，整合资源，深入研究，强化应用开发，努力开发自主的知识产权。
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