驾乘需求推动汽车不断变

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  汽车发动机由二冲程发展到四冲程,并且燃烧效率逐步提高,发动机的动力越来越足。再加上充气轮胎的使用,减少了车辆的行驶阻力,加快行驶车速。这时,人们就不得不开始思考一个问题,如何让汽车停下来?人们需要的是一部能走也能停的机器。早期的汽车沿用的是马车的停车方式,但这种方法显然控制不住汽车巨大的惯性,那时的制动器不仅非常容易磨损失控,斜坡停车时也极不方便,汽车需要依靠三角垫木才能停稳。此时,汽车的驻车性能则成为汽车进化的又一障碍。汽车制动性不好,驾驶员自身和其他人的安全就无法保证。一辆好的汽车除了要有很好的动力性,同时还应该具备良好的制动性能。
  1898年美国汽车首次采用了前轮盘式制动器;1911年法国的标致公司设计出了第一辆四轮制动器汽车。最原始的制动控制与马车相仿,驾驶员操纵一组简单的机械装置向制动器施加作用力。这时的车辆质量比较小,速度比较低,机械制动虽已满足车辆制动的需要,但随着汽车自质量的增加,助力装置对机械制动器来说已显得十分必要。1932年生产的质量为2860kg的凯迪拉克V16车四轮采用直径419.1mm的鼓式制动器,并有制动踏板控制的真空助力装置。同年林肯公司推出V12轿车,该车配备了由四根拉线控制真空助力器的鼓式制动器。随着科学技术的发展及汽车工业的发展,尤其是军用车辆及军用技术的发展为车辆制动带来了新的突破,液压制动是继机械制动后的又一重大革新。Duesenberg Eight车率先使用了轿车液压制动器。1924年克莱斯勒的四轮液压制动器问世。通用和福特也分别于1934年和1939年采用了液压制动技术。到20世纪50年代,液压助力制动器才得到应用,并取得了很好的效果。
  汽车制动器是制动的主要组成部分,目前汽车制动器基本都是摩擦式制动器,按照摩擦副中旋转元件的不同,分为鼓式和盘式两大类制动器。鼓式制动器在汽车上应用已经有近一世纪的历史了,但是由于它的可靠性以及强大的制动力,现今仍配置在许多车型上(多使用于后轮)。盘式制动器热稳定性以及抗衰减性能较鼓式制动器好,可靠性和安全性也好,从而得到广泛应用。但是盘式制动器效能低,无法完全防止尘污和锈蚀,兼做驻车制动时需要较为复杂的手驱动机构,一般较多应用于汽车前轮,因此很多车采用“前盘后鼓”的制动系统组成。但随着技术的发展,目前越来越多的乘用车前后车轮都使用了盘式制动。
  鼓式制动是采用轮毂里面装设二个半圆型的制动片,利用“杠杆原理”推动制动片使制动片与轮毂内面接触而发生摩擦。盘式制动是以制动卡钳控制两片制动片去夹住轮子上的制动盘。在制动片夹住制动盘时,二者间产生的摩擦形成制动力。
  为了提高制动器的散热性,除了使用铝合金等散热快的材料,制动盘表面也并非只是平面,而是在平面上开出沟线或直接打出通孔,另外还可以从结构上设计出通风结构。
  为了增加制动力,并保证制动器的可靠性和耐用性,技术人员不断研发新制动技术。碳陶瓷材料(CCM)制动盘就是新材料的应用技术。在密集使用的状态下,CCM制动盘能始终如一地保证其卓越性能。这种制动器最明显的优势是具有卓越的防热衰减性能。在需要对制动器踏板施以压力时,热衰减现象会影响驾驶员的控制感和反应度。CCM制动盘在正常条件下具有比普通制动盘更长的使用寿命,即使经常在赛道上使用,CCM制动器也具有更优的耐磨性、更加持久耐用。CCM制动系统还能为车身总重量减重15千克左右,这不仅能提高整体性能,而且还能减少非悬挂质量,由此可以提高车辆的动力性能、增加驾驶的舒适感。但是它价格昂贵,一般只用于赛车或高级跑车。
  制动系统是保障车辆安全性最基本也是最重要的部件。汽车在湿滑或结冰的低摩擦路面上行驶时,如果发生过度制动的情况,车轮会被制动装置锁死而失去抓地力,从而失去控制方向的能力。那么,如何使汽车车轮在这种情况下照样转起来?正是这个挑战促生了制动系统发展史上最重大的发明——防抱死制动系统(ABS),其原理就是紧急制动时防止轮胎抱死,以维持最大的制动力量;同时也对车轮进行迅速、准确、有效、安全的控制,使车轮的纵向附着系数达到峰值,侧向附着系数也保持较高状态,从而达到提高制动速度、缩短制动距离、稳定制动方向的效果。1970年德国的奔驰公司研制出模拟防抱死制动系统,使汽车在制动时还能保持操控的稳定性。
  ABS系统的发展可以追溯到上世纪初期,早在1928年防抱死制动理论就被提出,在30年代机械式防抱死制动系统开始在火车和飞机上应用,博世(Bosch)公司在1936年获得了用电磁式车轮转速传感器获取车轮转速的防抱死制动系统的专利权。进入50年代后,汽车防抱死制动系统开始受到较为广泛的关注。福特(Ford)公司于1954年将飞机的防抱死制动系统移置在林肯(Lincoin)轿车上;凯尔塞·海伊斯(Kelsehayes)公司在1957年对被称为“AUTOMATIC”的防抱死制动系统进行了试验研究,研究结果表明防抱死制动系统确实可以在制动过程中防止汽车失去方向控制,并且能够缩短制动距离;克莱斯勒(Chrysler)公司在这一时期也对被称为“Skid Control”的防抱死制动系统进行了试验研究。这一时期的各种防抱死制动系统采用的都是使用车轮转速传感器的机械式制动压力调节装置,获取的车轮转速信号不够精确,制动压力调节的适时性和精确性也难于保证,控制效果并不理想。随着电子技术的发展,电子控制防抱死制动系统的发展成为可能。1964年,Bosch(博士)公司再度开始ABS的研发计划,得出“通过电子装置控制来防止车轮抱死是可行的”结论,1966年世界上第一具ABS原型机诞生,向世人证明“缩短制动距离”并非不可能完成的任务。因为投入的资金过于庞大,ABS初期的应用仅限于铁路车辆或航空器。在60年代后期,一些电子控制的防抱死制动系统开始进入产品化阶段。1968年凯尔塞·海伊斯公司研制生产了称为“Sure Track”两轮防抱死制动系统,该系统由电子控制装置根据电磁式转速传感器输入的后轮转速信号,对制动过程中后轮的运动状态进行判定,通过控制由真空驱动的制动压力调节装置对后轮制动压力进行调节,并在1969年被福特公司装备在雷鸟(Thunder bird)和大陆·马克Ⅲ(Continental MKⅢ)两款轿车上。Teldix GmbH公司从1970年和奔驰车厂合作开发出第一具用于道路车辆的原型机——ABS 1, 该系统已具备量产基础,但可靠性不足,而且控制单元内的组件超过1000个,导致成本过高且易发生故障。克莱斯勒公司与本迪克斯(BENDⅨ)公司合作研制的称为“SURE-TRACK”的防抱死系统,能防止4个车轮紧急制动时抱死,在1971年开始装备帝国(IMPERIAL)轿车,其结构原理与凯尔塞·海伊斯的“SURE-TRACK”基本相同,两者不同之处在于两个还是四个车轮有防抱死制动。同年,别克(BUICK)公司研制了由电子控制装置自动中断发动机点火,以减小发动机输出转矩,防止驱动车轮发生滑转的驱动防抱系统。   1973年Bosch公司购得Teldix GmbH公司50%的股权及ABS领域的研发成果,瓦布科(WABCO)公司与奔驰(BENZ)公司合作,在1975年首次将防抱死制动系统装备在气压制动的载货汽车上。这一年AEG、Teldix与Bosch达成协议,将ABS系统的开发计划完全委托Bosch公司整合执行。“ABS 2”在经过3年的努力后终于问世!有别于ABS 1采用模拟式电子组件,ABS 2系统完全以数字式组件进行设计,不但控制单元内组件数目从1000个锐减到140个,而且造价降低、可靠性大幅提升、运算速度明显加快。1978年底两家德国车厂奔驰与宝马决定将ABS 2这项高科技系统装置在S级及7系列车款上。进入70年代后期,数字式电子技术和大规模集成电路的迅速发展,为ABS系统向实用化发展奠定了技术基础。博世公司在1978年首先推出了采用数字式电子控制装置的防抱死制动系统——博世ABS 2,并且装置在奔驰轿车上,由此揭开了现代ABS系统发展的序幕。尽管博世ABS2的电子控制装置仍然是由分离元件组成的控制装置,但数字式电子控制装置与模拟式电子控制装置相比,其反应速度、控制精度和可靠性都显著提高,因此,博世ABS2的控制效果已相当理想。从此之后,欧、美、日的许多制动器专业公司和汽车公司相继研制了形式多样的ABS系统。
  进入八十年代后,电脑控制的ABS逐渐被应用于欧洲、美国及亚洲日本的汽车上。但是在诞生的前3年中,ABS系统都苦于成本过于高昂而无法开拓市场。从1978到1980年底,Bosch公司总共才售出24000套ABS系统。所幸第二年增长到76000套。受到市场上的正面响应,Bosch开始TCS循迹控制系统的研发计划。1983年推出的ABS 2S系统重量由5.5公斤减轻到4.3公斤,控制组件也减少到70个。到了1985年代中期,全球新出厂车辆安装ABS系统的比例首次超过1%,通用车厂也决定把ABS列为旗下主力雪佛兰车系的标准配备。1986年是另一个值得纪念的年份,除了Bosch公司庆祝售出第100万套ABS系统外,更重要的是Bosch推出史上第一具供民用车使用的TCS/ASR循迹控制系统。TCS/ASR的作用是防止汽车起步与加速过程中发生驱动轮打滑,特别是防止车辆过弯时的驱动轮空转,并将打滑控制在10%到20%范围内。由于ASR是通过调整驱动轮的扭矩来控制,因而又叫驱动力控制系统,在日本又称之为TRC或TRAC。ASR和ABS的工作原理方面有许多共同之处,两者合并使用可形成更佳效果,构成具有防车轮抱死和驱动轮防打滑控制(ABS/ASR)系统。这套系统主要由轮速传感器、ABS/ASR ECU控制器、ABS驱动器、ASR驱动器、副节气门控制器和主、副节气门位置传感器等组成。在汽车起步、加速及行进过程中,发动机ECU根据轮速传感器输入的信号,当判定驱动轮的打滑现象超过上限值时,就进入防空转程序。首先由发动机ECU减少副节气门开度以减少进油量,使发动机动力输出扭矩减小。当ECU判定需要对驱动轮介入时,会将信号传送到ASR驱动器对驱动轮(一般是前轮)进行控制,以防止驱动轮打滑或使驱动轮的打滑保持在安全范围内。第一款搭载ASR系统的新车型在1987年出现,奔驰S 级再度成为历史的创造者。随着ABS系统的单价逐渐降低,搭载ABS系统的新车数目于1988年突破了爆炸性成长的临界点,开始飞快增长,当年Bosch的ABS系统年度销售量首次突破300万套。技术上的突破让Bosch在1989年推出的ABS 2E系统首次将原先分离于液压驱动组件与中控台内的设计更改为“两组件整合为一”设计,是历史上第一个舍弃集成电路,改以微处理器(CPU)负责所有控制工作的ABS系统,成为防抱死系统发展史上新的里程碑。该年保时捷车厂正式宣布全车系都已安装了ABS。1992年ABS的世界年产量已超过1000万辆份,世界汽车ABS的装用率已超过20%。一些国家和地区(如欧洲、日本、美国等)已制定法规,使ABS成为汽车的标准设备。
  配备ABS的制动系统已经成为现代汽车控制系统的基本组成部分,对提高车辆安全性和整车性能起着越来越大的作用。而科学家仍在不停地进行新的探索,寻求新的技术突破和发展。
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