车辆坡道起步过程力学分析

越野车辆在大坡度角的坡道上起步时，由于离合器接合的第一阶段不传递扭矩，当制动力消失而离合器没有传递扭矩或者传递的扭矩不够大时，车辆重力产生沿下坡道方向的分力会使车辆倒溜，这是非常危险的工况，不允许发生。因此，在坡道起步时，需要制动系统能够提供一定的制动力来辅助车辆坡道起步，当离合器能够传递足够大的扭矩后，再解除制动，以保证车辆坡道起步的成功。

车辆在坡道上驻车时，车轮受力分析如图7.1所示。

图7.1　车轮受力分析

图7.1 中，G1 为车轮自重及车身作用在车轮中心上的垂直作用力，N；Fn 为地面法向作用力，N；Fs 为地面作用于车轮的静摩擦力，N；Mg 为制动力矩，N·m；αi 为坡度角。

此时车辆处于静止状态，制动力矩Mg 为静摩擦力矩，与地面静摩擦力Fs 满足关系式：

式中，r 为车轮滚动半径，可近似认为是车轮半径，m。

车辆在坡道起步时，首先离合器快速接合，消除其主、从动部分的间隙，等到离合器接合到特定的位置后，其传递的摩擦扭矩能够克服坡道阻力时，制动解除则可保证车辆坡道起步不倒溜。起步过程受力分析如图7.2所示。

图7.2 中，Mt 为传动轴传递给车轮的驱动扭矩，N·m；Mf 为滚动阻力矩，N·m；Mj 为等效至车轮上的加速阻力矩，N·m；Ft、Fg、Fj、Ff、Fi为等效至车体上的驱动力、制动力、加速阻力、滚动阻力、坡道阻力，N；其余各量与图7.1 中相同。

假定坡道路面良好，车轮不打滑，不考虑路面变形、风阻等因素，车辆在坡道起步过程中受到制动力、坡道阻力、滚动阻力和加速阻力的作用。

图7.2　起步过程受力分析

（a）驱动轮受力情况；（b）整车受力分析

依据离合器和制动力矩的状态可以将坡道起步过程分为以下四个阶段。

（1）离合器开始接合，消除其主、从动部分的间隙，此时车辆仍然处于静止驻坡状态，车轮受力见图7.2 （a），制动力矩满足式（7.1）。

（2）离合器主、从动部分开始接合，车速为零。此阶段，随着离合器传递摩擦扭矩的增加，制动力矩正向（以第一阶段的制动力矩方向为正向）逐渐减小至零。车轮受力见图7.2 （a）。(www.xing528.com)

制动力矩正向时，车轮的力矩平衡方程式如下：

（3）离合器主、从动部分间的压紧力继续增加，车速仍然为零。此阶段，随着离合器摩擦扭矩的增加，制动力矩作用方向改变且数值逐步增加。

制动力反向后，车轮的力矩平衡方程式如下：

（4）开始出现车速并且逐步增加。当传递到车轮的驱动扭矩能够克服制动力及坡道阻力时，车辆就出现了速度和加速度。制动力矩仍然反向，但随着制动系统的操纵气压或者油压的变化而减小，直至最后制动力矩消失。

车轮的力矩平衡方程式如下：

此阶段的车辆受力见图7.2 （b），力平衡方程式如下：

下面借助图7.3 来说明坡道起步过程中车辆受力的变化过程，Ft、Fj、Ff和Fi 以图7.2 （b）中所示的方向为正向，Fg 以图7.2 （b）中所示的方向为负向。图中（1）（2）（3）（4）分别表示上文中根据制动力变化而将坡道起步过程划分的四个阶段：第（1）阶段，制动力Fg 正向，与车辆的坡道阻力大小相等；第（2）阶段，随着离合器传递给车轮的驱动扭矩的逐渐增加，制动力Fg 正向（以沿坡道向上）逐渐减小，直至为零；第（3）阶段，当驱动力足以克服车辆的坡道阻力时，制动力Fg 作用方向反转，并且数值开始逐渐增加；第（4）阶段，当驱动力足以克服制动力和坡道阻力时，车辆出现速度和加速度，车辆的滚动阻力和加速阻力开始出现，并且随着制动的解除，制动力逐渐减小，直至为零。

图7.3　车辆受力变化趋势

在第（3）阶段中，制动解除的时机选择不同，会造成车辆受力变化的较大差异，图7.3 中选择了三种典型的情况用来说明制动解除时机对车辆受力变化的影响：线1 部分，制动解除时间较晚，制动力反向增加到最大值后，被驱动力克服，车辆开始运动；线2 部分，制动解除时间正常，制动力逐渐减小的时刻被驱动力克服，车辆开始运动；线3 部分，制动解除的最早时刻，在驱动力刚好克服坡道阻力的时候，制动就完全解除，制动力不再反向增加，如果制动解除的时刻比线3 早，就会出现车辆在坡道上倒溜的现象。

由以上分析可知，通过AMT 采集到的车辆行驶状态信息对制动力解除时机进行控制成为车辆坡道起步控制的关键，这也是下文要讨论的主要内容。

对于装备AMT 的车辆，需要具备辅助车辆坡道起步的制动自动控制系统，这一系统被称为坡道起步辅助控制系统（hill－start assist system，HAS）。