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- 主题:[原创]车轮加速制动理论与应用
- 车辆相对制动理论与应用
【关键词】车辆相对制动理论、盘式加速制动器、电子主动安全技术、应用基础研究、经典物理学发明
前言
本发明车辆相对制动理论（车轮加速制动理论）的核心思想是：当车轮盘式加速制动器摩擦工作时，作为受力方的车轮，在路面后向摩擦力作用下，将会加速转动向后作用路面。其中，路面后向摩擦力作用车轮，通过车轴可以对运动车体产生制动力，与此同时，车轮加速转动向后作用路面，路面向前反作用车轮、阻止车轮转动，通过车轴也可以对运动车体产生制动力。
而现有车辆制动技术，车轮制动器滑动摩擦工作时，由于车轮正、反力矩代数和始终为零，车轮不能加速转动向后作用路面，所以，车轮与路面之间的最大静摩擦力，自然成了现有车辆制动技术的主要瓶颈。为了区别新、旧技术，本发明将现有车辆制动技术定义为绝对制动技术（或车轮匀速制动技术）。
因此，本发明同比现有车辆绝对制动技术（车轮匀速制动技术），紧急刹车距离缩短2/3～4/5（制动减速度不等式约束），但车轮制动摩擦力不变（车轮摩擦力不等式约束），并可承接现有规范化的车辆ABS/EBD/ESP电子主动安全技术应用，大幅降低车祸发生率，解决车辆安全难题，推动车轮文明进步。
其中，“车轮加速制动技术”为发明一称，“车辆相对制动理论”为发明二称。
主要基本概念与定理、定律、公式（教科书知识）：
惯性坐标系、牛顿三定律、力的三要素、力矩、力偶矩（定义与性质）、动摩擦力、静摩擦力（冲击作用）、摩擦力计算公式、平衡力、力（偶）矩平衡、力的平移定理、动量定理、动能定理、能量守恒定律等等。
众所周知，概念是人思维活动的细胞。定义，是明确概念内涵的逻辑方法；划分，是明确概念外延的逻辑方法；若概念内涵愈大，则其外延就会愈小；反之，亦会成立。在整个“思想实验发明”过程中，本发明所遵循和倡导的科学思维逻辑是：必要性否定逻辑证伪，充分性肯定逻辑证实。
物体并非因有力的作用，才会运动，但是，运动物体会因受到外力的作用而改变运动状态。---牛顿定律的核心思想
运动是相对的，加速是相对的，减速也是相对的。运动物体有惯性，人脑思维活动也会有惯性。一旦人脑思维惯性形成，有时很难再被改变，尤其是生活体验有时会让人产生很多表象上的错觉。其实，本发明并不难理解和想象，其制动力学原理十分简单，只需分清惯性参考系、施力方和受力方即可（第一道难关）。而本发明最令人觉得天方夜谭、不可思议和难以完成的，应该是在车轮加速制动器设计与分析上（第二道难关）。
本文旨在抛砖引玉，难免有不妥之处，欢迎批评或拍砖！
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一、中国乒乓球加速制动技术力学原理简析（类比分析）
为了便于本发明的理解和验证，首先以中国乒乓球加速制动技术的力学原理为例，进行简要说明：
球拍在“同转向、偏球心”快速击球后，应立刻减速。只有这样，才能使球相对于拍面产生加速旋转，等效增大球与拍间的摩擦力和制动力作用，基于球与拍之间有限的摩擦力f≤fmax作用，实现球与拍之间的快速制动，大幅增加拍面相对于球心的制动力Fi大小。本发明力学原理与其如出一辙。图中，M1为球绕其球心（质心）的反向力偶矩，M2为球绕其球心（质心）的同向力偶矩，f为球与拍之间的静摩擦力作用，ω0为球绕其球心（质心）的角速度，V为球的飞行速度（在此暂按直线飞行考虑）。
上述力学原理，在不同应用领域的实现难度上，将会有所不同：在乒乓球运动领域，难在球拍作用上，因为运动员每次击球需要非常娴熟的运动技巧，运动员只有经过长期的反复训练，才可能掌握；而在车辆制动领域，难在车轮制动器+傻瓜式车辆安全操控设计上，因为车辆制动时，路面肯定不会对车轮直接产生前向加速运动，只能通过路面后向摩擦力作用，使车轮相对于路面产生加速转动、路面相对于车轮加速向前运动的间接方式来实现。
上述乒乓球实验例子，如果不够直观，或不便亲自实验的话，那么还可拿个儿童玩具车来理解：当玩具车在一张没有移动的纸上处于自然滑行状态时，只要该张纸突然在玩具车滑行方向上加速运动，显然，玩具车肯定会相对纸面产生反向加速运动而出现减速。在这小小的实验中，纸张开始加速运动，使玩具车相对纸面所产生的作用效果，本质上，与本发明车轮加速转动、相对路面向后作用所产生的作用效果完全等同，这就是本发明“车辆相对制动（车轮加速制动）”的简单力学原理。
http://blog.sina.com.cn/s/blog_6ae5db1f010195mu.html
http://v.youku.com/v_show/id_XNjA5MzUxODY0.html
二、基于牛顿三定律的车辆动力学对比分析（发现问题）
车轮制动器摩擦工作时，作为受力方的车轮，仅基于路面的后向摩擦力作用（发动机不工作），如果车轮可以加速转动向后作用路面，那么，是否可以大幅提高车辆的制动性能呢？
图1、2中，车轮为受力方，而非施力方，路面为施力方和惯性参考系；图3中，车轮为施力方，路面为受力方和惯性参考系。
图1中，路面后向摩擦力作用车轮，通过车轴对运动车身产生的制动力为 Fi=f
图2中，盘式加速制动器摩擦工作时，路面以f大小的力向后作用车轮，车轮以M2=FR大小的转矩相对路面加速转动，同时路面相对于车轮产生前向加速运动，因此，运动车体通过车轴相对于路面的后向制动力为Fi=（F+f）+F。当F=2f时，Fi=（F+f）+F=5f；当F=f时，Fi=（F+f）+F=3f。
图3中，汽车发动机工作时，驱动车轮转动向后作用路面，路面向前反作用车轮、阻止车轮旋转，车轮在路面上向前滚动，车轮通过车轴对车身产生前向驱动力。
而图2中，车轮制动器工作时，车轮向后作用路面，路面向前反作用车轮、阻止车轮旋转，车轮通过车轴对前向运动车身产生后向制动力。
… …
三、基于发明理论完成的盘式制动器设计（解决问题）
车轮制动器摩擦工作时，作为受力方的车轮，仅基于路面的后向摩擦力作用（发动机不工作），车轮如何才能相对于路面产生加速转动呢？
本发明盘式加速制动器，主要由如下五种核心工作部件组成：
1．曲轴轮轴
由三同心轴和互相错相180度的两偏心轴构成一种圆台阶梯式曲轴；其中，两偏心轴分别位于两两同心轴之间，内侧同心轴与车轮现用轴承单元连接，外侧同心轴与“车轮法兰盘”固定连接。
2．制动盘
两个灰铸铁（或合金铸铁）圆盘，均通过具有轴向双向定位及径向联合负载能力的四点接触球轴承及可拆装的两半圆柱环组合式轴套，并采用过盈配合方式，分别安装在两偏心轴上，将“制动盘环”紧紧夹压在中间且彼此间产生足够大的静摩擦力作用，以确保制动器不工作时两制动盘轴承都不能转动！
3．制动盘环
在圆钢盘两侧圆柱端面的对称位置上，采用热压成型工艺方法，分别加工有尺寸相同的圆柱环形摩擦环；通过薄壁深沟球型滚动轴承及可拆装的两半圆柱环组合式轴套，安装在位于两偏心轴之间的同心轴上，并被两制动盘的轴向双向定位压力紧紧夹压在中间，以确保制动器不工作时制动盘环轴承也不能转动！
在曲轴轮轴上，通过“制动盘+制动盘环+制动盘”方式，构成制动盘组。
4．制动钳
两副型号相同的制动钳，既可采用单活塞浮动式制动钳（以便行车制动、驻车制动和辅助制动等多功能合一应用），也可采用多活塞固定式制动钳，采用同心轴的轴心对称方式，分别固定在位于汽车底盘悬架上的两制动钳安装支架上，以确保制动器产生摩擦力偶矩作用时，大幅减小三轴承的径向工作压力负荷。
5．车轮法兰盘
用于车轮固定安装的连接部件，通过花键连接结构和大螺母紧固方式，固定安装在曲轴轮轴的外侧同心轴上。
按照上述结构特征，也可将本发明制动器俗称为“双钳三盘式制动器”。
四、基于δ函数的制动机构动力学分析（泛函分析）
在本发明盘式加速制动器工作原理的分析示意图5、6中：
O点为同心轴轴线的轴向垂直平面投影
O1、O2点分别为两偏心轴轴线的轴向垂直平面投影
D1、D2圆分别为两制动盘外圆柱面的轴向垂直平面投影
P1、P2圆分别为制动盘环两侧摩擦环的内、外摩擦圆柱面的轴向垂直平面重合投影
Z圆为车轮法兰盘外圆柱面的轴向垂直平面投影
Z1、Z2圆分别为两偏心轴圆柱面的轴向垂直平面投影
B1′、B2′两圆分别表示双制动钳液压活塞的轴向垂直平面投影（在此，将图4中的多活塞固定式双制动钳，改为单活塞浮动式双制动钳）
B1、B2圆分别简化表示双制动钳摩擦片对的轴向垂直平面重合投影（所有摩擦片对的几何外形完全相同即可）
O1′、O2′点分别表示双制动钳摩擦片对摩擦面中心点的轴向垂直平面重合投影，也是双制动钳液压活塞圆心的轴向垂直平面投影。
r1为两偏心轴轴线旋转半径（尽量小，将利于制动器动不平衡改善）
R2为两制动盘半径（尽量小，将利于制动器的小型优化设计）
R3、R4分别为制动盘环上两摩擦环的内、外圆柱面半径
R1为制动盘环两侧摩擦环中心半径，即R1=(R3+R4)/2
N为每副制动钳液压活塞的轴向工作压力；不工作时，N≈0，即存有小量余压；为便于运算分析，将双制动钳同步增压的时间函数近似看作为一上升斜率波，即N(t)=kt，k为制动液压上升斜率。
N0′为制动器处于非制动状态时两制动盘轴向双向定位夹压中间制动盘环的保持压力，令N0′=b（常数），由双制动钳每次同步工作时自动维护。
N1为每副制动钳上摩擦片对与两制动盘的轴向工作压力；不工作时，N1≈0，即可能存有小量余压；其时间函数为N1(t)。
N2为两制动盘夹压中间制动盘环上摩擦环的轴向压力，其时间函数为N2(t)；双制动钳同步增压过程中，N2(t)=kt+b；工作时，N1=N2。
μ1d、μ1d′分别为双制动钳摩擦片对与两制动盘摩擦面之间的动摩擦系数，可将它们设计成为μ1d=0.40（采用SiC碳化硅摩擦材料）、μ1d′=0.10。
μ2d为两制动盘与制动盘环两侧摩擦环工作面之间的动摩擦系数，可将其设计成为μ2d=0.40（采用SiC碳化硅摩擦材料）。
μ2s为两制动盘与制动盘环两侧摩擦环工作面之间的静摩擦系数
μ1d′<μ1d<μ2d<μ2s，主要是为了满足制动器工作结束后，双制动钳摩擦片对与两制动盘外摩擦面能同步快速分离、两制动盘及制动盘环轴承都不再旋转的设计要求。
ω0为车轮角速度，也是两制动盘相对于同心轴的同步公转角速度。
ω1为制动盘环公转角速度，ω0-ω1为制动盘环相对同心轴的自转角速度。
Ω为两制动盘相对于两偏心轴的同步自转角速度
V1为两制动盘上距离同心轴轴线最远质点的线速度
M1仍表示制动器在曲轴轮轴同心轴上产生的摩擦力偶矩作用
M2仍表示路面后向摩擦力作用车轮所产生的同向力矩作用
盘式加速制动器处于图5所示的非制动状态时，双制动钳摩擦片对（B1-B2）与两制动盘（D1/D2）外摩擦面之间均处于彼此分离状态，彼此间均不产生摩擦；在轴向双向定位压力N2=N0′的持续作用下，两制动盘（D1/D2）内摩擦面与制动盘环（P1-P2）两侧摩擦面之间一直保持相互静摩擦作用，因此，由两制动盘（D1/D2）和制动盘环（P1-P2）组成的制动盘组，将共同与曲轴轮轴及车轮法兰盘（Z）以角速度ω0绕O点顺时针公转，两制动盘（D1/D2）和中间制动盘环（P1-P2）的轴承都不转动，即ω1=ω0、Ω=0。此时，因制动器不会对车轮产生逆时针方向的摩擦力偶矩作用，故车轮不会产生制动。
同理，若上述为制动器正向行车时的非制动状态，则制动器处于倒车非制动状态时，两制动盘、制动盘环和曲轴轮轴及车轮法兰盘（Z）也将会共同以角速度ω0绕O点逆时针公转，两制动盘与制动盘环的轴承也都不会转动。
盘式加速制动器处于图6所示的制动状态时，在双制动钳液压活塞（B1′-B2′）的同步快速增压作用下，双制动钳摩擦片（B1-B2）与两制动盘（D1-D2）之间将快速同步接触，制动器从而开始工作：
车轮在路面后向摩擦力作用下，两制动盘（D1-D2）与双制动钳摩擦片（B1-B2）之间产生同步滑动摩擦力偶矩作用（大小为2f1dR1），两制动盘（D1-D2）与制动盘环（P1-P2）之间产生同步静摩擦冲击力偶矩作用（大小为4f2sR1），车轮因此将相对于路面产生加速转动、产生后向作用力。通过两制动盘（D1-D2）与双制动钳摩擦片（B1-B2）之间滑动摩擦力作用以及两制动盘（D1-D2）与制动盘环（P1-P2）之间静摩擦力作用所产生的复合摩擦力偶矩作用，以保持制动器摩擦工作状态。
在上述制动机构动力学分析中，将需要用到如下δ函数的定义及其四个性质：（∫为积分运算符）
【δ函数的定义】
∫δ(t-t0)dt=1 当t=t0时， 时间积分区间（-∞、+∞）
δ(t-t0)=0 当t≠t0时
【δ函数四个性质】以下时间积分区间均为（-∞、+∞）
性质1：f2s(t)δ(t-t0)=f2s(t0)δ(t-t0)
其确切含义是，在等式两边同乘以一时间连续函数Ψ(t)后，等式两边的积分运算结果仍然相等，
即 ∫Ψ(t)f2s(t)δ(t-t0)dt=∫Ψ(t)f2s(t0)δ(t-t0)dt
性质2（抽样性/筛选性）：∫f2s(t)δ(t-t0)dt=f2s(t0)
性质3（偶函数/对称性）：δ(t-t0)=δ(t0-t)
性质4： (t-t0)δ(t-t0)=0
… …
由此可见，δ函数是本发明的数学灵魂！
五、盘式加速制动器的系统优化设计（应用之一）
… …
六、基于盘式加速制动器的电子主动安全发明（应用之二）：
加速制动防车轮制动抱死系统（AABS）
加速制动电子制动力分配（AEBD）
加速制动电子稳定程序（AESP）
… …
七、置于人类社会发展坐标系的综合分析评估（分析判断）
… …
八、基于历史文化的思考（发明总结）
… …
结束语
我们没有发明车轮，但我们发明了车轮加速制动安全技术。
※ 修改:·ABT2012 于 Nov 16 11:43:32 2015 修改本文·[FROM: 60.247.45.*]
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