abs为什么要控制滑移率（你真的了解ABS的物理原理吗）

前面一个视频，我们了解了汽车制动的基本知识，分析了为什么前、后轴抱死都是危险工况，以及它们各自不同的表现。最后挖了个坑，来聊聊更加安全的ABS系统背后的基础原理，今天咱就来填坑！不要觉得ABS很古老很简单，相信你看完本期节目，对此会有一个更加透彻的了解。

首先来回顾一下，一个理想的制动过程要达到一个什么样的状态呢？两个核心要求：

• 车轮不会抱死拖滑，这样不会浪费地面附着力
• 前轮仍然保持转向的能力，可以在紧急制动下躲避障碍物

仔细观察这两个要求，其实是有因果关系的，如果能保证前轮不发生抱死拖滑，那么前轮也就不会失去转向的能力。因此核心的核心就是，如何避免制动时的车轮抱死！

制动抱死跑偏（紫色车）

你可能会说，那好办，在车轮将要发生抱死之前，我松开刹车踏板不就行了？思路很正确，但我问你，如何判断抱死呢？你可能又会说，很简单，我检测车轮旋转的(角)速度不就行了？如果检测到将要到0，那就是发生了抱死呗！听起来也没错，但在实际应用中，这样做有两个缺点：

首先，车轮由转动到抱死的短暂时间里，转速并不是一个速度均匀下降到零的过程，而是在快到抱死状态之前，车轮会处于一种半拖半滚的状态，因此轮子转速也呈现大范围的间断和波动，这会对你的判断造成干扰；

更重要的是，这种半拖半滚的状态，会让轮胎与地面之间的附着力降低，损失地面制动力，从而影响汽车的制动性能。

那究竟应该怎么办呢？我们来看看ABS系统的做法吧。但为了讲清楚原理，咱们先要了解一个名词：滑移率！(Slip Ratio)。听名字好像和轮胎的拖滑有点关系，没错，其实这个参数就是来衡量轮胎相对地面被拖滑的程度。它有两种形式，在制动的时候是这样定义的（懒得打了，用百度百科的网图）：

哎，看到公式先别忙着关文章，听我解释你就明白了！谁让我叫『戴森方程式』呢？多少得整两个方程出来才对得起这硬核栏目的定位嘛：）

轮胎在地面正常滚动的时候，转过的角度和车辆走过的距离之间是有一个固定比例的，这个比例就是车轮半径！也就是说，在车轮在地面匀速滚动的时候，轮子转一圈360度，那么向前行驶的距离就是车轮的周长。因此现在看那个公式，没这么难受了吧：u衡量的是车辆的速度，而公式中的『rw』就是由车轮旋转的角速度乘以车轮半径折算得到的车速，更简单粗暴的说，那就是前者『u』反映车身速度，后者『uw』或『rw』反映的是车轮速度，只要汽车不是在匀速运动，那不论加速还是减速状态，这两个速度都不会完全相等。

滑移率的百分比表达式，二者都可以

然后我们可以这样理解，在制动减速过程中，制动力是地面传递给轮子，然后轮子再传递给车身，因此轮子总会比车身先减速！那么在同一时刻，反映车轮速度的wR那一项，总是比车身速度v要小一些！制动力越大，刹车越猛，二者之间的差距越大！

拓展：那么在加速过程中如何呢？你一定不难想到，就是轮子总是先于车身加速的，因此同一时刻wR要比v更大，而且加速越猛，二者差值越大！

现在可以来梳理一下滑移率的变化规律了，我们先只看两头的极限情况：

• 如果车辆匀速滑行，不加速也不减速，那么v=wR，滑移率s=0
• 如果车辆紧急制动造成了车轮抱死，在地面上拖滑，那么车还在动，因此车速v不是0，但是轮子不转了，wR=0，故而滑移率s=1

很明显，滑移率是一个百分比类型的参数，反映了车轮在地面上滚动和在地面上拖滑的一个比例，随着制动强度的增加，这个比例也在变，直到完全抱死时，比例达到1！现在能明白我所说的制动过程中轮胎处于『半拖半滚』状态的意思了吧。

读到这里，如果你依然思路清晰，那么后面的分析就水到渠成了！人们经过实验发现，轮胎的滑移率和与地面之间的附着系数二者之间存在着密切的关系！（附着系数是汽车理论里面的术语，在这你可以粗暴理解为摩擦系数，其实还是有些区别，在这不展开）具体来说，对于常见的子午线轮胎，在干燥的水泥路面上行驶时，它的附着系数变化曲线是这样的：

不难看出，随着滑移率从0变化到100%，附着系数并不是一直增加的，而是存在一个峰值，是在滑移率20%附近达到的！这个峰值大概是0.8~0.9。因为附着系数定义为地面制动力（术语叫做纵向制动力，即沿着车辆行驶方向）与轮胎垂直载荷之比，因此这就意味着在附着系数达到峰值的时候，地面可以提供接近车重9成的力用来刹车！这也是理论上最大的制动力，不论你的刹车卡钳多么的牛x，但是地面最多提供这么大的制动力，只要超过这个值，轮胎就会发生抱死拖滑，根据上面的分析，拖滑时地面能提供的摩擦力只有车重的7成左右了。

这么一来，我们就很清楚，想要在整个制动过程中保持最大的地面制动力，必须要把滑移率维持在20%左右，没错！这正是ABS控制的目标！

当我们踩下制动踏板的时候，ABS就会根据每个轮子的轮速和车速来计算车轮的滑移率，并通过对制动卡钳的控制来让滑移率维持在20%左右。具体来说，如果滑移率比20%高，那么说明轮子被刹得太用力了，就松开卡钳，反之如果比20%低，就要刹紧车轮，这样通过对刹车卡钳不停的开关动作，就可以让滑移率维持在20%的上下来回跳动，而只要执行频率够高，刹车动作足够快，就可以把这个上下跳动的幅度控制在20%附近一个很窄的范围内。

这种控制方法就像拿两块木板之间夹着一个乒乓球，乒乓球可以不停的在两块板之间跳动，但是不会逃出这个区间，因此这种控制方式也被形象的称为：Bang-bang Control ！是一种非常简单粗暴且应用广泛的开关控制策略。

当然ABS还可以使用更复杂和先进的控制方式，但就控制效果而言，上面这种方式就足够达到目的了！现在回顾一下我们最初设立的理想的制动方式要具有的特点：

• 车轮不抱死
• 前轮能转向

ABS是不是都达到了要求？而且人家还超额完成了任务，不仅没有发生抱死，还最大限度利用了地面的附着力（将滑移率维持在20%）！

说到这里，ABS基本的知识都已经说清了，但大家有没有意识到可能存在什么问题呢？比如，左边车轮行驶在干燥路面，右侧车轮行驶在潮湿或者积水路面，如果这时候紧急制动，又会发生什么情况呢？

根据ABS基本原理，每个轮子上显然都不会出现抱死拖滑的现象，但是左右两侧车轮的峰值地面附着力却显著不同，干燥路面一侧制动力大，湿滑路面一侧制动力小，因此车辆就会产生一个较大的横摆力矩，车就会发生甩尾的危险。

因此，我们还必须考虑车身制动时的稳定性，而不能只盯着每个车轮各自的滑移率这一个变量。简单来说，在上述这种左右侧路面附着条件差异巨大的情况中，制动力大的那一侧（干燥路面）只能去迁就制动力小的那一侧（湿滑路面），以保证左右两侧的地面制动力差别不大。这就像所谓的『木桶理论』，四个车轮中，谁与地面之间的附着力最小，谁就是木桶中最短的那块木板，那么木桶的最大储水量，就取决于最短的这块木板。

这样做虽然在干燥路面一侧的车轮浪费了很多制动力，但是却让车身获得了制动稳定性，不会发生灾难性的横摆和甩尾。在汽车中来完成这个任务的是EBD（电子制动力分配）模块，因此这也就是为什么一般ABS总是和EBD结伴出现的原因。

ABS和EBD都是在紧急制动这种千钧一发的时刻才对你出手相救，好是好，但难免让人觉得心有余悸，有没有更加积极和预防性的方式可以帮我们更早的规避一些危险呢？当然是有的，那就是在ABS基础架构上实现的更先进和复杂的ESP（电子稳定程序）。它能够在更广泛的场景中发挥作用，保护我们的行驶安全，但是要说清楚这个东西，那就要先了解一下汽车的转向动力学内容了。我打算在下面几期视频和文章中，慢慢向大家介绍汽车的侧向动力学方面的内容，想跟我继续深入了解汽车背后的物理学原理的小伙伴，不要错过，下期我们先从最基本的轮胎特性说起，然后就是引战无数的『不足转向』和『过多转向』之争，请期待吧。

当然如果你喜欢看有点专业深度的内容，欢迎看我很早之前写就的两篇介绍转向特性的文章，接下来的视频将会是它们的简化版，相信你会有所收获：

牛顿力学分析：每天听人说转向不足和转向过度，你真的了解它们吗？

转向几何学分析：认为汽车转弯很简单？来了解下这背后的科学原理吧

我是戴森，一个热爱分享汽车与科学主题的科普创作者！