前面一個視頻，我們了解了汽車制動的基本知識，分析了為什麼前、後軸抱死都是危險工況，以及它們各自不同的表現。最後挖了個坑，來聊聊更加安全的ABS系統背後的基礎原理，今天咱就來填坑！不要覺得ABS很古老很簡單，相信你看完本期節目，對此會有一個更加透徹的了解。

首先來回顧一下，一個理想的制動過程要達到一個什麼樣的狀态呢？兩個核心要求：

• 車輪不會抱死拖滑，這樣不會浪費地面附着力
• 前輪仍然保持轉向的能力，可以在緊急制動下躲避障礙物

仔細觀察這兩個要求，其實是有因果關系的，如果能保證前輪不發生抱死拖滑，那麼前輪也就不會失去轉向的能力。因此核心的核心就是，如何避免制動時的車輪抱死！

制動抱死跑偏（紫色車）

你可能會說，那好辦，在車輪将要發生抱死之前，我松開刹車踏闆不就行了？思路很正确，但我問你，如何判斷抱死呢？你可能又會說，很簡單，我檢測車輪旋轉的(角)速度不就行了？如果檢測到将要到0，那就是發生了抱死呗！聽起來也沒錯，但在實際應用中，這樣做有兩個缺點：

首先，車輪由轉動到抱死的短暫時間裡，轉速并不是一個速度均勻下降到零的過程，而是在快到抱死狀态之前，車輪會處于一種半拖半滾的狀态，因此輪子轉速也呈現大範圍的間斷和波動，這會對你的判斷造成幹擾；

更重要的是，這種半拖半滾的狀态，會讓輪胎與地面之間的附着力降低，損失地面制動力，從而影響汽車的制動性能。

那究竟應該怎麼辦呢？我們來看看ABS系統的做法吧。但為了講清楚原理，咱們先要了解一個名詞：滑移率！(Slip Ratio)。聽名字好像和輪胎的拖滑有點關系，沒錯，其實這個參數就是來衡量輪胎相對地面被拖滑的程度。它有兩種形式，在制動的時候是這樣定義的（懶得打了，用百度百科的網圖）：

哎，看到公式先别忙着關文章，聽我解釋你就明白了！誰讓我叫『戴森方程式』呢？多少得整兩個方程出來才對得起這硬核欄目的定位嘛：）

輪胎在地面正常滾動的時候，轉過的角度和車輛走過的距離之間是有一個固定比例的，這個比例就是車輪半徑！也就是說，在車輪在地面勻速滾動的時候，輪子轉一圈360度，那麼向前行駛的距離就是車輪的周長。因此現在看那個公式，沒這麼難受了吧：u衡量的是車輛的速度，而公式中的『rw』就是由車輪旋轉的角速度乘以車輪半徑折算得到的車速，更簡單粗暴的說，那就是前者『u』反映車身速度，後者『uw』或『rw』反映的是車輪速度，隻要汽車不是在勻速運動，那不論加速還是減速狀态，這兩個速度都不會完全相等。

滑移率的百分比表達式，二者都可以

然後我們可以這樣理解，在制動減速過程中，制動力是地面傳遞給輪子，然後輪子再傳遞給車身，因此輪子總會比車身先減速！那麼在同一時刻，反映車輪速度的wR那一項，總是比車身速度v要小一些！制動力越大，刹車越猛，二者之間的差距越大！

拓展：那麼在加速過程中如何呢？你一定不難想到，就是輪子總是先于車身加速的，因此同一時刻wR要比v更大，而且加速越猛，二者差值越大！

現在可以來梳理一下滑移率的變化規律了，我們先隻看兩頭的極限情況：

• 如果車輛勻速滑行，不加速也不減速，那麼v=wR，滑移率s=0
• 如果車輛緊急制動造成了車輪抱死，在地面上拖滑，那麼車還在動，因此車速v不是0，但是輪子不轉了，wR=0，故而滑移率s=1

很明顯，滑移率是一個百分比類型的參數，反映了車輪在地面上滾動和在地面上拖滑的一個比例，随着制動強度的增加，這個比例也在變，直到完全抱死時，比例達到1！現在能明白我所說的制動過程中輪胎處于『半拖半滾』狀态的意思了吧。

讀到這裡，如果你依然思路清晰，那麼後面的分析就水到渠成了！人們經過實驗發現，輪胎的滑移率和與地面之間的附着系數二者之間存在着密切的關系！（附着系數是汽車理論裡面的術語，在這你可以粗暴理解為摩擦系數，其實還是有些區别，在這不展開）具體來說，對于常見的子午線輪胎，在幹燥的水泥路面上行駛時，它的附着系數變化曲線是這樣的：

不難看出，随着滑移率從0變化到100%，附着系數并不是一直增加的，而是存在一個峰值，是在滑移率20%附近達到的！這個峰值大概是0.8~0.9。因為附着系數定義為地面制動力（術語叫做縱向制動力，即沿着車輛行駛方向）與輪胎垂直載荷之比，因此這就意味着在附着系數達到峰值的時候，地面可以提供接近車重9成的力用來刹車！這也是理論上最大的制動力，不論你的刹車卡鉗多麼的牛x，但是地面最多提供這麼大的制動力，隻要超過這個值，輪胎就會發生抱死拖滑，根據上面的分析，拖滑時地面能提供的摩擦力隻有車重的7成左右了。

這麼一來，我們就很清楚，想要在整個制動過程中保持最大的地面制動力，必須要把滑移率維持在20%左右，沒錯！這正是ABS控制的目标！

當我們踩下制動踏闆的時候，ABS就會根據每個輪子的輪速和車速來計算車輪的滑移率，并通過對制動卡鉗的控制來讓滑移率維持在20%左右。具體來說，如果滑移率比20%高，那麼說明輪子被刹得太用力了，就松開卡鉗，反之如果比20%低，就要刹緊車輪，這樣通過對刹車卡鉗不停的開關動作，就可以讓滑移率維持在20%的上下來回跳動，而隻要執行頻率夠高，刹車動作足夠快，就可以把這個上下跳動的幅度控制在20%附近一個很窄的範圍内。

這種控制方法就像拿兩塊木闆之間夾着一個乒乓球，乒乓球可以不停的在兩塊闆之間跳動，但是不會逃出這個區間，因此這種控制方式也被形象的稱為：Bang-bang Control ！是一種非常簡單粗暴且應用廣泛的開關控制策略。

當然ABS還可以使用更複雜和先進的控制方式，但就控制效果而言，上面這種方式就足夠達到目的了！現在回顧一下我們最初設立的理想的制動方式要具有的特點：

• 車輪不抱死
• 前輪能轉向

ABS是不是都達到了要求？而且人家還超額完成了任務，不僅沒有發生抱死，還最大限度利用了地面的附着力（将滑移率維持在20%）！

說到這裡，ABS基本的知識都已經說清了，但大家有沒有意識到可能存在什麼問題呢？比如，左邊車輪行駛在幹燥路面，右側車輪行駛在潮濕或者積水路面，如果這時候緊急制動，又會發生什麼情況呢？

根據ABS基本原理，每個輪子上顯然都不會出現抱死拖滑的現象，但是左右兩側車輪的峰值地面附着力卻顯著不同，幹燥路面一側制動力大，濕滑路面一側制動力小，因此車輛就會産生一個較大的橫擺力矩，車就會發生甩尾的危險。

因此，我們還必須考慮車身制動時的穩定性，而不能隻盯着每個車輪各自的滑移率這一個變量。簡單來說，在上述這種左右側路面附着條件差異巨大的情況中，制動力大的那一側（幹燥路面）隻能去遷就制動力小的那一側（濕滑路面），以保證左右兩側的地面制動力差别不大。這就像所謂的『木桶理論』，四個車輪中，誰與地面之間的附着力最小，誰就是木桶中最短的那塊木闆，那麼木桶的最大儲水量，就取決于最短的這塊木闆。

這樣做雖然在幹燥路面一側的車輪浪費了很多制動力，但是卻讓車身獲得了制動穩定性，不會發生災難性的橫擺和甩尾。在汽車中來完成這個任務的是EBD（電子制動力分配）模塊，因此這也就是為什麼一般ABS總是和EBD結伴出現的原因。

ABS和EBD都是在緊急制動這種千鈞一發的時刻才對你出手相救，好是好，但難免讓人覺得心有餘悸，有沒有更加積極和預防性的方式可以幫我們更早的規避一些危險呢？當然是有的，那就是在ABS基礎架構上實現的更先進和複雜的ESP（電子穩定程序）。它能夠在更廣泛的場景中發揮作用，保護我們的行駛安全，但是要說清楚這個東西，那就要先了解一下汽車的轉向動力學内容了。我打算在下面幾期視頻和文章中，慢慢向大家介紹汽車的側向動力學方面的内容，想跟我繼續深入了解汽車背後的物理學原理的小夥伴，不要錯過，下期我們先從最基本的輪胎特性說起，然後就是引戰無數的『不足轉向』和『過多轉向』之争，請期待吧。

當然如果你喜歡看有點專業深度的内容，歡迎看我很早之前寫就的兩篇介紹轉向特性的文章，接下來的視頻将會是它們的簡化版，相信你會有所收獲：

牛頓力學分析：每天聽人說轉向不足和轉向過度，你真的了解它們嗎？

轉向幾何學分析：認為汽車轉彎很簡單？來了解下這背後的科學原理吧

我是戴森，一個熱愛分享汽車與科學主題的科普創作者！

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