非对称轮胎配置与防抱死制动系统（ABS）运行下制动性能的统计评估

《Applied Sciences》：Statistical Evaluation of Braking Performance Under Asymmetric Tire Configurations and ABS Operation

　　

本研究探讨了不正确轮胎安装对车辆制动性能的影响，特别关注其与防抱死制动系统（Anti-Lock Braking System, ABS）的相互作用。实验测试在受控条件下依据ISO 21994利用乘用车进行。研究了两种轮胎配置：合规的轴向配置和非合规的非对称布置，即同一轮胎纵向安装在车辆每一侧。在整个制动测试过程中，ABS被开启和关闭。车辆的动力学及其制动参数被记录并使用非线性统计建模进行分析。所得非线性模型的确定系数（coefficients of determination）在0.8265至0.9938范围内，显示与实验数据具有令人满意的一致性。Chow型统计检验揭示所测试的所有轮胎设计和ABS操作模式之间存在显著差异（p < 0.001）。Ljung–Box检验表明横向加速度信号具有显著的时间依赖性。结果表明，不正确的非对称轮胎安装对制动动力学具有负面影响，且当ABS关闭时这种影响更为显著。虽然ABS在一定程度上减轻了这些影响，但研究人员仍观察到性能上存在统计学上的显著差异。结果为正确安装轮胎对于保持制动性能和车辆安全的必要性提供了经验验证的证据，并有助于更好地理解非对称轮胎配置下的胎路相互作用与制动动力学。

研究背景与问题提出

车辆稳定性是道路安全的核心因素，取决于底盘结构、轮胎特性、路面属性与电子控制系统间的复杂交互，其中轮胎与路面的接触负责传递纵横向力以维持控制、制动与方向稳定性。现代研究虽广泛涉及路面识别、胎路交互与ABS控制算法，但针对不正确非对称轮胎安装即同一轮胎纵向布置于车辆两侧对制动动力学的影响及其与ABS运行的相互作用尚未被直接研究，且此类配置下的速度与加速度动态定量统计评估亦不充分。为此，研究人员通过开展受控实验并结合非线性建模与假设检验，旨在填补这一空白，该论文发表于《Applied Sciences》。

主要关键技术方法

研究人员依据ISO 21994:2022标准在干燥沥青路面开展直道制动实验，使用技术状况良好的乘用车，设置合规轴间轮胎配置与非对称同侧纵向轮胎配置，分别在ABS开启与关闭状态下各进行三次测试。采用Dewesoft NAVION i2惯性导航系统（Inertial Navigation System, INS）以最高100 Hz采样率记录制动踏板力、车速、纵向与横向速度及加速度等参数。数据分析方面，提出描述制动期侧向速度衰减振荡带漂移趋势的非线性模型，采用Levenberg–Marquardt（LM）非线性最小二乘法辨识结构参数；使用渐近F型Chow检验比较不同条件下模型结构参数显著性差异；采用Ljung–Box检验分析横向加速度时间序列的自相关性，所有统计检验显著性水平设为α=0.05。

研究结果

3.1. Identification of Lateral Velocity Dynamics

研究人员通过所提非线性模型对四种工况下的横向速度动态进行拟合，确定系数（coefficient of determination）介于0.8265至0.9938之间，表明模型能较好解释横向速度变异性。结果显示，合规轴间配置且ABS开启时横向速度低幅近零振荡；非对称同侧配置且ABS关闭时振幅最大，速度先升至约1.0 m/s后降至负值，模型良好复现了该曲线形态。各工况结构参数估计及t检验表明参数均显著异于零，验证了模型对瞬态横向响应的统计表征能力。

3.2. Verification of the Existence of Differences in Lateral Velocity Behavior

通过Chow型检验比较轮胎配置与ABS状态的横向速度动态差异，所有对比案例的检验统计量?极高且p_val < 0.001，远小于0.05显著性水平，拒绝结构参数无差异的原假设。这表明无论是固定ABS状态比较轴间与非对称轮胎配置，还是固定轮胎配置比较ABS开启与关闭，车辆横向速度动态的非线性模型结构参数均存在显著差异，证实轮胎配置与ABS运行均对制动横向动力学有显著影响。

3.3. Identification of Lateral Acceleration Dynamics

横向加速度时程显示，ABS开启产生更多脉冲式振荡但后期趋近零值稳定；ABS关闭则呈现漂移趋势且潜在不稳定。描述性统计表明，轴间配置下关ABS末期加速度显著下降，同侧非对称配置下关ABS末期加速度上升。Ljung–Box检验结果中Q统计量高且p_val极低，拒绝无自相关的原假设，证明所有工况下横向加速度均存在显著时间依赖性，尤其ABS关闭时依赖性更强，反映车辆响应受胎路交互、载荷转移与ABS调控等确定性机制支配而非随机白噪声。

讨论部分总结与研究结论翻译

讨论部分指出，非对称轮胎配置导致同一轴左右轮胎特性不同，影响横向力生成、刚度、瞬态滑移与载荷转移，引致左右轮制动力不平衡。ABS通过调制制动压力维持最优滑移率可部分缓解但无法完全消除此负面效应，统计差异在ABS关闭时尤为显著。非线性模型与Chow检验有效捕捉了制动动态变化，Ljung–Box检验证实加速度具时间依赖性；ABS开启的振荡属正常控制行为而非失稳，无ABS的平滑漂移反而更易方向失稳。实务上即使轮胎技术合格，非对称安装仍影响安全，电子系统不能替代正确维护。研究限于单一车型、尺寸、路面与三次重复，未来需扩展至更多车型、路况与轮胎变量如磨损、气压、胎纹等，并纳入横摆率与轨迹偏差等参数。

结论部分翻译如下：

本研究通过实验探讨了非对称轮胎配置与防抱死制动系统（ABS）运行对乘用车制动动力学的影响。测试在受控直道制动条件下进行，采用两种轮胎安装配置与两种ABS运行状态。结果表明，轮胎配置与ABS运行均对制动期间车辆横向动力学具有统计学上的显著影响。横向速度的非线性建模显示所提模型在所有分析条件下均能充分复现实测制动响应，所得确定系数证实模型捕捉了制动期横向速度变化的主导趋势。通过Chow型检验比较模型结构参数表明，合规轴间轮胎配置与非对称同侧轮胎配置之间无论ABS开启或关闭均存在显著差异，证实不正确轮胎放置改变了车辆动态制动响应。轮胎设计的影响在ABS关闭时更为明显，非对称轮胎配置在无ABS制动案例中导致横向速度与加速度行为变异更大，揭示物理不对称即轴间不同轮胎特性在无非调制制动压力下主导胎路力传递与车辆动态响应。ABS对非对称轮胎安装负面影响有一定减轻作用，但即便ABS启用，配置间仍存在统计显著差异，因此ABS不应被视为在所有情况下补偿错误轮胎安装的手段，正确安装轮胎对可预测制动行为与车辆安全仍至关重要。Ljung–Box检验结果对所有分析案例均显示横向加速度信号存在显著自相关，证实制动期加速度非随机过程，而受胎路交互、载荷转移、制动力生成与ABS控制作用等确定性机制支配，最强时间依赖性见于无ABS案例，表明响应更持久且调控较少。从实用道路安全角度，结果显示即使所有轮胎技术合格，不正确非对称轮胎安装仍会负向影响制动动力学，凸显轮胎安装不仅是维护问题，更是影响制动性能与车辆稳定的安全关键因素。未来研究将扩展实验数据库至更多制动试验、不同车型、其它路面及更广轮胎变量包括胎纹磨损、充气压力、使用年限与胎纹设计，计划结合受控全尺寸制动测试、轮胎属性实验室测量与车辆动力学计算模型，综合实验与数值方法广泛研究不同非对称轮胎配置下的制动距离、车轮滑移、横摆率、横向偏差、胎路接触力与瞬态车辆稳定性。

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