汽车制动系统的电子控制.pdf

汽车制动系统的电子控制 杨 启 梁 ( 武 汉科技 大 学机械 自动 化 学 院 ，湖 北武 汉4 3 0 0 8 1 ) 摘 要 ：汽 车制 动系统 是汽 车 主动安 全 系统 的重要 组成部 分 ，制 动系统 的 电子 控制 极 大地 提高 了汽 车 的主 动安 全 性 。本 文 介绍 汽车 制动 系统 中主要 的 电子控 制功 能a b s 、e b d、c b c、b a s 及eb s 的 组成 及工 作原理 。 关键 词 ：防抱 死制 动 ；电子制 动力 分 配 ；弯 道制 动控 制 ；制动辅 助 系统 中 图分类 号 ：u 4 6 3 5 2文献标 识码 ：b 文章 编号 ：1 0 0 3 - 8 6 3 9 ( 2 0 0 4) 1 0 - 0 0 3 0 - 0 4 el e ct r on i c co nt r ol of t he aut o br aki ng sy s t e m ya n g q i l i a n g ( c o l l e g e o f me c h a n i c a l a u t o m a t i o n ，wu h a n u n i v e r s i t y o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y ，wu h a n 4 3 0 0 8 1 ，c h i n a ) abs t r ac t： r r he br a ki n g s y s t em i s t h e i mp or t ant pa r t o f t h e a ct i v e s a f e t y s ys t e m wi t h i t s e l e c t r o ni c c o nt r ol g r ea t l y i mpr o v i ng t he a ct i v e s af et ythi s pa pe r i nt r o du ce s t h e c ompo s i t i on a nd wo r k i n g prin ci pl e s o f i t s mai n el e ct r on i c c o nt ro l f un et i o ns： abs， ebd ， cbc ， bas a nd ebs ke y wo r d s： an t i - l o c k b r a k i n g s y s t e m ( ab s)； el e c t r o n i c brak i n g di s t rib u t i o n (ebd)； cu r v e b r a k i n g c o n t rol ( cbc) ；br a k i n g as s i s t a n t s y s t e m ( bas) 随 着 汽 车保 有 量 的 急 剧 增 加 ，道 路 交 通 事 故 已 成 为 世 界 性 的社 会 问 题 。 制 动 系 统 是 汽 车 安 全 行 驶 的 保 障 ，利 用 电 子 控 制 技 术 来 提 高 制 动 系统 的 性 能 并 扩 展 其 功 能 已 受 到 广 泛 重 视 。 防 抱 死 制 动 系 统 ab s ( an t i 1 o c k b r a k i n g s y s t e ms ) 在 轿 车 上 已 成 为 一 种 标 准 装 备 ，一 些 新 的 制 动 控 制 系 统 还 在 不 断 推 出 ， 如 弯道 制 动控 制 c bc ( c o rne r i n g b r a k i n g co n t r o 1 ) 、 电子 制动 力分酉 ( bb c t r 叫 b r a k i n g f m o e d i s m t x t i m) 、 制动 辅助 系统 b a s ( b r a k i n g a s t a n t s y s t e m) 以 及 电 控 制 动 系 统 e b s ( e l e c t r o n i c b r a k i n g s y s t e m) 等 ， 这 些 新 的 电 子 控 制 装 备 的 使 用 ， 大 大 提 高 了汽 车 的 主 动 安 全 性 。 1 abs ab s 是 目前 世 界 上 普 遍 公 认 的 能 提 高 汽 车 制 动 安 全 性 的 有 效 措 施 之 一 ，与 常 规 制 动 系 统 相 比 ，具 有 制 动 强 度 高 、制 动 稳 定 性 好 ，尤 其 在 弯 道 制 动 时 不 丧 失 转 向操 纵 能 力 等 特 点 。 国 内 近 年 生 产 的 轿 车 都 已装 备 了 abs 。 电子 控 制 防 抱 死 制 动 系 统 一 般 由 车 轮 转 速 传 感 器 、 电 子 控 制 器( e c u) 、压 力 调 节 器 、ab s 报 警 灯 和 一 些 继 电器 等 组 成 。如 图 1 所 示 。 车 轮 转 速 传 感 器 一 般 为 电 磁感 应 式 ，通 常 安 置 在 被 控 车 轮 上 。压 力 调 节 器 既 可 以设 置 在 制 动 总 泵 至 制 动 分 泵 的 制 动 管 路 中形 成 分 离 结 构 ，也 可 与 制 动 总 泵 合 为一 体 形 成 整 体 结 构 ，对 制 动 压 力 进 行 调 节 可 以 采 用 流 通 方 式 或 变 容 方 式 。 压 力 调 节 器 中 的 电磁 阀 有 三 位 三 通 和 二 位 二 通 两 种 结 构 。 电 子 控 制 器 是 防 抱 死 制 动 系 统 的 控 制 中枢 ，它 主 要 接 收 车 轮 转 速 传 感 器 和 制 动 灯 开 关 等 输 入 的 信 号 ，对 制 动 过 程 中 被 控 车 轮 的 运 动 状 态 进 行 监 测 ，根 据 需 要 对 压 力 调 节 器 进 行 控 制 ，使 压 力 调 节 器 对 被 控 车 轮 的 制 动 压 力 进 行 保 持 、减 小 和 增 大 等 调 节 ，并 根 据 车 轮 转 速 传 感 器 反 馈 的 信 号 修 正 控 制 指 令 。1 1 , 1 - ， 电子 控 制 器 还 具 有 对 防 抱 死 制 动 系 统 的 工 作 状 态 进 行 监 测 的 功 能 。abs 报 警 灯 安 置 在 仪 表 板 上 ， 由 电 子 控 制 器 控 制 其 亮 灭 ，指 示 防 抱 死 制 动 系统 的 工 作 状 态 。 图1 ab s 工作 原理 防 抱 死 制 动 装 置 在 汽 车 上 的 布 置 方 案 是 多 种 多 样 的 ，根 据 独 立 可 控 的 车 轮 的 数 目 ，有 单 通 道 、双 通 道 、三 通 道 和 四 通 道 等 几 种 控 制 方 式 。轿 车 上 采 修 改稿收 稿 日期 ：2 0 0 4 0 2 1 2 作 者简 介 ：杨 启 梁( 1 9 6 2 - ) ，男 ，副教 授 ，研 究方 向 ：汽车 动力 学与 汽车 电子技 术 。 3 0 汽车电器) 2 o o 4 年第 1 0 期 维普资讯 用 的 防 抱 死 制 动 系 统 通 常 x ,1 - 4个 车 轮 都 进 行 防 抱 死 控 制 ，且 多 为 三 通 道 控 制 方 式 ，一 般 是 对 2 个 前 轮 进 行 独 立 控 制 ，而 对 2 个 后 轮 则 是 按 低 选 原 则 一 同 控 制 。 因2 个 前 轮 在 制 动 过 程 中具 有 较 大 的 附 着 力 ， 对 它 们 进 行 独 立 控 制 可 以获 得 更 大 的 制 动 力 。 特 别 是 在 紧急 制 动 时 ，前 轮 产 生 的 制 动 力 通 常 可 达 汽 车 总 制 动 力 的7 0 8 0 ；对 2 个 前 轮 进 行 独 立 控 制 还 可 以 使 2 个 前 轮 都 具 有 较 强 的 抗 横 向 滑 移 能 力 ，从 而 保 证 汽 车 在 制 动 过 程 中仍 然 具 有 良好 的 转 向 操 纵 能 力 ；对2 个 前 轮 进 行 独 立 控 制 可 能 会 导 致 2 个 前 轮 的 制 动 力 不 平 衡 ， 但 它 对 汽 车 的 方 向 稳 定 性 影 响 较 小 。对 2 个 后 轮 按 低 选 原 则 一 同控 制 ，可 以 保 证 2 个 后 轮 都 不 会 发 生 制 动 抱 死 ，使 2 个 后 轮 都 具 有 较 强 的 抗 横 向 滑 移 能 力 ， 而 且 能 够 使 2个 后 轮 的 制 动 力 保 持 平 衡 ，使 汽 车 具 有 良 好 的方 向 稳 定 性 ， 由于 2 个 后 轮 在 制 动 过 程 中( 特 别 是 在 紧 急 制 动 过 程 中 ) 所 具 有 的 附 着 力 本 来 就 较 小 ，因 此 ，对 2 个 后 轮 按 低 选 原 则 一 同 控 制 与 2 个 后 轮 独 立 控 制 时 相 比 ，其 制 动 力 的减 小 并 不 明显 。 2 ebd 汽 车 前 、后 轮 制 动 器 制 动 力 的 分 配 比例 直 接 影 响 到 汽 车 制 动 时 的 制 动 效 率 和 方 向稳 定 性 ，关 系 到 制 动 过 程 中 汽 车 的 安 全 。一 般 情 况 下 ，汽 车 前 、后 轮 制 动 器 制 动 力 的 分 配 比例 是 固定 不 变 的 ，如 果 汽 车 上 未 装 abs，制 动 过 程 中就 会 出 现 车 轮 抱 死 的 情 况 。如 果 后 轮 先 于 前 轮 抱 死 ，则 会 出 现 危 险 的 后 轴 侧 滑 甚 至 甩 尾 ；如 果 前 轮 先 于 后 轮 抱 死 ，则 会 失 去 转 向能 力 。最 理 想 的 情 况是 前 、后 车 轮 同 时 达 到 抱 死 状 态 ，这 有 利 于 减 小 制 动 距 离 ，提 高 制 动 时 汽 车 的 稳 定 性 和转 向 能 力 。对 于 安 装 了abs的 汽 车 ，虽 然 可 以 避 免 在 制 动 过 程 中 出 现 车 轮 抱 死 ， 引起 侧 滑 或 失 去 转 向 能 力 ，但 无 法 保 证 前 、后 轮 同 时 达 到 最 大 制 动 强度 ，使 制 动 距 离 最 短 。 汽 车 在 制 动 过 程 中 ，当 前 、后 轮 趋 于 同步 抱 死 时 ，制 动 效 率 最 高 ，但 这 种 理 想 的制 动 力 的 分 配 是 随 前 、后 轮 上 的 垂 直 载 荷 的 变 化 而 变 化 的 。 在 汽 车 上 前 、后 轮 制 动 器 制 动 力 的分 配 比例 是 固 定 的 ，为 了避 免 出 现 危 险 的后 轴 侧 滑 ，提 高 制 动 效 率 ，常 采 用 各 种 机 械 式 制 动 力 调 节 装 置 ，如 限 压 阀 、 比 例 阀 、射 线 阀 、感 载 比例 阀 等 。 但 这 些 压 力 调 节 阀 对 制 动 效 率 的 提 高 是 有 限 的 ，并 不 能 保 证 在 任 何 路 面 上 都 有 较 高 的 制 动 效 率 。 电 子 制 动 力 分 配 系 统 可 有 效 地 解 决 这 一 问 题 。 制 动 过 程 中 车 轮 的运 动 状 态 用 滑 动 率s 来 描 述 s = ( 车 一 n 尺) 车 式 中 ： 车 身 速 度 ； 车 轮 角 速 度 ； 尺 车 轮 半 径 。 前 、 后 轮 的 滑 动 率 之 差 s= s 。 一 = ( r 一 r。 。 ) v 车，车 轮 抱 死 时 ，s =1 0 0 ，理 想 的 制 动 情 况 是前 、后 轮 同 时 抱 死 ，此 时 ，s = 0， 即只 = 只。 。 。 如 果 在 制 动 过 程 中 能 始 终 保 持 s= 0，也 就 是 控 制 r = 尺。 也 就 能 保 证 前 、 后 轮 同 时 达 到 抱 死 状 态 。 电 子 制 动 力 分 配 系统 由转 速 传 感 器 、 电 子 控 制 器 和 液 压 执 行 器 三 部 分 组 成 。 电磁 感 应 式 转 速 传 感 器 安 装 在 4 个 车 轮 上 ，检 测 车 轮 转 速 。 液 压 执 行 器 主 要 由控 制 前 、后 轮 压 力 的 常 开 阀 、常 闭 阀 和 低 压 蓄 能 器 组 成( 图2) 。 低 压 蓄 能 器 的作 用 是 暂 存 降 压 时 所 排 出 的 制 动 液 。 轮 速 信 号 送 至 电 子 控 制 器 ， 电 子 控 制 器 根 据 这 些 信 号 计 算 汽 车 参 考 车 速 、车 轮 的 转 速 及 前 后 轮 的 滑 动 率 之 差 ，并 按 一 定 的 控 制 规 律 向 液 压 执 行 器 中 的 电 磁 阀发 出 信 号 ，对 车轮 实 行 保 压 、减 压 和 加 压 的循 环 控 制 ，使 前 、后 轮 趋 于 同步 抱 死 。在 制 动 结 束 后 ，制 动 踏 板 松 开 ，制 动 主 缸 内 的 制 动 压 力 为 零 。此 时 再 次 打 开 常 闭 阀 ，低 压 蓄 能 器 中 的制 动 液 经 常 闭 阀 、常 开 阀 返 回制 动 主 缸 ，低 压 蓄 能 器 排 空 ，为 下 一 次 电 子 制 动 力 分 配 调 节 做 好 准 备 。 ebd的 调 节 性 能 如 图 3所 示 ， 从 图 3中 可 以 看 出 ， 当汽 车 载 荷 发 生 变 化 时 ，理 想 的前 、后 轮 制 动 蓄 电 池 用 水 不用 愁 接 通 水 源 自动 流 ! 详 见 插 3广 鲁 稃 露 位 圈2 电子 制动 力分 配 系统原理 圈 前轮制动力 图3前 、后轮 制 动力分 配关 系 汽车电i ) 2 o o 4 年第1 o 期 静 维普资讯 力 分 配 关 系 会 随 之 发 生 改 变 。 如 果 制 动 系 统 安 装 了 机 械 式 制 动 压 力 调 节 阀 ，虽 然 可 以 避 免 出 现 后 轮 先 抱 死 ，但 制 动 力 调 节 曲 线 与 理 想 的 制 动 力 分 配 曲 线 相 差较 大 ，导 致 制 动 效 率 不 高 。 如 果 制 动 系统 安 装 了 电 子 制 动 力 分 配 系统 ，其 制 动 力 调 节 曲线 在 各 种 载 荷 下 均 能 与 理 想 的 制 动 力 分 配 曲 线 靠 近 ， 获 得 较 高 的 制 动 效 率 。 从 上 述 电 子 制 动 力 分 配 的 原 理 看 出 ，制 动 力 分 配 的调 节 过 程 和 防抱 死 制 动 系 统 的调 节 过 程 是 相 似 的 ，都 是 通 过 对 车 轮 压 力 实 行 不 断 降 压 、保 压 、升 压 的 循 环 控 制 来 实 现 的 。 因 g t， 在 装 备 有 abs的 汽 车 上不 需 增 加 任 何 硬 件 ，只 需 通 过 软 件 就 可 实 现 制 动 力 分 配 的 功 能 。 汽 车 在 制 动 过 程 中 ，eb d和 abs 起 作 用 的 时 间 是 不 一 样 的 ， 刚 开 始 制 动 时 ，是ebd 起 作 用 ， 当 车 轮 接 近 抱 死 时 ，abs 才 开 始 起 作 用 ， 而 g t时 eb d不 再 起 作 用 。 因 g t， 通 常 是 将 e bd和 abs 复 合 在 一 起 ，形 成 abs+ebd的 新 型 制 动 系 统 。 在 国 内 2 0 01 年 生 产 的 轿 车 上 ， 如 派 力 奥 、 西 耶 那 、 福 美 莱 等 轿 车 就 已装 备 了abs+ebd制 动 系统 。 3 c bc 汽 车 防 抱 死 制 动 系 统 的 控 制 目 标 是 把 车 轮 滑 动 率 限 制 在 对 应 最 大 路 面 附 着 系 数 的范 围 之 内 ，从 而 获 得 最 大 地 面 制 动 力 ， 同 时 具 有 较 好 的 侧 向 稳 定 性 。 由于 轮 胎 是 车辆 与 地 面作 用 的物 质 承 担 者 ，所 以 轮 胎 与 地 面 的接 触 力 学 特 性 决 定 了 汽 车 动 力 学 特 性 。根 据 库 仑 摩 擦 定 律 ，对 于 特 定 的路 面 条 件 和 轮 胎 。地 面 的 附 着 力 是 一 定 的 ，为 纵 向 附 着 力 与 横 向 附 着 力 的 矢 量 和 。纵 向 附着 力 影 响制 动 距 离 ，而 横 向附 着 力 决 定 了 制 动 过 程 的 稳 定 性 ，很 显 然 两 者 是 互 相 制 约 的 。 汽 车 在 弯 道 上 制 动 时 ， 由于 有 离 心 力 的作 用 ，制 动 过 程 的稳 定 性 问 题 显 得 更 突 出 。如 何 使 车辆 在 转 向制 动 时 在 横 向 稳 定 性 和 制 动 效 能 之 间 有 较 好 的 平 衡 ，传 统 的ab s是 无 法 实 现 的 ，这 也 正 是 弯 道 制 动 控 制 所 要 解 决 的 问 题 。 汽 车 在 弯 道 行 驶 时 ，由 于 离 心 力 的 作 用 和 车 身 的侧 倾 ，使 外 侧 车 轮 受 到 的 垂 直 载 荷 比 内侧 车 轮 的 大 ，要 获 得 较 大 的 制 动 力 ，就 需 要 对 两 侧 轮 缸 的 制 动 力 进 行 调 整 。 因 此 ，c b c 就 是 借 助 于 a b s 对 两 侧 轮 缸 压 力 的 调 整 来 实 现转 弯 制 动 控 制 的 。 弯道 制 动控 制通 常采 用转 向角 前馈( f e e d f o r w a r d) 和 横 摆 角 速 度 反 馈( f e e d b a c k)联 合 控 制 策 略( 图 4 ) 。 为 实 现 上 述 制 动 力 的 调 节 ，在 原 有 ab s硬 件 基 础 上 增 加 4 个 轮 缸 压 力 传 感 器 ，一 个 横 摆 角 速 度 传 感 器 ，一 个 车 辆 加 速 度 传 感 器 及 一 个 转 向 角 传 感 器 。 cbc实 现 了 对 每 个 车 轮 的 独 立 控 制 ， 既 保 证 了 制 动 过 程 的 稳 定 性 ， 又 保 证 了 具 有 足 够 的 制 动 强 度 ，使 汽 车 在 弯 道 上 的制 动 性 能 和在 直 线 道 路 上 一 样 。 2 0 01 年 宝 马 公 司 推 出 的 x 5 4 6 i s 型 s uv车 上 就 装 备 了c bc系统 ，使 其 在 弯道 上 行 驶 时 同 样 具 有 优 良的 制 动控 制 性 能 ，是 一 款 性 能优 良的运 动 型 多 用途 车 。 图4弯道制 动控 制原 理 4 bas 制 动 辅 助 系统 又 称 动 力 制 动 控 制 dbc ( dy n a mi c b r a k e c o n t r o 1 ) 。大 量 研 究 表 明 ，不 到 1 0 的 驾 驶 员 能 将 制 动 踏 板 完 全 踩 到 底 ，在 出 现 紧 急 情 况 而 实 施 紧 急 制 动 时 ，往 往 不 能 充 分 利 用 制 动 系 统 的 制 动 能 力 ，导 致 制 动 距 离 延 长 ，引 发 交 通 事 故 。 b as 就 是 为 解 决 这 一 问 题 而 研 制 的 。 制 动 辅 助 系 统 一 般 在 abs 的 基 础 上 ，增 加 一 个 制 动 踏 板 位 移 传 感 器 或 者 制 动 主 缸 油 压 传 感 器 及 一 套 液 压 助 力 系 统 。 当制 动 踏 板 移 动 的 速 率 或 制 动 主 缸 油 压 的 增 长 速 率 过快 时 ，e c u判 断 出 此 时 驾 驶 员 正 在 实 施 紧 急 制 动 ，于 是 b as 被 触 发 ，助 力 油 泵 向 制 动 主 缸 油 路 提 供 较 高 的 制 动 油 压 ，使 制 动 系统 的 反 应 时 间缩 短 ，从 而 减 小 制 动 距 离 。 b as的 制 动 效 果 如 图 5所 示 。 从 这 一 典 型 的 制 动 过 程 曲 线 可 以 看 出 ，在 紧 急 制 动 过 程 中 ，装 有 b as 与 未 装 b as，其 达 到 最 大 减 速 度 的 时 间 相 差 近 3 0 0 ms ，若 汽 车 以 6 0 k m h rj 速 度 制 动 ， 制 动 距 离 相 差 约 2 5 m。若 考 虑 紧 急 制 动 时 没有 实 施 完 全 制 动 的情 况 ，则 装 有 bas时 的 制 动 距 离 更 短 。 由 此 可 以 看 出 ，对 于 妇 女 和 老 年 驾 驶 者 ，装 有 bas的 制 动 系 1 oo 80 60 瑙 饕4 o 器 20 o 1 00 20 0 3 00 4 00 制动时间 ms 一 紧急制动( 带bas ) 紧急制动 ( 不带b a s ) 正常制动 图5 b as 的制 动性 能 3 2 汽车电器 2 0 0 4 年第 1 0 期 专 为 个 体 设 计 的 i i 型 、 壁 挂 式 蓄 电池 用 7 k 设 备 详 见 插 3广 鲁 维普资讯 统 对 他 们 的 行 车 安 全 更 有 保 障 。： e2 0 0 0年 生 产 的 凌 志 l s 4 0 0 上 开 始 将 b a s 列 为 标 准 配 备 ，它 和ab s 配 合 工 作 ，在 紧 急 制 动 的 状 况 下 系 统 如 感 应 到 制 动 踏 板 力 不 足 时 ， b as 会 自动 补 偿 对 制 动 系 统 的 施 力 ， 让 车轮 尽 早 达 到 抱 死 状 态 ， 以便 激 活 ab s ，使 制 动 距 离 达 到 最 短 。 5 ebs 传 统 的 商 用 汽 车 制 动 系 统 管 路 - k ， 阀 类 元 件 多 。对 于 长 轴 距 汽 车 、多 轴 汽 车 或 汽 车 列 车 ，气 体 传 输 路 线 长 ，气 压 增 长 速 度 慢 ，常 产 生 制 动 滞 后 现 象 ，制 动 距 离 增 加 ，安 全 性 降 低 ，而 且 制 动 系 的 成 本 也 比 较 高 。 如 果 将 制 动 系 的许 多 阀 省 去 ，制 动 管 路 以 电 线 代 替 ，用 电控 元 件 来 控 制 制 动 力 的 大 小 和 各 轴 制 动 力 的 分 配 ， 便 构 成 了 电 控 制 动 系 统 ( ebs) 。 ebs的 组 成 如 图 6所 示 ， 当 实 施 制 动 时 ， ecu根 据 制 动 踏 板 的 位 移 信 号 和 力 度 信 号 ， 控 制 各 车 轮 的 电 动 控 制 阀 。 电 动 控 制 阀 在 收 到 e cu的控 制 信 号后 ，将 进 气 口打 开 ，排 气 口关 闭 ，使 储 气 筒 中 的 压 缩 空 气 进 入 各 制 动 气 室 ， 推 动 制 动 器 实 施 制 动 。 当 制 动 强 度 达 到 制 动 踏 板 位 移 量 所 对 应 的要 求 时 ，ecu切 断 通 向 电 动 控 制 阀 的控 制 信 号 ， 电动 控 制 阀将 进 气 口关 闭 ，排 气 口打 开 ，使 各 制 动 气 室 卸 压 ， 解 除 制 动 。 东 风 公 司 2 0 0 2年 推 出 的“ 东 风 天 龙 ” 是 引 进 、 吸 收 、 消 化 国 际 先 进 技 术 ， 自 主 研 制 、开 发 的一 款 具 有 国 际 先 进 水 平 的 新 一 代 重 型 平 头 半 挂 牵 引 车 ，它 装 备 有ebs 制 动 系 统 。 ebs 不 仅 可 以 实 现 常 规 制 动 系 统 的 功 能 ，也 可 以 实 现 abs的 功 能 ， 只 需 ： ee bs的 电 子 控 制 器 中设 计 相 应 的 防抱 死 程 序 就 行 了 。 除此 之 外 ，还 可 以 加 入 e b d、牵 引 控 制 、蹄 片 磨 损 控 制 、缓 速 控 制 以 及 牵 引 车 与 挂 车 或 半 挂 车 的 牵 引 力 的 控 制 等 功 能 。 因 此 ，ebs? 除 了 现 有 的 气 压 制 动 系 统 中 压 力 增 长 时 3 2 1 制 动踏板2 前制 动气 室3 制 动蹄 片磨 损指 示 器4 三维 车