汽车ABS_台架检测方法研究.doc

本文由zhxy1688贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 论文分类号 密 级 U472.9 内部 单 位 代 码 10183 研 究 生 学 号 203514 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 汽车 ABS 台架检测方法研究 THE RESEARCH OF INSPECTION METHOD TO AUTOMOBILE ANTI-LOCK BRAKING SYSTEM ON BENCH 作者姓名： 专 业： 陈 友 谊 载运工具运用工程 导师姓名 及 职 称： 苏 建 教授 论文起止年月：2001 年 12 月至 2003 年 1 月 提 要 本文通过对国内外现有汽车制动防抱死系统的深入研究，根据现代自动 化检测线的实际需要， 对汽车制动防抱死系统检测理论和检测方法进行了深入 研究，并且根据检测方法设计开发了 ABS 检测试验台。该检测方法运用先进 的传感器和电子技术作为检测手段，用计算机作为控制和分析中枢，能快速、 准确的检测出汽车防抱死系统实际工作时有关参数变化， 对汽车制动防抱死系 统的实际工作性能做出准确的分析和判断， 为汽车的维护与保养提供可靠的理 论依据， 为制动防抱死系统提供可靠有效的检测手段及检测设备， 进一步实现 对现代汽车技术性能全方位检测的目的。 论文的内容主要包括以下几个方面： 1基础理论研究：通过对汽车制动防抱死系统的实际工作过程中车轮线 速度变化研究，提出一种新的检测汽车制动防抱死系统的理论和检测方法。 2机械部分设计：根据检测线实际需要出发，针对汽车制动防抱死系统 工作的具体特点，设计开发了汽车制动防抱死系统检测试验台。 3信号的采集部分设计：运用传感器和电子技术完成信号采集，并将其 经放大电路送入微机，然后对其进行分析处理。 4信号测控部分设计：运用 VC6.0 对采集进来的信号进行处理，建 立数学模型，运用 Matlab6.0 将数字量转化成图形，运用软件对数据结果进行 分析处理，并将结果传输给打印机。 关键词： 制动防抱死系统 检测方法 检测试验台 设计 目 第一章 绪 1.1 1.2 1.3 2.1 录 论.1 汽车检测设备研制的意义.1 检测技术在国内外发展状况.2 现存 ABS 检测手段及本论文主要研究的内容4 汽车制动时受力分析.7 2.1.1 制动力产生7 2.1.2 侧滑摩擦力7 第二章 ABS 对汽车使用性能的影响.7 2.2 2.3 2.4 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 ABS 对汽车行驶稳定性的影响.8 ABS 对汽车制动性能的影响11 ABS 对汽车使用性能其它方面的影响12 汽车制动时运动分析13 汽车道路试验 ABS 工作过程分析.17 ABS 台架测试原理研究.23 ABS 检测试验台模拟检测内容25 ABS 台架测试方法研究.34 第三章 ABS 台架测试原理与方法的研究. .13 第四章 ABS 检测试验台研究、开发与设计.40 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 ABS 检测试验台系统组成40 ABS 检测试验台机械部分研究、 开发与设计.41 检测与控制系统研究、开发与设计49 ABS 检测试验台检测过程研究.58 检测系统抗干扰措施63 第五章 试验验证及数据分析 65 5.1 检测试验台具体组成65 5.2 实车试验条件检验67 5.3 实车试验及数据分析68 第六章 检测系统误差分析.73 6.1 检测试验台机械部分产生的误差分析73 6.2 人为误差分析74 6.3 信号输入及输出产生的误差分析76 第七章 结 致 论78 参考文献.80 谢.83 摘 要I ABSTRACTIV 第一章 绪 论 随着科学技术的不断发展， 越来越多的高新技术被应用于汽车上， 使汽车 的性能迅速得到提高。与此同时，汽车的维修制度在逐渐发生变化，“定期检 测、按需维护”已经成为世界上大多数国家维修体制的基本原则。目前发达国 家基本上不再进行汽车的整车大修。 只是根据检测报告对汽车进行针对性的调 整，维修作业，恢复汽车的技术性能，消除隐患，保证具有良好的使用性能。 为了快速、准确、方便地诊断汽车运行故障和检测汽车的使用性能，必须 大力发展汽车检测技术和诊断设备。 1.1 汽车检测设备研制的意义 在汽车正常使用过程中， 由于摩擦和一些其它因素， 使其技术状况和使用 性能会逐渐变坏。 从而导致汽车的动力性下降、 经济性变差、 安全可靠性降低， 对环境的污染加大，严重影响汽车经济效益和运输效率的发挥。 近些年来，世界上开始研究发展汽车检测技术。汽车检测诊断技术，是在 汽车不解体情况下，综合利用机械、电子、流体和振动、声学、光学等技术， 通过参数、曲线、波形等的变化，测试汽车技术状况和工作能力，以及判断故 障的部位和原因。还可以应用计算机采集数据、自动分析、判断、打印检测结 果，其优点是准确、可靠、迅速，能定量分析，容易操作掌握等。 在汽车工业高速发展的过程中， 随着人们对汽车性能要求的提高， 促使各 种高新技术在汽车上广泛应用，如电子学、光学、超声学、计算机、传感器以 及新材料、新工艺等。现代汽车高安全度，低排放污染和低燃油消耗的要求与 高度成熟的电子技术的结合使汽车技术发展迅猛， 汽车正广泛采用发动机电子 控制系统、防抱死制动系统、自动变速系统、防碰撞系统、导航系统和全球定 位系统等。这些新技术的应用，使汽车结构发生了巨大变化，现代化电子部件 数量与日俱增，有人形容汽车为“架在车轮上的超大型芯片” 。汽车的维修已 从机械修理变成电子诊断和更换部件，新型汽车要用新型设备来检测与维修， 电子部件的检测和维修，只能由电子仪器来完成，单靠传统的眼看、手摸、耳 听和拆拆装装等经验式的方法来确定汽车技术状况和检查判断故障已经难以 适应汽车技术快速发展的需要。因此，汽车检测诊断技术的应用与发展，不仅 要紧跟汽车技术飞速发展的步伐，而且要和汽车技术的总体发展趋势相一致， 才可能获得更好的效果，有效地对汽车实施检测与维修。 应用汽车检测诊断技术，主要指对汽车安全性、可靠性、动力性、经济性 及有关环保参数(噪声、排放)等的检测，进而实现对在用运输车辆进行技术等 级评定及大修、 二级维护后的竣工车辆进行质量监督检测。 汽车检测技术的发 展，初步在我国形成了较为完整的汽车技术状况与维修质量的监督和管理体 系，用现代化的手段，科学、准确、可靠、公正地对车辆技术状况及维修质量 进行检测， 这对提高汽车维修质量和保证车辆技术状况和安全性能， 提高运输 效率、降低运行消耗、减少环境污染等方面有着显著的经济效益和社会效益， 对促进道路运输业的发展起到了积极的推动作用。 1.2 检测技术在国内外发展状况 1.2.1 国外汽车检测诊断技术的发展现状 汽车不解体检测技术产生于 20 世纪的 20 年代， 在这半个多世纪， 特别是 近一二十年间， 世界电子技术的飞速发展大大带动和促进了汽车新技术的发展 步伐。这期间的汽车不解体检测诊断技术随着电子技术、计算机技术、自动化 控制技术、传感技术的发展而不断发展，特别是工业发达国家，已普遍应用高 新技术改进和完善汽车检测诊断设备，各种新型设备不断出现，并向多功能、 小型化、数字化、智能化和综合型的方向发展。国际汽车检测维修设备目前处 于电子化、集成化的发展阶段，并向一体化迈进，电子显示、电子控制等在这 些设备的工作过程中起到了重要的作用， 不同功能的检测设备仪器通过电子基 础实现信息传递， 走向集成化。 如今国外部分汽车检测设备仪器已是机电一体 化、智能化的综合体，产品质量高、工艺性好、使用方便可靠。如日本、美国、 德国、意大利等国家汽车检测诊断设备的种类、检测项目与参数、制造工艺质 量、产品水平均处于世界领先地位，其产品已形成系列化、标准化和规范化。 日本弥荣(株)把汽车制动台、车速台、排放分析仪、噪声计等与四轮定位动态 测定系统组合一起， 不但可以测定汽车四轮定位参数， 还可测定底盘输出功率、 发动机功率、汽车行驶状态模拟、振动及悬挂以及制动和速度等，具有一机多 能的测试功能。美国大熊公司的大熊牌 BEAR-200 型、BEAR-400 型全电脑发 动机诊断检测系统，德国博世公司推出的 FSA6000 型发动机综合检测仪及奥 地利 AVL 公司生产的 AVL-845 型电脑发动机诊断检测仪等，都代表了当代先 进技术水平。 1990 年，随着德国百斯巴特公司应用计算机控制，CCD 测量传感系统和 无线数据传输的新一代彩屏显示的 4 轮定位仪 MT4000 型问世之后， 美国太阳 公司、汉尼公司、大熊公司，以及法国班米纳公司和意大利科基公司等，相继 推出了太阳牌 MAC 和 EEWA101 型、汉泥牌 AMMCO4500 型和 4501 型、大 熊 BEAR 系列， 班米纳牌 8670 型和科基牌 EXACT-6E 型等全电脑 4 轮定位检 测系统。以美国 SNAP-ON 公司为代表的红盒子系列产品，德国马哈底盘测功 机等产品，体现了现代检测诊断仪器的高新技术，是当前世界名牌产品。有些 设备近年来已开始进入中国市场， 填补当前国内设备空白， 对我国汽车检测技 术的应用与发展，起到了积极推动作用。 1.2.2 国内汽车检测诊断技术的应用与发展 近十年来，随着经济的发展与科技的进步，我国公路运输发展迅速，汽车 拥有量与日俱增。与此相适应，社会对保障行车安全、对汽车行驶的经济性、 可靠性、 舒适性的要求不断提高， 同时对汽车能源消耗及环保问题的关注也日 益突出。电子燃油喷射、ABS 制动防抱死装置、电控自动变速器及各种电子 技术在汽车上的应用， 国内汽车技术结构发生了很大的变化， 对汽车检测诊断 设备的需求越来越大，并对其性能、质量、可靠性等提出了更好的要求，促进 了汽车检测设备仪器的应用与发展。目前我国汽车检测诊断设备生产企业约 300 多家，已经能够开发和生产具有一定水平的检测诊断设备仪器，有的产品 已逐步形成了独立的类别和系列，基本上满足了 20 多万家汽车维修企业和 2000 多条汽车检测线的设备需要。但是，由于国内在这个领域里起点低，起 步晚，整体水平比较落后，产品技术含量低，品种不全，不能形成系列产品， 产品质量不稳定，甚至产品外观粗糙等，但是从发展的角度看，我国的汽车检 测设备正在以较快的速度缩小与国际产品水平的差距。 随着汽车不解体检测诊断技术的日臻成熟、检测设备(国产)的日趋完善， 已经可以用检测设备仪器对汽车的安全性(制动、侧滑、转向、前照灯等)、可 靠性(异响、磨损、变形、裂纹等)、动力性(车速、加速能力、底盘输出功率、 发动机功率、扭矩和供给系、点火系状况等)、经济性(燃油消耗)及噪声和废气 排放状况等进行检测诊断，目前除对某些集成，如离合器、机械变速器、主减 速器等的故障诊断还没有方便、 实用的检测设备仪器可利用外， 已经能够对汽 车的整体技术状况、 汽车维修质量、 汽车制造质量等进行检测诊断并综合评价， 已被广泛地应用于汽车制造、汽车使用管理、汽车维修等行业。 汽车检测站是综合利用检测诊断技术的场所，近 10 年来发展很快，据不 完全统计，全国交通运输部门建成并投入运行的汽车综合性能检测站已达 1000 多个，同时公安部门也建成了上千个汽车安全性能检测站，加上部队、 石油、 冶金系统自用的检测站和汽车制造企业、 汽车维修企业等所配置的自用 检测线，在用的检测仪器近 4 万多台(套)，已初步形成了全国性的汽车检测网 络。交通运输部门所建的汽车综合性能检测站，每条站设备仪器配置近 20 台 (套)，功能较全、检测诊断的项目及参数可达 50 多项。 检测设备多采用国内第四代、 第五代产品或进口的先进产品， 检测系统以 较高的起点应用了当计算机网络和自动控制领域中的最新技术， 硬件设计采用 标准通用的工业控制方式，简单合理、科学规范、内容丰富、功能强大，整个 系统自动化程度高，易于扩充，适应性广，可维护性好。系统采用集中与分散 式相结合的网络化工作模式，信号分步采集，数据集中管理，采用标准通用且 性能稳定可靠的计算机替代了单片(板)机，并采用计算机局域网络结构彻底解 决串行通讯方式的传输率低， 可靠性差的问题， 真正实现了所有电信号设备检 测入网的全自动检测。 1.3 现存 ABS 检测手段及本论文主要研究的内容 汽车制动性能是汽车主要性能之一，它关系到汽车的行驶安全性。ABS （Anti-Lock Braking System）制动防抱死系统是防止车轮抱死，减少汽车滑动 和防止车辆侧滑的主要装置。然而，随着车辆的使用以及一些其它因素，都可 能导致汽车制动防抱死系统（ABS）失灵或工作性能下降，给车辆的安全行驶 带来了隐患。 1.3.1 现存的 ABS 检测手段 现存的汽车制动防抱死系统（ABS）的检测手段主要包括自我诊断系统、 仪表检测和实车检测三种手段。 （1）自我诊断系统 自我诊断系统主要由两部分组成：诊断部分和显示部分。诊断部分是控 制器中的监视电路，显示部分是将检测结果报告给驾驶员，一般多用警示灯。 当 ABS 的某一部位发生故障时， 诊断系统的监视电路检测到发生故障的部位， 并且将检测结果 传输到诊断系统的显示部分，显示部分将检测结果以故障码 的形式显示给驾驶员，驾驶员通过随车 ABS 有关故障码资料来确定发生故障 的原因及部位。如通用汽车采用德科 RWAL 的自我诊断系统，当故障码显示 为 4 时，说明电磁阀线路短路。 （2）仪表检测 仪表检测主要是指用仪表测量 ABS 控制器插脚，根据有关故障诊断编码 来确定故障的部位。 如奔驰系统使用的波许系列， 为了检测左传感器工作是否 正常，采用转动车轮，用示波器或数字交流电压表测量 4和 7脚，电压应 在 0.13.0V 之间，否则，车轮左传感器工作不正常。 （3）实车检测 实车检测主要是指实车驾驶同时采用自我检测系统或仪表测量来确定故 障的原因及其部位。如检查减速度传感器需要使车辆以高于 20 公里小时速 度直线行驶， 踏下制动踏板， 观察报警灯闪烁状况来确定其是否工作是否正常。 1.3.2 现有检测手段的不足 根据我国交通部的有关规定，车辆的检测职能部门主要有公安部门和各地 的运输管理部门。 各地区大都建立了自己的检测站， 对车辆的技术状况进行检 测。 汽车制动性能的好坏， 将直接影响到汽车的行驶的安全和动力性能的发挥， 因此， 及时发现和排除制动系统的故障， 保持汽车制动系统的良好状态对确保 汽车安全行驶非常重要。 然而， 现有检测手段至今无法实现对汽车制动防抱死 系统（ABS）性能进行快速准确检测，更无法满足高效率、智能化检测线的需 求。 现有汽车制动防抱死系统（ABS）检测手段对于我们的检测线要求存在着 以下不足： （1）现在的检测部门的检测线趋于网络化、智能化，高效率。而如果采 用现有的检测手段进行检测， 要求业务熟练的专业检测人员手工检测 （如采用 仪表测量，实车驾驶检测） ，并且现有的检测手段，对被检测部分中的每一部 分进行分步检测， 整个检测程序复杂，并且效率极低。因此，现有的检测手 段不能满足现在检测线的需要。 （2）现在检测线检测过程都是由微机控制，其结果准确率较高，而 ABS 现有的检测手段，要求有人的参与完成，势必有人为因素参与其中，其结果准 确率降低。 （3）现有的检测手段有些要求实车驾驶检测，因此要求场地较大，必须 有人员亲自驾驶，需要人员较多，危险性增加，并且测试时间较长，效率低， 检测结果可信度降低，因此，根本无法满足现在的检测线的要求。 1.3.3 本文主要研究的内容 为了能够在台架上对整车汽车制动防抱死系统（ABS）性能进行路面模拟 试验和检测，适应现代检测线的需要，我们提出一种检测 ABS 性能的新方法 并设计了汽车 ABS 检测试验台。 本文主要研究完成了以下内容： 1.汽车制动防抱死系统（ABS）工作过程分析。 2.汽车制动防抱死系统（ABS）检测方法及检测理论研究。 3.汽车制动防抱死系统（ABS）检测试验台机械部分开发与研究。 4.汽车制动防抱死系统（ABS）检测试验台测控部分开发与研究。 第二章 ABS 对汽车使用性能的影响 2.1 汽车制动时受力分析 2.1.1 制动力的产生 对行驶着的汽车施加适当的制动时，汽车就会平稳的停住。这是因为制动 过程中在轮胎和地面之间产生了与行进方向相反的摩擦力， 把这个力称为地面 制动力。 与地面制动力相关的摩擦系数叫做制动附着系数。 制动附着系数的大 小主要与汽车轮胎的表面和行驶路面以及踏板力有关， 轮胎表面越完好， 地面 摩擦系数越大，则制动附着系数越大，地面制动力越大，能在较短距离内使汽 车停下，反之亦然。 在汽车制动的同时，由于运动时汽车车体本身已经具有了一定的运动慣 量，因此，必然产生与各车轮地面制动力的合力大小相等、方向相反、作用在 汽车质心上的惯性力。 当左右地面制动力相等时， 总制动力方向与汽车运动方 向相反，汽车能够沿着行进方向停住；当左右地面制动力不相等时，绕汽车质 心产生一个旋转力矩，此力矩会使汽车制动时跑偏。 2.1.2 侧滑摩擦力 在轮胎与地面的接触的接触面还存在着另外一个摩擦力， 它与地面制动力 方向不同， 作用在车轮横向上， 这个力叫做侧滑摩擦力 （也叫侧向力或转弯力） 。 如同横向风产生的不规则力作用在汽车的侧面一样， 汽车需要克服这些力的影 响， 才能维持正常的行进方向。 汽车转弯时， 转动方向盘使车轮产生一个转角， 相应地产生了侧滑摩擦力， 能克服转弯时离心力的作用， 维持汽车的正常曲线 运动。决定侧滑摩擦力大小的摩擦系数叫做侧向力系数。 我们通常把后轮的侧滑摩擦力叫做侧向力， 把前轮的侧滑摩擦力叫做转弯 力。 侧向力的作用是保持汽车行进方向， 转弯力的作用是根据驾驶员的操作而 改变汽车行进方向。一般来说，在同一路面上侧向力越大，汽车行进的稳定性 越好；转弯力越大操作性越好。反之，侧向力和转弯力很小或消失时，汽车就 无法按照驾驶员的意图正常行驶。 综上所述，汽车在制动过程中除了受纵向制动力，还要受到侧滑摩擦力。 纵向制动力的大小影响制动距离，侧滑摩擦力的大小影响汽车行驶稳定性。 2.2 ABS 对汽车行驶稳定性的影响 首先，我们先引入滑移率的定义。 2.2.1 滑移率的定义 制动时车轮速度减小，在车速和轮速之间产生一个速度差。车速和车轮之 间存在着速度差称为滑移现象。滑移的程度用滑移率表示，即： 滑移率 （车速轮速）车速*100% 从上式可以看出，当车速等于车轮边缘线速度时，滑移率为零。汽车制动 时，两者速度差别越大，滑移率越大，轮速为零，滑移率达到 100。 2.2.2 滑移率与侧滑附着系数关系 侧滑附着系数和滑移率之间存在着密切关系， 通常用图 21 表示其特性。 侧 向 力 系 数 滑移率 100 图 21 开始阶段，当滑移率上升时，侧向力系数开始下降，下降速度相对较慢。 当滑移率继续上升到超过 后，侧向力系数开始急速下降。当滑移率接近 100%时，侧向力系数渐趋于平缓，接近于零。 2.2.3 在无 ABS 或 ABS 失效时汽车制动运动分析 （1）在无 ABS 或 ABS 失效时，踏下制动器踏板，汽车开始制动，制动器 制动力矩不断增大，车轮线速度不断下降，直至被抱死。 a直线行驶时车轮被抱死时运动分析 制动解除 向 行进方向 力 车轮抱死 图 22 图 22 是车轮抱死时的汽车直线行驶时运动情况。滑移率上升，侧向力 系数下降。车轮完全抱死后，侧向力系数基本为零，保持方向稳定性的车轮侧 向力也接近于零。 这种状态很不稳定， 路面不均匀、 左右地面制动力不相等时， 即使对汽车施加很小的偏转力矩，汽车就会产生不规则运动而处于危险状态， 其运动方向发生变化， 偏离原来的行驶路线， 严重时会出现调头的现象。 同时， 如果在汽车旋转过程中将制动释放， 汽车就会沿着瞬时行驶方向急速驶出 （如 图所示） ，这种情况无疑更加危险。 b曲线行驶 图 23 图 24 图 25 当只有前轮抱死时， 由于前轮的转弯力基本为零， 驾驶员无法进行正常的 转向操作， 汽车运动方向沿着行驶道路的切线方向驶出 （具体如图 23 所示） 。 当只有后轮抱死时， 后轮的侧向力接近于零， 汽车不能保持原来的行驶方 向，由于离心力和前轮转向力的作用，汽车将如图 24 所示，一面旋转一面 沿曲线行驶（这种运动叫做外旋转） 。 当车轮全部被抱死时， 转弯力和侧向力基本为零， 汽车完全失去操纵性和 方向稳定性，如图 25 所示，它的运动轨迹兼有前、后轮单独抱死时的两种 运动轨迹，即一面作与驾驶无关的不规则运动，一面沿曲线的切线方向滑行。 2.2.4 ABS 对汽车制动时稳定性的影响 从上面无有 ABS 或 ABS 失效时汽车在直线运动或曲线运动制动时分析， 车 轮在制动器制动力矩不断增加的作用下极易被抱死， 从而使汽车侧滑摩擦力变 小或消失，失去横向稳定性，汽车很容易偏驶甚至调头，运动方向失去控制， 在这种状况下，对人和汽车都是非常危险的。因此，ABS 对车辆行驶的方向稳 定性的影响至关重要。 2.3 ABS 对汽车制动性能的影响 在汽车制动过程中，汽车是利用地面与轮胎之间的摩擦力来减速的。 2.3.1 滑移率与制动力系数的关系 纵向制动附着系数和滑移率之间存在着密切关系，通常用下图表示其特 性。 制 动 力 系 数 最大 滑移率 图 26 从上图可以看出，在非制动状态下，制动力系数等于零，滑移率等于零。 随着滑移率的增加，制动力系数开始迅速上升，地面制动力随之上升，在滑移 率达到 时，制动力系数达到最大，地面制动力达到最大，随后，随着滑移 率的增加，制动力系数开始下降，地面制动力随之下降。 2.3.2 对汽车在无 ABS 或 ABS 失效的情况下制动过程制动力分析 在无有 ABS 或 ABS 失去作用的情况下制动， 在制动器制动力矩作用下， 汽车速度开始下降，车轮的线速度同时下降，并且下降相对较快，滑移率迅速 上升。与此同时，地面制动力随之上升，并且上升速度较快。 增大制动器制动力矩，车轮线速度下降相对于汽车速度下降继续增 大，滑移率继续上升，当滑移率上升到 时，制动力系数达到最大，制动力 随之达到最大，制动性能最好。 继续增大制动器制动力矩，车轮线速度继续下降，但汽车速度下降相 对较慢，滑移率继续上升，制动力系数开始下降，制动力随之下降，直到车轮 被完全抱死。 2.3.3 ABS 对汽车制动力的影响 从上面分析我们可以看出，在无有 ABS 或 ABS 失效的情况下，车轮在制 动器制动力矩逐渐增加的情况下，纵向制动力先增大后减小，因此，我们可以 分析出，ABS 对于控制汽车制动力大小有显著作用。 2.4 ABS 对汽车使用性能其它方面的影响 在无有 ABS 时，车轮制动过程中很容易被抱死。车轮抱死后，由于某一 部分与地面长时间摩擦， 容易造成轮胎杯型磨损， 轮胎表面的磨损也会不均匀， 使轮胎磨损消耗费用增大。经大量研究表明，汽车在紧急制动时，车轮抱死所 造成的轮胎累加磨损费用，已经超过了一套 ABS 的费用。因此，ABS 对汽车的 使用具有一定的经济效益。 另外，ABS 使用比较方便，工作可靠。ABS 的使用与普通的制动器几乎没 有区别。制动时只要把脚踏在制动踏板上，ABS 就会根据情况自动进入工作状 态， 如果遇到雨雪天或者路面较滑， 驾驶员没有必要用一连串的点刹方式进行 刹车，ABS 会自动进入状态。 综上所述， ABS 对提高车辆制动时的方向稳定性， 保持车辆制动时的转向 操纵能力，缩短汽车制动距离，减少轮胎表面磨损，减轻驾驶员疲劳程度起着 非常重要的作用。 第三章 ABS 台架测试原理与测试方法的研究 3.1 汽车道路制动时受力分析 3.1.1 汽车制动时受力分析 （1）汽车制动时受力分析 汽车制动时主要受力如图 31 所示。 v Fj G Fz1 Fxb1 图 31 Fz2 Fxb2 图 31 是汽车在水平路面上制动时受力情况， 其中忽略了汽车滚动阻力 偶矩、空气阻力以及旋转质量减速时产生的惯性力偶矩。图中： Fz1 地面对前轮的法向反作用力； Fz2 地面对后轮的法向反作用力； Fxb1 地面对前轮的制动力； Fxb2地面对后轮的制动力； G 汽车重力； Fj 制动时汽车产生的惯性力。 汽车制动时，根据地面总制动力（Fxb1 Fxb2）的大小作减速运动。制动 时所产生的地面制动力等于车轮载荷 G 与地面附着系数之积。 根据车辆制动时 受力平衡分析，车辆运动时产生的惯性力（Fj）与地面总制动力的大小相等、 方向相反，指向行驶方向并且作用在汽车质心上（如上图所示） 。 制动过程中，汽车的动力学方程： Fz1 Fz2G （31） Fxb1 Fxb2Fj 0（Fz1 Fz2）mdvdt （2）车轮制动时受力分析 （32） （33） 如果前后车轮与地面之间的摩擦系数相同（0） ，则： 下面我们再分析制动时车轮受力情况。 （具体如图 32 所示） W v r Fp T r Fxb Fz 图 32 W 汽车作用在车轮上的重力； Fp 汽车作用在车轮轴上的惯性推力； r 车轮半径； Fz 地面对车轮的法向支持力； Fxp 地面制动摩擦力力； T 制动器制动力矩。 车轮在制动过程中， 外部受力有汽车通过车轮轴作用在车轮中 心车身重力（W） ，方向垂直向下，另外，汽车通过车轮轴作用在 车轮中心的推力（Fp）与汽车前进方向一致，推动汽车继续向前行 ，促使车轮旋转，方 驶；地面作用在车轮边缘的制动摩擦力（Fxb） 向与汽车运动方向相反； 制动器作用在车轮轮毂上的制动力。 因此， 产生了作用在车轮上，控制车轮转动的两个力矩：阻止车轮转动的 制动器制动力矩和地面制动力产生的促使车轮旋转的车轮转矩。 由此可得车轮运动方程： mdv/dt = FpFxp JFxp rT 式中： m 车轮质量； v 汽车速度； Fxp 地面制动摩擦力； Fp 汽车作用在车轮上推力； r 车轮半径； J 车轮转动惯量； 车轮转动角速度； T 制动器制动力矩。 两个力矩的大小决定车轮的两种旋转状态： a.制动力矩大于车轮转矩，车轮速度降低。 b.制动力矩小于车轮转矩，车轮速度升高。 3.1.2 汽车制动时各参数变化 汽车制动后，各参数变化如图 33 所示。 速度 （34） （35） 汽车速度 车轮线速度 时间 滑移率 100 制动压力 滑移率 车轮转矩 制动器制动力矩 0 滑移率 点 0 0 0 车轮减速度 图 33 抱死 对汽车实施制动后，制动压力上升，制动力矩随之增加，车轮速度开始降 低，滑移率和车轮转矩增大。在滑移率达到 之前，车轮转矩同制动力矩是 后,车轮转矩随滑移 同步增长的 （制动力矩比车轮转矩增长的略快） 到达 。 轮速度迅速下降，直至抱死。 3.1.3 汽车制动时运动分析结论 （1）滑移率到达 定旋转。当滑移率超过 之前，能够通过制动力矩即制动压力来控制车轮稳 后，车轮转速对制动力矩很不敏感，不能通过制动 处，则制 率上升而减小，制动力矩继续增大，车轮转矩同制动力矩之差急剧增大，使车 压力来控制车轮的旋转，车轮很容易报死。 （2）通过图 33 可以看出，把制动过程的滑移率控制在 动附着系数可以保持较大，制动距离最短。 （3）滑移率保持 车的稳定性和操纵性。 时，侧向附着系数也可以保持较大值，能够保持汽 3.2 3.2.1 ABS 基本作用 汽车道路试验 ABS 工作过程分析 从上述分析中可以看出，如果将车辆滑移率控制在 过程中，把滑移率控制在 附近，车辆不仅可 以获得较高的纵向制动附着系数， 还可以获得较高的稳定性和操纵性。 但实际 不动，不可能做到，为此，将滑移率控制在 附近，这样同样可以使车辆获得较大的制动力、行驶稳定性以及操纵性。ABS 制动防抱死系实现了上述目的： （1）汽车滑移率刚刚超过时，对车轮迅速而适当的降低制动压力，使制 动力矩略小于车轮转矩，恢复到滑移率以前的运动区域内。 （2）再次把制动压力提高到稍微超出滑移率处，控制在稳定的滑移率点 处，尽可能长时间保持车轮最佳运动状态。 3.2.2 ABS 基本组成及其工作原理 汽车制动防报死系统，简称 ABS( AntiLock Brake System)，是在汽车 制动时， 可以自动调节制动压力大小， 防止车轮抱死， 以获得最佳制动性能 （包 括最佳方向稳定性、正常转向能力和最小制动距离）的装置。 （1） 双参数控制的 ABS 双参数控制的 ABS 直接以车速、轮角速度作为参数，保证滑移率在最佳 范围内， 调整制动器制动力， 防抱性能好。 但是整个系统成本较高， 结构复杂， 因此现在已经较少使用，这里不作研究分析。 （2）单参数控制的 ABS 它是通过控制车轮角速度，间接调整制动时的滑移率，实现制动防抱死 功能。这种形式的 ABS 结构简单，成本较低，目前得到广泛应用。 基本组成 ABS 通常由电子控制模块（电脑） 、执行器和车轮速度传感器等组成。 后轮速度传感器 传感器转子 ABS 执行器 前轮速度传感器 ABS 电子控制模块 传感器转子 盘式制动器分泵 制动灯开关 a）轮速传感器 图 34 典型 ABS 示意图 它是用来检测车轮的旋转速度， 通常为电磁感应式， 有传感头和齿圈组成。 前轮速度传感器的传感头装在转向节上， 后轮速度传感器的传感头装在后轴座 上，齿圈分别装在前轮鼓上和后驱动轴上，与车轮同速旋转。传感头极轴端与 齿圈之间间隙为 1mm。由于电磁感应作用，在传感头感应线圈中，当齿圈随 车轮转动时，会产生相应的脉冲电压（正比关系） ，并且被送到电子控制元件 输入端进行放大和数据处理。 b）电子控制模块 电子控制模块多采用数字式控制，由运算电路、控制电路、信号输入输出 电路、保护电路和稳定检测记忆电路组成。它的任务是储存设定工况及程序， 接收传感器传送来的信号，进行数据处理，比较判别，由其输出端输出指令信 号并予以放大，驱动压力调节器，完成制动调节任务，并且对系统具有故障自 诊断、稳压保护的功能。如果系统失效，则可以通过仪表板上的警示灯的闪烁 来告知司机，并使制动回复到常规的状态。 c）执行器 执行器也就是制动压力调节器，它主要由控制单元电磁阀来完成指令， 减压单元储液室、电泵配合工作。对于四通道制动系统，每个车轮有一个电 磁阀；而对于三通道的制动系统，每个前轮有一个电磁阀，两个后轮有一个电 磁阀。电磁阀有三个液压孔，分别与制动主缸和车轮制动分缸相连，并能实施 压力升高、保持、降低的调压功能。下图是 ABS2s3/3 电磁阀。 图 35 ABS2s3/3 电磁阀 1. 回油路接口 7 .电磁线圈 12 .副弹簧 2 .过滤器 3.无磁支撑环 9 .阀体 4 .卸荷阀 5 .进油阀 6 .支架 8 .检查阀 13.主弹簧 10 .车轮制动器分缸接口 15 .制动主缸接口 11 .承接盘 a .工作间隙 14.凹槽台阶 电磁阀的工作： a）压力升高 在电磁阀不工作时，制动主缸接口和制动分缸接口直通，由于主动弹簧强 度大，使进油阀开启，制动器制动力矩增加。 b）压力保持 当车轮的制动分缸中压力增长到一定值时，进油阀关闭。支架就保持在中 间状态，三个空间互相密封，制动压力保持。 c）压力下降 当电磁阀工作时，支架克服两个弹簧的弹力，打开卸荷阀使制动分缸压力 降低。压力降低，电磁阀就转换到保持状态，或升压的保持状态。 ABS 基本工作原理 a）滑移率与附着系数之间的关系 滑移率同附着系数之间的关系基本如图 36 所示。 附 着 系 数 纵向附着系数 侧向附着系数 滑移率 图 36 100 由图 36 可以看出，为了保证汽车在制动时具有较高的制动性能和较高 的方向稳定性，必须将滑移率控制在 （一般取值为 20）附近，ABS 正 是通过控制滑移率来提高汽车制动时的制动性能和方向稳定性。 b）ABS 的工作过程 汽车在制动时，驾驶员踏下制动踏板，液压缸开始动作，制动蹄开始抱紧 制动鼓，车轮速度下降。车轮速度传感器开始采集车轮线速度信号，并且将其 传输到电子控制模块中， 电子控制模块通过分析输入的数据， 确定车轮的减速 度大小，并且将其与标准的数据进行比较分析确定是否减小或增加制动压力， 并将决定信息传输给液压控制单元来执行。 当车轮减速度小于标准值时，即滑移率小于 ，电子控制模块向液压控 制元件发出指令继续增加制动压力，使制动力矩增大，车轮减速度增大。当车 轮传感器传输的数据经电子控制模块分析得出大于标准值时， 即滑移率大于 时， 电子控制模块向液压控制元件发出减小制动压力的指令， 使制动力矩减 小，车轮减速度减小，车轮不被抱死，使滑移率保持在 这样通过 ABS 反复作用，使滑移率保持在 控制参数的选择 汽车制动时，车辆滑移率是依据 S1（R/v）这个公式计算的，要精 确测量滑移率，必须精确测量车轮转动角速度、有效半径 R 及车辆速度 v。 为此必须要有测量车轮转速和车辆速度的专用设备。 成本和可靠性一直是 ABS 发展的两大障碍，为了降低成本，现代 ABS 均由 车轮转速传感器、控制器和压力调节器组成，而没有车辆速度测试的设备，这 是为了降低成本而不得不采取的措施。 车辆的速度 v 是经过对车轮速度R 的 逻辑处理求得的，它与实际车速有一定差距，所以，在 ABS 术语中一直称其为 参考车速。 当车轮传感器的齿圈随着车轮一同转动时，齿圈边缘扫掠过传感头，使传 感头线圈的电感量、阻抗和品质因数发生改变，其变化量同转速有关。这就将 转速的变化改变成电量的变化， 由控制器的接收电路很容易测得车轮转动角速 度随时间的变化函数，即 f（t） 。对函数求导，即计算出车轮转动角加速 (t), 在控制器中很容易实现。图 38 是f（t）与 f（t） 度 f 的关系图。 附近。 附近，进而使汽车获得较 大的纵向制动附着系数和行驶稳定性以及操纵性。 V R v R 图 37 函数f(t)是由车轮转度传感器精确测得的， 而=f(t)只要对函数 f(t)进行数学上求导处理就可以得到了。由上图可以看出，分析f (t) 是否为零，就可以判断出极值点（即控制点） ，比用滑移率作为控制参数要准 确，所以现在大部分 ABS 多采用 作为控制参数。 车辆制动时，当控制器计算出的 值等于 0（ABS 内部设定值）时，便 向执行器的调压装置发出降压指令， 使制动压力降低。 由于制动系的滞后因素 的影响，虽然压力降低，但是车轮减速度还在增大。在 低于极限值 0 期 间，制动压力一直在减小，在随后压力保持阶段，车轮的角加速度不断增大， 当其达到极限值 0 时，控制器向执行器的调压装置发出增压指令，使制动 压力增加；当车轮角加速度下降到极限值 0 时，ABS 的第二个控制循环开始。 一般 0 值取值范围为 0.71.2g。用车轮角加速度作为控制参数的最 大缺陷是不能适应低附着系数路面的制动控制。 一般的低附着系数路面的峰值 附着系数小，而对应滑移率较大，车轮减速度是比较大的，ABS 调压装置跟不 上控制器的反应速度，车轮就处于抱死状态。 3.2.3 在 ABS 作用下汽车制动时各参数变化 汽车制动时，在 ABS 作用下，各参数变化如下图所示。 速度 车轮速度 汽车速度 时间 滑移率 点 滑移率 ABS 控制制动压力 图 38 （1）当驾驶员踏下制动器踏板，制动器的制动压力开始增加，逐步抱紧 制动鼓，车轮速度开始下降。此时，车轮转动速度下降，滑移率上升，制动器 制动压力迅速上升。同时，车轮转速传感器将车轮转速变化信号不断输入 ABS 的控制器。 （2）当控制器计算出的 值等于系统规定极限值 0 时，便向执行器的 调压装置发出将压指令，使制动压力降低。但由于制动系的滞后因素的影响， 虽然压力降低，但是车轮减速度还在增大，滑移率继续增加。 （3）在 低于极限值 0 期间，制动压力一直在减小。当经过制动系压 力滞后阶段后，车轮转动速度开始上升，滑移率减小。 （3）随后进入压力保持阶段，车轮的角加速度不断增大，滑移率增加。 当其达到极限值 0 时，控制器向执行器的调压装置发出增压指令，使制动 压力增加；当车轮角加速度下降到极限值 0 时，ABS 的第二个控制循环开始。 这样反复作用，使车轮不被抱死，滑移率保持在 驶稳定性。 附近。从而使汽车在 制动过程中一直获得较大纵向制动力和侧向摩擦力， 保持良好的制动性能和行 3.3 ABS 台架测试原理研究 3.3.1 在无有 ABS 或 ABS 失效时车轮线速度变化 在无有 ABS 或 ABS 失去作用情况下，对汽车实施制动，制动压力上升， 制动压力增加。 在滑移率为到达 时， 地面制动力产生的车轮转矩同制动器 制动力矩同步增长， 但制动器制动力矩增长相对较快， 所以汽车减速度基本成 线性上升，车轮线速度缓慢下降。 当滑移率超过 点时，制动器制动力矩继续增加，地面制动附着系数 反而下降， 导致纵向制动力和车轮转矩的下降。 从而造成车轮减速度迅速增加， 车轮的线速度急剧下降，直到被完全抱死。 汽车制动后，各参数变化如图 39 所示。 速度 车轮线速度 时间 0 滑移率f 滑 移 率 100 制动压力 制动器制动力矩 0 0 滑移率 车轮转矩 0 车轮减速度 抱死 图 39 在制动过程中，车轮受到的制动力矩一直在增加，所以，它的线速度变化 曲线成连续下降且无任何波动形状，并且，速度在整个下降过程中，开始阶段 下降相对比较缓慢，随后急速下降，因此，它的曲线化呈现连续、斜率不断增 加的形状。 3.3.2 在 ABS 作用下车轮线速度变化 在 ABS 作用车轮线速度变化如第二节分析。在 ABS 的作用下，车轮线 速度变化基本呈波动状，直到车轮被完全抱死。如图所示。 速度 车轮速度 汽车速度 时间 3.3.3 ABS 检测原理 图 310 通过对汽车在有无 ABS 制动防抱死系统情况下运动时速度变化分析，我 们可以清晰的看出，车轮线速度下降曲线形状明显不同，在无 ABS 制动防抱 死系统的作用时，车轮速度下降较快，无有波动变化形状。而在有在 ABS 制 动防抱死系统的作用时，车轮速度下降相对较慢，并且有波动变化状况。 为此，我们可以通过检测制动时，车轮线速度下降变化曲线形状来确定整 个制动防抱死系统（ABS）工作性能是否正常。 3.4 ABS 检测试验台模拟检测内容 3.4.1 检测 ABS 是否工作 ABS 在汽车运行过程中，由于种种原因，可能出现各种故障，例如：车 轮传感器出现故障，制动压力调节器出现故障、自我诊断系统出现故障等等。 （1）有些车辆 ABS 没有自动检测功能（例如奔驰上安装的波许，宝马 上安装的波许 ucABS） ，系统本身无法检测到 ABS 的工作是否正常，因此， 通过检测试验台对 ABS 系统的是否正常工作进行检测。 （2）有些车辆，虽然具有 ABS 自我诊断系统，但当切断电源或 ABS 自 动终止本身工作，调节器不能恢复到常态，及不给调节器通电，调节器就会不 到保证制动管路畅通无阻、 且泄漏不严重的状态。 其原因可能是调节器的电器 故障或是其机械故障，上述情况，ABS 自我诊断系统不会或不会全部显示， 这就必须通过 ABS