（光学工程专业论文）汽车防抱死制动系统动态模拟试验台的设计研究.pdf

硕士学位论文 摘要 汽车防抱死制动系统动态模拟试验台的设计研究 摘要 f 对防抱死制动系统( a 聆) 的研究主要有两种方法：实车道路试验 和混合模拟试验台试验j 本文结合上海汇众汽车制造有限公司研发项 目“汽车防抱死制动系统实用化技术研究”，进行动态模拟试验台的 设计研究。该试验台能够模拟汽车实车道路制动过程，以达到在试验 台上对防抱死制动系统分析和研究的目的。 本文研究工作分为动态模拟试验台结构设计与测试系统设计两 大部分。在试验台结构设计中，运用汽车系统动力学对装有防抱死制 动系统汽车的制动过程进行分析，提出按理想的前、后轮制动力分配 曲线确定汽车在制动过程中惯性力的理论计算方法，进行了用前后两 对飞轮等效代换汽车惯性力的方案设计；并以此为基础，对由飞轮、 车轮制动鼓及电机三者组成的系统进行设计，完成了驱动电机的选型 及试验台结构布置。 厂 一f 在测试系统设计中，运用测试技术建立了动态制动压力测试系 、 统，包括主泵和各分泵制动压力动态响应检测和车轮转速检测。测试 系统各硬件进行了选型，如工控机、传感器、数据采集板的选型。此 外，本文还对测试系统软件作了部分设计，主要完成了电磁阀特性测 试软件中数据处理部分的编写。 硕士学位论文摘要 本论文的研究成果提供了一个对防抱死制动系统进行实验室研 究的测试平台，可以对电磁阀的特性进行研究与评价，也可以进行防 抱死制动系统的整车匹配实验。软件功能经过扩展后，该试验台还可 以对控制参数的调整进行快速试验及实车道路试验前的参数预估等。 因此，防抱死动态模拟试验台是实车道路试验 缩短研究时间和节省研究经费方面具有重要意 补充，对于 关键词：防抱死制动系统，硬痒￥导，实时仿真，试验台架 堡圭兰垡堡塞 垒曼! ! 坠! 州e s t i g a t i o nt od y n a m i c s 删l a t i o nt e s t e rd e v e l o p m 哐n t f 0 l rv e c l ea n t i l o c kb rak n 呵gs y s t e m a b s t r a c t 、t h e r ea l em a l n l yt w ol d n d so fm e t h o d sf o ri m p l e m e n t a t i o no fa n t i - l o c k b r a k i n gs y s t e m ( a b s ) i na u t o m o b i l e s ：v e h i c l ef i e l dt e s ta n dh a r d w a r e - i n - t h e - l o o p s i m u l a t i o nt e s t w i t l l s u p p o r to ft h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o j e c ta n t i - 1 0 c k b r a k i n gs y s t e mr e a la p p l i c a t i o n , c o n t i o ls t r a t e g ya n df i e l dt e s tf r o ms h a n g h a i h u i 吐o n ga u t o m o b i l em a n u f a c t u r i n gc o m p a n y , a ni d e ao fad y n a m i cs i m u l a t i o n t e s t e rf o rv e h i c l ea b sp e r f o r m a n c ei si n t r o d u c e di nt h ep r e s e n tr e s e a r c h 1 1 圮t e s t e r c a nb eu s e dt oo b t a i nv a r i o u sp i e c e so fi n f o r m a t i o no i lr e l i c l ea b si n s t e a do f e x p e n s i v e f i e l dt e s t s t h ep a p e ri n c l u d e st w op a r t s ：s c h e m a t i c d e s i g n o ft h ea b sd y n a m i c s i m u l a t i o nt e s t e ra n dd e t a i l e dd e s i g no f m e a s u r i n gs y s t e mf o rt h et e s t e e h lt h es t a g eo ft h es c h e m a t i cd e s i g n , b vv e h i c l es y s t e md y n a m i c s ，t h ea n a l y s i s o f t h eb r a k i n gp r o g r e s so f t h ev e h i c l ew i t ha b si sp e r f o r m e d at h e o r e t i c a lm e t h o di s a p p l i e dt od e t e r m i n ei n e r t i a lf o r c e sd u f f n gb r a k i n ga c c o r d i n g t ot h ei d e a la s s i g n m e n t o ft h ef r o n ta n dr e a rb r a k i n gr e t a r d e r s a na l t e r n a t i v ed e s i g ns c h e m eo fu s i n gt w o p a i r so ff l y w h e e l si sp r o p o s e d f o re q u i v a l e n tr e p l a c e m e n to f t h ev e h i c l ei n e r t i a lf o r c e s n e n t h es y r s t e mw h i c hc o n s i s t so ff l y w h e e l s ，v e h i c l ew b e e lb r a k i n gb a r b sa n d e l e c t r o m e t e r si sd e s i g n e da n ds c h e m a t i co u t l i n eo f t h et e s t e ri sw o r k e do u t i nt h es t a g eo fd e t a i l e dd e s i g n , t h ed y n a m i cm e a s u r i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e df o r b r a k i n gp r e s s u r e so fd i f f e r e n tl o c a t i o n so ft h ea b sv e h i c l eb ys e n s o rt e c h n o l o g y , w h i c hi n c l u d e st h ed e t e c t i o n so fc h i e fa n dd i v i s i o n a lw h e e lc y l i n d e r sp r e s s u r ea n d r o t a t i o n a ls p e e d so f t h eb r a k i n gw h e e l s n es e l e c t i o no f t h es y s t e mh a r d w a r es u c ha s i n d u s t f i a lc o n t r o lc o m p u t e r , s e n s o r sa n dd a t ac o l l e c t i n gd e v i c e si sa l s om a d e a d d i t i o n a l l y , t h eo p e r a t i n g s o f t w a r ei s d e s i g n e d f o rb o t hc o n t r o lo ft h et e s t e r o p e r a t i o na n d f o rd a t ap r o c e s s i n g a n a l y s i si nt h e r e s e a r c h i nt h et h e s i sat e s t i n gp l a f f o r mi si n t m d u c 脚f o rl a b o r a t o r yr e s e a r c hp r o j e c t so n a u t o m o b i l ea b s ，o nw h i c ht r a n s i e n tr e s p o i l l so ft h ea b ss o l e n o i dv a l v e sc a nb e t e s t e da n dm a t c h e de x p e r i m e n t a lb r a k i n gp e r f o r m a n c eo f t h ev e h i c l ea n da b s m a y b e s i m u l a t e d a f a re x p a n d i n gf u n c t i o n so ft h es o f t w a r e t h er e a lt i m es i r e u l a t i o nt e s t e r c a nb ea d o p t e dt oq u i c kt e s ta n d a d j u s tc o n t r o lp a r a m e t e r so f t h ea b s a n dp r e d i c ta n d e v a l u a t et h ea b si n i t i a lp a r a m e t e r so ft h ev e h i c l eb e f o r ef i e l dt e s t t h e r e f o r e t h e 硕士学位论文a b s t r a c t a b s d y n a m i c a ls i m u l a t i o nt e s t e ri sab e n e f i c i a lc o m p l i m e n t a r yt ot h ef i e l dt e s ta n d f u r t h e ri so f i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rs a v i n gf i n a n c i a lb u d g e to f t h er e a lm a t c ht e s t s a n d r e d u c i n g t i m e p e r i o d o f t h er e s e a r c hp r o j e c t k e yw o r d s ：a n t i - l o c kb r a k i n g s y s t e m ，h a r d w a r e - i n - t h e - l o o p ，r e a l t i m e s i m u l a t i o n ，b e n c ht e s t e r 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 汽车作为现代社会最重要的代步工具之一，已经成为人们日常工作和生活中 不可缺少的物品。在汽车刚开始出现时，由于数量少、车速低，因此引发的交通 事故也相对较少。随着汽车工业的迅速发展，全球范围内汽车保有量不断增加、 车速也在不断提高以及道路行车密度不断增大，由汽车引发的交通事故也急剧增 加。交通事故不仅造成巨大的经济损失，而且引起难以弥补的人员伤亡。因此， 汽车安全性的研究一直为汽车界的重视，各发达国家都投入巨大的人力和物力， 进行了大量的研究工作，并且取得很多研究成果。a b s ( a n t i l o c kb r a k i n g s y s t e m ) 就是其中一例。 评价汽车的安全性可以从两方面来考虑：一是从防止汽车事故发生所采取的 措施，尽量避免汽车事故的发生，称为汽车的主动安全性；二是从事故发生以后， 为减少因事故带来的损失并且在最大程度上保证乘员的人身安全而采取的措施， 称为汽车的被动安全性。对于载客车辆，汽车盼主动安全性显得尤为重要，特别 是载客众多，行程距离大的客车，一旦发生事故，后果很严重。 汽车主动安全性中的一个重要研究内容就是车辆的制动性能，车辆制动性能 的好坏很大程度上决定了事故是否会发生。最初，制动系统设计是出于保证最大 制动力的角度考虑，在车辆制动过程中保持制动力矩不变，因此很难适应各种不 同路面，在制动时容易使车辆跑偏、侧滑和抱死。后来，又出现了比例阀、电磁 感应阀等制动力调节装置。但这种调节是小范围内的开环调节，其响应频率还不 能满足现代汽车对安全性的要求。 a b s 是在车辆制动过程中防止车轮抱死打滑的一种机、电、液控制装置。a b s 可以明显提高制动过程中的操纵稳定性并同时缩短制动距离，大大提高了行驶安 全性，是主动安全性技术的典型代表【”。 德国汉诺威交通事故研究组对1 8 2 例交通事故的分析报告【2 】，说明了使用a b s 后可避免一些事故或减轻事故的严重程度。据统计，使用a b s 后对车辆本身以及 其他卷入事故的人员和材料的事故后果避免和减轻的情况如下： l 完全避免7 1 的事故； 硕士学位论文 第一章绪论 2 减轻商用车1 3 9 的材料损失； 3 减轻商用车驾驶员1 7 4 的人员伤害； 4 减少其他卷入事故1 0 8 的材料损失； 5 减少其他卷入事故人员1 1 1 的伤害。 由上可知，a b s 对于汽车的安全性是非常重要的。 正是因为a b s 的重要性，很多国家都投入了大量的人力和物力对其进行研 究。但是由于a b s 本身的技术难度，世界上能够独立生产a b s 的公司仅有以下 几家国外公司：德国的波许( b o s c h ) 、戴维斯( t e v e s ) 、伟布柯( w a b c o ) 、美国的 本迪科斯( b e n d i x ) 、德尔科( d e l c o ) 以及英国的卢卡斯格林( l u c a s g i r l i n g ) 公司 等。这些公司只提供a b s 的总成产品，对a b s 模型设计参数等核心技术一直处于 保密范畴，无公开文献可查。随着我国今年加入w t o ，国内企业将面临非常严峻 的挑战，尤其是与国外差距较大的汽车零部件企业，更有强烈的危机感。因此。 自主开发研究a b s 的产品技术是非常必要的，并且可以带来两方面的好处： 首先，可以证明企业有自主开发的能力，以迫使供应商降价，以此减轻加入w t o 的压力；其次，作为技术储备，可以深入了解a b s 的工作原理、关键技术和试验 标准，既可以确定一套自有的、严格的验收标准，以监督配套产品的质曩，又可 以为将来的产品开发打好基础。 上海汇众汽车制造有限公司作为中国最大的汽车零部件生产厂家之一，已经 认识到只有掌握先进技术，才能在全球化的竞争中处于有利地位。而a b s 系统是 典型的高附加值产品，如果掌握其技术，可以大大增强上海汇众汽车制造有限公 司在汽车零部件供应行业的竞争力。鉴于以上原因，由上海汇众汽车制造有限公 司的研发中心( r d c ) 提出立项：“汽车防抱死告4 动系统实用化技术研究”，并作 为r d c 部门的重点攻关项目。整个项目由作者所在单位承担完成，本文作者参与 了此项目，主要内容是a b s 静态试验台的设计和a b s 控制逻辑的开发。本文也 是来源于这个项目，主要内容是在a b s 静态试验台基础上进行动态模拟试验台 的设计。 1 2 研究现状 对于防抱死制动系统的研究方法主要分为实车道路试验和台架混合仿真试 验两种。 实车道路试验是a b s 性能评价和控制逻辑验证的最直接方式，所以成为a b s 产品开发、研究的主要应用手段。a b s 实车道路试验包括以下内容： 硕士学位论文第一章绪论 1 均匀路面直线行驶制动试验：为了检验汽车直线行驶紧急制动时的制动 距离，粗略评价其附着利用率，分为一般道路和冬季结冰路面试验； 2 附着系数阶跃路面制动试验：汽车行驶时会从高附着路面到低附着路面 或相反进行，把这种急剧变化的路面叫做附着系数阶越路面制动试验， 在这种路面上进行紧急制动试验，可以验证a b s 的适应性能； 3 在分离路面上制动试验：在左右附着系数不同的路面上进行制动试验， 评价其方向稳定性： 4 躲避障碍物试验：试验车辆以一定的速度通过标竿，到达某点时紧急制 动，并且以一定的角度转向以躲避标竿，测定躲避距离； 5 曲线制动试验：曲线制动试验可在各种路面上进行，汽车以一定直径的 圆周行驶时进行制动。测定汽车的侧滑量、停车时的偏转角、偏转角速 度、方向盘转角，然后进行评价； 6 强化制动试验；在搓板路面( 例如间距0 7 一1 0 米，凸起高度1 0 - - - - 3 0 m m ) 上行驶时，考察传感器安装部位的强度、耐久性和可靠性。 尽管实车道路试验是进行a b s 开发和性能评价的有效方法，但随着计算机技 术和软件技术的迅猛发展，台架混合仿真试验也得到了很大的发展。 计算机仿真技术是研究汽车动力学性能的重要方法和手段。它与常规的试验 分析方法相比，不仅具有分析速度快、开发周期短等优点，而且还能解决一般常 规方法不能解决的问题，如危险工况下的试验。同时它为新产品的研制、老产品 的更新换代提供了性能的快速预估手段。 计算机仿真技术在a b s 的开发研究中占有熏要地位。在防拖死制动过程的计 算机仿真过程中，可以随意地改变车辆系统、运行条件及控制逻辑的参数设置， 并且仿真过程本身可无风险地重复进行。 在仿真研究方面，实时仿真方式逐渐得到广泛应用。例如，在实时仿真中可 采用“硬件嵌入式混合仿真”( t i a r d w a r e - i n - t h e - l o o p ) 的方式建立混合仿真试 验台，以构成具有a b s 系统开发、调试、检测及性能综合评价的试验平台。 在上海汇众汽车制造有限公司的研发中心( r d c ) 提出的“汽车防抱死制动 系统实用化技术研究”这一项目中，作者所在单位和上海汇众汽车制造公司已经 合作完成了a b s 静态试验台的设计，这种试验台也是“硬件嵌入式混合仿真”技 术的一部分。 但是由于静态试验台上的车轮没有运动，无法使a b s 的控制逻辑在试验台 上真正起作用，因此有必要进行改进设计，即对a b s 动态模拟试验台进行设计 研究。 硕士学位论文第一章绪论 1 3 本文研究内容 本文研究的主要内容为a b s 动态模拟试验台结构设计研究与测试系统的设 计研究两个部分。 a b s 动态试验台的结构设计分为两个部分：试验台方案设计研究和主参数的 确定及硬件的选型。试验台方案的设计研究内容是：运用汽车系统动力学对带防 抱死制动系统的汽车制动过程进行分析，确定了要正确模拟汽车制动过程惯性力 所需的台架上各转动部分的转动惯量，提出了用前后两对飞轮来补偿车轮在试验 台上架空转动时的惯性力的方案。主参数的确定及硬件选型研究内容；以方案设 计为基础，对由飞轮、车轮及电机三者组成的系统进行设计，完成了三者结构布 置及电机的选型。然后又进行了试验台其他部件的设计与选型，并最终完成试验 台的结构设计。 测试系统的设计研究包括：完成了测试系统硬件的选型与改制，并对软件部 分作了一些设计，主要参与编写了数据采集与处理软件。 1 4 研究意义 虽然实车试验是进行a b s 开发和性能评价的有效方法，但是，这一研究手段 在实际应用中受到了一定的限制，这是因为实车试验存在以下主要问题： 1 由于制动工况的复杂多变性，决定了在路面实车试验必须针对各种不同 工况分别进行试验，这包括不同的路面条件、不同的车辆载荷及不同的 行驶条件等，使得试验周期较长。尤其是所需专用试验场地，造价非常 昂贵，使得进行全面的试验评价的成本很高； 2 实车试验中，影响试验效果的因素较多并难以把握，所以试验参数的可 控性及一致性差，这导致试验结果的重复性不好，不利于a b s 动力学特 性的细致研究【3 】； 3 某些极限工况的危险性大，考虑到试车人员的安全，很难在a b s 实车道 路试验中实旖【4 ”。 计算机仿真技术已经成为研究a b s 的重要手段，但是完全用计算机对a b s 进 行仿真研究还不可能完全做到，这是因为： 1 a b s 系统是一个与汽车系统、液压调节系统、传感器系统、外界路面条 件等因素都紧密相关的本质非线性系统，系统的动态特性复杂多变。 4 硕士学位论文 第一章绪论 2 对a b s 的控制性能有重要影响的许多环境参数还具有不确定性。 3 a b s 动力学系统中，轮胎作为制动系统与车身的连接部分，是一个比较 特殊的环节，它既可以当作系统的控制对象，也可以作为系统执行机构 予以考虑。轮胎是a b s 控制回路最为不稳定的环节，路况与车辆运动状 态的变化使得轮胎的受力情况多变而且难以预测。在实际制动过程中， 制动力的建立存在瞬态效应，即制动力建立要滞后于对应的滑移率的建 立，同时由于轮胎具有很强的非线性特性，制动过程中轮胎制动力变化 也是非常复杂的过程。所以，要建立较为准确的轮胎动态模型是非常困 难的。 因此，混合仿真试验台的开发研究是很有意义的。a b s 静态试验台与动态试验台 都属于混合仿真试验台。 a b s 静态试验台由于本身不产生车轮的转动，而a b s 制动系统是采用车轮的 角加速度角减速度作为控制参数，因此静态试验台无法真正对a b s 控制逻辑进 行研究。 综上所述，a b s 动态模拟试验台可以作为以上研究方法的一个补充，可以为 a d s 控制系统开发提供平台，动态试验台的设计有以下重要意义： i 可以对控制参数的调整进行快速试验； 2 可以进行整车匹配实验及实车道路试验前的参数预估； 3 与静态试验台相比。可以使试验台上的车轮产生转动，为a b s 控制系统 提供控制参数，可以用来部分代替实车道路试验中的均匀路面直线行驶 制动试验； 4 与实车道路试验相比，动态试验台可以节约大量的时闻及费用。 硕士学位论文 第二章a b s 控制系统原理及静态试验台介绍 第二章a b s 控制系统原理及静态试验台介绍 2 1 汽车制动性能的主要评价指标 对汽车的制动性能有多方面的要求，因而有多方面的评价指标，一般常提到 以下三个方面： 1 制动效能 制动效能主要指制动距离与制动减速度，通常实用中多指制动距离。制动距 离是指驾驶员开始踩制动踏板到汽车完全停车所行驶的距离。制动距离越短，越 有利于避免交通事故的发生，它是制动性能最基本的评价指标。 2 。制动时汽车的方向稳定性 制动时汽车的方向稳定性，一般是指制动过程中维持汽车直线行驶和按预定 弯道行驶的能力。如果汽车制动时发生侧滑、甩尾、严重时出现调头，都不可能 维持原行驶方向，会使汽车失去方向稳定性；如果汽车在弯道行驶中制动时，汽 车不再按原来弯道行驶，出现冲入其它车道或冲出路面，或者即使是直线行驶， 也无法避开障碍物，操纵转向盘也不起作用，即汽车失去转向控制能力( 转向操 纵性) 。汽车制动过程中，失去方向稳定性和失去转向控制能力，都是造成交通 事故的重要原因。 3 制动效能的恒定性 制动效能的恒定性，主要指抗热衰退性能。抗热衰退性能是指汽车在繁重工 作条件下制动时( 如下长坡时长时间连续制动) ，制动器温度升高后，其制动效 能的保持程度。它是设计制动器及选材中必须认真考虑的一个重要问题。 以上三项指标中，前两项指标采用a b s 装置后，其性能都会有明显的改善和 提高，对避免交通事故的发生能起到很好的作用，因此a b s 是汽车上十分重要的 主动安全装置。 2 2 防抱死制动系统的原理 2 2l 汽车制动时的受力分析 图2 1 所示为在良好硬路面上汽车制动时车轮的受力情况，图中各字母意义为： 6 硕士学位论文第二章a b s 控制系统原理及静态试验台介绍 乱，一一 l h u 、i f 夕r j 圉2 1 制动时车轮受力 f i g 2 lf o r c e s a c i n 9 0 1 1 a w h e e l o f v e h i c l e d u r m g b r a k i n g ：制动器的摩擦力矩； x b ：地面制动力： w ：车轮垂直载荷； t ：车辆对车轮的推力； z ：地面对车轮的径向反作用力g r ：车轮半径； 1 l r ：附着系数。 地面制动力是使汽车制动而减速行驶的外力，它取决于车轮制动器产生的制 动力和车轮与地面之间的摩擦力，即附着力。当车轮制动未抱死之前，地面制动 力就等于制动器的制动力；当车轮抱死时，地面制动力就等于地面附着力，而不 再随制动力的增加而增加，即地面制动力达到最大，其值为地面对车轮的径向反 作用力与地面附着系数的乘积 2 2 2 滑移率 根据理论和试验的研究表明，在汽车制动过程中，车轮与地面之间的附着情 况是有很大变化的。该过程与汽车速度和车轮速度之间的速度差有密切的关系。 我们将汽车速度和车轮速度之间的速度差的情况称为滑移现象，其程度即为滑移 率【6 】。滑移率的定义如下： s ： ( v r o ( ) ) v 1 0 0 ( 2 - 1 ) 式中，v 为汽车速度，r od 为车轮速度，r o 为车轮滚动半径，为车轮角速度。 可以考虑以下三种情况： 1 当车轮纯滚动时，v = r 。c o ，s = o ； 2 当车轮纯滑动时，c o = o ，s = 1 0 0 ； 3 当车轮边滚边滑时，0 s 1 0 0 。 7 硕士学位论文第二章a b s 控制系统原理及静态试验台介绍 显然，滑移率说明了车轮运动过程中滑动成分所占比例的大小。滑移率越大，滑 动成分就越多，反之亦然。 滑移率的大小对制动性能的影响非常大。图2 - 2 是滑移率s 和纵向制动力系 数、侧向力系数仍之间的关系曲线。其中，纵向制动力系数为制动力与垂直 载荷之比，制动力系数越大，制动距离就越短。侧向力系数为侧向力与垂直载荷 之比，侧向力系数越大，轮胎保持转向、防止侧滑的能力就越强。 由图2 - 2 可以看出，当滑移率从0 到2 0 左右时，纵向制动力系数逐渐增大， 舞l o 8 o 7 0 6 o 5 0 4 o ，3 0 2 o 1 1 02 0 3 04 05 0 6 0 7 08 09 0 滑移率s 图2 2 滑移率s 和纵向制动力系数钆、侧向力系数仍关东曲线聊 f i g2 - 2 c u r v e so f t i r es l i p - l o n g i t u d h m lb r a k ec o e f f i c i e n ta n dt i r es l i p - l a t e r a lb r a k ec o e f f i c i e n t 然后随蕾滑移率的增加而减小，但幅度不很大。 对纵向制动力系数而言，则随着滑移率的增加而急剧下降，当滑移率为1 0 0 时，即车轮处于抱死状态，几乎为零。 从上面的分析可得出的结论是： 1 汽车制动时，如果车轮完全抱死，不但纵向制动力系数下降，更为严重 的是侧向力系数几乎为0 ，使汽车失去转向和抵抗侧向力的能力，造成汽车制动 时失去转向操纵性和制动稳定性，同时使汽车的制动距离增加，易造成严重的交 通事故。 硕士学位论文第二章a b s 控制系统原理及静态试验台介绍 2 当滑移率在2 0 附近时，车轮与地面即有较好的纵向附着系数，又有一 定的侧向附着系数，使汽车具有转向操作能力和制动稳定性，还可缩短制动距离。 这正是我们所需的。汽车防抱死制动系统就是要保证汽车制动时车轮的运动状态 处于该滑移率附近。 2 2 3 制动时1 i 茸、后轮分g q 抱死的分析 v 图2 3 前轮抱死与侧滑的关系 f i g 2 - 3s i d e s l i ps t a b i l i t yo f v e h i c l e w i t hl o c k e df r o n tw h e e l sw h i l e b r a k i n g v 图2 4 后轮抱死与侧滑的关系 f i g 2 - 4 s i d e s l i ps t a b 脚o f v e h i c l e w i t hl o c k e dl e a rw h e e l sw h i l e b r a k i n g 1 制动时，前轮抱死的情况 图2 - 3 为制动时前轮抱死的情况。从图2 3 的分析可看出，制动时发生前 轮抱死时，汽车发生偏转产生的离心力与诱使偏转的侧向力的方向相反，能使汽 车趋于稳定状态。 2 制动时，后轮抱死的情况 制动时，后轮抱死的情况如图2 4 所示。从图2 - 4 的分析可看出，制动时发 生后轮抱死时，汽车发生偏转产生的离心力与诱使偏转的侧向力的方向相同，加 剧了汽车的偏转，使汽车失去控制1 6 ，”】。 因此，只有在汽车上安装防抱死制动系统才能保证紧急制动时车轮的不抱 死。它能对制动过程进行监测，当发现车轮被抱死时，根据制动操作特性马上作 出反应，松开车轮，使车辆处于最佳的制动力状态进行制动。 9 硕士学位论文第二章a b s 控制系统原理及静态试验台介绍 2 3防抱死制动系统的控制技术 2 3 1 防抱死制动系统组成 防抱死制动系统组成3 1 如图2 - 5 所示，图中部件名称为 1 液压单元； 2 主液压缸( 制动总泵) ； 3 车轮液压缸( 车轮制动分泵) ； 4 电子控制单元； 5 车轮转速传感器。 图2 5 防抱死制动系统组成m f i g 2 - 5c o n f i g u r a t i o no f a b s f o rv o h i c l e s 防抱死制动控制系统中各参数变量的含义： 1 控制对象：车轮制动器、车轮及路面一轮胎的附着情况 2 干扰信号：路面条件、制动器状况及轮胎状况； 3 控制器：车轮转速传感器和a b s 控制单元； 4 受控变量：车轮转速、车轮圆周方向角加速度、角减速度及制动滑移： 5 参考变量：驾驶员施加于制动踏板的力； 6 控制变量：制动压力。 通过车轮转速传感器的来的车轮转速信号监测制动时各车轮的运动状态， ( e c u ) 电子控制单元处理后，控制执行元件( 电磁阀等) 对各车轮制动分泵内 的制动压力进行调节，以达到制动时车轮的不抱死。 1 0 硕士学位论文第二章a b s 控制系统原理及静态试验台介绍 2 3 2 车轮角加速度，角减速度 从前面的分析可看出，如果我们直接以滑移率作为控制参数来进行控制制动 时车轮的运动状态处于滑移率2 0 左右，就能很好的完成控制任务。但是，处 理难度很大，难以实现。一般采用车轮的车轮角加速度和角减速度t 8 , 9 , ”1 作为主要 的控制参数，另外以滑移率作为辅助控制参数来进行共同控制。 试验表明：制动过程中，车轮抱死总出现在d6 0 d r 相当大的时刻。因此预 选一个车轮角减速度一a ，此值被称为“角减速度门限值”。此值必须比地面附着 系数1 l r 所对应的汽车减速度大一点。在实际制动过程中，当实测的车轮角减速度 值超过此门限值时，控制单元( e c u ) 认为车轮将要处于抱死状态，即滑移率接 近为1 0 0 ，于是马上发出指令，控制液压单元( h c u ) ，开始控制减小制动压力， 使车轮得以加速旋转，脱离抱死状态。 除了预选一个车轮角减速度值一a 外，再预设一个角加速度门限值+ a ，当 实测的车轮角加速度达到此门限值时，控制单元( e c u ) 认为车轮旋转的太快， 制动效果不佳了，即滑移率小于2 0 ，控制单元( e c u ) 发出指令，控制液压单 元( h c u ) ，开始控制增加制动压力，使车轮作减速运动。这样，制动压力就反复 变化，实现了车轮的不抱死制动状态。 除了以车轮角加速度和角减速度作为门限值外，控制系统采用滑移率作为辅 助门限值。如果只采用车轮角加速度和角减速度作为门限值，在制动开始和高速 紧急制动的情况下，存在着很大的局限性，即可能使防抱控制逻辑在后继的控制 中失效；对于非驱动轮( 后轮) 也可能产生过早抱死，而使防抱控制逻辑失效。 图2 - 6 为这种控制的车轮速度变化曲线。图2 - 7 为以车轮角加速度和角减速度为 控制参数的速度变化曲线。 v 图2 6 车轮速度变化曲线【。】 f i g ，2 - 6c u r v e so f a n g u l a rv e l o c i t y f o rv e h i c l ew h e e l s 旬 心 ：鼻遗麈 【 f ， 、 ， 、 盎轮羹度 一5 k 、 、_ ， 飞 电 1 r 奄 、 t 图2 7 以车轮角加速度和角减速度 为控制方式的速度曲线8 1 f i g2 - 7r e s p o n s e so f a n g u l a rv e l o c i t yf o rv e h i c l e w h e e l s b ya n g u l a r a c c e l e r a t i o n d e c e l e r a t i o n c o n t r o l s 硕士学位论文第二章a b s 控制系统原理及静态试验台介绍 图2 - 6 与图2 7 中各符号意义为： v f ：汽车速度： v r ：车轮速度； p r ：制动器压力； - a 车轮角减速度门限值； + a ：车轮角加速度门限值； s 。：车轮速度最佳上限值； s 2 ：车轮速度最佳上限值。 2 3 3 液压控制单元 液压控制单元【9 l o 】主要有电磁阀、液压泵和储能器等组成。 电磁阀是用来切断和接通制动管路的。共有8 个电磁阀，其中4 个进油阀 和4 个出油阀。电磁阀有两个状态：接通和断开。 进油阀是常通阀，即不通电时它处于接通状态，制动液压油可通过，一旦 通电它就马上关闭，将制动液压油切断。而出油阀与进油阀相反，它是常闭阀， 即不通电时它处于闭合状态，切断制动液压油，当通电时它就打开，制动液压 油可通过。电磁阀是控制制动压力的重要部件，其性能的好坏直接影响到防抱死 制动系统的好坏。 液压泵是用来保证防抱死系统的可靠正常工作。当电磁阀通电时，液压泵 就进入工作状态。 图2 8 开始制动阶段 制动压力、车身速度变化曲线 f i g 2 8d y n a m i cr e s p o n s e so f a b sp r e s s u r e a n dv e h i c l ev e l o c i t yi nt h ei n i t i a lb r a k i n g 图2 9 压力保持阶段 制动压力、车身速度变化曲线 f i g 2 9d y i l a m i cr e s p o n s e so f a b sp r e s s u r e a n dv e h i c l ev e l o c i t yi nt h ep r e s s u r e h o l d i n gs t a g e 硕士学位论文第二章a b s 控制系统原理及静态试验台介绍 2 3 4 防抱死制动系统的工作过程 一般来说防抱死制动系统有四个工作过程：开始制动过程、压力保持过程、压 力降低过程和压力增加过程。 1 开始制动过程 当开始制动时，驾驶员踩动制动踏板，制动压力是由制动总泵产生的。此时， 电予控制单元对电磁阀不供电，电磁阀处于原始状态，即进油阀打开，出油阀关 闭，制动液压油通过进油阀进入车轮分泵。此时，制动压力是由驾驶员控制的， 制动压力逐渐上升，车轮转速不断减小，一直到中央控制单元( e c u ) 检测到车轮 有抱死的趋势为止，这时液压泵不需工作。制动压力、车身速度变化曲线如图 2 8 所示。 2 压力保持过程 当车轮出现抱死趋势时，为了避免制动压力的继续增高，e c u 首先控制 进油阀通电关闭，切断制动总泵到车轮分泵的制动管路，使制动压力不再增加， 将制动压力保持一段时间。这时车轮转速进一步降低，但降低程度下降。此时， 出油阀仍不工作，处于不带电的关闭状态。并且，液压泵也不需工作。压力保持 过程制动压力、车身速度变化曲线如图2 - 9 所示。 图2 1 0 压力降低阶段 制动压力、车身速度变化曲线 f i s 2 - 1 0d y n a m i cr e s p o n s e so fa b sp r e s s u r ea n d v e h i c l ev e l o c i t yi nt h e p r e s s u r ed e c r e a s i n gs t a g e 3 压力降低过程 i 一压力 厂- 、 ，阶瑚 。 f ， 图2 1 l 压力增加阶段 制动压力、车身速度变化曲线 f i g 2 一l1 功，i l 蛐i cr e s p o n s e so f a b sp r e s s u r ea n d v e h i c l ev e l o c i t yi nt h ep r e s s u r ei n c r e a s i n g s t a g e 在压力保持过程即使制动压力保持不变，车轮的转速还在继续降低，仍 然存在抱死的趋向，这时仍需进一步降低制动压力，使车轮转速有所提高。为此 硕士学位论文第二章a b s 控制系统原理及静态试验台介绍 e c u 控制出油阀通电使其打开，与此同时，由出油阀排出的制动液迅速排进低 压储液罐，使车轮分泵内的制动压力迅速下降，有抱死趋向的车轮被释放，转速 得到提高。这时，进油阀仍然处于通电关闭状态。在出油阀打开的时候，e c u 控制液压泵通电工作，将制动液由低压储液罐抽到制动总泵，可防止a b s 系统 工作时制动踏板行程发生变化，但会使制动踏板稍微向上抬起。压力降低过程中 制动压力、车身速度变化曲线见2 - l o 所示。 4 压力增加过程 在压力降低过程中，车轮分泵内的制动压力得到了控制，使车轮转速又增加 了，但车轮转速过高的话，制动效果就不是最佳，因此此时还需要再对车轮分泵 增加制动压力，使车轮转速又有所下降。这时e c u 控制进油阀不带电使其打开， 出油阀也不带电使其关闭。液压泵带电继续工作，将低压储液罐中的剩余制动液 送入车轮制动回路中去。另外，制动总泵中的一部分制动液通过进油阀再次进入 车轮分泵，增加了制动压力。随着制动力的再次增加，车轮又被制动，转速继续 减小。使车轮处于最佳的运动状态和制动效果。与压力降低过程的踏板稍微上抬 相反，由于制动总泵中的一部分制动液进入分泵，制动踏板会稍微下降，这两种 情况被称为踏板反应。压力增加过程制动压力、车身速度变化曲线如图2 1 l 。 上述四个工作过程完成a b s 系统一个工作循环，在1 秒钟内可进行2 到 6 次循环。 2 4a b s 静态试验台简介 a b s 静态试验台( 如图2 1 2 所示) ，该设备由作者所在单位设计制造，现用 于上海汇众汽车制造有限公司。因为本文是在静态试验台基础上的设计，因此需 对静态试验台作简单介绍： 1 a b s 静态试验台专用于轿车和微型客车防抱死制动系统的实验室参数测试与 试验。 2 本试验台具有如下特点： ( 1 ) 通用性，可适用于中小型轿车类和微型客车类多种车型的防抱死制动系统 的实验室参数测试与试验： ( 2 ) 可按实际被试车辆制动系统及前、后桥l ：1 布置测试与试验； ( 3 ) 被试车辆的防抱死制动系统及前、后桥安装、联接、调整、固定操作方便； ( 4 ) 测试过程自动化，信息与数据计算机处理，测试参数准确可靠 ( 5 ) 测试与试验软件使用简便，具有良好的人机界面。 1 4 硕士学位论文第二章a b s 控制系统原理及静态试验台介绍 3 汽车防抱死制动系统静态试验台由底架、操作台和控制柜三部分组成。钢结 构底架用于安放被测车辆的制动系统及前、后桥，真空( 助力) 泵，并支撑固定 操作台：琴式操作台位于底架上的中部，设有工业控制计算机显示屏、计算机键 盘、操作按钮及信号灯等，操作台下固定被测车辆制动踏板和制动助力缸总成， 操作台前设有操作人员坐椅，操作台背后装有冷却风扇；整个操作台和底架( 包 括其上的制动系统及前、后桥) 模拟实际车辆1 ：l 布置；独立的控制柜内装有 工业控制计算机主机、动态应变仪等测试仪器，控制柜通过导线与底架和操作台 相联。 4 为适应不同型号车辆的测试与试验，操作台的位鬣可在底架上水平面内作一 定量的调整；被测车辆前、后桥随其夹具( 支座) 的位置也可在底架上水平面内 作一定量的调整；被测车辆制动系统的管路布置于底架与操作台之间的空间。 5 本试验台的测试系统由踏板力传感器，a b s 液压制动系统压力传感器，信号 调理及放大仪器( a d 接口电路等) ，数据处理及存储、显示工业控制计算机组 成：可测试a b s 系统关键元件的工作特性，测试内容包括： ( 1 ) a b s 电磁阀动作时间响应特性； ( 2 ) 踏板作用时间、作用力与制动油缸压力的时间响应关系； ( 3 ) 回油马达开启，关闭时间、制动系统油压的时间响应等； 6 a b s 特性参数等各测试值可在计算机上实时显示并处理。 7 试验台测试仪器、计算机和真空( 助力) 泵采用交流2 2 0 v 电源供电：压力 传感器采用直流供电( 经稳压电源交直流转换) 。 图2 1 2 防抱死制动系统静态液压调节器性能试验台 f i g 2 1 2a n t i