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青岛科技人学研究生学位论文 机动车半坡起步辅助系统的研究 摘要 针对目前手动档机动车半坡起步经常出现的溜车现象，设计一种适用于手动 档机动车的半坡起步辅助系统( h i l l s t a r tc o n t r o la s s i s ts y s t e m 简称h a s ) 。该系统 是一个机电一体化系统，系统基于汽车原有的防抱死制动系统上开发设计，在原 有制动系统上增加力传感器、倾角传感器和起步电磁阀，并更换能检测低速及车 轮转向的轮速传感器。对于驾驶员来说操作简单，只需要按一下按钮就可以实现 对机动车的坡道辅助起步。本文研究的半坡起步辅助系统能够提高车辆行驶的安 全性和驾驶的舒适性。 半坡起步辅助系统的关键技术就是系统根据制动部件的支承反力的大小和 方向的变化情况自动控制驻车制动力。系统首先通过力传感器得到初始值，然后 根据力学平衡方程，确定汽车驻车时系统所需要施加的制动力以及汽车解除制动 力时的支承反力临界值。用力传感器检测汽车制动部件的支承反力变化也是本论 文的技术创新点。 论文中阐述了起步辅助系统的组成及工作原理，根据系统对制动器结构的要 求，通过比较选择合适的制动器作为汽车的后轮制动器，并对制动器受力分析， 建立正确的力学模型；考虑到我国对驻车坡度范围的规定，对起步辅助系统施加 的驻车制动力进行计算分析，并证明系统实施驻车的安全可行性；对系统硬件和 软件设计；利用m a t l a b s i m u l i n k 建立汽车仿真模型并进行仿真，通过仿真结 果，找出系统解除制动力的临界点。最后总结全文工作，对将来的改进方向进行 了分析说明。 起步辅助系统可以彻底解决手动档机动车坡道起步时的后溜现象，有效地防 止溜车产生的隐患，且不影响平地起步。所以说，半坡起步辅助系统的开发具有 极其重要的意义。 关键词：半坡起步防抱死制动系统电子控制单元m a t l a b s i m u li n k 临界点 机动车、r 坡起步辅助系统的研究 r e s e a r c ho ft h eh i l l s t a r tc o n t r o l a s s i s t s y s t e mo nm o t o rv e h i c l e s a b s t r a c t f o rt h ep h e n o m e n o nt h a tt h em a n u a lm o t o rv e h i d e so f t e ns l i pb a c k w a r dw h e n s t a r t i n go nt h eu p h i l l ，ah i l l s t a r tc o n t r o la s s i s ts y s t e m ( h a s ) o nm a n u a lm o t o r v e h i d e si s d e s i g n e di nt h i sp a p e r t h eh a si s a l le l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，i ti s d e v e l o p e da n dd e s i g n e do nt h eb a s i so ft h ea l r e a d ye x i s t i n ga u t o m o b i l ea n t i l o c k b r a k i n gs y s t e m s ( a b s ) ，t h ef o r c es e n s o r , i n c l i n a t i o ns e n s o ra n dh i l l s t a r ts o l e n o i d v a l v ea r ea d d e di n t oo r i g i n a lb r a k es y s t e m ，a n dan e w s p e e ds e n s o rf o rm e a s u r i n g l o ws p e e da n dd i r e c t i o no fr o t a t i o ni su s e d i ti sv e r ye a s yf o rd r i v e r st oo p e r a t e v e h i c l e s ，h i l l - s t a r ta s s i s tf o rm a n u a lm o t o rv e h i c l e sw i l lb ea c h i e v e dt h r o u g ho n l y p r e s s i n gab u t t o n h a sc a ni m p r o v es a f e t ya n dc o m f o r to fd r i v i n g t h ek e yt e c h n o l o g yo fh a si st h a th a sc a na u t o m a t i c a l l yc o n t r o lp a r k i n g b r a k i n gf o r c ea c c o r d i n gt oc h a n g e so fs i z ea n dd i r e c t i o no fs u p p o r t i n gc o u n t e r f o r c e f r o mb r a k i n gp a r t s h a sf i r s to b t a i n si n i t i a lv a l u et h r o u g ht h ef o r c es e n s o r , a n dt h e n a c c o r d i n gt om e c h a n i c a lb a l a n c ee q u a t i o ng e t so f f t h es i z eo fn e e d e db r a k i n gf o r c e w h i c hm a k e sa u t o m o b i l ep a r ko nt h eu p h i l la n ds u p p o r t i n gc o u n t e r f o r c ec r i t i c a l v a l u ew h e nt h ea u t o m o b i l en e e dr e m o v eb r a k i n gf o r c e u s i n gf o r c es e n s o rf o r d e t e c t i n gc h a n g e so fs u p p o r t i n gc o u n t e r f o r c ei st h et e c h n i c a li n n o v a t i o np o i n ti nt h e p a p e l t h ec o m p o s i t i o na n do p e r a t i o np r i n c i p l eo fh a si s e x p l a i n e di nt h ep a p e r , a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n to fh a sf o rb r a k es t r u c t u r e ，t h es u i t a b l eb r a k ei sc h o s e na s t h er e a rw h e e lb r a k eo fa u t o m o b i l e t h r o u g hr e l a t i v e l yc o m p a r i n g ，m e c h a n i c a l e q u i l i b r i u me q u a t i o ni ss e tu p b yf o r c ea n a l y s i so ft h eb r a k e ；c o n s i d e r i n gr e g u l a t i o n f o rp a r k i n gs l o p er a n g ei no u r c o u n t r y , s e c u r i t ya n df e a s i b i l i t yo fp a r k i n ga b o u th a s i sd e m o n s t r a t e dt h r o u g ha n a l y z i n ga n d c a l c u l a t i n gp a r k i n gb r a k i n gf o r c ei m p o s e db y h a s ：t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fh a sa r ed e s i g n e d ；a u t o m o b i l es i m u l a t i o n m o d e l sa r ce s t a b l i s h e da n ds i m u l a t e d ，t h ec r i t i c a lp o i n ti sf o u n dt h r o u g hs i m u l a t i o n r e s u l t ss ot h a th a sc a nt i m e l yr e m o v ep a r k i n gb r a k i n g f o r c ea tc r i t i c a lp o i n t f i n a l l y , m i sp a p e rs u m m a r i z e sa l lw o r ka n de x t r a c t s s o m ec o n s t r u c t i v ea d v 妣sf o rt h e f u r t h e ri m p r o v e m e n t h a sc a i lc o m p l e t e l ys o l v et h ep h e n o m e n o nt h a tm a n u a lm o t o r v e h i c l e so f t e n s l i pb a c k w a r dw h i l es t a r t i n go nt h eu p h i l l ，e f f e c t i v e l yp r e v e n t sh i d d e nd a n g e r f r o m s l i p p i n g ，a i l dh a sn oa n yi n f l u e n c e o ns t a r t i n g 。nf i a tg r o u n d s 。, t h ed e v e l o p m e n t 。f h a si sv e r yg r e a ts i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：h i l l s t a r ta n t i 1 0 c kb r a k i n gs y s t e m se l e c t r o n i cc o n t r o l u n i t m a t l a b s i m u l i n kc r i t i c a lp o i n t h i 青岛科技人学研究生学位论文 1 绪论 1 1 课题产生的背景、研究的意义 随着社会经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，汽车作为重要的陆路 交通工具，在社会生活中扮演越来越重要的角色。在我国，汽车作为生活消费品 已经开始进入家庭，汽车的社会拥有量将会有很大的增长。2 0 0 0 年，全国的汽车 保有量已达到1 8 0 0 - 1 9 5 0 万辆左右，2 0 0 6 年为4 2 5 0 - 4 5 0 0 万辆左右，预测到 2 0 1 0 年为5 3 5 0 5 7 0 0 万辆左右，到时中国将很有可能成为全球仅次于美国和日 本的第三大汽车市场。拥有私家车已成为当今中国家庭进入时尚、现代生活的标 志之一。 在同常驾驶过程中，驾驶员有时需要在立交桥或者斜坡上发动汽车。汽车从 驻车状态转入行驶状态，称之为半坡起步。手动档机动车在坡道向上起步时，需 要将离合器踏板踩至离合器行程的中间某个位置( 俗称半联动状态) ，半联动状 态需要根据汽车的承载载荷及斜坡的坡度大小来调整控制，也就是说，使离合器 踏板处于中间什么位置是需要根据具体情况来凋整的。对于熟练的手动档机动车 驾驶员来说，他们根据经验可以较好地控制半联动状态，使机动车在斜坡上平稳 起步。但对于不熟练的手动档驾驶员来说，半坡起步则是一项较难掌握的操作技 术，而且机动车处于半联动状态时，会加剧燃油的无功消耗和摩擦衬片的损耗。 如果半联动技术掌握的不好，在汽车半坡起步时就很容易造成汽车熄火溜车，有 可能导致与后面的车辆发生碰撞事故。 自动挡机动车没有需要人工操作的离合器，是靠液力变矩器实现变速及传递 动力，半坡起步时也不用人工调整半联动状态，车载电子控制单元( e c u ) 来完 成调整动作。但是，液力变矩器在原理上多了一个流体能量交换的环节，其效率 比手动挡机动车的效率自然要低，也就加重了油料的消耗。 本课题研究的目的就是针对手动档机动车半坡起步时出现的溜车现象，开发 一种结构简单、易操作、半坡起步不溜车、制动性能好的半坡起步辅助系统。 本课题是汽车电子技术在汽车制动上的应用，利用此技术手动档机动车在半 坡起步过程能实现一定的自动化，而且操作比较简单，可以彻底解决手动档机动 车半坡起步时的溜车现象，有效防止了溜车产生的隐患，且对平地行驶、操作无 任何影响。尤其是在山地较多的地方，此起步辅助系统可大大减缓驾驶员对半坡 起步的恐惧感，并可延长离合器摩擦片的使用寿命而且能够节约燃油。 机动乍半坡起步辅助系统的研究 本课题研究设计的机动车半坡起步辅助系统，只在机动车原有制动防抱死系 统中增加设置了力传感器及倾角传感器，电子控制单元可以和机动车原有制动防 抱死系统中的公用，由于电子控制单元在设计时本身有预留的引脚端口，可在配 置时将新增加的信号输入点和输出点连接在预留的引脚端口上，因此，不需要另 外增加设计针对该起步辅助系统的电子控制单元。由此可见，机动车配备本课题 研究设计的半坡起步辅助系统后，成本不会增加很多。因此，本课题的研究成果 付诸于汽车制造业，将带来可观的经济效益，对我国机动车行业有巨大的促进作 用和重大现实意义，具有良好的应用和发展前景。 1 2 汽车电子制动技术的简介 汽车电子是指应用于汽车之上的有利于增加汽车驾驶安全性、减少燃料消 耗、减少废气排放以及增加驾乘舒适性和便捷性的电子装置。汽车电子技术是汽 车技术与电子技术相结合的产物，汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一 次革命。在现代汽车上电子技术的应用越来越广泛，汽车已经由单纯的机械产品 发展为高级的机电一体化产品。在7 0 年代后，随着汽车安全方面的法规、排气 污染与噪声控制法规、燃油经济性等一系列同益严格的法规出台，强制性地推动 了电子技术在汽车上的广泛应用，汽车电子作为支撑现代汽车工程的集成技术之 一，在解决以上问题中占有不可替代的重要地位。特别是微机在汽车上的应用， 给汽车工业带来了划时代的变革。据统计，从1 9 8 9 年至2 0 0 0 年，平均每辆车上 电子装置在整个汽车制造成本中的比例由1 6 增至2 3 以上。在一些豪华轿车 上，使用微型计算机的数量已经达到4 8 个以上，电子产品占整车的5 0 以上， 目前电子技术的应用几乎已经深入汽车所有的系统【1 1 。 社会的需求、法规的强制推动和技术的进步，是使汽车上采用电子技术并蓬 勃发展的根本原因。许多机械控制系统被电子控制系统所取代，使汽车电子化的 程度越来越高，并形成了三个阶段。 第一阶段从6 0 年代中期到7 0 年代末期，主要从技术革新着眼，应用电子装 置改善机械部分的性能，这些革新往往是局部的、不很关键的，只是考虑到汽车 各部件完成相对独立的自动控制功能，而在汽车总体设计中不予以考虑。例如采 用硅整流发电机、发动机晶体管无触点点火、电子控制燃油喷射、电子钟等。 第二阶段从7 0 年代木期到9 0 年代中期，汽车电子技术的雏形开始形成。主 要特点是在汽车大部分乃至总体的设计和生产中，重视“机电一体化”的思想与 技术，应用电子装置解决机械部件无法解决的复杂自动控制问题。在这一阶段， 大规模集成电路和4 位、8 位微处理器被广泛应用，从而减少了电子系统的体积， 增加了可靠性。这一时期产生了许多汽车综合电子控制系统，包括发动机电子管 2 青岛科技大学研究生学位论文 理系统、动力传动总成控制系统、防抱死制动系统、电子控制空气悬架、电子控 制转向系统、电子仪表群和复杂的娱乐系统等。 第三阶段从9 0 年代中后期，汽车电子技术进入其发展的第三个阶段，超微 型磁体、超高效电机及集成电路的微型化，为集中控制汽车提供了基础，同时智 能化集成传感器和智能执行机构也付诸使用，预计到2 0 1 0 年汽车电子作为工程 技术己经成熟，将积累形成汽车电子技术群，并导致“汽车电子学这门集机电 一体化、多学科综合的新兴科学的诞生。 以上这些阶段对汽车工业的发展最有价值、最有贡献的阶段，也将是优化人 一汽车一环境的整体关系最为重要的阶段。目前汽车电子技术已经发展到第四 代，包括电子技术微机技术、优化控制技术、传感器技术、网络技术、机电一体 化等技术的综合系统，并且已经从科研阶段进入了商品生产的实用阶段【2 1 。 自从汽车问世以来，制动系统在车辆行车和驻车的安全方面扮演着至关重要 的角色。近年来，随着车辆技术的进步和汽车行驶速度的提高，这种重要性表现 得越来越明显。众多的汽车工程师在改进汽车制动性能的研究中倾注了大量的心 血。经过一百多年的发展，汽车制动系统的结构已经基本固定下来随着电子技术， 特别是大规模、超大规模集成电路的发展，汽车制动系统的形式也将发生变化。 汽车电子控制系统包括硬件和软件两部分，硬件有e c u ( 电子控制单元、及其接v 1 、 执行机构、传感器等；软件则存储在e c u 中，支配电子控制系统完成实时测控 功能，包括各种数据采集、计算处理、系统监控与自诊断等。围绕单片机设计组 织的e c u 是整个电子控制系统的核心，使用了从普通电路到大规模集成电路等 各种器件，随着汽车电子化程度的进一步提高和微电子技术的迅速发展，e c u 的 控制功能也在不断增强，并逐渐由单一控制向集中控制方向发展f 3 】o 目前已广泛采用的汽车电子制动技术主要有防抱死制动系统( a b s ) 、驱动防 滑系统( a s r ) 、车辆稳定电控系统( e s p ) 、电子制动力分配装置( e b d ) 、电子控 制刹车辅助系统( e b a ) 等【4 】。 1 3 防抱死制动系统的介绍 本论文设计的半坡起步辅助系统是在原有汽车防抱死制动系统( a n t i 1 0 c k b r a k i n gs y s t e m ，简记a b s ) 的基础上开发的，只是在原有a b s 的硬件基础上多 增加了几个传感器以及控制电磁阀而已。因此在研究本课题之前，需要对汽车防 抱死制动系统有一个深刻的认识。 汽车防抱死制动系统是在传统制动系统的基础上采用电子控制技术的一种 机电液( 气) 一体化装置，它在汽车制动过程中可自动调节车轮制动力，防止车 轮抱死以取得最佳制动效果，即在制动过程中，时时发挥出最大制动力( ，即始终保 机动印? 卜坡起步辅助系统的研究 持在附着系数峰值点附近工作) 。a b s 可以保证汽车在各种行驶条件下制动时均 能充分利用轮胎与路面问的纵向和侧向附着力，提高汽车抗侧滑的能力，减小轮 胎磨损，改善汽车的操纵性和方向稳定性，缩短制动距离，有效提高行车安全性 【5 l o 1 3 1a b s 的发展 汽车a b s 的研究开发，始于1 9 3 2 年第一个英囤防滑专利u k 3 8 2 2 4 1 ，1 9 3 6 年德国r o b e r tb o s c h 公司将电磁式传感器用于测量车轮速度并申请专利，这是 a b s 形成中一个重要的里程碑。1 9 5 4 年美国f o r d 公司首次在林肯牌轿车上试装 法国航空公司的a b s 装置，虽然以失败而告终，但揭开了汽车应用a b s 的序幕。 6 0 年代a b s 开始应用电磁式车轮速度传感器，但简单的机械式控制部分并不能 适应车辆参数和工况的变化，经常出现防抱死功能失效，所以a b s 发展陷于进退 两难的境地。7 0 年代初期随着大规模集成电路的发展和应用，依赖于硬件逻辑电 路的a b s 控制器应运而生，但a b s 本身复杂的控制逻辑又制约其体积减小和可 靠性的增加。1 9 7 8 年b o s c h 公司与b e n z 公司合作研制出带有数字式微处理器控 制器的三通道四轮a b s ，并批量装配于奔驰轿车上，这是a b s 开发中一个突破 性的发展，奠定了a b s 发展的基本模式。8 0 年代中后期，随着a b s 在技术上的 进一步发展与成熟，许多汽车零部件公司纷纷开始生产a b s 产品，a b s 也进入 了快速推广应用阶段，其装车率均以直线速度增长，截止2 0 0 0 年北美己达9 0 ， 西欧、日本和澳大利亚为5 0 ，汽车工业的后起之秀韩国和巴西也已分别达到4 0 和3 0 。各个著名a b s 公司如：b o s c h ，肿t e e s ，k e l s e yh a y e s ，d e l p h i d e l c o ， a l l i e ds i n a i ，b e n d i x ，l u c a s ，w a b c o ，k n o r r 等都在为争夺和保持己经占有的市 场份额而竞争，各个汽车公司亦同样把a b s 系统作为汽车的促销手段【6 l 。 1 3 。2a b s 的组成【。冲】 防抱死制动系统a b s 是由电子控制系统和液压控制系统两个子系统组成。 电子控制系统由轮速传感器、控制开关、防抱死制动电子控制单元( a b se c u ) 、 a b s 指示灯以及制动压力调节器等构成。制动压力调节器既是电子控制系统的执 行元件，也是液压控制系统的始控元件。 液压控制系统由常规制动装置和制动压力调节器组成。常规制动装置主要由 制动总泵、制动助力器、制动分泵、制动管路和制动器等组成。制动压力调节器 主要由电磁阀、单向阀和回液泵电动机等组成。 各型a b s 尽管结构形式不尽相同，但都是在常规制动装置的基础上增设传感 器、a b se c u 、制动压力调节器和a b s 指示灯等构成。 4 青岛科技人学研究生学位论文 1 电子控制单元【1 0 】1 1 1 1 电子控制单元( e c u ) 是整个防抱死制动系统的核心控制部件，它接受车轮速 度传感器送来的速度信号，通过计算与逻辑判断产生相应的控制电信号，控制电 磁阀去调节制动压力。当车轮滑移率不在控制范围之内时，控制器就输出一个控 制信号，使电磁阀打开或关闭，从而调节轮缸压力，使轮速上升或下降，将汽车 车轮滑移率控制在一定范围内，实现汽车的安全、可靠制动。 电子控制单元主要有输入电路、微处理器( c p u ) 、只读存储器( r o m ) 、随机存 储器( r a m ) 和输出电路等组成。电子控制单元的作用是在制动过程中通过对四个 车轮轮速传感器输入的信号进行运算处理，对四个车轮的运动状态进行监测，并 根据设定的控制逻辑对压力调节装置的三个三位三通电磁阀和一个电动回液泵 进行控制，另外。电子控制单元还对防抱死系统的工作状态进行检测，当判定系 统存在故障时，将防抱死系统自动关闭退出控制过程，使制动系统恢复为常规的 制动系统，并将a b s 警告灯点亮，向驾驶员发出警告信号。 2 轮速传感器 车轮速度( 即车轮绕轮轴旋转的线速度) 传感器( 简称轮速传感器) 信号可供 发动机控制模块、防抱死制动系统( a b s ) 控制模块及仪表控制模块共享，使车辆 在制动过程中，防抱死制动控制模块和发动机控制模块联合控制，达到最佳制动 效能。 轮速传感器根据结构不同分为电磁式、磁阻式和霍尔式三种。由于电磁式传 感器工作稳定可靠，几乎不受温度、灰尘等环境因素的影响。所以目前汽车中使 用的轮速传感器广泛采用电磁式轮速传感器。 3 电磁阀 电磁阀是防抱死制动系统的执行部件，当电子控制单元输出控制信号时，电 磁阀动作，对轮缸压力进行调节以使制动力在接近峰值制动力区域内波动，实现 汽车制动效果最佳；当无控制信号输出时，电磁阀不动作，相当于常规制动系统， 直接输出最大制动压力。 1 3 3a b s 的分类【1 2 l 1 按制动系统结构分类 a b s 按制动系统结构分类分为整体式和分离式。 整体式：液压制动总缸和液压调节器安装成一个整体，并安装有黑色的蓄压 器，如福特和通用的别克、凯迪拉克车型中都有安装。 分离式：液压制动总缸和液压调节器独立安装，没有黑色的蓄压器，目前车 辆上分离式a b s 较为多见。 5 机动乍、卜坡起步辅助系统的研究 2 按控制通道分类 a b s 系统按控制通道数目可分为四通道、三通道、二通道和一通道系统。三 通道、四通道a b s 属国家标准规定的第一类防抱死制动系统，主要安装在轿车、 中高档客车上。 目前，小轿车普遍采用了三通道防抱死制动系统a b s ，即对两个f j 轮进行独 立控制，对两个后轮按低选原则进行一同控制。三通道a b s 系统对两个后轮按低 选原则进行一同控制时，可以保证汽车在各种条件下左右两后轮的制动力相等， 即便两侧车轮的附着力相差较大，两个车轮的制动力都限制在附着力较小的水 平，使两后轮的制动力始终保持平衡，保证汽车在各种条件下制动时都具有良好 的方向稳定性。在两后轮按低选原则进行一同控制时，可使附着系数大的一侧后 轮的附着力不能充分利用，汽车的总制动力有所减小。但在紧急制动时，由于发 生轴荷前移，在汽车的总制动力中，后轮的制动力所占的比例较小，使前轮的附 着力比后轮的附着力大得多，通常后轮制动力只占总制动力的3 0 左右，因此， 后轮附着力未能充分利用对汽车的总制动力影响不大。 对两前轮进行独立控制，主要考虑小轿车，特别是前轮驱动的轿车，前轮制 动力在汽车总制动中所占的比例较大( 可达7 0 左右) ，可以充分利用两前轮的附 着力，一方面使汽车获得尽可能大的总制动力，以缩短制动距离；另一方面可使 制动中两前轮始终保持较大的横向附着力，使汽车保持良好的转向控制能力。尽 管两前轮独立控制可能导致两f j i 轮制动力不平衡，但是两前轮制动力不平衡对汽 车行驶的方向稳定性影响相对较小，并可通过驾驶员操纵转向盘进行修正。正因 如此，三通道a b s 系统在小轿车上被普遍采用。 3 按系统压力分类 a b s 系统按照系统压力分类分为高压系统型和低压系统型。 高压系统型：一般是整体式系统，有黑色球状蓄压器，由油泵提供高压油给 蓄压器，系统压力很高，拆装油管或放气等操作要注意，操作不当会造成意外伤 害，所以在拆装油管、放气等操作时要注意泄压。 低压系统型：一般分离式系统为低压系统，油压不靠油泵，利用踩制动踏板 来产生油压，低压系统油泵只起回油作用。 1 4 机动车半坡起步辅助系统的研究现状 目前，针对机动车半坡起步时出现的后溜现象所开发研究的辅助装置在国内 外已经出现了很多种，有针对手动档机动车也有针对自动档机动车的半坡起步辅 助装置。国内针对机动车半坡起步所申请的专利也有很多，如郭志强的发明专利 “机动车防后溜安全半坡起步装置”，其发明专利是利用棘轮、顶杆装置或者制 6 青岛科技大学研究生学位论文 动杆与齿轮装置来控制机动车传动轴只能沿着一个方向转动的原理从而实现了 防后溜功能。孙智的发明“机动车斜坡起步自动配合的方法和装置”，是一种机 动车斜坡起步自动配合的方法和装置，该发明是采用离合器控制在现有机动车的 刹车油泵或气泵和轮胎之间的制动闸，并安装一个止回阀和一个电磁阀；刹车时 止回阀开启，电磁阀关闭使油或气不能回流至制动总泵，油压( 气压) 使制动闸紧 紧贴在机动车轮圈，机动车不能移动；当起动时电磁阀开启，油或气回流至制动 总泵，制动闸自动松开。还有在手刹制动装置基础上开发的防后溜辅助装置等等。 国内目前典型的半坡起步辅助系统主要通过控制位于制动主缸和车轮轮缸 之间的隔离阀通断实现坡道起步辅助功能。当车辆在坡道起步时，驾驶员踩下制 动踏板隔离阀通电，关闭轮缸至主缸方向的油路，保持轮缸压力，从而给驾驶员 足够的时间换档和踩下油门踏板，当离合器结合到一定程度时，其传递的扭矩刚 好能克服起步阻力时隔离阀断电，迅速解除制动，实现平稳起步。图卜1 为这种 典型半坡起步辅助系统的系统框图【”】，为了有效地制动，当由车轮缸的压力来施 加驻车的时候，起动h a s 阀，可以保持车轮缸内的压力，即使脚离丌制动器踏 板，也可以保持车辆短时间停止。电子控制单元( e c u ) ，根据离合器油压开关、 中立安全开关、车速传感器、停车灯开关、停车制动器开关等的信号，使h a s 控制阀动作。这种h a s 必须基于电控机械式自动变速器( 蝴t ) 技术，需要驾 驶员触发和对起步阻力进行准确辨识，因而限制了其应用范围。 图1 1 典型h a s 框图 f i g 1 1t y p i c a lh a s b l o c kd i a g r a m 而采用微电子技术的半坡起步辅助系统装置已在国外一些著名汽车生产厂 7 机动乍半坡起步辅助系统的研究 家的大型客车、货车及轿车上得到了较好的应用。2 0 0 3 年，同本丰田汽车公司利 用其装备在越野车上的主动牵引力控制系统开发出一种主动h a s 装置。当汽车 在坡道起步出现意外溜坡时，h a s 可以借助牵引力控制系统中的制动干预功能自 动对车轮施加制动，并实时监测每个车轮的状态，对发生抱死的车轮减压，避免 因车轮连续的抱死而影响正常起步。其关键技术是对车辆后溜的判断，丰田公司 发明了一种能同时采集车速和旋转方向的轮速传感器，可准确测出0 1 k m h 的轮 速【1 4 1 。 近期，北京理工大学在利用扭矩传感器进行a b s a s r 集成系统研究中发 现，s d l 9 0 3 6 0 扭矩传感器可以准确识别低速时的车轮滚动方向和坡道起步阻力， 结合他们课题组研制的可独立进行4 个车轮制动干预调节的a b s a s r 集成液压系 统，开发出一种新型主动h a s ，利用扭矩传感器测量值可以反映出地面切向力的 大小，能够准确测算出车辆的起步阻力，测量值的极性能够反映出车轮的滚动方 向，从而实现了机动车坡道平稳起步，而且不影响平地起步。 1 5 论文研究的主要内容 本课题的主要研究内容是利用传感与测量技术、电子控制技术、单片机技术、 电机传动控制技术、液压传动技术，研制出一套易于操作、稳定性比较好的半坡 起步辅助装置。本课题所研究的手动档机动车半坡起步防溜制动器系统，是在机 动车原有的防抱死制动系统a b s 皋础上开发的，在机动车原有a b s 硬件基础上增 设了力传感器及倾角传感器，汽车电子控制单元可以和机动车原有的抱死制动系 细s 中的电子控制单元公用，只是在配置时新增加几个输入点和几个输出点即 可。 本课题研究的主要内容包括以下几点： 1 ) 根据制动器的结构类型确定选用合适的制动器作为实施方案，分析研究机 动车半坡起步时，起步阻力与驱动力对所选制动器底座作用力的变化规律，综合 考虑载荷、制动器的尺寸参数及摩擦系数等因素，建立实用的力学模型。 2 ) 对半坡起步辅助系统实施的坡道驻车制动可行性进行分析。确定制动器 的制动力矩计算公式，以某车型为例，根据国家规定的驻车制动的设计要求，利 用此车的已知各项参数，为了系统设计的安全性，计算验证辅助系统能否提供该 车在坡道上驻车所需的制动力，从而确定辅助系统研究的可行性。 3 ) 系统的硬件选择及硬件电路设计。通过起步辅助系统对力传感器的工况量 程的要求，为系统选择合适的测力传感器，并确定测力传感器的量程，根据国家 8 青岛科技大学研究生学位论文 对机动车驻车坡度的要求以及电磁阀控制的要求，对倾角传感器、电磁阀硬件进 行选用，由于系统对轮速测量精度及旋转方向的判断都有要求，选用新型轮速传 感器代替原有轮速传感器，并在此基础对所选硬件进行电路的初步设计。 4 ) 系统的软件设计。设计实现电子控制单元对数字信号、模拟信号、开关量 信号的采集以及对电磁阀的通断控制，通过软件设计实现对汽车在坡道上的辅助 起步。 5 ) 仿真设计。利用m a t l a b 中的s i m u l i n k 进行模拟仿真，利用建立的力学模型， 在s i m u l i n k 中建立仿真模型，仿真机动车在驱动力变化时制动器作用力及其它参数 的变化规律，找出机动车坡道起步临界点。 1 6 本章小结 本章作为整篇论文的绪论，首先对所选课题的背景及其课题研究的理论价值 和实际意义进行了探讨；接着对汽车电子技术发展作了介绍，由于本课题研究的 机动车半坡起步辅助系统是在原有机动车的防抱死制动系统上开发的，因此对汽 车制动防抱死制动系统的硬件组成及分类做了详细的介绍；最后对本论文将要研 究的主要内容进行了初期规划和初步分析。 9 机动印半坡起步辅助系统的研究 2 基于a b s 系统的半坡起步原理 2 1 半坡起步辅助系统的组成 本课题研究设计的机动车是在机动车原有防抱死制动系统的基础上开发设 计的，系统设置一个两位两通电磁阀作为半坡起步阀，增设了倾角传感器和力传 感器。半坡起步辅助系统结构原理如图2 1 所示，整个系统可分为四个部分：( 1 ) 制动系的执行机构，包括制动蹄1 0 、制动鼓8 、制动轮缸7 ，其作用是执行刹车 动作，对于图中选择鼓式制动器作为系统的制动执行机构的理由本论文将在第三 章详细说明；( 2 ) 液压驱动机构，包括液压泵4 、电动机1 5 和液压管路6 ，其作 用是为执行机构提供动力源；( 3 ) 电子控制单元( e c u ) 1 4 ，其作用是对传感器 采集的信息进行处理，并对液压泵的电动机1 5 和半坡起步阀3 发出控制信号；( 4 ) 传感器部分，包括倾角传感器1 4 、力传感器1 2 和轮速传感器1 1 ，其作用是通过 检测机动车所在坡度大小、制动蹄所受力的大小以及车速为半坡辅助系统中的电 子控制单元提供辅助起步信息。 8 7 6 5 4 32 1 图2 1h a s 的结构原理示意图 f i g 2 - 1t h es t r u c t u r ep r i n c i p l es k e t c hd i a g r a mo fh a s 1 踏板2 制动主缸3 半坡起步阀4 液压泵5 电磁阀6 液压管路7 制动轮缸 8 制动鼓9 复位弹簧1 0 制动蹄1 1 轮速传感器1 2 力传感器 13 倾角传感器1 4 一电子控制单元15 电动机 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 2 2 半坡起步辅助系统的工作原理 半坡起步辅助系统的工作原理是通过测力传感器检测支承销对制动蹄的支 承反力的两分力大小，系统根据力传感器测得的初始力值以及其它尺寸参数值， 计算出驻车制动力的大小以及临界点时支承分力值。 半坡起步按钮被按下后，随着驾驶员的起步操作，起步辅助系统首先进行信 号检测，倾角传感器1 3 、轮速传感器1 1 和测力传感器1 2 随系统的启动立即进入 工作状态，系统根据倾角传感器1 3 、轮速传感器1 1 的测量信号判断机动车是否 需要辅助起步，当系统判断机动车需要辅助起步后，将力传感器1 2 测得的力初 始值送入电子控制单元1 4 ，电子控制单元根据力初始值和其它参数( 如制动鼓半 径、摩擦系数等) 计算出阻止车子沿斜坡下滑所需要的驻车制动力，以及在临界 点时( 即机动车驱动力等于阻力时) 对应的支承反力的分力值( 图2 - 1 所示) ； 电子控制单元对信号进行运算处理后对机动车施加驻车制动力，通过向液压泵的 电动机1 5 发出运转控制指令，电动机带动液压泵工作，制动轮缸7 增压，增压 到一定程度后制动力达到e c u 已计算的阻止机动车下滑的制动力，这时e c u 发 出信号停止增压并保持这个压力，以便使制动力保持不变。制动蹄1 0 受到制动 力p 的作用与制动鼓8 压紧，制动蹄能产生阻止制动鼓8 相对运动的静摩擦力， 此静摩擦力能产生足够阻止机动车沿着斜坡下滑的静摩擦制动力矩，这样系统完 成了对机动车坡道驻车动作的操作。系统施加制动力并且保持制动力的大小不变 都是在完全放开手动刹车之前完成的；经过系统的增压及保压操作后，机动车即 使在手刹制动解除后也可以平稳地停在坡道上，这时驾驶员解除手动刹车，随着 驾驶员对离合器踏板的操作机动车驱动力不断增加，这时支承反力的两分力的大 小也在不断变化，当力传感器1 2 测得的分力值达到临界值时即机动车驱动力加 载到等于起步阻力时，辅助系统立即解除驻车制动力，从而实现对机动车在半坡 上的起步辅助控制。 本论文研究的半坡起步辅助系统的技术关键点就是通过测力传感器检测支 承销对制动蹄的支承反力两分力值的变化情况，以便给辅助系统的e c u 提供有 效的起步信息，从而使汽车能够顺利平稳起步且不出现溜车现象。 2 3 坡道辅助起步操作流程 。 汽车在暂时或者较长时间坡道停驻时，驾驶员需要拉起手刹操纵杆使汽车安 全停驻。根据半坡起步辅助系统的工作原理可知，对于装备有半坡起步辅助系统 的汽车半坡起步时，在手动刹车驻车状态下，驾驶员的操作过程按顺序应为：先 将车子点火发动，然后按下半坡起步开关，松开手刹操纵杆，踩离合器，挂一档， 1 1 机动乍、卜坡起步辅助系统的研究 松离合同时配合踩油门踏板，车子启动后，将起步辅助开关关闭。配备有半坡起 步辅助系统的汽车，驾驶员在坡道起步的操作流程如图2 2 所示。 汽车发动 上 启动起步辅助按钮 上 抬起手刹操纵杆 1 l 踩离合挂一档 j r 踩油f j 踏板同时慢收离合 上 汽午平稳起步 上 关闭起步辅助按钮 图2 - 2 坡道辅助起步操作流程 f i g 2 2o p e r a t i o np r o c e s so fh i l l s t a r ta s s i s t s 2 4 半坡辅助系统的工作过程 半坡起步辅助系统的工作过程和防抱死制动系统a b s 的工作过程相似，半坡 起步辅助系统不工作时，制动器执行机构的制动属于常规制动，半坡起步辅助系 统工作时，其工作过程可分为施加制动力、保持制动力、解除制动力过程。由此 可知半坡起步辅助系统制动器的工作过程和防抱死制动系统的工作过程相似，只 是半坡起步辅助系统工作的状态是汽车停驻在坡道路面的情况下，而防抱死制动 系统a b s 的工作状态是在汽车行驶的情况下，两者的对制动器施加制动力的工作 原理是一样的，这是本课题选择在防抱死制动系统的基础上开发的原因。下面介 绍一下装备半坡起步辅助系统的汽车在常规情况下的制动过程，以及在辅助系统 工作时的三个工作过程。 2 4 1 常规制动过程 如图2 3 所示，配备有半坡起步辅助系统的汽车常规制动即半坡起步辅助系 1 2 青岛科技人学研究生学位论文 统不工作时，在防抱死制动电子控制单元4 控制下，常丌两位两通半坡起步电磁 阀1 0 和三位三通电磁阀5 和电动机1 3 不通电工作，电动机1 3 不通电则液压泵 1 4 也不会工作，柱塞6 在回位弹簧的推动下处在最下端的工作位置，制动主缸9 与制动轮缸3 油路连通，通过驾驶员踩下或者抬起制动踏板8 ，制动主缸9 可随 时调整制动液压的增减。 图2 - 3 常规制动过程 f i g 2 3r o u t i n eb r a k i n gc , o u i s o 1 车轮2 传感器3 制动轮缸4 一电子控制单元5 电磁阀6 柱塞 7 液压部件8 踏板9 制动主缸1 0 半坡起步电磁阀1 1 线圈 1 2 储液器1 3 电动机1 4 液压泵 2 4 2 施加制动力过程 如图2 - 4 所示，停驻在半坡上的汽车发动后，当半坡起步辅助开关打开时， 辅助系统的电子控制单元4 首先对各传感器传送的信息进行汇总判断，当系统通 过判断认定汽车需要坡道起步辅助时，电子控制单元4 发出控制信号使常开两位 两通半坡起步电磁阀通电，起步电磁阀1 0 通电动作后切断制动轮缸3 至制动总 缸9 方向的油路，这时液压泵1 4 从储液器1 2 泵出的制动液只能进入制动轮缸3 ， 而三位三通电磁阀5 不通电工作，柱塞6 还是处在常规制动时的最下端工作位置， 而这时电动机1 3 通电带动液压泵1 4 工作，液压泵1 4 将储液器1 2 的液压油加压 送到制动轮缸3 ，制动轮缸产生制动力使制动蹄张开，张开的制动蹄压紧制动鼓， 从而在两者之间产生制动静摩擦力矩，此静摩擦力矩可阻止汽车沿坡道后溜。 1 3 机动午、卜坡起步辅助系统的研究 图2 - 4h a s 施加制动力过程 f i g 2 4h a si m p o s i n gb r a k i n gf o r c eo o u i s e 1 车轮2 传感器3 制动轮缸4 电子控制单元5 电磁阀6 柱塞 7 液压部件8 踏板9 制动主缸1 0 半坡起步电磁阀1 1 线圈 1 2 一储液器13 电动机1 4 液压泵 2 4 3 保持制动力过程 随着电动机1 3 带动液压泵1 4 的不断旋转，液压泵1 4 从储液器1 2 泵出的制 动液也不断增加，制动力p 也随之不断升高，由于在开始时电子控制单元4 根据 力初始值和其它参数已计算出阻止车子沿斜坡下滑所需要的制动力，当制动力增 加至此值后，电子控制单元4 便发出控制信号给液压部件，液压部件停止增加制 动力并保持此制动力的大小。这时电子控制单元4 将停止给电动机1 3 供电，电 动机停止带动液压泵1 3 转动从而无法继续增加制动力，在此过程中电子控制单 元4 仍然给常开两位两通半坡起步电磁阀1 0 通电流，使之一直处于断开状态， 电子控制单元4 给三位三通电磁阀5 输入较小的电流，柱塞移至中间位置使制动 轮缸的液压保持不变，如图2 - 5 所示。 1 4 青岛科技人学研究生学位论文 薹 2 图2 - 5h a s 保压制动力过程 f i g 2 5h a sh o l d i n gb r a k i n gf o r c ec