（控制理论与控制工程专业论文）汽车防抱死制动系统智能控制器的设计.pdf

摘要 摘要 车辆的制动系统性能是其重要性能之一，它直接关系到交通的安全。 重大交通事故的发生，往往与制动距离过长，紧急制动时车轮抱死发生侧 滑、甩尾、失去方向稳定性等情况有关。防抱死制动系统( a b s ) 是一种在制 动时能自动调节制动管路压力，使车轮不致抱死，以提高汽车行驶稳定性 和制动安全性的自动调节系统。防抱死制动系统能够提高车辆安全性，具 有明显的社会效益和经济效益。 本文研究了汽车防抱死制动系统的工作原理，分析汽车防抱死制动系 统的工作过程，找出影响汽车防抱死制动系统性能的各种因素。同时对汽 车防抱死制动系统目前常见的控制方法进行了分析和比较，总结了各种控 制方法的优缺点。从控制器的智能性看，模糊控制与神经网络控制均属于 智能控制的范畴，而且两种控制算法已成为目前实现智能控制的一种重要 而又有效的控制形式，两种控制器均能够以任意精度逼近非线性函数。在 深入分析了模糊控制与神经网络控制的基础上，提出了汽车防抱死制动系 统的智能控制器设计方法。 本文对两种类型控制器的系统模型、结构及控制算法等问题进行了理 论分析。最后针对汽车简单的单轮数学模型，进行了模糊控制器与神经网 络控制器的设计，并在m a f l a b s i m u l i n k 环境下对所构建的控制系统进行了 仿真分析。通过仿真分析两种控制器均可以应用于汽车防抱死制动系统。 关键词防抱死制动系统( a b s ) ；自动调节系统；模糊控制器；神经网络控 制器 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t n eb r a k es y s t e mp e r f o r m a n c ei so n eo ft h ev e h i c l e sm a i nf u n c t i o n i t d i r e c t l yh a sab e a r i n g0 1 1t h et r a f f i cs a f e t y , t h es e r i o u sa c c i d e n t sa l w a y sr e l a t et o t h et o ol o n gb r a k ed i s t a n c e ，w h e e lb r a k ew i t he m e r g e n c yb r a k ea n dt h e nl e dt o s i d e s l i p ，s w i n g o rl o s ed i r e c t i o ns t a b i l i t y a n t i b r a k i n gl o c ks y s t e mc a n a u t o m a t i c a l l ya d j u s tb r a k el i n ep r e s s u r ew h e nt h eb r a k eh a p p e n s ，a n dl e a d1 1 0 w h e e lb r a k i n gl o c k , i ti sa l la u t o m a t i cr e g u l a t i o ns y s t e mw h i c hc a ni m p r o v et h e v e h i c l er u n n i n gs t a b i l i t ya n di t sb r a k es a f e t y a n t i b r a k i n gl o c ks y s t e mc a n i m p r o v et h ev e h i c l es a f e t ya n di t h a so b v i o u ss o c i a lb e n e f i t sa n de c o n o m i c b e n e f i t s t i l i sp a p e rs t u d i e st h ev e h i c l ea b so p e r a t i n gp r i n c i p l ea n da n a l y s i si t s o p e r a t i n gp r o c e s s i ts e a r c h e so u ta l lk i n d so f f a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ev e h i c l e a b sp r o p e r t y m e a n w h i l e ，i ta n a l y s e sa n dc o m p a r e ss e v e r a lk i n d so f t h ec u r r e n t c o n t r o lt e c h n i q u eo na b s ，a n ds u m m a r i z e si t sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o l l e ri n t e l l i g e n tp r o p e r t y , b o t hf u z z yc o n t r o la n dn e u r a l n e t w o r k sc o n t r o lb e l o n gt ot h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ld o m a i n w h a t sm o r e t h e t w ot y p e sc o n t r o ll a w sa r ei m p o r t a n ta n de f f e c t i v ei na c h i e v i n gt h ei n t e l l i g e n t c o n t r 0 1 t h et w oc o n t r o l l e rb o t hc a na p p r o x i m a t en o n l i n e a rf u n c t i o nw i t h a r b i t r a r ya c c u r a c y o nt h eb a s eo ff u r t h e ra n a l y s i st h ef u z z yc o n t r o la n d n e u r a l n e t w o r k sc o n t r o l ，t h et h e s i se x p l o r e sd e s i g nm e t h o d so f v e h i c l ea b s i n t e l l i g e n t c o n t r o l l e r t l l i sp a p e rh a sat h e o r e t i c a la n a l y s i so nt h et w ot y p e sc o n t r o l l e rs y s t e m m o d e l ，s t r u c t u r e sa n dc o n t r o l a r i t h m e t i cm e t h o d s i td e s i g n st h ef u z z y c o n t r o l l e ra n dn e u r a ln e t w o r k sc o n t r o l l e ra c c o r d i n gt ot h ev e h i c l e ss i m p l e s i n g l ew h e e lm a t h e m a t i c a lm o d e l i ts t i l l d o e st h es i m u l a t i o na n a l y s i sa b s c o n t r o ls y s t e mu n d e rt h em a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t i nt h el i g h to f t h i s a n a l y s i s ，i tc o n c l u d e st h a tt h et w ot y p e sc o n t r o l l e rb o t h c a nb ea p p l i e di nt h e 1 1 a b s t r a c t v e h i c l ea b s k e y w o r d s ：a n t i - b r a k i n gl o c ks y s t e m ；a u t o m a t i cr e g u l a t i o ns y s t e m ；f u z z y c o n t r o l e r ；n e u r a ln e t w o r k sc o n t r o l l e r i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文汽车防抱死制动系统智 能控制器的设计是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独 立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包 含他人己发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人 承担。 作者签字縻爻刹 日期铲，侗多日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 汽车防抱死制动系统智能控制器的设计系本人在燕山大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山 大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本 人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授 权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论 文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密财。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：i 系文到 日期：彩年j f 月 日 导师签名： 橼如 日期：如6 年，f 月l 日 第1 章绪论 第1 章绪论 车辆的制动系统性能是其重要性能之一，它直接关系到交通的安全。 重大交通事故的发生，往往与制动距离过长，紧急制动时车轮抱死发生侧 滑、甩尾、失去方向稳定性等情况有关，1 0 左右的交通事故是由于制动 时车轮抱死而使车辆失去控制所至【l 】。 防抱死制动系统( a n t i - l o c kb r a k i n gs y s t e m ，简称a b s ) 是基于车辆轮胎 与路面之间的附着性能随滑移率改变而改变的基本原理而开发的高技术装 置，它从防止制动过程中车轮“抱死”的角度出发，避免车辆后轮侧滑和 前轮丧失转向能力，提高车辆对地面附着能力的利用率，从而达到改善车 辆制动稳定性、操纵性和缩短制动距离等目的。德国汉诺威交通事故研究 组对1 8 2 起商用车交通事故的分析表明：使用a b s 能够完全避免7 1 的 交通事故，减轻1 3 9 的材料损失和1 7 4 的人员伤害【2 】，显然a b s 能够 提高车辆安全性，具有明显的社会效益和经济效益。我国的道路交通条件 较发达国家有一定的差距，事故发生率较高，装备a b s 对减少交通事故和 减轻事故损失具有重大的意义【】。 1 1a b s 发展的现状 1 1 1 国外a b s 发展的概况 2 0 世纪初，原始的a b s 装置就安装在铁路机车上，用于减少车轮的 磨损。在3 0 年代，机械式防抱制动系统( m a s s ) 开始在火车和飞机上应用， 德国b o s c h 公司在1 9 3 6 年第一个获得通过电磁式车轮转速传感器得到车轮 转速的制动防抱死专利权，这是a b s 系统发展史上的一个里程碑。 在第二次世界大战的末期，a b s 装置被应用于喷气式飞机上，目的在 于飞机着陆时防止车轮抱死和严重磨损，并保持直线行驶性能。5 0 年代末 期，g o o dy e a r 等公司开发出的防抱死装置，根据车轮的减速情况，阶段 性地控制液压，并采用了初期的电子计算机，使得a b s 的性能得到了很大 的改善。随着电子技术的发展，在6 0 年代后期和7 0 年代初期，一些电子 控制的制动防抱死系统开始进入产品化阶段。这一时期a b s 系统采用的控 1 燕山大学工学硕士学位论文 制器是模拟电路，驱动装置为电磁阀，控制系统反应速度慢，控制精度低， 未达到预期的实用化效果。进入7 0 年代后期，数字式电子技术和大规模集 成电路的发展为a b s 的实用化奠定了基础。b o s c h 公司在1 9 7 8 年开发出 数字式电子控制a b s ，揭开了现代防抱制动系统发展的序幕。自从8 0 年 代中期以来，a b s 控制器不断更新换代，体积越来越小，功能越来越强， 控制逻辑更加合理，并具有自适应性和故障自诊断功能，a b s 向着高性能 价格比的方向发展。9 0 年代以后，a b s 技术已日趋成熟，制造成本不断降 低，使得a b s 迅速普及。 目前，在美国、西欧、日本等发达国家和地区，a b s 已成为轿车的标 准设备，装车率达到1 0 0 ；在大型客车和货车上a b s 的应用也日益普及。 1 1 2 我国a b s 的发展情况 我国对a b s 的研究开始于2 0 世纪8 0 年代初，现在已进入产品试制和 在车辆上试装的阶段，a b s 的研究项目被列入“九五”科技攻关计划。我 国检验a b s 产品的国家标准g b l 3 5 9 4 9 2 汽车防抱死制动系统性能要求 和试验方法等都采用了联合国欧洲经济委员会( e c e ) 的汽车制动法规r 1 3 的附件1 3 采用制动防抱死装置的车辆的试验要求。 目前，国内a b s 的研究单位也不少，如东风汽车公司和清华大学等。 国产a b s 的主要问题是路面识别不够理想、可靠性较差和性能价格比较 差。增强国产a b s 的竞争能力，迫切需要对a b s 的关键技术( e c u 和控制 软件等) 进行深入的研究。 1 2 论文研究的目的和意义 随着国民经济的快速发展，汽车的保有辆迅速上升。同时，交通和科 技的不断进步，汽车的行驶速度得以不断提高，这导致交通事故日益频繁， 从而高速下汽车制动的安全性越来越受到人们的关注。作为能够提高汽车 制动安全性的a b s 装置，也逐步成为汽车的标准配置，并制定了严格的 a b s 标准法规。我国在这方面的发展较为落后，装备a b s 的汽车目前仍 然是少数，这不但增加了交通安全的隐患，也不能满足人们对汽车安全、 2 第1 章绪论 舒适性的要求。根据国外a b s 系统应用形势和国内对a b s 装置的要求， 国产车型配备a b s 装置已势在必行。2 0 0 5 年国家颁布了国内车辆强制安 装a b s 的法规，a b s 的研发具有一个巨大的潜在市场。本文选用汽车 防抱死制动系统智能控制器研究具有一定的实际意义和理论指导价值。 1 3 研究内容、研究方法 研究内容： ( 1 ) 研究汽车防抱死制动系统的工作原理，分析汽车防抱死制动系统 的工作过程，找出影响汽车防抱死制动系统性能的各种因素。建立了单轮 汽车防抱死制动系统的数学模型，为构造控制器奠定了基础。 ( 2 ) 研究人工神经网络( a n n ) 的基本原理，了解神经网络的学习过程、 学习规则和工作过程等。深入研究基于误差反传算法的b p 神经网络，了 解它的网络结构以及它的学习规则。利用神经网络控制理论构造汽车防抱 死制动系统的控制器。 ( 3 ) 研究模糊控制理论，掌握模糊逻辑，模糊控制方法，并应用模糊 控制理论构造汽车防抱死制动系统的控制器。 ( 4 ) 研究m a t l a b s i m u l i n k 软件，并用神经网络控制工具箱函数构造了 神经网络控制器，用模糊控制工具箱构造了模糊控制器，对上述所建立的 汽车防抱死制动系统的单轮模型和设计的控制器在m a t l a b s i m u l i n k 环境 下进行仿真验证。 研究方法： 首先，通过大量查找资料，阅读资料，深入研究神经网络的结构，学 习方法，掌握各种人工神经网络结构的优缺点，经过比较之后确定所要采 用的网络模型，并研究该神经网络的运行特点、结构特点，以及国内外现 在已经研究出的成果，提出自己的见解，提出新的网络结构，建立适当的 数学模型。建立汽车防抱死制动系统的数学模型，以实际的实验数据作为 网络训练的样本，训练并验证上述模型及控制器。学习和研究模糊控制理 论，确定模糊系统中的隶属函数，把实际系统模糊化，提出模糊控制的模 糊规则，以便实现模糊控制汽车防抱死制动系统的设计。 燕山大学工学硕士学位论文 其次，学习m a t l a b s i m u l i n k 软件，并在该软件环境下对被控制对象汽 车防抱死制动系统、神经网络控制器及模糊控制器结构进行构建，然后对 其所设计的控制系统进行仿真分析。 1 4 论文结构 整个论文的结构安排如下： 第1 章主要介绍汽车防抱死制动系统的国内外研究现状，介绍汽车 防抱死制动系统智能控制器研究课题的研究目的与意义，同时也对本课 题的研究内容、研究方法做了介绍。 第2 章主要介绍了汽车防抱死制动系统的工作原理及其工作过程，探 究影响汽车防抱死制动系统性能的各种因素，介绍汽车防抱死制动系统的 发展方向及控制技术的发展。分析汽车防抱死制动系统现有各种控制技术 的优缺点。 第3 章主要介绍神经网络系统和模糊控制系统的理论基础，重点介绍 了b p 神经网络，从网络结构、运行机理、学习算法等方面进行了总结， 分析了该网络的优缺点，并且指出了以后该网络的研究方向。同时也介绍 了模糊控制理论的数学原理及其控制器的设计过程。 第4 章结合现有汽车防抱死制动系统的数学模型，利用实验数据建立 了汽车防抱死制动系统的智能控制器，并对设计出的控制系统在 m a t l a b s i m u l i n k 环境下进行仿真研究。 4 第2 章a b s 的基本组成及工作原理 第2 章a b s 的基本组成及工作原理 a b s 系统能够通过自动调节制动过程中车轮的运动状态，使车轮不产 生抱死，保证汽车制动时车轮处于最佳的制动状态，即保持方向稳定、方 向可操纵性和缩短制动距离。a b s 以车轮的运动状态为控制信号，使汽车 在制动时具有最佳的制动性能，对a b s 进行研究，就必须了解汽车制动时 的制动特性”4 1 。 2 1a b s 的基本组成、类型及其特点 2 1 1a b s 的基本组成 a b s 系统通常由车轮轮速传感器、液压调节单元0 a c u ) 、电子控制单 元( e c u ) 和a b s 警示灯等组成。在不同的a b s 系统中，液压调节单元的 结构形式和工作原理往往不尽相同，电子控制单元的内部结构和控制逻辑 也有很大差异1 7 罐】，图2 - 1 为一种较为典型的防抱死制动系统示意图。 图2 ，1 典型防抱死制动系统示意图 f i g 2 - 1t y p i c a ld i a g r a mo f a b s ( 1 ) 轮速传感器 轮速传感器根据电磁感应原理，将轮速变为电信号输送给电子控制单 元( e c u ) 。轮速传感器通常由与车轮同步的传感器转子与固定在悬架上的 5 燕山大学工学硕士学位论文 转速传感器两部分组成，传感器转子是一个带齿的圆环，形状很像一个直 齿圆柱齿轮，只是齿的外廓形状不是渐开线形状，而是矩形齿。转速传感 器主要由永久磁铁、传感线圈和极轴组成，其极轴被传感线圈包围，并直 接安装于传感器转子的上方，与传感器转子保持一定的距离( 为保证轮速传 感器无错误地信号输出，安装轮速传感器时应保证其速度传感器与传感器 转子间留有- - f f l 4 , 的空气气隙，约为i m m ；另外安装要牢固) ，同时极轴 与永久磁铁相连接。一般情况下，前轮速度传感器安装在传动轴上，后轮 速度传感器安装在后桥壳上。 ( 2 ) 液压调节单元( h c u ) 液压调节单元的功能是根据电子控制单元e c u 传送的信号控制制动 总泵向车轮制动分泵提供的制动液压，从而控制车轮转速。液压调节单元 ( h c u ) 由两部分组成：一是三位电磁阀，它是h c u 的液压控制装置，用于 a b si 作时车轮制动分泵中压力的调节，它能在制动总泵、车轮制动分泵 和回油路之间建立联系，实现压力升高、压力保持和压力降低的功能。二 是泵电机和储油罐，当压力降低时，从车轮制动分泵流出的制动液经过储 液罐并由泵电机送回到制动总泵中。 ( 3 ) 电子控制单元( e c u ) 电子控制单元是整个a b s 系统的控制中枢，它接收车轮轮速传感器送 来的信号，计算出制动时车轮的转速、车速、滑移率以及车轮加减速度等 值，并对其进行比较、分析和判断，然后向h c u 发出控制指令，使其产 生最合适的制动液压，从而控制车轮的转速。 2 1 2 a b s 系统的类型 a b s 系统的控制通道是指连接压力调节器与制动器的独立液压回路。 按照轮速传感器的数量与控制通道数可以把a b s 系统分为如下几种形式： ( 1 ) 四传感器四通道式( 四轮独立控制方式) 这种型式的a b s 系统具有四个传感器和四个控制通道，四个车轮独立 控制，亦即根据各车轮的需要分别控制制动压力。因此这种系统的制动距 离和操纵性最好，但在不对称的路面上的方向稳定性不太好。这是因为作 6 第2 章a b s 的基本组成及工作原理 用于前后左右车轮上的制动力不同，汽车偏转力矩较大，一般的驾驶员很 难控制汽车的旋转。 ( 2 ) 三传感器四通道式( 前轮独立控制，后轮选择控制方式) 该种型式的a b s 系统前轮独立控制，后轮按选择方式控制，以易抱死 的车轮为标准，给两后轮施加相等的制动力，偏转力矩减小，驾驶员能够 进行方向操纵，抑制汽车的旋转。 ( 3 ) 四传感器三通道式 四个传感器安装在四个车轮上，分别获得四个车轮的轮速。在该种型 式中，两个前轮仍采用分别控制方式，两个后轮共用一个控制通道，采用 低选控制方式，同时对两个后轮进行控制，使汽车有较好的方向稳定性。 ( 4 ) 四传感器二通道式 在该种型式中，采用两个传感器分别采集汽车两前轮轮速信号，用以 控制两前轮，而根据后轮的两个传感器信号计算出基准速度，利用对角前 轮的制动液压力控制后轮。 ( 5 ) 二传感器二通道式 这种控制方式没有电子控制单元，属于机械式防抱死制动系统 ( m a b s ) 。摩托车采用这种方式，因为摩托车前后轮具有独立的液压系统。 ( 6 ) 一传感器一通道式 采用一个传感器，同一条液压管路只控制后轮。 2 1 3a b s 系统的特点 以提高汽车安全行驶性能为目的的各种a b s 装置，其原理都是充分利 用轮胎和地面的附着系数，主要采用控制制动管路液压的方法，给各车轮 施加最合适的制动力，从而使各个车轮处于最佳的运动状态。其具有以下 特点： ( 1 ) 能够缩短制动距离这是因为在同样紧急制动情况下，a b s 系统可 以将滑移率控制在最佳滑移率附近，即可获得最大的纵向制动力的结果。 ( 2 ) 可增加汽车制动时的稳定性汽车在制动时，四个车轮子的制动力 是不一样的，如果汽车的前轮抱死，驾驶员就无法控制汽车的行驶方向， 7 燕山大学工学硕士学位论文 这是非常危险的；倘若汽车的后轮先抱死，在很小的侧向干扰力下，则会 出现侧滑、甩尾，甚至使汽车整个调头等严重事故，车轮抱死将难以保证 汽车的行车安全。a b s 系统可以防止四个车轮制动时被完全抱死，提高了 汽车彳亍驶的稳定性。资料表明：装有a b s 系统的车辆，可使因车轮侧滑引 起的事故比例下降8 左右。 ( 3 ) 改善了汽车轮胎的磨损状况事实上，车轮抱死会造成轮胎的磨 损，轮胎面磨损也会不均匀，使轮胎消耗增加。经测定，汽车在紧急制动 时，车轮抱死所造成的轮胎累加磨损费已超过一套防抱死制动系统的造价， 因此装用a b s 系统具有一定的经济效益。 ( 4 ) 使用方便、工作可靠a b s 系统的使用与普通的制动系统的使用几 乎没有区别。制动时只要将脚踏在制动踏板上，a b s 系统就会根据汽车的 运行情况自动进入工作状态，如遇雨雪路滑，驾驶员也没有必要用一连串 的点刹车进行制动，a b s 系统会使制动状态保持在最佳点。而常规的机械 制动系统中，司机经常采用点刹车踏板，以避免车轮抱死，但是点刹车要 求司机有很高的驾驶技术，才能达到最佳制动。 a b s 系统工作十分可靠，并有自诊断能力，若它发现自身系统内部有 故障，就会自动记录，并点燃黄色a b s 故障指示灯，让普通制动系统继续 工作。此时维护人员可以根据记录的故障( 以故障码的形式输出) 进行修理。 2 1 4 防抱死制动系统的发展趋势 ( 1 ) 传感器等附加装置 现在许多防抱死制动系统只备有车轮速度传感器，只用这种信号进行 控制，很难确保不同车辆的防抱死制动性能。为了补偿控制的下降，在车 辆上增加了检测前后或横向减速度的g 传感器( 减速度传感器) ，提高了发 动机怠速升高功能。如果能确保可靠性，这是一项极其有效的措施，不仅 能补偿控制功能的不足，而且可以提高整个装置的功能。 ( 2 ) 复合化 梯维斯( a t e ) 防抱死制动系统的动力源是电动泵，内装执行元件，该动 力源被应用在油压增压器中，形成动力源、油压增压器、总泵、电磁阀为 8 第2 章a b s 的基本组成及工作原理 一体的集中系统。几乎相同的装置被应用在轿车上，这就是波许公司的 a b si i i 型防抱死制动系统，奔驰汽车公司则采用加速一侧利用a b s 的电 磁阀来控制车轮滑移率的防侧滑系统( a s r ) 并装用在批量生产的车型中。 ( 3 ) 低成本 防抱死制动装置已从高级轿车逐渐向中低档轿车普及。今后，为了向 普及型轿车和商用轿车普及，要求a b s 小型化，低成本，特别要减少执行 元件的数量和传感器的通道数，并简化结构。 ( 4 ) 将来动向 可以预计，今后最新的控制技术是推动传感器技术的高性能，所增加 新功能的高级化，尽量确保必要的功能，简化功能以降低成本的两极化方 向发展【9 】。 今后的汽车通过信息收集处理，在安全性、经济性诸方面，可向驾驶 员提供尽量多的信息和最佳的适应方法，在这方面，防抱死制动系统担负 着重要的使命。 8 0 年代以后，a b s 在技术上得到很大的发展，许多汽车零部件公司纷 纷开始生产a b s 产品。汽车的新车a b s 装车率在美国已超过5 0 以上。 尤其是对重型车、大卡车，欧洲和美国在法规的要求下其装车率己达1 0 0 。 在发展过程中，a b s 体积逐步减轻，控制和诊断功能不断增强。液压a b s 系统已将控制器与控制阀集成为一体，可能作为一个附加系统添加到常规 的制动系统中。控制器已普遍采用1 6 位单片机作为c p u ，同时采用通用 的诊断协议接口。a b s 系统除本身朝着集成化、低价格、大批量的方向发 展外，还在原有系统上进行了扩展。 面临车辆上不断增加的电子控制系统，需要采用总线结构将各个系统 联系起来，达到数据和资源共享，朝着系统集成化的方向发展。无论a b s 系统，还是车辆其它控制系统的发展都将会持续下去，这取决于计算机技 术、车辆技术的发展和社会接受能力。人们预计2 1 世纪汽车的发展将是电 子控制的时代，汽车在电子系统控制下将变得更加清洁，安全与舒适。 9 燕山大学工学硕士学位论文 2 2a b s 系统的基本工作原理 防抱死制动控制系统是在传统的制动系统的基础上采用电子技术，在 制动时防止车轮处于抱死状态的一种机电一体化的控制系统。 它由控制器、电磁阀、轮速传感器三部分组成。在应急制动时，当司 机脚踏板控制的制动压力过大时，轮速传感器及控制器可以探测到车轮有 抱死的倾向，此时控制器控制制动系统减少制动压力。当车轮轮速恢复并 且地面摩擦力有减少趋势时，控制器又控制制动系统增加制动压力。这样 使车轮一直处于最佳的制动状态，最有效地利用地面附着力，得到最佳的 制动距离和制动稳定性。 传统的汽车制动系统功能是使行驶的汽车车轮受到制动力矩的作用， 使车辆停止。在大多数情况下往往抱死车轮，此时一方面造成车轮轮胎的 严重磨损；另一方面后轮抱死会产生侧滑，容易使车辆丧失稳定性；而前 轮抱死会使车辆丧失转向能力。这两种状态都容易导致事故的发生。a b s 系统的引入使制动过程中车轮处于非抱死状态，这样不仅可以防止制动过 程中后轮抱死而导致的车辆侧滑甩尾，大大提高了制动过程的方向稳定性； 同时可以防止前轮抱死而丧失转向能力，提高汽车躲避车辆前方障碍物的 操纵性和弯道制动时的轨迹保持能力，而且最终的制动距离往往要比同类 车型不带防抱死系统的车辆的制动距离要短，因而a b s 系统是一种有效的 车辆安全装置【1 0 1 。 2 2 1 汽车制动时的运动分析 2 2 1 1 汽车运动受力分析 ( 1 ) 制动产生的力 对行驶着的汽车施加适当的制动对，它会慢慢的停下来。这是因为在 轮胎和地面间产生了与行进方向相反的摩擦力。图2 2 中车轮中心的箭头 表示摩擦力，把这个力叫做地面制动力，与地面制动力相关的摩擦系数叫 做制动附着系数。附着系数越大，地面制动力越大，越能在较短距离内停 下来。 与制动力的合力大小相等、方向相反、作用在质心上的力叫做惯性力， 1 0 第2 章a b s 的基本组成及工作原理 在左右制动力相等时，汽车能够沿着行进方向停住，当左右制动力不等时， 绕质心产生一旋转力矩，使制动跑偏。 制动力 o - ( 二三 ( 二三净o ， o惯ro ) 旋转力矩 o - 二一( 二三 图2 - 2 制动时产生的力 f i g 2 - 2f o r c ep r o d u c e db yb r a k e ( 2 ) 侧滑摩擦力 在轮胎和地面的接触面上还存在着另一个摩擦力，它与地面制动力不 同，作用在车轮横向上，这个力是侧滑摩擦力( 又称侧向力或转弯力) ，汽 车在转弯时转动方向盘时车轮产生一转角，相应的产生了侧滑摩擦力，决 定侧滑摩擦力大小的摩擦系数叫做侧向附着系数。 为了方便，把后轮的侧滑摩擦力叫做侧向力，前轮的侧滑摩擦力叫做 转弯力。 ( 3 ) 车轮抱死时的汽车运动情况 直线行驶 对直线行驶的汽车施加制动时，所有车轮全部抱死的情况。车轮抱死 后，像后面所要介绍的那样，侧滑附着系数基本为零，保持车辆方向稳定 性的侧向力也接近于零。这种状态很不稳定，路面不均匀、左右车轮地面 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 的运动而处于危险状态。在不规则旋转的过程中将制动释放，汽车就会沿 着瞬时行驶方向急速驶出，这也是很危险的。 曲线行驶 当只有前轮抱死时，由于前轮的转弯力基本为零，无法进行正常的转 燕山大学工学硕士学位论文 向操作，汽车的运动方向与驾驶员无关。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，汽车将一面旋转一面沿着曲线行驶( 这种运动n t t 岁l , 旋转) 。所有的车 轮全部抱死时，转弯力、侧向力均接近于零。汽车完全失去操纵性和方向 稳定性，兼有前、后轮抱死时的两种运动。即一面作与驾驶无关的不规则 运动，一面沿着曲线的切线方向滑行。 如上所述，施加适当的制动，能够有效地使汽车停下，制动强度过大， 是汽车发生各种危险运动状况的主要原因。因此汽车行驶时，要根据冰路、 雪路、砂石路、弯曲路等道路条件，根据汽车速度、方向转角等行驶条件 进行制动操作，必须时常注意不能让车轮完全抱死。 2 2 1 2 制动时车轮受力分析汽车受到与行驶方向相反的外力时，才能从 一定的速度制动到较小的速度或直至停车。这个外力只能由地面和空气提 供，但是由于空气阻力相对较小，所以实际上外力主要是由地面提供的， 我们把制动过程中在轮胎与地面间产生的与行进方向相反的摩擦力称之为 地面制动力。地面制动力越大，制动减速度越大，制动距离越短，所以地 面制动力对汽车性能具有决定性的影响。当左右地面制动力不相等时，绕 车辆质心产生一个旋转力矩，会使制动跑偏。 图2 3 中滚动阻力偶矩和减速时的惯性力、惯性力偶矩均忽略不计。 肘。为车轮制动器中的摩擦力矩，单位为n 1 3 1 ，只为地面制动力，只为 车轴对车轮的推力，p 为地面对车轮的法向反作用力，矿为车轮的垂直载 荷，其单位均为n 。，为车轮半径，单位为m 。 当制动踏板力较小时，由力矩平衡显然有 只：丝( 2 - 1 ) ， 式中m 。为车轮制动器中的摩擦力矩，单位为n n l ； 只为地面制动力，单位为n ； ，为车轮半径，单位为m 。 第2 章a b s 的基本组成及工作原理 图2 - 3 车轮在制动时受力状况 f i g 2 - 3f o r c eo nw h e e lp r o d u c e db yb r a k e 地面制动力p 是使汽车制动而减速行驶的外力，但是地面制动力取决 于两个摩擦副的摩擦力：一个是制动器内制动摩擦片与制动鼓或制动盘问 的摩擦力；另一个是轮胎与地面间的摩擦力，即附着力。 在轮胎周缘克服制动器摩擦力所需的力称为制动器制动力。相当于把 汽车架离地面，踩住制动踏板，在轮胎周缘沿切线方向推动车轮直至它能 转动所需的力。 制动器制动力只可由下式确定 e ：丝( 2 2 ) ， 由式( 2 2 ) 可知，e 仅由制动器参数确定，即取决于制动器的型式，结 构尺寸、制动器摩擦副的摩擦系数以及车轮半径，并与制动管路压力成正 比。 当制动踏板力较小时，制动器摩擦力矩不大，地面与轮胎之间的摩擦 力即地面制动力，足以克服制动器摩擦力矩而使车轮滚动。车轮滚动时的 地面制动力就等于制动器制动力，且随踏板力增长成正比例增长。但地面 制动力是滑动摩擦的约束反力，其值不能超过附着力，即 燕山大学工学硕士学位论文 c ，二= 吼c ( 2 3 ) 式中：妒，为地面纵向附着系数； ，毗为纵向附着力。 当制动器踏板力或制动系统管路压力升至某一值时，地面制动力只达 到附着力，二值时，车轮即抱死不转而出现拖滑现象。压力继续升高时，制 动器制动力由于制动器摩擦力矩的增长而继续按直线关系上升。此时若车 轮法向载荷为常数，地面制动力达到附着力后就不再增加。图2 4 所示为 制动过程中三个力之间的关系。 氏f b 图2 - 4 制动过程中地面制动力、制动器制动力以及附着力之问的关系 f i g 2 - 4r e l a t i o n sb e t w e e nt h eg r a n db r a k ef o r c e ，b r a k e rf o r c ea n da t t a c h i n gf o r c es l i p r a t ec u r v e 由此可见汽车的地面制动力首先取决于制动器制动力，但同时又受到 地面附着条件的限制，所以只有汽车具有足够的制动器制动力，同时地面 又能提供较高的附着力时，才能获得足够大的地面制动力。因此从缩短制 动距离的角度，如何充分利用轮胎与路面的最大附着力就十分有意义了。 2 2 1 3 载荷的转移汽车重量是靠各个车轮来支撑的。在轮胎和路面的接 触面上有一个垂直方向的作用力，这个力叫做轮胎载荷。轮胎载荷随着制 动力和转弯时的惯性力( 质量加速度) 变化而变化，其中惯性力是由转弯 时的离心力引起的，并作用在汽车质心上。 ( 1 ) 制动力引起的载荷变化 1 4 第2 章a b s 的基本组成及工作原理 汽车制动时根据总制动力的大小做减速运动。制动时所产生的地面制 动力等于车轮载荷与附着系数之积。制动时所产生的惯性力与总制动力大 小相等、方向相反、指向行驶方向，并作用在汽车质心上。这两个力将使 汽车产生一个前倾力偶矩，使前轮载荷增加a w b ，后轮载荷减少a w b 。假 定附着系数为地，车重w 、轴距三、质心高度h ，则 a w b = 鼍半( 2 - 4 ) 即质心越高，轴距越短，载荷转移的幅度越大。 ( 2 ) 离心力引起的载荷变化 汽车转弯时，由于汽车质量竺、速度v 、曲率半径r 所决定的离心力 g 要作用在汽车的质心上。侧倾力偶矩产生后，使外侧轮胎载荷增加a w ，c p 内侧轮胎载荷减少a w c 。假定轮距为口、离心力所产生的力偶矩对每个车 轮平均分配，则 a w c = 淼 ( 2 - 5 ) 上述这种车轮载荷的变化中作动载荷转移。其变化量与汽车侧向、纵 向的加、减速度成正比。由于载荷的转移，汽车转弯使前外车轮的制动力 最大，后轮内车轮的制动力最小。 2 2 2 路面附着系数与滑移率的关系 2 2 2 1 滑移率的定义首先对地面制动力所产生的滑移率做简要说明，如 前所述，汽车是利用地面与轮胎闻的摩擦力来减速的。制动时车轮速度减 小，在车速和轮速间存在着速度差，如图2 - 5 所示，这种现象称为滑移现 象。滑移的程度用滑移率来表示，即： 滑粹= 警x 1 0 。 ( 2 6 ) 燕山大学工学硕士学位论文 军薯 转速 图2 - 5 制动时的车速与轮速 f i g 2 - 5v e h i c l es p e e da n dw h e e ls p e e db yb r a k e 由式( 2 6 ) 可以看出，当车速等于轮速时，滑移率为零。汽车制动时两 者差别越大，滑移率越大。停车之前车轮抱死时，轮速为零，滑移率为1 0 0 。 从开始制动到滑移率达到某一数值，在这个过程中附着系数是随着滑移率 的增加而增大的。 2 2 2 2 滑移率与路面附着系数的关系附着力的大小在数值上等于附着 系数与垂直载荷的乘积。由于车轮接触地面在纵向和侧向的附着力是不尽 相同的，因此，附着力有纵向附着力和侧向附着力之分；同样，附着系数 也有纵向附着系数和侧向附着系数之分，它们的关系式分别为： e = 吼e ( 2 7 ) 只= 妒，c( 2 - 8 ) 式中：仇纵向附着系数； 妒，侧向附着系数。 附着系数表述了不同材料和花纹的轮胎与不同路面间的特性及相互作 用的综合影响。汽车轮胎属于弹性体。制动时它与路面间的相互作用是一 个十分复杂的物理过程，不同轮胎在不同道路条件下的实际附着系数值很 难通过理论计算得到，而往往通过试验确定【”】。 附着系数的大小受诸多因素的影响，与滑移率密切相关。仔细观察汽 车制动过程，可以看出轮胎留在地面上的印痕从车轮滚动到抱死拖滑是一 1 6 第2 章a b s 的基本组成及工作原理 个渐变的过程。随着制动强度的增加，车轮滚动的成分越来越小，而滑动 成分越来越大。一般用制动滑移率a 来说明制动过程中滑动成分的多少， 定义如下： a ：坐1 0 0 ( 2 9 1 v 。 车辆行驶方向上的纵向滑移率为 a ：v - - ( t , r o g o s a 1 0 0 陀1 0 1 v 侧向滑移率为 a ：堕! 竺竺1 0 0 r 2 1 1 ) v 式中v 车轮中心的纵向速度，单位m s ； 车轮自由滚动半径，即无地面制动力时的滚动半径，单位m ； 车轮转动的角速度，单位r a d s ； a 轮胎接地中心的行驶与轮胎滚动方向的夹角，称为侧偏角。 在纯滚动时，滑移率a = 0 ，纯拖滑时，滑移率a = 1 0 0 。边滚边滑 时，0 ；l 1 0 0 。滑移率越大，滑动成分越大。 附着系数与滑移率间的关系曲线是a b s 系统进行调节的主要依据1 2 1 ， 典型的附着系数与滑移率曲线如图2 - 6 所示。 由该曲线可以看出，在制动过程尚未开始时，即a = 0 时，纵向附着 系数t p ，= 0 ，侧向附着系数妒，最大。制动过程开始以后，纵向附着系数纵 随着滑移率a 的增加而迅速上升，当增加到临乔滑移率a 。时( 约为 1 0 一3 0 ) ，达到峰值附着系数吼一，该段曲线为稳定区域。滑移率a 再 继续上升，进入不稳定区域，纵向附着系数妒，逐渐下降，允= 1 0 0 时的附 着系数称为滑动附着系数。实际上根据试验求附着系数滑移率曲线时，a 超过a 。后车轮立即抱死，采集| ；l 。1 0 0 区间的数据很困难。而侧向附着系 数妒。则随着滑移率的增加一直减小，a = 1 0 0 时接近于零。此时车轮完全 抱死。轮胎与路面之间的侧向附着力接近于零，车轮将完全丧失抵抗外界 侧向力的能力。此时若车轮上存在外界侧向力的作用( 如汽车重力的分力、 燕山大学工学硕士学位论文 路面不平度产生的侧向力等1 ，车轮将会在路面上发生侧滑，这是一种极其 危险的工况。由图2 - 6 还可以看出，当车轮的滑移率处于临界滑移率附近 时，侧向附着系数约为最大侧向附着系数的5 0 7 0 。若将车轮的滑移率 控制在这一范围内，车轮的纵向附着系数最大，侧向附着系数也较大。最 大的纵向附着系数可使汽车获得制动和驱动所需的纵向附着力最大，而较 大的侧向附着系数可使汽车获得转向或防止侧滑所需的侧向附着力。 奠定区域 i i 。 精罄搴k 图2 - 6 典型附着系数一滑移率曲线 f i g 2 - 6t y p i c a la t t a c h i n gc o e f f i c i e n t - s l i pr a t ec u r v e 除滑移率之外，附着系数的数值主要决定于道路的材料、路面的状况 与轮胎结构、胎面花纹、材料以及汽车运动的速度等因素。另外，不同轮 胎的附着系数滑移率曲线也不同，一般来说，子午线轮胎具有较大的附着 系数。 2 2 2 3 减速度和加速度如图2 7 所示，对正在旋转的车轮施加制动，随 着制动压力的升高，在车轮旋转的相反方向上将产生制动力矩，轮速减小 并产生滑移。制动完全解除时，制动力矩消失，车轮从滑移状态恢复到滚 动状态。即车轮速度逐步增加到汽车速度。这种在单位时间内轮速增加或 减少的变化量叫做车轮的加速度或减速度。 般讲，制动强度越大，车轮减速度越大，在滑动状态下，解除制动 越快，车轮加速度越大。 第2 章a b s 的基本组成及工作原理 图2 。7 车轮减速度和加速度 f i g 2 - 7w h e e ld e c e l e r a t i o na n da c c e l e r a t e ds p e e d 2 3 汽车制动过程的描述 2 3 1