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东北大学硕士论文摘要 a b s 在复杂路况的虚拟仿真及动力分析 摘要 汽车工业的迅猛发展同时带来了事故的高频率发生，所以汽车安全成为当今时代的 热门话题。a b s 作为主动安全装置，人们对其需求日渐升高。a b s 是英文a n t t l 0 c k b r a k es y s t e m 的缩写，即防抱死制动系统，防抱死制动系统通过对被控车轮的制动 压力进行自适应调节，使被控车轮的制动器制动力与附着力相适应，防止被控车轮发生 制动抱死。有了a b s ，汽车无论在任何路况下，驾驶员采取任何紧急与猛烈的制动操作， 均能防止车轮抱死，并且达到最大制动力；顽且汽车的停车距离缩短，侧向稳定性好， 能保持最佳的方向操纵性。实践证明，a b s 系统的使用可使汽车侧滑事故发生率大大降 低，并提高了汽车的制动性能。 作为汽车安全性能的重要保障，汽车制动系统的研究一直是国内各高校、汽车研究 所和生产厂商的重要课题。为了缩短开发周期，保证产品优越的性能，在开发过程中， 以并行工程的概念为指导，利用各种仿真软件对制动系统进行系统仿真分析，主要是对 其操作性、稳定性和制动距离进行分析、研究和评价，提出相应的理论指导，以开发出 优异的制动防抱死系统。本文主要是针对装配四通道a b s 的汽车行驶在复杂路面上的 制动情况进行仿真而后对其分析。 首先，本文利用虚拟样机技术对汽车模型行驶在不同附着系数的路面上进行仿真分 析。日常生活中，汽车会行驶在不同路面上，比如，沙路、土路，冰雪路面等等，因此 a b s 在各种路面上的制动性能分析显得尤为重要。 其次，本文采取以滑移率为控制参数应用a d a m s 和m a t l a b 进行联合仿真，对 当汽车行驶在弯道上时的制动情况进行分析。该方法体现了a b s 的实时控制功能，讨 论了防抱死系统对汽车操控性和稳定性的影响。 关键词：a b sa d a m sm a t l a b 联合仿真 附着系数滑移率 东北大学硕士论文 v i r t u a ls i m u l a t i o na n d m o t i v i t ya n a l y s i so f a b so nd i v e r s i f o r mr o a ds u r f a c e a b s t r a c t f a s td e v e l o p m e n to fa u t oi n d u s t r yl e a d st of r e q u e n tt r a f f i ca c c i d e n t s ，s oa u t os e c u r i t y b e c o m e sap o p u l a rt o p i ci nt h ew o r l d a b ss y s t e mi sa l la c t i v es a f e t ye q u i p m e n t ，h u m a n s n e e do fw h i c hi sg o i n gt ob es t r o n g e r a b si sa na b b r e v i a t i o no fa n t i l o c kb r a k e s y s t e m t h r o u g ht h es e l f - a d a p t a t i o no nt h eb r a k i n gp r e s s u r eo ft h ew h e e lu n d e rc o n t r o l ， a b ss y s t e mc a nh e l pt h eb r a k i n gf o r c ei nc o n f o r m i t yw i t ha d h e s i v ef o r c ea n dp r e v e n tt h e w h e e lf r o ms t o p p i n gr o t a t i n g w h e nd r i v i n gac a rw i t ha b s ，t h ed r i v e rc a nb r a k ei t 、而t ha n y i m p e t u o u s a c t i o no nd i v e r s i f o r mr o a ds u r f a c e ，w i t h o u ts t o p p i n gt h ew h e e lr o t a t i n g a b sc a n m a k eb r a k i n gf o r c em a x i m a l ，b r a k i n gd i s t a n c es h o r t e s ta n dk e e pf i n el a t e r a ls t a b i l i t ya n d c o n t r 0 1 p r a c t i c ep r o v i n g ，a b ss y s t e mc a nd e b a s ef r e q u e n c yo fs i d e s l i p p i n ga c c i d e n ta n d i m p r o v eb r a k i n gc a p a b i l i t y a st h ei m p o r t a n tg u a r a n t e eo ft h es a f e t yp e r f o r m a n c eo ft h ea u t o m o b i l e ，t h er e s e a r c ho f a u t o m o b i l e b r a k i n gs y s t e m h a sa l w a y sb e e nt h em a i ns u b j e c to fd o m e s t i c u n i v e r s i t y , a u t o m o b i l er e s e a r c hi n s t i t u t ea n dt h ep r o d u c t i o nf i r m s i no r d e rt os h o r t e nd e v e l o p m e n t p e r i o da n dg u a r a n t e et h es u p e r i o rp e r f o r m a n c e ，w em i l i z es e v e r a lk i n d so fe m u l a t i o ns o f t w a r e t op e r f o r ms y s t e m a t i ce m u l a t i o na n a l y s i so nb r a k i n gs y s t e mb a s e do nc o l l a t e r a le n g i n e e r i n gi n t h ec o u r s eo fd e v e l o p i n g im a i n l ya n a l y s e ， s t u d y a n da p p r a i s ea b o u ti t sm a n u a la b i l i t y , t h es t a b i l i t ya n db r a k i n gd i s t a n c ea n dt h e np u tf o r w a r dt h ec o r r e s p o n d i n gt h e o r e t i c a ld i r e c t i o n i no r d e rt od e v e l o pt h ee x c e l l e n ta n t i - l o c kb r a k i n gs y s t e m t 1 l i sa r t i c l em a i n l ys i m u l a t e sa n d a n a l y s i st h ec a rw i mf o u r c h a n n e l sa b s o nd i v e r s i f o r mr o a ds u r f a c e f i r s t l y , t i f f sa r t i c l es i m u l a r e sa n da n a l y s i st h ec a rw i t l lf o u r - c h a n n e l sa b so nd i v e r s i f o r m r o a ds u r f a c e w i t h a d a m s i n o u r l i f e ，a u t o m o b i l e sr u n o n t h ed i f f e r e n tr o a d ，f o r i n s t a n c e ， s a n d ，s o i la n ds n o w s ob r a k i n ga b i l i t yo f a b si sv e r yi m p o r t a n t 东北大学硕士论文 s e c o n d l 5t h i sa r t i c l et a k e sa s s o c i m e ds i m u l m i o no fa d a m sa n dm a t l a bo nt h ec a r m o d e lw h e ni ti sr u n n i n go nt h ec r o o k e dr o a du n d e rs l i p p a g er a t e t h i sm e t h o dr e m i z e sr e a l - f i m ec o n t r o la n dd i s c u s s e s i n f l u e n c eo f a b st os t a b i l i t ya n dc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：a b s ；a d a m s ；m a t l a b ；a s s o c i m e ds i m u l m i o n ；f r i c t i o nc o e f t i c i e m ； r a d i u s ；s l i p p a g er a t e 独创- 陛声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 日 期： 学位论文版权使用授权书 别巧， i 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字曰期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士论文 第一章引言 第一章引言 1 1 汽车制动系统发展背景 1 1 1 发展背景 安全、经济、环保是当今汽车技术发展的三大主题。在汽车普遍成为人们代步工具 的今天，汽车的安全性不仅与车辆乘用者的安全联系紧密，也直接影响到其它交通工具， 如自行车、摩托车使用者乃至行人的安全。然而，自汽车工业诞生直至科学技术高度发 达的今天，每年因道路交通事故死伤的人数仍然惊人。 在全世界，人们接受和提高汽车安全意识是用鲜血的代价换来的。在整个2 0 世纪， 人类享受着汽车带来的繁荣和方便，在人类开辟每一块生存新天地的同时，就必须接受 它给人们带来的种种限定和规则，否则将可能付出极其惨痛的代价。 在我国汽车保有量只有世界的2 ，道路交通事故中死亡的人数却占全世晃的1 5 。 有关部门统计数字表明，在2 0 0 2 年的各类事故死亡人数中，交通事故死亡人数所占比 例为7 8 5 ，已经成为各种事故中的“第一杀手”。目前我国汽车保有量为2 0 0 0 多万辆， 仅占全球汽车保有量的2 ，而每年有1 0 余万人死于交通事故，约占全球每年死于交通 事故人数的1 5 一2 0 。我国的道路交通事故死亡人数在全国总死亡人数中已排在脑血 管、呼吸系统、恶性肿瘤、心脏病、损伤与中毒以及消化系统等严重疾病之后，居第7 位，而全世界的道路交通事故死亡人数在总死亡人数中居第1 0 位。 我国的交通事故为何如此频发? 对此，业内人士指出，造成交通事故的原因很多， 主要与交通参与者的素质、车辆机械性能以及道路设施条件有关。 然而人们选购“坐骑”往往注重车的价格，发动机排量的大小，外形及内饰的精美， 恐怕很少有人关注车头是否安排了碰撞吸能区，车门里有没有藏着防撞杆，车后座是否 装配了乘员的安全带，底盘是否装有a b s 刹车防抱死系统。需知这些直接与你、你的 家人、街上行人的身家性命息息相关。中国加入世贸组织，给老百姓带来的决不仅仅是 车价格的迅速下调，能够与世界同步地拥有现代科技保障下更加安全的汽车，也许会让 开车的和不开车的中国人能够得到更大的好处。 中国，正在与国际现行汽车安全标准接轨。国家已经颁布了关于汽车正面及侧面的 碰撞标准；实施安全气囊、a b s 的强制配置；系列安全法规也在制定中。以a b s 刹 车防抱死系统为侈j ，安装后，可以大大缩短刹车距离，并且在刹车过程中保持汽车的可 操控性，会使汽车碰撞或伤人的可能性大幅度减小。 1 1 ，2国内外a b s 的发展和历史状况 随着汽车行驶速度的提高、道路行车密度的增大、以及人们对汽车行驶安全性的要 求越来越高，a b s 已经成为汽车上的一种重要安全装置。 东北大学硕士论文 第一章引言 制动防抱死系统的实际应用始于2 0 世纪4 0 年代，首先用于铁路上，在火车上装备 a b s 系统，而飞机的发展又推动了a b s 的进步，4 0 年代末a b s 系统成功地应用于飞 机上。但这些早期的制动防抱死系统大多是机械的，利用惯性飞轮探测车轮是否抱死， 从而减少制动压力。5 0 年代制动防抱死系统开始应用于汽车工业。6 0 年代开始应用电 磁传感器探测车轮转速，控制部分主要是机械的，系统相对简单，只有在特定的车辆参 数和工况下防抱死效果才比较显著，在车辆参数及工况发生变化时，防抱死功能就会丧 失。而要改善这些性能就会增加机械系统的复杂性和体积，从经济的观点出发是不合适 的，所以a b s 的发展处于进退两难的境地。 2 0 世纪7 0 年代电子技术的迅速发展为a b s 的发展打下了坚实的基础。7 0 年代初 期，a b s 制造厂家采用分离元件的电子电路，控制器的体积比较大，多达上于个元件， 并且可靠性差，难于实用化。到7 0 年代中期，由于大规模集成电路的应用，a b s 控制 器由上千个元件减少到几百个，大大缩小了控制器的体积，并增强了可靠性，但控制功 能的实现是靠硬件构成的逻辑电路，这决定了这个时期的控制器不可能实现复杂的控制 逻辑。7 0 年代末期a b s 有了突破性的进展，由于微处理器的引入，使a b s 系统开始具 有了智能，从而奠定了a b s 系统的基础和模式。 2 0 世纪8 0 年代以后，a b s 在技术上得到了很大发展，体积逐步减小，重量逐步减 轻，控制和诊断功能不断增强。a b s 液压控制系统和控制器与控制阀体集成为一体，可 以作为一个附加系统添加到常规的制动系统中去。控制器己普遍采用以1 6 位微处理器 为核心的单片机，同时采用通用的诊断协议接口。a b s 系统除了本身朝着集成化、低价 格和大批量的方向发展外，还在原有系统上进行了扩展。8 0 年代中后期，驱动防滑( a s r ) 和牵引力控制系统( t c s ) 得n t 发展，利用原有a b s 系统只需增加部分动力系统和相应 的软件，就可以实现驱动防滑控制或牵引力控制功能，这就使得a b s 系统与a s r 和t c s 系统的同步发展成为可能。 2 0 世纪9 0 年代a b s 系统进一步简化结构、提高性能、降低成本，并以此为基础作 为必备的安全装备在各种不同车型上广泛采用。从总体上看，为了降低a b s 在汽车总 成本中的比例，a b s 趋向于采用“附加式”结构方案。 世界上现在使用较多的a b s 产品来自b o s c h 、b e n d i x 、d e l c o 、i t t 、t e v e s 和t o y o t a 等公司。 中国汽车工业“九五”科技发展规划要点指出，汽车电子控制技术是汽车工业 “九五”计划中的重点攻关项目，电予控制制动防抱死系统即a b s 是主要内容之一。 东风汽车公司从上世纪8 0 年代初就开始研究a b s ，现在该公司正在对w a h o o 公司的 a b s 产品进行剖析，并在各种路面上进行试验。重庆公路研究所的第一代a b s 电子控 制单元( e c u ) 采用了z 8 0 芯片，第二代a b s 产品采用了m c s 一9 6 系列8 0 9 8 单片机， 控制软件、传感器和执行器都是自行研制。1 9 8 4 年兴平5 1 4 厂研制了第一代防抱死制动 系统，其主要缺点是不能自动适应不同路况，以后该厂与西安公路交通大学合作研制了 东北大学硕士论文第一章引言 第二代防抱死制动系统，增设了路面识别功能的电路，但对于长轴距的大客车则不很理 想。宏安公司是我国第一个批量生产a b s 的厂家。该公司于1 9 9 3 年投产，当年生产 a b s 5 0 0 0 套。中国重型汽车研究中心1 9 9 5 年6 月对自制的a b s 系统进行了道路试验， 其生产的a b s 基本上已达到了国外同类产品的性能。清华大学已开发研制了两代a b s ， 并在分析b o s c ha b s 和b e n d i xa b s 的基础上开发研制了a b s 软件，还进行了b o s c h a b s 与南京i v e c o 旅行车，以及b e n d i xa b s 与克莱斯勒吉普车的匹配工作。 德国w 曲c o 公司于1 9 9 6 年在山东投资与中方合资组建了威明汽车产品有限公司， 生产商用车的a b s 及其他产品。i t t 汽车工业公司与1 9 9 4 年和1 9 9 6 年在上海成立了 两家合资企业，一家是上海汽车制动系统有限公司，1 9 9 7 年开始生产防抱死制动系统， 1 9 9 8 年5 月1 5 日向上海大众和一汽大众提供a b s 产品；另一家是上海汽车电器系统 有限公司，生产用于防抱死系统的汽车微电机。1 9 9 8 年广州经济开发区成立了广州博世 制动系统有限公司，生产b o s c h 公司的a b s 产品。 虽然我国现在刚刚进入a b s 产品的研制阶段，但其发展前景和接纳新技术的应用 市场确实很大的。从国家法规来看，我国制定了车辆安全性能方面的规定；从产品技术 来看，a b s 系统在理论上是可行的，技术上日趋成熟，目前研制工作正在走引进消化 与自行设计相结合的道路，可借鉴国外发展经验，结合国情加快产品技术成熟的速度； 从商品化来看，我国现己建立了a b s 产品生产厂家，供应市场，推进了a b s 商品化 的进程。 1 2 汽车防抱死系统控制的现状 当考虑基本的制动功能量，液压操纵仍然是最可靠、最经济的方法。即使增加了防 抱死制动( a b s ) 功能后，传统的“油液制动系统”仍然占有优势地位。但是就复杂性和 经济性而言，增加的牵引力控制、车辆稳定性控制和些正在考虑用于“智能汽车”的 新技术使基本的制动器显得微不足道。 传统的制动控制系统只做一样事情，即均匀分配油液压力。当制动踏板踏下时，主 缸就将等量的油液送到通往每个制动器的管路，并通过一个比例阀使前后平衡。而a b s 或其他一种制动干预系统则按照每个制动器的需要对油液压力进行调节。 目前，车辆防抱死制动控制系统( a b s ) 已发展成为成熟的产品，并在各种车辆上得 到了广泛的应用，但是这些产品基本都是基于车轮加、减速门限及参考滑移率方法设计 的。方法虽然简单实用，但是其调试比较困难，不同的车辆需要不同的匹配技术，在许 多不同的道路上加以验证；从理论上来说，整个控制过程车轮滑移率不是保持在最佳滑 移率上，并未达到最佳的制动效果。 另外，由于编制逻辑门限a b s 有许多局限性，所以近年来在a b s 的基础上发展了 车辆动力学控制系统( v d c ) 。结合动力学控制的最佳a b s 是以滑移率为控制目标的 a b s ，它是以连续量控制形式，使制动过程中保持最佳的、稳定的滑移率，理论上是一 东北大学硕士论文 第一章引言 第二代防抱死制动系统，增设了路面识别功能的电路，但对于长轴距的大客车则不很理 想。宏安公司是我国第一个批量生产a b s 的厂家。该公司于1 9 9 3 年投产，当年生产 a b s5 0 0 0 套。中l 虱重型汽车研究中心1 9 9 5 年6 月对自制的a b s 系统进行了道路试验， 其生产的a b s 基本上己达到了国外同类产品的性能。清华大学已开发研制了两代a b s 弗在分析b o s c ha b s 和b e n d i xa b s 的基础上开发研制了a b s 软件，还进行了b o s c h a b s 与南京i v e c o 旅行车，以及b e n d i xa b s 与克莱斯勒吉普车的匹配工作。 德国w a b c o 公司于1 9 9 6 年在ij 东投资与中方合资组建了威明汽车产品有限公司， 生产商用车的a b s 及其他产品。i t t 汽车工业公司与1 9 9 4 年和1 9 9 6 年在e 海成立了 两家合资企业，一家是上海汽车制动系统有限公司，1 9 9 7 年开始生产防抱死制动系统， 1 9 9 8 年5 月1 5 日向上海大众和一汽大众提供a b s 产品；另一家是上海汽车电器系统 有限公司，生产用于防抱死系统的汽车微电机。1 9 9 8 年广州经济开发区成立了广州博世 制动系统有限公司，生产b o s c h 公司的a b s 产品。 虽然我国现在刚刚进入a b s 产品的研制阶段，但其发展前景和接纳新技术的应用 市场确实很大的。从国家法规来看，我国制定了车辆安全性能方面的规定；从产品技术 来看，a b s 系统在理论上是可行的，技术上日趋成熟，目前研制工作正在走引进消化 与自行设计相结合的道路，可借鉴国外发展经验，结合国情加快产品技术成熟的速度； 从商品化来看，我国现已建立了a b s 产品生产厂家，供应市场，推进了a b s 商品化 的进程。 1 2 汽车防抱死系统控制的现状 当考虑基本的制动功能量，液压操纵仍然是最可靠、最经济的方法。即使增加了防 抱死制动( a b s ) 功能后，传统的“油液制动系统”仍然占有优势地位。但是就复杂性和 经济性而言，增加的牵引力控制、车辆稳定性控制和一些正在考虑用于“智能汽车”的 新技术使基本的制动器显得微小足道。 传统的制动控制系统只做一样事情，即均匀分配油液压力。当制动踏板踏下时，主 缸就将等量的油液送到通往每个制动器的管路，并通过一个比例阀使前后平衡。而a b s 或其他一种制动干预系统则按照每个制动器的需要对油液压力进行调节。 目前，车辆防抱死制动控制系统( a b s ) 已发展成为成熟的产品，并在各种车辆上得 到了广泛的应用，但是这些产品基本都是基于车轮加、减速门限及参考滑移率方法设计 的。方法虽然简单实用，但是其调试比较困难，不同的车辆需要不同的匹配技术，在许 多不同的道路上加以验证；从理论上来说，整个控制过程车轮滑移率不是保持在最佳滑 移率上，并来达到最佳的制动效果。 另外，由于编制逻辑门限a b s 有许多局限性，所咀近年来在a b s 的基础上发展了 车辆动力学控制系统( v d c ) 。结合动力学控制的最佳a b s 是咀滑移率为控制目标的 a b s ，它是以连续量控制形式，使制动过程中保持最佳的、稳定的滑移率，理论上是 a b s ，它是以连续量控制形式，使制动过程中保持最佳的、稳定的滑移率，理论上是一 东北大学硕士论文 第一章引言 种理想的a b s 控制系统。 滑移率控制的难点在于确定各种路况下的最佳渭移率，另一个难点是车辆速度的测 量问题，它应是低成本可靠的技术，并最终能发展成为使用的产品。对以滑移率为目标 的a b s 而言，控制精度并不是十分突出的问题，并且达到高精度的控制也比较困难； 因为路面及车辆运动状态的变化很大，多种干扰影响较大，所以重要的问题在于控制的 稳定性，即系统鲁棒性，应保持在各种条件下不失控。防抱系统要求高可靠性，否则会 导致人身伤亡及车辆损坏。 因此，发展鲁棒性的a b s 控制系统成为关键。现在，多种鲁棒控制系统应用到a b s 的控制逻辑中来。除传统的逻辑门限方法是以比较为目的外，增益调度p i d 控制、变结 构控制和模糊控制是常用的鲁棒控制系统，是目前所采用的以滑移率为目标的连续控制 系统。模糊控制法是基于经验规则的控制，与系统的模型无关，具有很好的鲁棒性和控 制规则的灵活性，但调整控制参数比较困难，无理论而言，基本上是靠试凑的方法。然 面对大多数基于目标值的控铝4 恧吉，控制规律有一定的规律。 另外，也有采用其它的控制方法，如基于状态空门及线性反馈理论的方法，模糊神 经网络控制系统等。各种控制方法并不是单独应用在汽车上，通常是几种控制方法组合 起来实施。如可以将模糊控制和p i d 结合起来，兼顾模糊控制的鲁棒性和p i d 控制的高 精度，能达到很好的控制效果。 车轮的驱动打滑与制动抱死是很类似的问题。在汽车起动或加速时，因驱动力过大 而使驱动轮高速旋转、超过摩擦极限而引起打滑。此时，车轮同样不具有足够的侧向力 来保持车辆的稳定，车轮切向力也减少，影响加速性能。由此看出，防止车轮打滑与抱 死都是要控制汽车的滑移率，所以在a b s 的基础上发展了驱动防滑系统( a s r ) 。 a s r 是a b s 的逻辑和功能扩展。a b s 在增加了a s r 功能后，主要的变化是在电子 控制单元中增加了驱动防滑逻辑系统，来监测驱动轮的转速。a s r 大多借用a b s 的硬 件，两者共存一体，发展成为a b s a s r 系统。 目前，a b s a s r 已在欧洲新载货车中普遍使用，并且欧共体法规e e c 7 1 3 2 0 已强 制性规定在总质量大于3 5 t 的某些载货车上使用，重型车是首先装用的。然而a b s a s r 只是解决了紧急制动时附着系数的利用，并可获得较短的制动距离及制动方向稳定性， 但是它不能解决制动系统中的所有缺陷。因此a b s a s r 功能，同时可进行制动强度的 控制。 a b s 只有在极端情况下( 车轮完全抱死) 才会控制制动，在部分带4 动时，电子制动使 可控制单个制动缸压力，因此反应时间缩短，确保在任一瞬间得到正确的制动压力。近 几年电子技术及计算机控制技术的飞速发展为a b s 的发展带来了机遇。德国自2 0 世纪 8 0 年代以来率先发展了a b s a s r 系统并投入市场，在e b s 的研究与发展过程中走到了 世界的前列。 德国博世公司在1 9 9 3 年与斯堪尼公司联合首次在s c a n i a 牵引车及挂车上装用了 东北大学硕士论文 第一章引言 e b s 。然而e b s 是全新的系统，它有很大的潜力，必将给现在及将来的制动系统带来革 命性的变革。 1 3 汽车制动控制系统的发展 今天，a b s a s r 已经成为欧美和日本等发达国家汽车的标准设备。车辆制动控制 系统的发展主要是控制技术的发展。一方面是扩大控制范围、增加控制功能；另一方面 是采用优化控制理论，实施伺服控制和高精度控制。 在第一方面，a b s 功能的扩充除a s r 外，同时把悬架和转向控制扩展进来，使a b s 不仅仅是防抱死系统，而成为更综合的车辆控制系统。制动器开发厂商还提出了未来将 a b s t c s 和v d c 与智能化运输系统一体化运用的构想。随着电子控制传动、悬架系统 及转向装置的发展，将产生电子控制系统之间的联系网络，从而产生一些新的功能，如： 采用电子控制的离合器可大大提高汽车静止启动的效率；在制动过程中，通过输入一个 驱动命令给电子悬架系统，能防止车辆的俯仰。 在第二个方面，一些智能控制技术如神经网络控制技术是现在比较新的控制技术， 已经有人将其应用在汽车的制动控制系统中。a b s a s r 并不能解决汽车制动中的所有 问题。因此由a b s a s r 进一步发展演变成电子控制制动系统( e b s ) ，这将是控制系统发 展的一个熏要的方向。但是e b s 要想在实际中应用开来，并不是一个简单的问题。除 技术外，系统的成本和相关的法规是其投入应用的关键。 经过了一百多年的发展，汽车制动系统的形式已经基本固定下来。随着电子，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。如凯西一海 斯( k h ) 公司在一辆实验车上安装了一种电一液( e h ) 制动系统，该系统彻底改变了制动 器的操作机理。通过采用4 个比例阀和电力电子控制装置，k h 公司的e b m 就能考虑 到基本制动、a b s 、牵引力控制、巡航控制制动干预等情况，而不需另外增加任何一种 附加装置。e b m 系统潜在的优点是比标准制动器能更加有效地分配基本制动力，从而 使制动距离缩短5 。一种完全无油液、完全的电路制动b b w ( b r a k e b y w i r e ) 的开发使 传统的液压制动装置成为历史。 b b w 是未来制动控制系统的发展方向。全电制动不同于传统的制动系统，因为其 传递的是电，而不是液压油或压缩空气，可以省略许多管路和传感器，缩短制动反应时 间。全电制动的结构主要包含以下部分： 1 电制动器。其结构和液压制动器基本类似，有盘式和鼓式两种，制动器是电动 机； 2 ，电制动控制单元( e c u ) 。接收制动踏板发出的信号。控制制动器制动；接收驻 车制动信号，控制驻车制动；接收车轮传感器信号，识别车轮是否抱死、打滑等，控制 车轮胄4 动力，实现防抱死和驱动防滑。由于各种控制系统如卫星定位、导航系统，自动 变速系统，无级转向系统，悬架系统等的控制系统与制动控制系统高度集成，所以e c u 东北大学硕士论丈 第一章引言 还得兼顾这些系统的控制； 3 轮速传感器。准确、可靠、及时地获得车轮的速度； 4 线束。给系统传递能源和电控制信号； 5 电源。为整个电制动系统提供能源。与其他系统共用。可以是各种电源，也包 括再生能源。 从结构上可以看出这种全电路制动系统具有其他传统制动控制系统无法比拟的优 点： 1 整个制动系统结构简单，省去了传统制动系统中的制动油箱、制动主缸、助力 装置。液压阀、复杂的管路系统等部件，使整车质量降低： 2 制动响应时间短，提高制动性能； 3 无制动液，维护简单； 4 系统总成制造、装配、测试简单快捷，制动分总成为模块化结构； 5 。采用电线连接，系统耐久性能良好； 6 易于改进，稍加改进就可以增加各种电控制功能。 全电制动控制系统是一个全新的系统，给制动控制系统带来了巨大的变革，为将来 的车辆智能控制提供条件。但是，要想全面推广，还有不少问题需要解决： 首先是驱动能源问题。采用全电路制动控制系统，需要较多的能源，一个盘式制动 器大约需要l k w 的驱动能量。目前车辆1 2 v 电力系统提供不了这么大的能量，因此， 将来车辆动力系统采用高压电，加大能源供应，可以满足制动能量要求，同时需要解决 高电压带来的安全问题。 其次是控制系统失效处理。全电制动控制系统面临的一个难题是制动失效的处理。 因为不存在独立的主动备用制动系统，因此需要一个备用系统保证制动安全，不论是 e c u 元件失效，传感器失效还是制动器本身、线束失效，都能保证制动的基本性能。实 现全电制动控制的个关键技术是系统失效时的信息交流协议，如t t p c 。系统一旦出 现故障，立即发出信息，确保信息传递符合法规最适合的方法是多重通道分时区 ( t d m a ) ，它可以保证不出现不可预测的信息滞后。t t p c 协议是根据t d m a 制定的。 第三是抗干扰处理。车辆在运行过程中会有各种干扰信号，如何消除这些干扰信号 造成的影响，目前存在多种抗干扰控制系统，基本上分为两种：即对称式和非对称式抗 干扰控制系统。 对称式抗干扰控制系统是用两个相同的c p u 和同样的计算程序处理制动信号。非 对称式抗干扰控制系统是用两个不同的c p u 和不一样的计算程序处理制动信号。两种 方法各有优缺点。另外，电制动控制系统的软件和硬件如何实现模块化，以适应不同种 类的车型需要；如何实现底盘的模块化，是一个重要的难题。只有将制动、转向、悬架、 导航等系统综合考虑进来，从算法上模块化，建立数据总线系统，才能以最低的成本获 得最好的控制系统。 东北大学项士论文第一章引言 电制动控制系统首先用在混合动力制动系统车辆上，采用液压制动和电制动两种制 动系统。这种混合制动系统是全电制动系统的过渡方案。由于两套制动系统共存，使结 构复杂，成本偏高。 随着技术的进步，上述的各种问题会逐步得到解决，全电制动控制系统会真正代替 传统的以液压为主的制动控制系统。 综上所述，现代汽车制动控制技术正朝着电子制动控制方向发展。全电制动控制因 其巨大的优越性，将取代传统的以液压为主的传统制动控制系统。同时，随着其他汽车 电子技术特别是超大规模集成电路的发展，电子元件的成本及尺寸不断下降。 汽车电子制动控制系统将与其他汽车电子系统如汽车电子悬架系统、汽车主动式方 向摆动稳定系统、电子导航系统、无人驾驶系统等融合在一起成为综合的汽车电子控制 系统，未来的汽车中就不存在孤立的制动控制系统，各种控制单元集中在一个e c u 中， 并将逐渐代替常规的控制系统，实现车辆控制的智能化。 但是，汽车制动控制技术的发展受整个汽车工业发展的制约。有一个巨大的汽车现 有及潜在的市场的吸引，各种先进的电子技术、生物技术、信息技术以及各种智能技术 才不断应用到汽车制动控制系统中来。同时需要各种国际及国内的相关法规的健全，这 样装备新的制动技术的汽车就会真正应用到汽车的批量生产中， 1 4 论文提出的背景 汽车防抱死制动系统( a b s ) 是减少交通事故的有效部件。发达国家翠在2 0 世纪 9 0 年代初就要求在公共汽车、货车、挂车等各类车型上安装a b s 。研究适合我国国产 车辆的经济实用型a b s 十分必要。a b s 系统的研发是一个复杂、费时又费钱的过程。 一般采用的技术线路是：方案论证、电气原理图和印刷电路板设计、市场购买有关电子 元件、元器件安装形成硬件，按一定的控制模式编写程序、程序调试和固化产生样机， 进行各种道路工况试验，根据试验结果修改程序最终形成产品。这种研发方式，由于需 要进行多次道路试验所需研制费用高、研制周期长。迫于市场竞争的压力，a b s 系统的 研制，迫切需要一种研制周期短、研制费用低的行之有效的途径。 尽管目前国外的各种制动控制系统层出不穷，并且在国内投产的一些新车型中开始 了应用。但是由于很多车型采用全散装件( c o m p l e t e l yk n o c kd o w n ，c k d ) 或者半散 装件( s e m ik n o c kd o w n ，s k d ) 生产方式，核心技术基本上为外方所控制，国内汽车 厂商采购使用的a b s 等系统也多数出自外资公司。国内在核心技术领域还显得相对落 后。随着中国成为世界第四大汽车生产国，渐渐成为世界加工基地，近年来国内对发展 自主知识产权汽车的呼声越来越高，发展汽车技术，尤其是些新领域的技术核心，已 东北大学硕士论文第一章引言 经被提高到国家战略性的高度。 作为汽车安全性能的重要保障，汽车制动系统的研究一直是国内各高校、汽车研究 所和生产厂商的重要课题。为了缩短开发周期，保证产品优越的性能，在开发过程中， 以并行工程的概念为指导，利用各种仿真软件对制动系统进行系统仿真分析，主要是对 其操作性、稳定性和制动距离进行分析、研究和评价，提出相应的理论指导，以开发出 优异的制动防抱死系统，更好的提高车辆的制动性能。 但同时有些厂家为了占领市场，打出了装有a b s 的车型，有的是机械式a b s ，有 的是电子式a b s ；有的控制通道又分四通道、三通道、二通道等等。看到这些五花八门 的介绍时，在选购汽车时不知哪种a b s 对汽车的安全性能更好一些。 1 5 本文的研究意义和主要内容 1 5 1 研究意义： 车辆模型的计算机仿真涉及系统仿真学、计算机技术和汽车设计技术。车体模型、 悬架模型、发动机模型、制动系统模型和驾驶员模型等都可以在设计前通过计算机仿真， 预计成品的参数和属性，为产品的设计提供具有相当价值的参考。由于车辆系统是一个 非常复杂的控制系统，精确的数学模型的建立、外界输入的模拟等都存在着需要解决的 问题。汽车模型的计算机仿真是一个混合仿真系统，通过建立虚拟车辆模型，模拟实时 的汽车运行环境。不仅避免大量复杂的数学模型研究与程序编写，还可以从整体角度研 究不同系统之间的相互影响。为a b s ( a n t i - - l o c kb r a k i n gs y s t e m ) 产品的开发打下基础。 大大提高了设计效率，也降低了设计成本。 1 5 2 主要内容： 1 掌握a d a m s 软件在动力学方面的建模、方程的建立和m a t l a b 联合求解的 过程。 2 在研究汽车制动理论的基础上，说明汽车制动的虚拟仿真研究过程，并通过整 车模型的建立来说明虚拟样机的建模过程。 3 根据最佳滑移率理论，进行对具有防抱死制动系统的虚拟模型研究，并对汽车 行驶在不同附着系数路面上时进行仿真分析。 4 根据最佳滑移率理论，进行对装有四通道a b s 系统的汽车模型在弯道时的制动 情况进行分析、评价。 东北大学硕士论文 第二章a b s 的基本理论 第二章a b s 的基本理论 2 1 汽车制动系统的基本性能要求 现代汽车作为一种高速道路交通运输工具，应该具有较高的平均行驶速度。但汽车 行驶的道路条件和交通环境又是非常复杂的，为保证安全，要求汽车必须能在各种道路 条件下都可靠、稳定地迅速减速停车，使汽车减速停车的系统即为汽车的制动系统。随 着高速公路迅速发展和车流密度日益增大，保证行车安全及成为现代汽车的首要性能要 求之一，受到人们的广泛关注。现代汽车制动系统分为行车制动、驻车制动、应急制动 和辅助制动4 种系统装置。 行车制动系统给汽车以必要的减速度，将车速降低到所要求的程度，直至停车。 驻车制动装置用来使汽车可靠地在原地停驻。此外，驻车制动装置还有助于汽车在 坡道上起步。 应急制动装置利用机械力源进行制动。对于采用动力制动或伺服制动的汽车，应该 装备应急制动装置。一旦发生蓄压压力过低等行车制动系统故障时，可用应急制动装置 实现汽车制动。 辅助制动装置主要有排气制动装置、缓速器等，用于实现汽车下长坡时保持稳定车 速或高速时稳定减速的作用，可以减轻或解除行车制动装置的工作负荷。 制动系统是汽车的一个重要组成部分，为了确保其功能的实现，对于现代汽车制动 系统有如下6 项基本性能要求： 1 制动能力。包括行车制动能力和驻车能力。 行车制动能力用一定制动初速度下的制动减速度和制动距离两项指标评定。本文主 要研究汽车的行车制动能力，因为几乎绝大多数的事故都出自于汽车运行时。 2 可控制性能。用任何速度制动时汽车都不应该丧失操纵性和方向稳定性。 当汽车以较高初速度紧急制动时，若汽车前轮抱死，则将丧失操纵性：若汽车后轮 抱死，则将丧失方向稳定性。汽车前、后轮制动器制动力矩应有一个较台适的比例，且 这一比例最好能随各轴向载荷转移情况而变化，否则，制动时会发生某一轴车轮首先抱 死滑移，而造成汽车无法操纵或甩尾，甚至自动调头等危险状况。 3 制动响应性能。主要用制动协调时间来评价。 一般来说，液压制动系统的审4 动协调时间较短，以致可忽略不计，但气压制动系统 的制动协调时间较长，以至于足以影响以平均减速度或制动距离来评价商用汽车的制动 性能。 4 操纵轻便性。要求制动踏板和手柄的位置和行程，以及踏板力和手柄力能为一 般体形和体力的驾驶员所适应。 5 制动效率。指制动系统将给定的踏板力或制动管路压力转变为轮胎与路面之间 东北大学硕士论文第二章a b s 的基本理论 作用的制动力的能力。 6 热稳定性能。主要取决于制动器的吸散热能力( 紧急制动期间的吸热能力和持 续制动期间的散热能力) 。 2 2 汽车制动过程分析 汽车防抱死制动系统( a n t i l o c kb r a k es y s t e m ) ，通常叫汽车防抱制动系统，简称 a b s 。它是汽车上的一种主动安全装置，其作用是在汽车制动时，防止车轮抱死在路面 上滑拖，以提高汽车制动过程中的方向稳定性、转向控制能力和缩短制动距离，使汽车 制动更为安全有效。 4 - - 譬犍1 ： 图2 1 车轮受力 f i g 2 1t h e t o r q u e o n t h e w h e e l 车辆制动过程是车轮制动力矩和地面制动力相互作用的过程，在此过程中，车轮不 仅受到制动器施加的制动力矩的作用，还收到地面纵向制动力和横向摩擦力的影响。在 良好的硬路面上制动时汽车车轮受力状况如图2 1 所示。图中m 。是制动器制动盘与制 动片之间的摩擦力矩，j 已是车轮轮胎胎面与地面之间作用的地面制动力，c 是汽车车 体作用于车轮的垂直载荷，丁是车轴作用与车轮的推力，g 是地面对车轮的法向反作用 力。忽略滚动阻力和风阻。 从车轮的受力平衡可得： ，4 冬：m ，一也岛 ( 2 1 ) 其中：v 是车轮质心的速度； i d 是车轮的角速度； ，是车轮的转动惯量； 使汽车减速停止的外力是地面作用于汽车车轮轮胎胎面的地面制动力x 。，产生的 原理主要取决于两个摩擦力；制动器内制动片与制动盘之间的摩擦力；车轮轮胎与地面 东北大荦硕士论文 第二章a b s 的基本理论 间的摩擦力。 轮胎与地面间的最大摩擦力即为地面附着力。在汽车制动时，当制动器制动力未达 到某一极限值时，制动器摩擦力矩不大，地面与轮胎间的摩擦力( 地面制动力) 足以克 服制动器摩擦力矩而使车轮滚动。当制动器制动力