（电力电子与电力传动专业论文）汽车防抱死制动系统的设计.pdf

西北工业大学硕士学位论文abs tract a b s t r a c t a n t i - l o c k b r a k i n g s y s t e m ( a b s ) i s a k i n d o f s a f e t y d e v i c e w h i c h c a n a d j u s t t h e b r a k i n g f o r c e a u t o m a t i c a l l y , a v o i d i n g t h e l o c k - u p o f w h e e l s . a b s o f w h i c h i s b a s e d o n c o n v e n t io n a l c o n t r o l s y s t e m i s a k i n d o f e l e c t r i c a l - m e c h n i c a l s y s t e m ,w h i c h u s e s i n t e l l i g e n t c o n t r o l t e c h n o l o g y t o a g a i n s t t h e w h e e l b r a k e d a n d b a l a n c e b r a k i n g f o r c e s o a b s c a n p r o v i d e d i r e c t io n a l s t a b i l i t y a n d s t e e r a b i l i t y o f v e h i c l e s a n d h e l p t o t a k e t h e m o s t a d v a n t a g e o f t h e r o d e a d h e s iv e f o r c e , s o w e c a n o b t a i n m a x i m u m b r a k i n g f o r c e o n d r i v i n g a n d a l s o r e d u c e t h e b r a k i n g d i s t a n c e . t h i s p a p e r i s b a s e d o n t h e w o r k i n g t h e o r y o f a n t i - l o c k b r a k i n g s y s t e m , a p p l y i n g a n s i n g l e w h e e l m o d e l , a n a l y z i n g t h e l o c a m o t i o n o f a b s i n b r a k i n g . b a s e d o n t h e w h e e l s l i p c o m p u t e d . r a t i o o f abs . g i v e nv e h i c l e s p e e d a n d w h e e l s p e e d , t h e w h e e l s l i p r a t i o i s c h o i c i n g ms p 4 3 0 f 1 4 9mi c r o p r o c e s s o r ,d e s i gni n g i n p u t c i r c u i t . o u t p u t d r i v i n g c i r c u i t a n d f a u l t d i a gno s i s c i r c u i t . e x p a t i a t i n g a b s s y s t e m e a c h f u n c t io n o f s o f t w a r e m o l d p i e c e r e a l i z e s w a y o f t h i n k i n g w it h m e t h o d , a c c o m p l i s h i n g c o n t r o l a n d d i a g n o s i s s o f t w a r e d e s i g n . t h e a n t i - l o c k b r a k i n g s y s t e m h a s a l r e a d y p a s s e d t h e b a s i s f u n c t i o n e x p e r i m e n t i n s i m u l a n t t e s t e r . t h e r e s u l t s h o w s t h a t t h e h a r d w a r e d e s i gn o f t h e a n t i - l o c k b r a k i n g s y s t e m i s f e a s i b l e , t h e c o n t r o l s t r a t e g y u s e d i s c o r r e c t a n d e f f i c i e n c y , t h e s y s t e m i s s t a b l e , r e l i a b l e a n d s a f e. k e y w o r d s : a n t i - l o c k b r a k i n g s y s t e m( a b s ) ;s l i p r a t i o ; c o n t rol s t r a t e g y ;mi c ro p ro c e s s o r 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章 绪论 1 . 1防抱死制动系统概述 1 . 1 . 1防抱死制动系统的产生 当汽车以较高的车速在表面潮湿或有冰雪的路面上紧急制动时， 很可能会出 现这样一些危险的情况: 车尾在制动的过程中偏离行进的方向， 严重的时候会出 现汽车旋转掉头， 汽车失去方向稳定性， 这种现象称为侧滑; 另一种情况是在制 动过程中驾驶员控制不了汽车的行驶方向， 即汽车失去方向可操纵性， 若在弯道 制动， 汽车会沿路边滑出或闯入对面车道， 即便是直线制动，也会因为失去对方 向的控制而无法避让对面的障碍物。 产生这些危险状况的原因在于汽车的车轮在 制动过程中产生抱死现象， 此时， 车轮相对于路面的运动不再是滚动， 而是滑动， 路面作用在轮胎上的侧滑摩擦力和纵向制动力变得很小， 路面越滑， 车轮越容易 出现抱死现象;同时汽车制动的初速度越高，车轮抱死所产生的危险性也越大。 这将导致汽车可能会出现下面三种情况: 、制动距离变长 、方向稳定性变差，出现侧滑现象，严重时出现旋转掉头 、方向操纵性丧失，驾驶员不能控制汽车的行驶方向 防 抱 死制 动系 统a b s ( a n t i - l o c k b r a k i n g s y s t e m ) 是 一种主 动安 全 装置， 它在制动过程中根据“ 车辆一路面” 状况， 采用电子控制方式自 动调节车轮的制 动力矩来达到防止车轮抱死的目的。 即在汽车制动时使车轮的纵向处于附着系数 的峰值， 同时使其侧向也保持着较高的附着系数， 防止车轮抱死滑拖， 提高制动 过程中的方向 稳定性、转向 控制能力和缩短制动距离，使制动更为安全有效。 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， 汽车行驶的安全性理所当然是最应受到关注的问题。 影响汽 车安全性的因素很多， 诸如汽车的制动性、 操纵性、 行驶的稳定性、 抵御外界影 响 ( 碰撞、 擦挂等) 的能力等都影响汽车的安全性。 统计资料显示， 在道路交通 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章 绪论 1 . 1防抱死制动系统概述 1 . 1 . 1防抱死制动系统的产生 当汽车以较高的车速在表面潮湿或有冰雪的路面上紧急制动时， 很可能会出 现这样一些危险的情况: 车尾在制动的过程中偏离行进的方向， 严重的时候会出 现汽车旋转掉头， 汽车失去方向稳定性， 这种现象称为侧滑; 另一种情况是在制 动过程中驾驶员控制不了汽车的行驶方向， 即汽车失去方向可操纵性， 若在弯道 制动， 汽车会沿路边滑出或闯入对面车道， 即便是直线制动，也会因为失去对方 向的控制而无法避让对面的障碍物。 产生这些危险状况的原因在于汽车的车轮在 制动过程中产生抱死现象， 此时， 车轮相对于路面的运动不再是滚动， 而是滑动， 路面作用在轮胎上的侧滑摩擦力和纵向制动力变得很小， 路面越滑， 车轮越容易 出现抱死现象;同时汽车制动的初速度越高，车轮抱死所产生的危险性也越大。 这将导致汽车可能会出现下面三种情况: 、制动距离变长 、方向稳定性变差，出现侧滑现象，严重时出现旋转掉头 、方向操纵性丧失，驾驶员不能控制汽车的行驶方向 防 抱 死制 动系 统a b s ( a n t i - l o c k b r a k i n g s y s t e m ) 是 一种主 动安 全 装置， 它在制动过程中根据“ 车辆一路面” 状况， 采用电子控制方式自 动调节车轮的制 动力矩来达到防止车轮抱死的目的。 即在汽车制动时使车轮的纵向处于附着系数 的峰值， 同时使其侧向也保持着较高的附着系数， 防止车轮抱死滑拖， 提高制动 过程中的方向 稳定性、转向 控制能力和缩短制动距离，使制动更为安全有效。 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， 汽车行驶的安全性理所当然是最应受到关注的问题。 影响汽 车安全性的因素很多， 诸如汽车的制动性、 操纵性、 行驶的稳定性、 抵御外界影 响 ( 碰撞、 擦挂等) 的能力等都影响汽车的安全性。 统计资料显示， 在道路交通 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 事故中， 大约1 0 %的事故3 7 1 是由 于车辆在制动瞬间偏离预定轨道或甩尾造成的 因此完善制动性能是减少交通事故的重要措施。 汽车行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向稳定性和在下长坡时能维持 一定车速的能力称为汽车的制动性。 汽车的制动性还应包括汽车能在一定坡度的 坡道上长时间 停车不动的 性能 1 3 1 汽车的制动性主要由下列三个方面来评价: 1 .制动效能 在一定车速行驶时，采取制动措施后能使之停下的距离己相应的制动减速 制动距离越短， 越有利于避免交通事故的发生， 它是制动性最基本的评价指 度标 2 .制动时汽车的方向稳定性 汽车制动时，维持原有的行驶方向， 不发生跑偏， 侧滑， 性能。 汽车制动过程中，失去方向稳定性和失去转向控制能力 不失去转向功能的 ， 都是造成交通事 故的重要原因。 3 .制动效能的恒定性 汽车在连续多次制动或涉水后仍具备必要的制动功能的能力，即抗衰退性。 抗衰退性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。 1 . 1 . 2防抱死制动系统的优点 a b s 与常规制动系统相比，有以 下优点 2 6 1 1 .改善制动效能. 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2 0 % 左右， 充分利用纵向峰值附着系数和较大的侧向附着系数， 使车轮 和地面间产生最大的地面制动力，缩短了制动距离。 2 .改善汽车制动时的方向稳定性。汽车制动时，四个轮子的制动力是不一 样的。如果汽车的前轮抱死滑拖，驾驶员就无法控制汽车的行驶方向， 汽车就失 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 事故中， 大约1 0 %的事故3 7 1 是由 于车辆在制动瞬间偏离预定轨道或甩尾造成的 因此完善制动性能是减少交通事故的重要措施。 汽车行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向稳定性和在下长坡时能维持 一定车速的能力称为汽车的制动性。 汽车的制动性还应包括汽车能在一定坡度的 坡道上长时间 停车不动的 性能 1 3 1 汽车的制动性主要由下列三个方面来评价: 1 .制动效能 在一定车速行驶时，采取制动措施后能使之停下的距离己相应的制动减速 制动距离越短， 越有利于避免交通事故的发生， 它是制动性最基本的评价指 度标 2 .制动时汽车的方向稳定性 汽车制动时，维持原有的行驶方向， 不发生跑偏， 侧滑， 性能。 汽车制动过程中，失去方向稳定性和失去转向控制能力 不失去转向功能的 ， 都是造成交通事 故的重要原因。 3 .制动效能的恒定性 汽车在连续多次制动或涉水后仍具备必要的制动功能的能力，即抗衰退性。 抗衰退性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。 1 . 1 . 2防抱死制动系统的优点 a b s 与常规制动系统相比，有以 下优点 2 6 1 1 .改善制动效能. 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2 0 % 左右， 充分利用纵向峰值附着系数和较大的侧向附着系数， 使车轮 和地面间产生最大的地面制动力，缩短了制动距离。 2 .改善汽车制动时的方向稳定性。汽车制动时，四个轮子的制动力是不一 样的。如果汽车的前轮抱死滑拖，驾驶员就无法控制汽车的行驶方向， 汽车就失 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 去了转向操纵能力， 只能按惯性力的方向运行， 无法避开行人和障碍物: 若后轮 先抱死，则会出现侧滑、甩尾，甚至使汽车整个调头等严重事故。 3 .改善汽车制动时的横向稳定性.如果车轮抱死，横向附着系数 ( 也称侧 向附着系数) 就非常小， 汽车极易侧滑。 a b s 把滑移率控制在8 % - - 2 5 % 之间， 横向附着系数较大，有足够的抵抗横向千扰的能力。 4 .改善车轮的磨损状况。汽车车轮抱死滑拖会造成轮胎局部杯型磨损，轮 胎面磨损也会不均匀， 使轮胎磨损消耗增加。 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， 己超过一套防抱死制动系统的造价， 缩短轮胎的 使用寿命，a b s系统可以防止这种情况出现。 5 .减轻驾驶员的劳动强度，减少驾驶员紧张情绪，提高了乘客的乘坐舒适 性和安全性。 6 .使用方便， 工作可靠， 维修简便。 制动时只要把脚踏在制动踏板上， a b s 系统就会根据情况自 动进入工作状态，如遇雨雪路滑， 驾驶员也没有必要用一连 串的点刹车方式进行制动， a b s 系统会使制动状态保持在最佳点。 如果发现系统 有故障，就会自 动恢复为常规制动状态。 1 . 2防抱死制动系统的发展历史 a b s 发展至今，其发展史大致可划分为三个阶段。 1 3 2 0 世纪3 0 年代至5 0 年代，这一时期是a b s 诞生和初步发展的时期。制动 防抱死系统最初不是用在汽车上， 而是首先用在铁路机车上， 以防止火车车轮制 动抱死后在钢轨上滑行使制动距离延长， 同时造成局部摩擦， 致使车轮、 钢轨早 期损坏和车轮不能平稳旋转而产生噪声和振动。 随后又应用于飞机上， 以防止飞 机着陆后制动跑偏、甩尾和轮胎剧烈磨损，缩短滑行距离。在3 0 年代机械式防 抱死制动系统就开始在飞机上获得应用。由于飞机对制动时的方向稳定性要求 高，而a b s的价格占飞机总价格比例较小，机场的场面条件简单，尾部机轮可 以精确测量机速，从而可获得正确的滑移率，实现精确控制等一系列有利条件， 使 a b s在飞机上的应用取得成功，普及率很快上升，并很快成为飞机上的标准 装备。 汽车上使用a b s 始于2 0 世纪5 0 年代，福特汽车公司首先将它装配在汽车 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 去了转向操纵能力， 只能按惯性力的方向运行， 无法避开行人和障碍物: 若后轮 先抱死，则会出现侧滑、甩尾，甚至使汽车整个调头等严重事故。 3 .改善汽车制动时的横向稳定性.如果车轮抱死，横向附着系数 ( 也称侧 向附着系数) 就非常小， 汽车极易侧滑。 a b s 把滑移率控制在8 % - - 2 5 % 之间， 横向附着系数较大，有足够的抵抗横向千扰的能力。 4 .改善车轮的磨损状况。汽车车轮抱死滑拖会造成轮胎局部杯型磨损，轮 胎面磨损也会不均匀， 使轮胎磨损消耗增加。 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， 己超过一套防抱死制动系统的造价， 缩短轮胎的 使用寿命，a b s系统可以防止这种情况出现。 5 .减轻驾驶员的劳动强度，减少驾驶员紧张情绪，提高了乘客的乘坐舒适 性和安全性。 6 .使用方便， 工作可靠， 维修简便。 制动时只要把脚踏在制动踏板上， a b s 系统就会根据情况自 动进入工作状态，如遇雨雪路滑， 驾驶员也没有必要用一连 串的点刹车方式进行制动， a b s 系统会使制动状态保持在最佳点。 如果发现系统 有故障，就会自 动恢复为常规制动状态。 1 . 2防抱死制动系统的发展历史 a b s 发展至今，其发展史大致可划分为三个阶段。 1 3 2 0 世纪3 0 年代至5 0 年代，这一时期是a b s 诞生和初步发展的时期。制动 防抱死系统最初不是用在汽车上， 而是首先用在铁路机车上， 以防止火车车轮制 动抱死后在钢轨上滑行使制动距离延长， 同时造成局部摩擦， 致使车轮、 钢轨早 期损坏和车轮不能平稳旋转而产生噪声和振动。 随后又应用于飞机上， 以防止飞 机着陆后制动跑偏、甩尾和轮胎剧烈磨损，缩短滑行距离。在3 0 年代机械式防 抱死制动系统就开始在飞机上获得应用。由于飞机对制动时的方向稳定性要求 高，而a b s的价格占飞机总价格比例较小，机场的场面条件简单，尾部机轮可 以精确测量机速，从而可获得正确的滑移率，实现精确控制等一系列有利条件， 使 a b s在飞机上的应用取得成功，普及率很快上升，并很快成为飞机上的标准 装备。 汽车上使用a b s 始于2 0 世纪5 0 年代，福特汽车公司首先将它装配在汽车 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 上，这开创了汽车使用a b s的先河。1 9 6 9 年，林肯大陆牌i i i 型汽车安装了由凯 。 海斯研制成功的奥托一 林纳防抱死装置。 装在后轮上的传感器能发送讯号到杂物 箱后面的计算机， 当传感器向计算机发出 制动器将要抱死讯号时， 计算机便控制 制动管路上的真空操纵阀，以降低后制动器的油压。 装用 a b s的轿车在光滑路面制动时确实提高了其稳定性，但在不好路面上 制动， 其制动距离较一般制动系的汽车长， 加上a b s的体积、 质量大， 价格高， 销路很有限。 制动厂家终于在7 0 年代中期停止了a b s 汽车的生产。由于科学技 术的发展，欧洲随后研制成由数字计算机组成的较为现代型的 a b s 。数字计算 机不易受干扰， 速度快， 可以 把降低增加制动液压循环的次数增加到每秒十余次。 其速度完全可以与数字计算机处理数据的速度相匹配。这种较为现代的a b s体 积小、质量轻、动作更快、更准确。 波许公司在2 0 世纪6 0 年代初就开始a b s的开发工作， 于1 9 7 8 年正式生产 出a b s 1 型汽车防抱死制动系统， 以后相继开发出将汽车防抱死制动系统与驱动 力自 动调节装置有机结合的a b s / a s r系统。 该公司于 1 9 7 5 年研制出部分集成 模拟信号处理的第一代 a b s产品，以后又相继研制出全数字化和高度集成化的 a b s 产品， 并将微机控制用于制动系统中。 德国的坦威斯公司( t e v e s ) 于1 9 8 4 年首次推出了整体式a b s 坦威斯 mk 1 1 ， 该系统将防抱死制动压力调节装置 与制动主缸和液压制动助力器组合为一个整体，而在该系统出现以前，所有的 a b s都是将制动压力调节装置作为一个单独的整体，附加在常规的制动系统中， 即采用的都是分离式结构。 2 0 世纪3 0 5 0 年代，西方国家研制出纯机械式的a b s 并少量装备于汽车。 到了6 0 年代， 模拟电子技术在a b s 上开始使用， 但因成本太高， 可靠性也不稳 定，未能在汽车上广泛使用。7 0 年代后期出现了数字式电子控制的a b s ，从而 揭开了现代a b s 大发展的序幕。 通过数字化和集成化， 使a b s 的组件数目 大大 减少，降低了成本， 提高了可靠性， 欧、 美、日的汽车公司逐步在汽车上装备了 a b s 。进入7 0年代后，随着电子技术的进步，数字电子技术、大规模集成电路 的发展和微机的运用，电子控制式a b s日 趋成熟， 成本不断降低， 并且体积小、 质量轻、 控制精度高， 其安全效能十分显著， 普遍受到人们的欢迎和认可， 为其 迅速普及创造了条件。2 0世纪 8 0年代a b s向着提高效能成本比的方向发展， 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 是汽车a b s 研制生产应用迅速发展的阶段， 加之法规的推动作用， a b s已成为 汽车上标准装备或选择装备。 1 . 3防抱死制动系统的发展趋势 1 . a b s 本身控制技术的提高。 现代制动防抱死装置多是电子计算机控制， 这也反映了 现代汽车制动系向电 子化方向发展。 基于滑移率的控制算法容易实现连续控制， 且有十分明确的理论 加以指导， 但目 前制约其发展的瓶颈主要是实现的成本问题。随着体积更小、 价 格更便宜、可靠性更高的车速传感器的出现，a b s系统中增加车速传感器成为 可能，确定车轮滑移率将变得准确而快速。 全电 制动控制系 统b b w ( b r a k e - b y - w i r e ) 是未 来制动控制系统的 发展方向 之一。 它不同于传统的制动系统， 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， 维护简单， 易于改进， 为未来的 车辆智能控制提供条件。 但是， 它还有不少问题需要解决， 如驱动能源问题， 控 制系统失效处理， 抗干扰处理等。目 前电制动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。 2 .防滑控制系统 防滑控制系统 a s r ( a c c e l e r a t i o n s l i p r e g u l a t io n ) 或称为 牵引 力 控制系统 t c s ( t r a c t i o n c o n t r o l s y s t e m ) 是 驱动时 防止车 轮打 滑， 使车轮获得最 大限 度 的驱动力， 并具有行驶稳定性， 减少轮胎磨损和发动机的功耗， 增加有效的驱动 牵引力。 防滑控制系统包括两部分: 制动防滑与发动机牵引力控制。 制动部分是 当驱动轮 ( 后轮) 在低附着系数路面工作时，由于驱动力过大，则产生打滑，当 a s r 制动部分工作时， 通过传感器将非驱动轮及驱动轮的轮速信号采集到控制器 中， 控制器根据轮速信号计算出驱动车轮滑移率及车轮减、 加速度， 当滑移率或 减、 加速度超过某一设定阀值时， 则控制器打开开关阀， 气压由储气筒直接进入 制动气室进行制动，由于三通单向阀的作用气压只能进入打滑驱动轮的制动气 室， 在低附着系数路面上制动时， 轮速对压力十分敏感， 压力稍稍过大， 车轮就 会抱死。 为此利用a b s 电磁阀对制动压力进行精细的调节， 即用小步长增压或减 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 是汽车a b s 研制生产应用迅速发展的阶段， 加之法规的推动作用， a b s已成为 汽车上标准装备或选择装备。 1 . 3防抱死制动系统的发展趋势 1 . a b s 本身控制技术的提高。 现代制动防抱死装置多是电子计算机控制， 这也反映了 现代汽车制动系向电 子化方向发展。 基于滑移率的控制算法容易实现连续控制， 且有十分明确的理论 加以指导， 但目 前制约其发展的瓶颈主要是实现的成本问题。随着体积更小、 价 格更便宜、可靠性更高的车速传感器的出现，a b s系统中增加车速传感器成为 可能，确定车轮滑移率将变得准确而快速。 全电 制动控制系 统b b w ( b r a k e - b y - w i r e ) 是未 来制动控制系统的 发展方向 之一。 它不同于传统的制动系统， 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， 维护简单， 易于改进， 为未来的 车辆智能控制提供条件。 但是， 它还有不少问题需要解决， 如驱动能源问题， 控 制系统失效处理， 抗干扰处理等。目 前电制动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。 2 .防滑控制系统 防滑控制系统 a s r ( a c c e l e r a t i o n s l i p r e g u l a t io n ) 或称为 牵引 力 控制系统 t c s ( t r a c t i o n c o n t r o l s y s t e m ) 是 驱动时 防止车 轮打 滑， 使车轮获得最 大限 度 的驱动力， 并具有行驶稳定性， 减少轮胎磨损和发动机的功耗， 增加有效的驱动 牵引力。 防滑控制系统包括两部分: 制动防滑与发动机牵引力控制。 制动部分是 当驱动轮 ( 后轮) 在低附着系数路面工作时，由于驱动力过大，则产生打滑，当 a s r 制动部分工作时， 通过传感器将非驱动轮及驱动轮的轮速信号采集到控制器 中， 控制器根据轮速信号计算出驱动车轮滑移率及车轮减、 加速度， 当滑移率或 减、 加速度超过某一设定阀值时， 则控制器打开开关阀， 气压由储气筒直接进入 制动气室进行制动，由于三通单向阀的作用气压只能进入打滑驱动轮的制动气 室， 在低附着系数路面上制动时， 轮速对压力十分敏感， 压力稍稍过大， 车轮就 会抱死。 为此利用a b s 电磁阀对制动压力进行精细的调节， 即用小步长增压或减 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 压，以达到最佳的车轮滑移的效果 既可以得到最大驱动力， 也可保持行驶的稳 定性。 3 . 电子控制制动系统 由于a s s 在功能方面存在许多缺陷， 如气压系统的滞后， 主车与接车制动相 容性问题等。为改善这些，出现了电子制动控制系统e b s ( e l e c t r o n i c s b r e a k s y s t e m ) 它是 将气压 传动 改 为电 线 传 动， 缩 短了 制 动响 应时 间。 最 重要的 特点 是 各个车轮上制动力可以 独立控制。控制强度则由司机踏板位移信号的大小来决 定，由压力调节阀、 气压传感器及控制器构成闭环的连续压力控制， 这样可以在 外环形成一个控制回路，来实现各种控制功能，如制动力分布控制、减速控制、 牵引车与挂车处祸合力控制等。 4 .车辆动力学控制系统 车辆动力学控制系统v d c ( v e h i c l e d y n a m i c s c o n t r o l )是在a b s 的基础上 通过测量方向盘转角、横摆角速度和侧向加速度对车辆的运动状态进行控制。 v d c 系统根据转向角、油门、 制动压力，通过观测器决定出车辆应具有的名义 运动状态。 同时由轮速、 横摆角速度和侧向加速度传感器测出车辆的实际运动状 态。 名义状态与实际状态的差值即为控制的状态变量， 控制的目 的就是使这种差 值达到最小， 实现的方法则是利用车轮滑移率特性。 车辆动力学控制系统目的是 改善车辆操纵的稳定性，它可以 在车辆运动状态处于危险状态下自 动进行控制。 其主要作用就是通过控制车辆的横向运动状态， 使车辆处于稳定的运动状态， 使 人能够更容易地操纵车辆。 5 . 控制系统总线技术。 随着汽车技术科技含量的不断增加， 必然造成庞大的布线系统。 因此， 需要 采用总线结构将各个系统联系起来， 实现数据和资源信息实时共享， 并可以减少 传感器数量， 从而降低整车成本， 朝着系统集成化的方向发展。 目 前多使用c a n 控制器局域网络( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 用于汽车内部测量与执行部件之间的 数据通信协议。 西北t业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 . 4国内防抱死制动系统的研究和应用概况 我国a b s 的研究始于2 0 世纪8 0 年代初， 现刚刚进入产品试制和装车试验阶 段。 随着我国市场经济的不断发展及汽车保有量和车速的不断提高， 行车安全问 题变得越来越突出。 a b s 系统的研究在我国成为热门课题， 许多高校、科研单位 和生产厂家正在加快研究攻关和技术引进步伐。 国内研制a b s 的单位主要有东风 汽车公司、交通部重庆公路研究所、重庆宏安a b s 有限公司、陕西兴平5 1 4 厂、 西安公路学院、清华大学、西安艾韦机电科技公司等单位和部门。东风公司从 8 0 年代初就开始研究a b s ， 是较早研究a b s 的厂家之一， 现研究工作的主要目 标 是对国外的产品进行消化吸收。 重庆公路研究所相继开发出了两代a b s 产品， 第 一代a b s 的e c u 采用了z 8 0 芯片。 第二代a b s 产品为f k x - a c i 型， 该装置的e c u 中的c p u 微处理器采用了美国工 n t e l 公司的m c s - 9 6 系列8 0 9 8 单片机。 我国目 前 己 着手制定有关车辆安全性方面的法规， 并决定首先在重型汽车和大客车上安装 a b s 系统。 从 1 9 9 8 年起， 国产的奥迪、 桑塔纳和富康等轿车， 己普遍装上了a b s . 预 计 不 久 的 将 来 ， 我 国 自 己 生 产 的 汽 车 上 都 会 装 用a b s . 1 . 5主要研究工作 根据西安艾韦机电科技公司提出的具体要求， 给出了相应的a b s 设计方案， 并进行了初步试验， 理论和试验结果都表明， 此设计方案能够将汽车在制动时车 轮的滑移率限制在一定范围之内，避免车轮抱死，满足了控制要求。 第二章首先给出了汽车防抱死系统工作原理， 分析了a b s 制动系统的特点、 附着系数与滑移率的关系曲线:通过本章对a b s制动系统主要组成部分的原理 和模型进行的研究，对a s s 的工作原理有一个初步的了 解。 第三章对防抱死制动系统a s s 的电子控制单元e c u的硬件电路和故障诊断 电路进行了设计。 对所选用的器件和电路进行了分析。 实践表明， 控制电路能够 满足a b s的实时性控制要求，故障诊断电路能够准确的检测出元器件故障，为 维修人员提供便利。 第四章对 “ p i d控制方式， 、 “ 最优化控制方式” 、 “ 滑模变结构控制方式” 和 “ 基于门限值的控制策略” 等进行了比较与研究， 最终采用基于车轮角加、 减速 西北t业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 . 4国内防抱死制动系统的研究和应用概况 我国a b s 的研究始于2 0 世纪8 0 年代初， 现刚刚进入产品试制和装车试验阶 段。 随着我国市场经济的不断发展及汽车保有量和车速的不断提高， 行车安全问 题变得越来越突出。 a b s 系统的研究在我国成为热门课题， 许多高校、科研单位 和生产厂家正在加快研究攻关和技术引进步伐。 国内研制a b s 的单位主要有东风 汽车公司、交通部重庆公路研究所、重庆宏安a b s 有限公司、陕西兴平5 1 4 厂、 西安公路学院、清华大学、西安艾韦机电科技公司等单位和部门。东风公司从 8 0 年代初就开始研究a b s ， 是较早研究a b s 的厂家之一， 现研究工作的主要目 标 是对国外的产品进行消化吸收。 重庆公路研究所相继开发出了两代a b s 产品， 第 一代a b s 的e c u 采用了z 8 0 芯片。 第二代a b s 产品为f k x - a c i 型， 该装置的e c u 中的c p u 微处理器采用了美国工 n t e l 公司的m c s - 9 6 系列8 0 9 8 单片机。 我国目 前 己 着手制定有关车辆安全性方面的法规， 并决定首先在重型汽车和大客车上安装 a b s 系统。 从 1 9 9 8 年起， 国产的奥迪、 桑塔纳和富康等轿车， 己普遍装上了a b s . 预 计 不 久 的 将 来 ， 我 国 自 己 生 产 的 汽 车 上 都 会 装 用a b s . 1 . 5主要研究工作 根据西安艾韦机电科技公司提出的具体要求， 给出了相应的a b s 设计方案， 并进行了初步试验， 理论和试验结果都表明， 此设计方案能够将汽车在制动时车 轮的滑移率限制在一定范围之内，避免车轮抱死，满足了控制要求。 第二章首先给出了汽车防抱死系统工作原理， 分析了a b s 制动系统的特点、 附着系数与滑移率的关系曲线:通过本章对a b s制动系统主要组成部分的原理 和模型进行的研究，对a s s 的工作原理有一个初步的了 解。 第三章对防抱死制动系统a s s 的电子控制单元e c u的硬件电路和故障诊断 电路进行了设计。 对所选用的器件和电路进行了分析。 实践表明， 控制电路能够 满足a b s的实时性控制要求，故障诊断电路能够准确的检测出元器件故障，为 维修人员提供便利。 第四章对 “ p i d控制方式， 、 “ 最优化控制方式” 、 “ 滑模变结构控制方式” 和 “ 基于门限值的控制策略” 等进行了比较与研究， 最终采用基于车轮角加、 减速 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 度和滑移率门限值的控制策略， 该设计方案能够满足设计精度要求， 并且设计成 本较低。 本章对该控制策略进行了深入研究， 给出了 控制系统流程图， 并在模拟 试验台上进行了试验。 第五章对研究工作进行了总结，并展望了汽车a b s 制动系统发展方向 。 西北工业大学硕士学位论文第二常防抱死制动系统基本原埋 第二章 防抱死制动系统基本原理 a b s 系统能够通过控制制动过程中车轮的运动状态，使车轮不产生抱死，保 证汽车制动时处于最佳的制动状态， 即保持方向稳定性、 方向操纵性和缩短制动 距离。 所以，要对a b s 系统进行研究，就必须先了解汽车制动时的制动特性。 2 . 1制动时汽车的运动 2 . 1 . 1制动时汽车受力分析 汽车在制动的过程中主要受到地面给汽车的作用力、 风的阻力和自 身重力的 作用。 地面对汽车的作用力又分为: 作用在车轮上垂直于地面的支承力和作用在 车轮上平行于地面的力。 汽车在直线行驶并受横向外界干扰力作用和汽车转弯时 所受到地面给汽车的力如图 2 - 1所示。其中 f : 为地面作用在每个车轮上的地面 制动力， 他的大小决定于路面的纵向附着系数和车轮所受的载荷。 所有车轮上所 受地面制动力的总和作为地面给汽车的总的 地面制动力， 他是使汽车在制动时减 速并停止的主要作用力。f y为地面作用在每个车轮上的侧滑摩擦力，侧滑摩擦 力的大小取决于侧向附着系数和车轮所受的载荷， 当车轮抱死时， 侧滑摩擦力将 变得很小， 几乎为零。 汽车直线制动时， 若受到横向干扰力的作用， 如横向风力 或路面不平， 汽车将产生侧滑摩擦力来保持汽车的直线行驶方向， 如图2 - 1 ( a 行驶方向 心.(a) 横向干扰力 直线行驶 ( b ) 转弯行驶 图2 - 1汽车直线和转弯制动时的平面受力简图 所示。 若汽车在转弯时制动或在制动时转弯， 也将产生侧滑摩擦力使汽车能够转 向，如图 2 - 1 ( b ) 所示。地面制动力决定制动距离的长短，侧滑摩擦力则决定 西北工业大学硕士学位论文第二常防抱死制动系统基本原埋 第二章 防抱死制动系统基本原理 a b s 系统能够通过控制制动过程中车轮的运动状态，使车轮不产生抱死，保 证汽车制动时处于最佳的制动状态， 即保持方向稳定性、 方向操纵性和缩短制动 距离。 所以，要对a b s 系统进行研究，就必须先了解汽车制动时的制动特性。 2 . 1制动时汽车的运动 2 . 1 . 1制动时汽车受力分析 汽车在制动的过程中主要受到地面给汽车的作用力、 风的阻力和自 身重力的 作用。 地面对汽车的作用力又分为: 作用在车轮上垂直于地面的支承力和作用在 车轮上平行于地面的力。 汽车在直线行驶并受横向外界干扰力作用和汽车转弯时 所受到地面给汽车的力如图 2 - 1所示。其中 f : 为地面作用在每个车轮上的地面 制动力， 他的大小决定于路面的纵向附着系数和车轮所受的载荷。 所有车轮上所 受地面制动力的总和作为地面给汽车的总的 地面制动力， 他是使汽车在制动时减 速并停止的主要作用力。f y为地面作用在每个车轮上的侧滑摩擦力，侧滑摩擦 力的大小取决于侧向附着系数和车轮所受的载荷， 当车轮抱死时， 侧滑摩擦力将 变得很小， 几乎为零。 汽车直线制动时， 若受到横向干扰力的作用， 如横向风力 或路面不平， 汽车将产生侧滑摩擦力来保持汽车的直线行驶方向， 如图2 - 1 ( a 行驶方向 心.(a) 横向干扰力 直线行驶 ( b ) 转弯行驶 图2 - 1汽车直线和转弯制动时的平面受力简图 所示。 若汽车在转弯时制动或在制动时转弯， 也将产生侧滑摩擦力使汽车能够转 向，如图 2 - 1 ( b ) 所示。地面制动力决定制动距离的长短，侧滑摩擦力则决定 西北工业大学硕士学位论文 第二章防抱死制动系统基本原理 了汽车制动时的方向 稳定性。 这里将作用在前轮上的侧滑摩擦力称为转弯力， 将 作用在后轮上的侧滑摩擦力称为 侧向力。 转弯力和汽车的方向操纵性有关， 它保 证了汽车能够按照驾驶员的意愿转向; 侧向力和汽车的方向稳定性有关， 它保证 了汽车的行进方向。 转弯力越大， 汽车的方向操纵性越好; 侧向 力越大，汽车的 方向稳定性越好。 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、 坏路、 水湿路、干路、 直路、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 . 1 . 2车轮抱死时汽车运动情况 车轮抱死时汽车所受到的侧滑摩擦力将会变的很小， 这将使汽车制动时保持 方向操纵性和方向 稳定性的转弯力和侧向力变的很小， 使汽车在制动时出 现一些 危险的运动情况。 对a b s 系统来说， 就是要防止这些危险情况的出现。 下面从汽 车在一种路面上直线和转弯制动两方面简单讨论一下当车轮抱死时汽车的运动 情况。 1 .汽车在一种路面上直线运动制动车轮抱死时可能出 现的运动情况如图 2 - 2 所示。 图2 - 2 ( a )为只有前轮抱死时， 由 于前轮的 转弯力基本为零， 无法进行 正常的转向操作。 为制动时前轮全部抱死而后轮不抱死汽车的运动情况示意， 当 前轮抱死时转弯力为零， 驾驶员无法控制汽车的方向使汽车转向来避让前方的障 碍物， 这时由于汽车后轮不抱死， 所以 汽车仍具有侧向力来维持方向 稳定性。 图 2 -2 ( b ) 为只有后轮抱死时， 后轮的侧向力接近于零， 汽车仍具有方向操纵性， 但会因后轮抱死而失去方向稳定性使汽车侧滑。 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曲 线行驶( 这种运动叫 外旋转)。图 2 - 2 ( c )为前后车轮全部抱死时时转弯力和侧向力都为零， 这种 状态很不稳定， 路面不均匀、 左右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。 2 汽车在一种路面上转弯制动车轮抱死时可能出现的运动情况如图 2 -3 所示。所有这些运动情况若在制动时出现，都是极其危险的。 西北工业大学硕士学位论文 第二章防抱死制动系统基本原理 了汽车制动时的方向 稳定性。 这里将作用在前轮上的侧滑摩擦力称为转弯力， 将 作用在后轮上的侧滑摩擦力称为 侧向力。 转弯力和汽车的方向操纵性有关， 它保 证了汽车能够按照驾驶员的意愿转向; 侧向力和汽车的方向稳定性有关， 它保证 了汽车的行进方向。 转弯力越大， 汽车的方向操纵性越好; 侧向 力越大，汽车的 方向稳定性越好。 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、 坏路、 水湿路、干路、 直路、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 . 1 . 2车轮抱死时汽车运动情况 车轮抱死时汽车所受到的侧滑摩擦力将会变的很小， 这将使汽车制动时保持 方向操纵性和方向 稳定性的转弯力和侧向力变的很小， 使汽车在制动时出 现一些 危险的运动情况。 对a b s 系统来说， 就是要防止这些危险情况的出现。 下面从汽 车在一种路面上直线和转弯制动两方面简单讨论一下当车轮抱死时汽车的运动 情况。 1 .汽车在一种路面上直线运动制动车轮抱死时可能出 现的运动情况如图 2 - 2 所示。 图2 - 2 ( a )为只有前轮抱死时， 由 于前轮的 转弯力基本为零， 无法进行 正常的转向操作。 为制动时前轮全部抱死而后轮不抱死汽车的运动情况示意， 当 前轮抱死时转弯力为零， 驾驶员无法控制汽车的方向使汽车转向来避让前方的障 碍物， 这时由于汽车后轮不抱死， 所以 汽车仍具有侧向力来维持方向 稳定性。 图 2 -2 ( b ) 为只有后轮抱死时， 后轮的侧向力接近于零， 汽车仍具有方向操纵性， 但会因后轮抱死而失去方向稳定性使汽车侧滑。 汽车不能保持原来的行驶方向， 由于离心力和前轮转向力