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武汉理工大学 硕士学位论文 汽车ABS性能的台架测试方法研究 姓名：刘石鸣 申请学位级别：硕士 专业：车辆工程 指导教师：徐达;徐立 20061201 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 汽车制动性能是汽车主要性能之一，它关系到汽车的行驶安全性。A B S ( A n t i L o c kB r a k i n gS y s t e m ) 制动防抱死系统是防止车轮抱死，减少汽车滑动和 防止车辆侧滑的主要装置。然而，随着车辆的使用以及一些其它因素，都可能导 致A B S 性能下降，给车辆的安全行驶带来了隐患。因此，A B S 的检测对于评估其 性能十分重要。 A B S 的检测手段包括道路试验检测和台架试验检测。目前的A B S 测试试验主 要以道路试验为主，但是国内的汽车制动试验场在路面的组成、结构及其各路面 附着系数的组合上只有少数场地达到国家标准。另外，A B S 台架测试仍然脱离不 了实车测试，而且占地面积较大，且检验车型范围受到一定限制，给测试带来不 便。 本课题就是为了能够在实验室环境下测试A B S 综合性能，充分研究A B s 结构 原理及性能指标后，依据国外最新的台架测试方法，结合混合仿真平台d S P A C E 和车辆动力学模型T c s i s ，设计出了一种新的台架测试方案。设计方案分为两步： 开环测试和闭环测试。开环测试采用信号发生器模拟轮速信号，信号传送到A B S 模块，促使电磁阀动作，观察电磁阀动作；进一步采用电动机带动齿圈转动模拟 轮速信号，轮速传感器接收并传送到A B S 模块，通过压力传感器测试各轮缸压力 变化值。闭环测试将A B S 部件信号输入输出接口通过d S P A C E 的I O 接口相连组成 回路，首先配置T c s i s 中的车辆动力学模型，在离线情况下验证模型的配置，最 终采用回路仿真实现对A B S 各种性能参数的采集以及分析。通过上述的试验方 案，可以测试A B S 的几大性能指标：滑移率均值S 、滑移率均方差s s 、稳 定系数s e 、制动压力均值i 、制动压力均方差D p 。 课题初步拟定了A B S 综合性能试验台架设计方案，但是基于仿真技术还不够 成熟，车辆动力学模型不能与实际车辆相比，以及电磁阀控制管路压力变化中存 在时间延迟等因素影响了仿真试验台架的准确性、实时性。总体上来说，该课题 为A B S 综合性能测试提供了具有参考价值的试验方法。 关键词：A B S 混合仿真d S P A C ET e s i s 武汉理工大学硕士学位论文 A B S T R A C T A u t o m o b i l eb r a k ep e r f o r m a n c ei sO n eo fa u t o m o b i l em a j o rp e r f o r m a n c e ，i t c o n c e r n st h es a f e t yo fa u t o m o b i l et r a v e l i n g A n t i L o c kB r a k i n gS y s t e mp r e v e n t w h e e l sf r o ml o c k i n g ，r e d u c et h es l i d eo fa u t o m o b i l ea n dp r e v e n ts l i d eo fs i d e d i r e c t i o no fv e h i c l e H o w e v e r , w j l ht h eu s i n go fv e h i c l ea n ds o m eo t h e rf a c t o r s , i tc a l l c a u s ea u t o m o b i l eA B St ol o s ei t sf u n c t i o no rm a k ei t sf u n c t i o nd r o p a n di tc a nb r i n g h i d d e nt r o u b l e sf o rv e h i c l et r a v e l i n g A B St e s t i n gm e t h o d si n c l u d er o a d - t e s t i n ga n db e d - t e s t i n g ，a c t u a lA B S t e s t i n g m e t h o di sr o a d t e s t i n g , b u tr o a ds u r f a c es i t u a t i o na n df r i c t i o nc o e f f i c i e n t so ft h e i n t e r n a la u t o m o b i l eb r e a kp r o v i n gg r o u n di sn o ta c c o r d e dw i t hn a t i o ns t a n d a r d O t h e r w i s e ，a c t u a lA B Sb e d - t e s t i n gs t i l ln e e dw h o l ev e h i c l et e s t ，a n dn e e db i ga r e ao f t e s tg r o u n d 1 n l eb o u n do ft e s tv e h i c l ei sl i m i t e db yt e s t - b e d , s ot h a tm e t h o di sn o t a p p l i e di ne v e r yt e s ts i t u a t i o n T h ea i mo ft h i ss u b j e c ti st od e s i g nan e ws c h e m eo ft e s t - b e df o rA B Si nl a b A c c o r d i n gt h eo v e r s e a sl a t e s tn e wm e t h o d ，t h et e s t - b e dm e r g et h em i xs i m u l a t i o n p l a t f o r m - d S P A C Ea n dv e h i c l em o d e l T e s i s ，a f t e rt h es u f f i c i e n tr e s e a r c ho fA B S c o n f i g u r a t i o n t h e o r ya n di n d e xo fp e r f o r m a n c e n es c h e m eh a v et w os t e p ：o p e nl o o p t e s ta n dc l o s e dl o o pt e s t O p e nl o o pt e s t , f i r s tu s es i g n a lg e n e r a t o rs i m u l a t et h ew h e e l s p e e ds i g n a l ，a f t e rt h es p e e ds i g n a ls e n tt ot h eA B S E C U ，t h e ns o l e n o i d sh a v ea c t i o n T h e ne l e c t r o m o t o rd r i v et h et o o t h e de x c i t e rw h e e l s ，w h e e ls p e e ds e n s o r sb r i n gt h e s i g n a lt ot h eA B SE C U ，f i n a l l yp r e s s u r es e n S O r st e s tt h ev a r i a b i l i t yo fp r e s s u r eo f e v e r yw h e e lp u m p s ；C l o s e dl o o pt e s t ，c o n n e c tt h eA B Ss i g n a lF Oi n t e r f a c ei nl o o p w i t hd S P A C EF Oi n t e r f a c e ，f i r s tc o n f i g u r et h ev e h i c l ed y n a m i c sm o d e lo fT e s i s ，i n o p e nl o o ps i t u a t i o nv a l i d a t et h ev e h i c l ed y n a m i c sm o d e l 1 a s t l y , u s et h eh a r d w a r ei n t h el o o pm e t h o dc o l l e c ta n da n a l y s es e v e r a li n d e xo fp e r f o r m a n c e ，t h ea v e r a g eo fs l i p r a t i o ，s t a b i l i z a t i o nc o e f f i c i e n t ，t h ea v e r a g eo fb r e a kp r e s s u r ee t c T h i ss u b j e c tp i l o ts t u d yt h eb e d t e s t i n ge v a l u a t i o nm e t h o do fA B Sp e r f o r m a n c e ， B u tt h es i m u l a t i o nt e c h n o l o g yh a sn o tv e r yw e l lr e c e n t l y ，t h ev e h i c l ed y n a m i c sm o d e l c a nn o ts u b s t i t u t et h ea c t u a lv e h i c l e ，t h eh y s t e r e s i so fh a r d w a r ei n f l u e n c et h ev e r a c i t y a n dr e a l t i m eo fs i m u l a t i o n G e n e r a l l y ，t h i ss u b j e c tp r o v i d ean e wa n dc o n s t r u c t i v e t e s t i n gm e t h o do f A B Sp e r f o r m a n c e K e yW o r d ：A B S m i x e ds i m u l a t i o nd S P A C ET e s i s n 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 汽车从发明到今天已经一个多世纪了。在现代社会，汽车已成为人们工作、 生活中不可缺少的一种交通工具。汽车在为人们造福的同时，也带来大气污染、 噪声和交通安全等一系列问题。汽车本身又是一个复杂的系统，随着行驶里程的 增加和使用时问的延续，其技术状况将不断恶化。因此，一方面要不断研制性能 优良的汽车；另一方面要借助维护和修理，恢复其技术状况。汽车综合性能检测 就是在汽车使用、维护和修理中对汽车的技术状况进行测试和检验的一门技术。 随着科学技术的不断发展，越来越多的高新技术被应用于汽车上，使汽车的 性能迅速得到提高。与此同时，汽车的维修制度在逐渐发生变化，“定期检测、 按需维护”已经成为世界上大多数国家维修体制的基本原则。目前发达国家基本 上不再进行汽车的整车大修。只是根据检测报告对汽车进行针对性的调整，维修 作业，恢复汽车的技术性能，消除隐患，保证具有良好的使用性能。为了快速、 准确、方便地诊断汽车运行故障和检测汽车的使用性能，必须大力发展汽车检测 技术和诊断设备。 1 2 国内外汽车检测技术发展概况 汽车检测技术是伴随着汽车技术的发展而发展的。在汽车发展的早期，人们 主要是通过有经验的维修人员发现汽车的故障并作有针对性的修理。随着现代科 学技术的进步，特别是计算机技术的进步，汽车检测技术也飞速发展。目前人们 能依靠各种先进的仪器设备，对汽车进行不解体检测，而且安全、迅速、可靠。 1 2 1 国外汽车检测技术发展状况 汽车检测技术是从无到有逐步发展起来的，早在5 0 年代在一些工业发达国家 就形成以故障诊断和性能调试为主的单项检测技术和生产单项检测设备。6 0 年代 初期进入我国的汽车检测试验设备有美国的发动机分析仪、英国的发动机点火系 武汉理工大学硕士学位论文 统故障诊断仪和汽车道路试验速度分析仪等，这些都是国外早期发展的汽车检测 设备。6 0 年代后期，国外汽车检测诊断技术发展很快，并且大量应用电子、光学、 理化与机械相结合的光机电、理化机电一体化检测技术。例如：非接触式车速仪、 前照灯检测仪、车轮定位仪、排气分析仪等都是光机电、理化机电一体化的检测 设备。进入7 0 年代以来，随着计算机技术的发展，出现了汽车检测诊断、数据采 集处理自动化、检测结果直接打印等功能的汽车性能检测仪器和设备。在此基础 上，为了加强汽车管理、各工业发达国家相继建立汽车检测站和检测线，使汽车 检测制度化。目前，国际汽车检测设备处于电子化、集成化的发展阶段，并向一 体化迈进，电子显示、电子控制等在这些设备的工作过程中起到了重要的作用， 不同功能的检测设备仪器通过电子基础实现信息传递，走向集成化。国外部分汽 车检测设备仪器已是机电一体化、智能化的综合体，产品质量高、工艺性好、使 用方便可靠。 1 2 2 国内汽车检测技术发展和应用 我国从6 眸代开始研究汽车检测技术，为满足汽车维修需要，当时交通部主 持进行了发动机汽缸漏气量检测仪、点火正时灯等检测仪器的研究、开发。7 0 年代，我国大力发展了汽车检测技术，汽车不解体检测技术及设备被列为国家科 委的开发应用项目。由交通部主持研制开发了反力式汽车制动试验台；惯性式汽 车制动试验台：发动机综合检测仪；汽车性能综合检验台( 具有制动性检测、底 盘测功、速度测试等功能) 。进入8 0 年代，随着国民经济的发展，科学技术的各 个领域都有了较快的发展，汽车检测及诊断技术也随之得到快速发展，加之我国 的汽车制造业和公路交通运输业发展迅猛，对汽车检测诊断技术和设备的需求也 与日俱增。我国机动车保有量迅速增加，随之而来的是交通安全和环境保护等社 会问题。如何保证车辆快速、经济、灵活，并尽可能不造成社会公害等问题，已 逐渐被提到政府有关部门的议事同程，因而促进了汽车诊断和检测技术的发展。 交通部主持研制开发了汽车制动试验台、侧滑试验台、轴( 轮) 重仪、速度试验 台、灯光检测仪、发动机综合分析仪、底盘测功机等等。 近二十年来，随着经济的发展与科技的进步，我国公路运输发展迅速，汽车 拥有量与R 俱增。与此相适应，社会对保障行车安全、对汽车行驶的经济性、可 靠性、舒适性的要求不断提高，同时对汽车能源消耗及环保问题的关注也同益突 出。电子燃油喷射、A B S 制动防抱死装置、电控自动变速器及各种电子技术在汽 2 武汉理工大学硕士学位论文 车上的应用，国内汽车技术结构发生了很大的变化，对汽车检测诊断设备的需求 越来越大，并对其性能、质量、可靠性等提出了更好的要求，促进了汽车检测设 备仪器的应用与发展。目前我国汽车检测诊断设备生产企业约3 0 0 多家，已经能 够开发和生产具有一定水平的检测诊断设备仪器，有的产品已逐步形成了独立的 类别和系列，基本上满足了2 0 多万家汽车维修企业和2 0 0 0 多条汽车检测线的设备 需要。但是，由于国内在这个领域里起点低，起步晚，整体水平比较落后，产品 技术含量低，品种不全，不能形成系列产品，产品质量不稳定，甚至产品外观粗 糙等，但是从发展的角度看，我国的汽车检测设备正在以较快的速度缩小与国际 产品水平的差距。随着汽车不解体检测诊断技术的日臻成熟、检测设备( 国产) 的 日趋完善，已经可以用检测设备仪器对汽车的安全性f 制动、侧滑、转向、前照 灯等) 、可靠性( 异响、磨损、变形、裂纹等) 、动力性( 车速、加速能力、底盘输 出功率、发动机功率、扭矩和供给系、点火系状况等) 、经济性( 燃油消耗) 及噪声 和废气排放状况等进行检测诊断，目前除对某些集成，如离合器、机械变速器、 主减速器等的故障诊断还没有方便、实用的检测设备仪器可利用外，已经能够对 汽车的整体技术状况、汽车维修质量、汽车制造质量等进行检测诊断并综合评价， 已被广泛地应用于汽车制造、汽车使用管理、汽车维修等行业。 汽车检测站是综合利用检测诊断技术的场所，最近1 0 年来发展很快，检测设 备多采用国内第四代、第五代产品或进口的先进产品，检测系统以较高的起点应 用了当计算机网络和自动控制领域中的最新技术，硬件设计采用标准通用的工业 控制方式，简单合理、科学规范、内容丰富、功能强大，整个系统自动化程度高， 易于扩充，适应性广，可维护性好。系统采用集中与分散式相结合的网络化工作 模式，信号分步采集，数据集中管理，采用标准通用且性能稳定可靠的计算机替 代了单片( 板) 机，并采用计算机局域网络结构彻底解决串行通讯方式的传输率 低，可靠性差的问题，真正实现了所有电信号设备检测入网的全自动检测。 1 3 现存的汽车 B S 性能测试方法及发展趋势 1 3 1 现存的A 陷性能检测手段 对于批量生产的汽车产品出厂前的A B S 质量检测和在用汽车A B S 的性能定 期测试，达到测试A B S 功能是否币常以及A B S 性能的优劣的目的。现存的汽车制 动防抱死系统( A B S ) 的检测手段主要包括道路试验检测和台架试验检测。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 1 1 道路试验 汽车装用A B S 的目的首先是为了提高车辆在低附着系数路面紧急制动时的 制动操纵稳定性，其次才是追求缩短制动距离。因此，对A B S 的性能进行试验与 评价时必须使用以低附着系数道路为主的多种状态实验路面：结冰路面、积雪路 面、潮湿路面、干燥路面等。 一般来说，自然状态下的上述路面尤其是结冰路面与积雪路面是受季节与地 区条件所限的，而且，在自然状态下上述几种路面的技术组合也是很难获得的。 目前，德国、日本等工业发达国家已经普遍使用专门建造的特种路面试验场进行 A B S 车辆的道路试验与性能评价。 图1 1 国外典型的A B S 汽车性能试验场的路面结构示意图 国外典型的A B S 汽车制动性能试验场的路面构成及其组合情况如图l 一1 所 示，其路面构成中，模拟结冰的路面通常是特种瓷片铺装的路面( 洒水后，其路 面附着系数为0 1 2 左右1 ；模拟积雪路面的通常是B a s a l t 铺装路面( 洒水后，其路面 附着系数为O 2 5 左右) ；模拟潮湿路面的通常是打磨水泥混凝土路面( 洒水后，其 路面附着系数为O 4 0 5 1 ；干燥路面为一般水泥混凝土路面( 附着系数为O 6 5 0 8 ) ；根据试验与测试目的的需要，上述路面又可匹配成为：均匀附着系数路( 单 一附着系数路面实验道) 、分离附着系数路( 由两种单一附着系数路面左右并列组 成的实验道) 和阶跃附着系数路( 由两种单一附着系数路面纵向连接组成的实验 道) 等组合路面试验道路。 对于室外道路试验，国内的汽车制动试验场在路面的组成、结构及其各路面 4 武汉理工大学硕士学位论文 附着系数的组合上已有海南汽车试验场和东风襄樊汽车试验场达到国家标准。道 路测试情况如图1 2 所示： 图l 2 道路试验图 A B S 的使用性能最终应体现在装用该A B S 的车辆的制动性及制动稳定性上。 对装用A B S 的车辆主要进行如下试验及其项目评价： 1 ) 直线行驶紧急制动试验：主要评价装用A B S 的车辆的制动距离、制动减 速度、制动侧滑量等制动性能； 2 ) 转向行驶紧急制动试验：主要评价装用A B S 的车辆的横摆角速度、侧偏 角、蛇行状态等制动操纵稳定性能； 强化试验：主要评价装用A t i S 的车辆的制动踏板反冲力及其行程变化、 误动作情况、车身振动，以及A B S 系统噪声与系统工作可靠性等实用性 能。 1 3 1 2 台架试验 目前国内A B S 台架主要采用滚筒式惯性制动试验台。 滚筒式惯性试验台架结构示意如图1 3 所示：台架由5 个测速传感器( 1 、2 、 3 、4 、5 ) ，4 个支撑滚筒( a 、b 、e 、D ，4 个主动滚筒( c 、d 、g 、h ) ，4 个扭矩仪( A 、 B 、C 、D ) 以及两个链轮( E 、F ) 和飞轮组共同组成，另外整个台架的前后滚筒组 的距离，可随着汽车轴距的不同而相应变化的。由于支撑滚筒的转动惯量很小， 当汽车制动时，其转速会很快与汽车轮胎的转速一致，即可以看作测速传感器1 、 2 、3 、4 分别测得的是汽车前左、前右、后左、后右轮的转速，而测速传感器5 则测得的是所模拟汽车制动过程的车身速度，于是就可以求出各个轮胎制动时的 5 武汉理工大学硕士学位论文 滑移率，同时通过测速传感器5 还可以对汽车里程表进行校正。在扭矩测量方面， 扭矩仪A 测得的是整车制动时的力矩，扭矩仪B 测得的是右前轮、左后轮、右后 轮的制动时的力矩，扭矩仪c 测得的是左后轮制动时的力矩，扭矩仪D 测得的是 左后轮和右后轮制动时的力矩。可见，如果扭矩仪D 所测得的力矩减去扭矩仪C 所测得的力矩，即可得到右后轮的制动力矩，回理可得到左前轮、右前轮的制动 力矩。若用制动力矩除以制动鼓到轮胎外边缘的距离则可以得到制动器的制动 力。另外，让待检测汽车在台架上运行，然后断开离合器，则可以测得各个轮胎 的阻滞力以及总的阻滞力。 母后母 D F 图1 3 滚筒式惯性试验台架结构示意图 另外测速传感器5 在测转速的同时还对滚筒转过的圈数进行了记录，可求得 待检汽车在某一起始制动速度下的制动距离。 通过滚筒式惯性试验台模拟各种道路情况，能够测试车速、各车轮转速、制 动力、以及制动距离。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 1 3 两种实验方法的优缺点 道路试验法检验A B S 性能的优点是直观、简便、能真实的反映实际工程中 汽车动态的制动性能，能综合反映汽车其他系统的结构性能对汽车A B S 性能的 影响，如转向机构、悬架系统机构和形式对制动方向稳定性的影响，且不需要大 型设备与厂房。但也存在下列不足之处： 1 1 只能反映整车制动性能的好坏，而对于各轮的制动状况及制动力的分 配，虽能定性分析，但不易取得定量的数值。 不易诊断故障发生的部位。 3 1 重复性较差。制动距离的长短和制动减速度的大小，往往因驾驶员操作 方法、路面状况和交通状况而异。只有在专用试验仪器的情况下才能获 得重复性较好的检验结果。 舢除道路附着系数条件要求外，路试还将受到气候条件等的限制。 研消耗燃料，磨损轮胎，紧急制动时的冲击载荷对汽车各部件都有不良的 影响。 台架测试法检验制动性能的优点是迅速、准确、安全，不受外界条件的限制， 重复性较好，能测得各车轮的制动全过程( 制动力随时间增长的过程) 。有利于 分析前、后轴制动力的分配及每轴制动力的平衡状态、制动协调时间等参数，给 故障诊断提供可靠依据。 1 3 2A B S 性能测试方法发展趋势 由于台架测试的操作简便，可重复性高，不受外界条件限制，已经成为A B S 性能检测的发展方向，但对于现有滚筒式实车条件下的台架试验需要对台架与车 辆进行匹配，而且占地面积较大，且检验车型范围受到一定限制。 近年来计算机技术飞速发展，很多专门的公司开发了混合仿真的计算机平 台。国外大型的汽车及汽车电子产品公司，欧宝、奥遮、通用、博世等都利用 A B S 硬件在回路仿真( H I L S ) 台架试验方法进行A B SE C U 的测试。如下图1 4 ，是德国奥迪汽车股份公司开发的一种用于测试防抱死制动系统的工业型硬件 在回路测试台。 A u d iH I L 测试工作台中使用了T E S I S 公司开发的V e D Y N A 三维汽车动力 学模型，将真实的A u d iA 8 型液压制动系统或A u d iA 8Q u a t t r o 四轮驱动的液压 7 武汉理工大学硕士学位论文 制动系统置于一畏I 试架上，该测试架与A B SE C U 和d S P A C E 及P C 主机等同时 相连构成硬件在回路测试台。通过该试验台中d S P A C E 运行车辆动力学模型v c - - D Y N A ，并实现信号的输入与输出，完成回路。 在线测试时可以在C o n t r o l D e s k 中采集和监控车辆的各个参数( 如轮速、轮加 速度、制动压力等) ，通过这些采集的数据可以分析A B S 性能。此外还可以很方 便在C o n t r o l D e s k 中改变车辆的操纵以及路面信息，例如改变路面的摩擦系数，改 变车辆的行驶时问，改变道路情况等，从而在各种不同的仿真条件下对A B S 进行 测试。实验中除了采集实时的车辆参数进行分析外，还要对A B S 的进行故障测试 ( 如电源短路故障) 以及A B s 负载工作能力( 如电磁阀) 测试。 图1 - - 4A B S 工业型硬件在回路测试台 由于车辆系统和行车环境的复杂性，单纯依靠车辆试验不仅造价高、周期长、 而且重复性差，而单纯利用计算机仿真很难准确地反映实际情况。综合利用仿真 平台和车辆动力学模型，可以采用A B S 实验室测试，无需受场地和车型的限制， 将来，硬件回路测试是将来A B S 性能检测一个发展趋势。 1 4 本课题研究内容 根据目I j A B s 测试试验以道路试验为主，但是圉内的汽车制动试验场在路面 的组成、结构及其各路面附着系数的组合上只有少数场地达到国家标准。而且进 8 武汉理工大学硕士学位论文 行实车的测试的代价是非常昂贵的，为了进行极限情况下的测试，通常需要寒冷 或炎热的环境，对于测试人员来说很难实现，而且会造成一定的人生安全的威胁。 另外，目前的A B S 台架测试仍然脱离不了实车测试，而且占地面积较大，且检验 车型范围受到一定限制，给测试带来不便。 本课题就是为了开发出脱离实车的新型的A B S 性能测试试验台，结合目前国 外先进的仿真技术和车辆动力学模型软件方法，进行了试验台的方案设计。 本课题的具体内容如下： 1 1 从理论上介绍汽车制动防抱死系统的基本原理和结构，工作过程，比较 A B SE C U 各种控制方法的优劣。 从力学方面上分析了A B S 对汽车性能的影响；给出现有的A B S 道路试 验和台架测试的性能评价指标。 3 1 参考国内外的混合仿真系统的理论，结合硬件在回路原理，阐述了A B S 硬件在回路试验台原理。 钔结合d S P A C E 仿真平台以及T e s i s 仿真模型中的车辆动力学模型 v e D Y N A ，提出了A B S 硬件在回路试验台设计思路，以及对将来实际 A B S 性能评价提出了参考方案。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第二章A B S 结构原理、工作过程及E C U 控制方法 汽车防抱制动系统( A n t i l o c kB r a k i n gS y s t e m ，简称m 3 S 是根据不同滑移 率下所对应的轮胎一路面的附着特性来控制制动力的汽车制动系统，它使制动车 轮充分利用路面附着系数而获得较高的地面制动力，缩短汽车的制动距离，并能 保持汽车制动时的可操纵性。该项技术在提高汽车安全、减少事故损失和提高汽 车运行经济性方面发挥了重要作用。 2 1 A B S 基本结构 目前广泛采用的是电子控制式A B S ，电子控制式A B S 主要由轮速传感器、 电子控制装置( E C U ) 和压力调节器组成，如图2 1 。除此之外还有制动警告 灯和防抱死警告灯等。 图2 - - 1 电子控制式A B S 布置示意图 2 1 1 轮速传感器 轮速传感器作用是测出车轮转速，并把速度信号送到电子控制装置。轮速传 感器由传感头和齿圈组成。传感头内部结构和传感器的工作原理如图2 2 所示： 传感头的极轴( 5 ) 被传感线圈( 4 ) 所包围，并且直接装于齿圈( 6 ) 的上面。 齿圈固装于轮毂上。极轴( 5 ) 与永磁体( 2 ) 相连接。磁体的磁通延伸到齿圈， 并与之构成磁路。当齿圈旋转时，齿顶与齿隙轮流交替地对向极轴，此时，磁通 迅速变化，并切割传感线圈( 4 ) 。于是线圈( 4 ) 产生感应电压信号，并由线圈 术端通过电缆传送至电子控制单元。该电压变化的频率便能精确地反映出轮速变 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 化情况。 ( a ) 凿式极轴嘞柱式极轴 1 电缆2 永磁体3 钋壳4 感应线圈5 极轴6 磁圈 图2 2 轮速传感器剖视图 2 1 2 电子控制装置( E C U ) 电子控制装置具有运算功能，接收轮速传感器的交流信号，计算出轮速、滑 移率和轮加、减速度。并把这些信号加以分析，对制动压力发出控制指令。电子 控制装置能控制压力调节器，对其它部件还具有监控功能。当这些部件发生异常 时，由指示灯报警。 该部件也叫E C U 模块，由轮速传感器的输入放大回路、运算电路、电磁阀 控制电路、稳压电源、电源监控电路、故障反馈电路和继电器驱动电路等构成。 轮速传感器的输入放大电路将轮速传感器的交流信号放大成矩形波并整形 后送往运算电路；运算电路主要进行轮速、初始速度、滑移率、加减速度的运算， 以及电磁阀的开启控制运算和监控运算：电磁阀控制电路接受来自运算电路的减 压、保压或增压信号，控制电磁阀的电流。 在直流稳定电源供给E C U 内部所用5 V 稳定电压的同时，电源监控电路、 故障反馈电路和继电器驱动电路监控着1 2 V 和1 5 V 电压是否在规定范围内。并 对轮速传感器输入放大电路、运算电路和电磁阀控制电路的故障信号进行监视， 控制继动电动机和继动阀门。 ；现故障信号时，关闭继动阀门，停止A B S 工作， 返回常规制动状态。同时仪表盘A B S 报警灯亮。 武汉理工大学磺士学位论文 2 1 3 压力调节器 匿力调节器的形式很多，有真空式、液雎式、机械式和空气式等。液压式压 力调节器安装在主缸( 总泵) 和轮缸( 分泵) 之间，主要任务怒转换E C U 的指令，并独 变于操痒员魏移E C U 夔会令。宅揍劐E C U 豹撵令爱邋遥电磁阕懿麓接壹接或 间接地实现制动器中压力的调节。 2 。2A 8 5 基本原理 2 2 1 滑移率的定义 麓动爵荸轮速度减夺，袁车速帮轮速乏鬻产生一个遴度差。车遮_ 箨车轮之瓣 存在着速度差称为滑移现象。滑移的程度用滑移率S 袭承，即式( 2 一1 ) ： s = 型 ( 2 一1 ) V 式中：s _ 埠轮滑移率；V 一车速；卜一车轮半径；o 牮轮角速 度。 按照上述定义可知，车轮运动特征可献游移率豹大小寒表达，鞠：车轮纯滑 动辩S = 1 0 0 ，车轮纯滚动辩S = O ，丽巍车轮处予遮滚边潺状态时O s l 2 。2 。2 瓣制动酵受力分新 2 2 2 1 制动力的产生 对行驶着的汽车旅加适当的制动时，汽牟就会平稳的停住。这是因为制动过 程中在轮胎和地两之间产生了与行进方向相反的摩擦力，把这个力称为地面制动 力。与建嚣剩动力提关豹摩擦系数馥鼗暴l 动瓣着系数( 缴自瓣蓑系数) 。翻动瓣 着系数盼大小主簧与汽车轮胎的表面和行驶路面以及踏掇力大小有关，轮胎表丽 越宛好，地面摩擦系数越大，则制动附着系数越大，地丽制动力越大，能在较短 距离凌傻汽车箨+ F ，爱之亦然。 在汽车制动的溷时，由于运动时汽车车体本身已经疑有了一定的运动横量， 武汉理工大学硕士学位论文 因此，必然产生与各车轮地面制动力的合力大小相等、方向相反、作用在汽车质 心上的惯性力。当左右地面制动力相等时，总制动力方向与汽车运动方向相反， 汽车能够沿着行进方向停住；当左右地面制动力不相等时，绕汽车质心产生一个 旋转力矩，此力矩会使汽车制动时跑偏。 2 。2 2 2 侧滑摩擦力 在轮胎与地面的接触面还存在着另外一个摩擦力，它与地面制动力方向不 同，作用在车轮横向上，这个力叫做侧滑摩擦力( 也叫侧向力、转弯力) 。如同 横向风产生的不规则力作用在汽车的侧面一样，汽车需要克服这些力的影响，才 能维持正常的行进方向。汽车转弯时，转动方向盘使车轮产生一个转角，相应地 产生了侧滑摩擦力，能克服转弯时离心力的作用，维持汽车的正常曲线运动。决 定侧滑摩擦力大小的摩擦系数叫做侧滑附着系数( 侧向力系数) 。 我们通常把后轮的侧滑摩擦力叫做侧向力，把前轮的侧滑摩擦力叫做转弯 力。侧向力的作用是保持汽车行进方向，转弯力的作用是根据驾驶员的操作而改 变汽车行进方向。一般来说，在同一路面上侧向力越大，汽车行进的稳定性越好； 转弯力越大操作性越好。反之，侧向力和转弯力很小或消失时，汽车就无法按照 驾驶员的意图正常行驶。 综上所述，汽车在制动过程中除了受纵向制动力，还要受到侧滑摩擦力。纵 向制动力的大小影响制动距离，侧滑摩擦力的大小影响汽车行驶稳定性。 2 2 3 滑移率与附着系数的关系 制动附着系数和滑移率之间存在着密切关系，通常用下图2 3 表示其特性。 制 动 附 着 系 数 滑移率 图2 3 制动附着系数与滑移率关系图 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 从上图可以看出，在非制动状态下，制动附着系数等于零，滑移率等于零。 随着滑移率的增加，制动附着系数开始迅速上升，地面制动力随之上升，在滑移 率达到九时，制动附着系数达到最大，地面制动力达到最大，随后，随着滑移 率的增加，制动附着系数开始下降，地面制动力随之下降。 侧滑附着系数和滑移率之间存在着密切关系，通常用图2 4 表示其特性。 测 滑 附 着 系 数 够 滑移率l 祷2 图2 4 侧滑附着系数与滑移率关系图 开始阶段，当滑移率上升时，侧滑附着系数开始下降，下降速度相对较慢。 当滑移率继续上升到超过8 后，侧滑附着系数开始急速下降。当滑移率接近 1 0 0 时，侧滑附着系数渐趋于平缓，接近于零。 附 着 系 数 千混 干沥 湿沥 雪地 冰地 滑移率 图2 5 实际道路情况下附着系数与滑移率关系 武汉理工大学硕士学位论文 从某些实际道路情况下附着系数与滑移率关系，如图2 5 可以看出，车轮纵 向附着系数( 又称制动附着系数) 随车轮滑动成分的增加呈先上升后下降的趋势。 附着系数最大值( 亦称峰值附着系数) ，一般出现在滑动率S = 1 5 一2 5 之间， 滑动率S 达到1 0 0 ( 车轮抱死) 时的附着系数( 也称滑动附着系数) f s d , 于峰值 附着系数f P 。一般情况下，( f p - - f s ) 随道路状况的恶化而增大。同时，当s = 1 0 0 时，车轮的侧滑附着系数趋近于0 ，这时车轮无法获得地面横向摩擦力。若这 种情况出现在前轮上，通常发生侧滑的程度不甚严重，但是却会导致前轮无法获 得地面侧向摩擦力，导致转向能力的丧失：若这种状况出现在后轮上，则会导致 后轮抱死，此时，后轴极易产生剧烈的侧滑，使汽车处于危险的失控状态。 理想制动系统的特性应当是：当汽车制动时，将车轮滑动率s 控制在峰值系 数滑动率( 即S = 2 0 ) 附近，这样既能使汽车获得较高的制动效能，又可保证 它在制动时的方向稳定性。 汽车防抱死制动系统( A B S ) 便是一套能在制动过程中随时监控车轮滑移程 度，并依此自动调节作用在车轮上的制动力矩，防止车轮抱死的电子控制装置。 它不仅能缩短制动距离。有效避免各种因制动引起的事故，还可减少轮胎磨损， 使其达到使用寿命。 2 3 加S 工作过程 A B S 系统因车型的不同而不同，不同A B S 的工作过程也不完全相同，但基本 上都可以分为常规制动、制动压力保持、制动压力减小和制动压力增大等阶段。 2 3 1 常规制动一建压阶段 当踩下制动踏板后，制动管路的压力上升，轮速降低，进入常规制动的建压 阶段。此时，4 个车轮还没有出现抱死，A B S 系统不起作用，常规制动的液压回 路见图2 6 。 武汉理工大学硕士学位论文 i霸礴ii 案萝l ： ：惫H _ 睁雩l 。 胸叫 薯蕊二薹一 l l 3 l b * ”“爹彰器x 汹掣。斟副 鬏鬻掣“蠼蕉戮剖 ? z 髫甾l 紫哮l 图2 6A B $ 常规制动的液压回路 1 - 制动总泵；2 _ 制动钳；3 液压调节器总成； A - 常规的制动液压力；B 停止的制动液压力流( 电磁阀闭合) ：D 一制动踏板踩下 2 3 2 建压、保压阶段 当踩下制动踏板后，制动管路的压力上升，轮速降低，进入常规制动的建压 阶段，A B S 建压、保压阶段的压力曲线见图2 7 ，控制液路见图2 8 。电子控 制单元监测并比较每个车轮速度传感器的信号以确定车轮是否滑移，如果在制动 过程中检测到车轮滑移( 如左后轮) ，电子控制单元将切换到保压阶段，并向液 压调节器发送控制信号，以关闭左后进口阀。当左后进口阀和出口阀都关闭时， 无论制动踏板所施加的制动液压力为多少，左后制动回路都将被隔离，从而使左 后轮制动液压力保持恒定。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 图2 7A B S 建压、保压阶段液压曲线图 i 萋一8 劓擎罐 霸簿l lUi：# # t * 好 脚慝謦。霉点瓣l i l ：，蓼嫦破 1 8 诤鬻捌赢 l = 淖歹融薰 影黪l 图2 8A B $ 保压阶段控制液压回路图 1 液压调节器；2 进口阀；3 出口阀；A - 常规的制动液压力；B - 停止的制动液 压力流( 电磁阀闭合) ；D 制动踏板踩下 2 3 3 减压阶段 A B $ 减压阶段的压力曲线见图2 9 ，控制液路见图2 1 0 。当防抱死制动 系统处于保压阶段时仍然检测到左后车轮处于滑移状态，则电子控制单元将切换 到A B $ 减压阶段，电子控制单元向液压调节器发送控制信号，关闭左后进口阀； 打开左后出口阀，左后轮制动液先被导入储能器，以保证制动液压力立即下降， 储能器储存过量的左后轮制动液：运行液压调节器泵， 泵出足后轮制动液回流 武汉理工大孛硕士学位论文 压力，从而使左后轮制动钳释放出来的制动液能够抵消制动踏板压力，返回到制 动总泵。在A B S 减压阶段，液压调节器泵将一直保持可工作状态。在这个阶段 中，由于制动踏板仍处于踩下状态，所以从制动钳释放出来的压力必须大于制动 总泵施加的压力，才能返回总泵，此时感觉制动踏板的振动。 奋 图2 9 A B S 减压阶段曲线图 图2 1 0A B S 减压阶段控制液压回路图 1 液压调节器总成；2 进口阀；3 一出1 3 阀；4 液压泵；5 - 储能器；6 埔4 动钳； 7 制动总泵；A 一常规的制动液压力；B 一停止的制动液压力流( 电磁阀闭合) ； C 液压调节器泵产生的制动液压力流；D 常规制动液压力与释放的制动液压 力相组合 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 4 增压阶段 A B S 增压阶段的压力曲线见图2 1 1 ，控制液路见图2 1 2 。如果电子控制 单元检测到由于A B S 减压阶段所施加的制动力减小而导致左后轮速度大于其它 3 个车轮的速度，则电子控制单元将切换到增压阶段，电子控制单元向液压调节 器发送控制信号，关闭左后出口阀；打开左后进口阀：继续运行液压调节器泵。 此时，总泵的制动液像常规制动操作那样被再次引入左后轮制动钳。先前减小的 制动液压力现在增加了，从而减小了左后轮的速度。 R 避 图2 1 1A B S 增压阶段雎线图 ”“。鬻” ，笋嗷蓦* # # 博# * 耕t i 学蹲l Z 赫女 _ 耐女 槲 。墨”鼍煳嘻 。辑，一。蝴囊 l 蔫戮。w d ”哗蠛褥臻 4 通+ 念猷滋墨 ：二拳：群，麻。簿i C 图2 1 2A B S 增压阶段控制液压回路图 1 液压调节器总成；2 进口阀；3 出口阀：4 液压泵总成；5 - 制动总泵；6 - 制动钳；A 一常规的制动液压力；B 一停止的制动液压力流( 电磁阀闭合) ； C 液压调节器泵产生的制动液压力流；D 制动踏板踩下 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 这种A B S 建压、保压、减压、增压阶段不断重复，直到电子控制单元检测 到车轮速度达到平衡或者制动踏板压力消除为止。根据路面情况，每秒钟大约有 4 6 个控制循环。 2 4 A 陷E C U 控制方法 A B S 为了在制动时将滑移率控制在理想滑移率附近的狭小范围之内，就要对 制动系压力进行反复调节，其控制方式如何直接决定A B S 的控制效果。根据现代 控制理论和汽车防抱制动车轮动力学的理论分析，可以提出不同的优化设计控制 方案。 2 4 1 逻辑门限值控制 逻辑门限值控制是通过设定与控制目标密切相关的敏感变量门限，根据实际 测量值与门限值之间的关系而进行调节控制变量的一种方法。由式可知，车轮的 角速度变化与制动力矩、附着系数和滑移率的变化有强烈的敏感性，实验也表明： 在制动过程中，车轮抱死总是出现在相当大的角加、减速度( & o d t ) 时刻，所 以一般把车轮角加、减速度作为主控制门限，同时考虑到驱动车轮滑动率直接反 映出车轮的滑动程度，把滑动率作为辅助控制门限。将这两个门限值结合起来， 以识别不同路况进行自适应控制。这种控制方法在制动时能将车轮的速度控制在 一定范围内，使车轮滑移率围绕最佳位置波动。 这是一种基于经验的、有效控制方法，也是目前A B S 广泛采用的方法。但由 于门限值是通过反复不断的道路实验获得的，选择不同的门限值就会产生不同的 控制逻辑，因此系统的控制逻辑比较复杂，波动大，很难有很强的鲁棒性。 2 4 2 滑动模态变结构控制 滑动模态变结构控制是变结构系统的一种控制策略。它与常规控制系统的根 本区别在于控制的不连续性。系统由受控对象和一个变结构控制器组成，其结构 根据系统当时的状态偏差及其导数值，在不同的控制区域，以理想丌关的方式切 换控制量的大小和符号，使系统在滑移曲线很小的领域内沿滑移换节曲线滑动的 模式，即滑动