（车辆工程专业论文）摩托车液压制动防抱死控制器的性能检测与加工技术.pdf

南京理工人学颧士论文摩托车液压制动防抱死控制器的性能愉测与加工技术 摘要 为了检测摩托车液压防抱死控制器的制动性能，目前亟待开发一种室内的、便 于安装的防抱死试验装置和检测系统。本论文首先分析了摩托车a b s 工作原理、控 制技术和制动时车轮的受力及运动状况，建立了防抱死控制器的数学模型，推导出 防抱死制动的计算关系式；在分析摩托车液压盘式制动器设计的基础上，推导出防 抱死控制器理想控制压力的计算公式。基于上述理论，针对防抱死控制器产品的定 型设计，提出防抱死控制器工作压力的设计方法，并编制了系列化设计流程。分析 了防抱死试验台的系统结构和工作原理，并对试验台飞轮组进行了详细设计和优化。 在试验台进行调试、模拟各种路面条件上制动，使用c r a s 软件测试防抱死控制器的 动、静态输入输出压力，实验均取得了预期效果。研究防抱死控制器中的关键零部 件( 如阀芯与阀体、节流小孔等) 的制造，给了加工工艺，并对小孔加工进行了研 究，给出了j j n i 工艺装备。这将为液压防抱死控制器的批量生产提供了试验基础。 关键词：摩托车防抱死控制器检测装置 小孔加工 第1 页 翌塞翌三查兰堡主丝苎；壁堑王丝竖型垫堕垫堑苎趔登竺壁壁丝型皇塑三垫查 a b s t r a c t i no r d e rt ot e s tb r a k e c a p a b i l i t yo fm o t o r c y c l eh y d r a u l i ca n t i - l o c kb r a k ec o n t r o l l e r , a k i n do fi n d o o ra n de a s y i n s t a l l e dt e s t i n gd e v i c ea n di t st e s t i n gs y s t e mi s r e q u i r e dt ob e r e s e a r c h e da n dd e v e l o p e du r g e n t l ya t p r e s e n t t h i s d i s s e r t a t i o na n a l y z e dt h ew o r k i n g p r i n c i p l eo fm o t o r c y c l e sa b s ，c o n t r o l l e rt e c h n o l o g ya n dp r i n c i p l e so fa n t i l o c kb r a k e c o n t r o l l e r ，p r o v i d e dt h ec a l c u l a t i n gm e t h o do fc o n t r o l l e r ，d e r i v e df o r m u l a sa b o u tt h e b r a k i n gp r e s s u r ea n df r i c t i o nf a c t o r so fr e a lr o a dc o n d i t i o n s o nt h eb a s i so fa n a l y s i so f m o t o r c y c l eh y d r a u l i cd i s kb r a k e ，t h ec o n s t r u c t i o no ft e s t i n gs y s t e mi sd e s i g n e da n dt h e s e r i e s d e s i g n e dt h e o r yi sc o m p l e t e d t h eb r a k et e s t ss y s t e mc o n f i g u r a t i o na n dw o r k i n g p r i n c i p l ei sn a r r a t e d ，a n dag r o u po ff l y w h e e li sd e t a i l e dd e s i g n e da n do p t i m i z e d t h e i n p u ta n do u t p u tp r e s s u r eo fc o n t r o l l e ra r et e s t i n gs t a t i c a l l ya n dd y n a m i c a l l yi ns i m u l a t i n g r e a lr o a dc o n d i t i o ni n c o m p u t e rr o u t i n g k e yc o m p o n e n t so fb r a k ec o n t r o l l e r ( s u c ha s v a l v ec o r e 、v a l v eb o d ya n d p i n h o l e ) a r em a n u f a c t u r e da n dp r o c e s s e d ，s p e c i a l l yp i n h o l ei s r e s e a r c h e d ，as e r i e s o fm o t o r c y c l e h y d r a u l i c a n t i l o c kb r a k ec o n t r o l l e rn e e dt ob e d e s i g n e da n di m p r o v e df a r t h e r , a n da p p r o p r j a t i v et e c h n o l o g i ce q u i p m e n t so fab a t c ho f a n t i - l o c kb r a k ec o n t r o l l e r sa r ed e v e l o p e d s o 也o s ew i l lp r o v i d ear e l i a b l eb a s i so ft e s tf o r d e s i g n so f b a t c h e so f h y d r a u l i ca n t i 1 0 c kb r a k ec o n t r o l l e r k e y w o r d s ：m o t o r c y c l e a n t i - l o c kb r a k i n gc o n t r o l l e rt e s td e v i c e p i n h o l ep r o c e s s 第1 i 页 y 。6 2 4 6 33 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 立 涛 珥年) 月夕日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：兰洚哗夕月7 目 南京理工大学硕士论艾 摩托车液压制动防抱死控制器的性能检测与加工技术 1 1 课题背景及意义 1绪论 a b s 是防抱死制动系统的英文缩写，其英文的全称是a n t i - l o c kb r a k e s y s t e m 。该系统在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。 摩托车防抱死制动系统是基于车轮与路面的附着性能随滑移率改变的原理丽开 发的高技术系统。它以防止制动过程中车轮“抱死”的机理出发，避免摩托车后轮 侧滑甩尾和前轮失去转向能力，达到提高摩托车制动稳定性、操纵性和安全性的目 的【 】【7 i s0 1 。 我国摩托车的发展从1 9 8 0 年的四点九万辆到现在已突破一千万辆，产量跃居 世界前列，取得了长足进步1 2 4 】。摩托车的销量在世界上位居第二，仅仅次于日本。 髓着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，人们对摩托车的适应性、舒适性 以及安全性的要求也越来越高。 由于防抱死制动系统具有显著改善车辆制动性能的功用，现在已经成为汽车、 摩托车制动系统的基本配置。随着a b s 在汽车、摩托车上的广泛使用，如何准确、 快速、有效地检测a b s 的各种工作性能已是一项十分紧迫的任务。基于上述的认 识，南京理工大学1 0 6 教研室决定在已经开发的中、低档摩托车液压盘式制动防抱 死控制器的基础上，同时开发有效的a b s 性能试验台，对产品的性能进行测试。 本课题研究的任务是设计出一台摩托车液压防抱死控制器的性能检测装置，并 对该装置进行安装与调试，使其能检测出液压防抱死控制器在各种路面上的制动性 能。从而进一步完善摩托车液压制动防抱死控制器的系列设计，解决关键零部件 ( 如阀体、节流小孔、活塞等) 的精密加工技术，研制防抱死制动器批量生产的专 用工艺装备。 1 2 国外研究概况 摩托车a b s 是在汽车a b s 的基础上发展而来的，其基本原理是相同的。防抱死 制动系统最早出现在2 0 世纪3 0 年代，应用于铁路机车上，由装在车轮上的电磁式 转速传感器和控制液压的电磁闽组成。4 0 年代中期，美国政府将a b s 的设计思想 应用在喷气式飞机上，并在波音公司生产的b 一4 7 飞机装上了h y d r oa i r e s 公司的 a b s 初期产品。该装置用脉冲进行控制，由转速传感器和电磁阀组成。1 9 5 4 年美国 f o r d 公司首次把法国生产的民航机用a b s 应用在林肯牌轿车上，这次实验虽然以 南京理工大学硕士论文摩托车液压制动防抱死控制器的性能榆测与加工技术 失败告终，但揭开了汽车应用a b s 的序幕。由于技术因素特别是转速传感器不能提 供准确的转速，控制装置不能有效地防止车轮抱死，这一技术未能在汽车上得到广 泛的应用。随着科技的发展。尤其是电子技术的进步，至8 0 年代，a b s 日益受到 重视，在欧、美、日等国家得到了迅速发展，a b s 的装车率均以直线上升。据预测 至2 0 0 0 年，a b s 装车率在北美将达到8 0 ，西欧、日本、澳大利亚为 5 0 【2 l 【4 】【8 】【2 4 】【4 6 】【5 0 】。 随着a b s 技术的日趋成熟完善，制造成本的降低，a b s 不仅广泛应用在轿车、 货车上，而且在摩托车上也得到了应用。由于其良好的防抱死控制能力，首先在一 些高档摩托车上得到了应用，如赛车及高档豪华旅游摩托车。随着成本的降低以及 技术的进步，a b s 必将在中、低档摩托车上得到广泛的应用。根据控铷方式、系统 结构、部件型式的不同，摩托车a b s 可以分为以下几种：1 ) 机械式或电子控制式： 2 ) 液压电泵式或真空式；3 ) 循环式或可变容积式或再填充式d 】【4 2 4 1 。 最早研制生产并在摩托车上安装a b s 的是德国宝马公司，于1 9 8 8 年先后在 k 1 0 0 车上，后推广到k 系列所有车型上。这是a b s 第一代产品( a b si ) ，重量为 1 1 1 堙。1 9 0 0 年又在上安装了第二代产品( a b s i i ) 重量减至6 。9 妊。但是这种 结构的产品价格相对较高，如宝马r 1 i o o r s 车，有a b s 和无a b s 价格相差1 0 0 0 美 元。还有技术因素，对于自身超过一吨的汽车而言，加装a b s 增加的重量无关紧 要，而对于摩托车则是负担。以上因素决定a b si i 很难在中、低档摩托车上推广使 用。 在摩托车制动器研究方面，日本本田公司( h o n d a ) 一直处于领先地位。1 9 8 3 年开发研制的c b s ( c o m b i n e db r a k i n gs y s t e m ) 开始安装在大型豪华旅游摩托车 上。其后于1 9 9 3 年又研制出用手或脚操作的双联动制动系统( d - c b s ) 。其结构由 前后制动钳、压力制动阀、主辅缸组成。当采用手或脚制动时，前后轮制动力能趋 近于理想分配。但是这种a b s 的价格相对于整车仍然较高。随后又研制出一种电机 驱动式a b s ，主要由轮速传感器、电子控制器( e c u ) 、电机驱动器和调节器组成。 它是通过e c u 对车轮滑移率和车轮角加速度的检测，控制电机驱动器。由调节器调 节压力，具有较为理想的控制效果。与电磁阀式a b s 相比，具有体积小、重量轻、 成本低等特点。但是对于中、低档摩托车而言，价格仍然过高，重量仍有5 5 k g ， 并不适合在中、低档摩托车上推广。此外，本田还研制出机械式a b s ，主要由速度 传感器、控制器、制动压力调节器三部分组成。a b s 装置对制动钳压力的调节频率 一般为2 3 次秒，最大可达7 次秒。能根据路面的变化，及时调节制动器的制 动压力，有效防止车轮的抱死，保持车轮的滑移率总小于5 0 ，使制动距离明显减 短，同时有效地减小了侧滑现象，确保摩托车的安全性。但是此机械式制动器装置 需要对摩托车的车架结构进行改造，整体结构复杂、成本高，同样难以在中、低档 南京理工大学硕士论文摩托车液压制动舫抱死控制器的性能检测与加工技术 摩托车上广泛应用【l 】【7 】f 8 1 1 9 1 1 0 】1 4 7 】【5 5 】。 1 3 国内a b s 的研究情况 我国从事a b s 的研究开始于7 0 年代，当时长春汽车研究所采用逻辑控制电路 对液压制动的轻型货车进行道路防抱死试验。现在刚刚进入产品试制和在车辆上试 装的阶段。同时已着手制定安全性方面的法规，并将使其成为强制性法规，决定首 先在重型和大客车上安装防抱死制动装置，然后普及到轿车等，这使a b s 系统研究 与开发在我国成为热门课题。我国“九五”科技攻关计划也列入了a b s 研究项目， 许多高校、公司、科研所纷纷立项开发研究。交通部在6 1 2 0 型大客车项目中曾把 气制动a b s 列为攻关内容之一，委托西安公路学院和陕西兴国5 1 4 厂联合研制，推 广了3 5 0 0 b f b o 一2 型汽车电子防抱死系统。8 0 年代中期，交通部重庆公路研究 所研制成f k x a c i 型防抱死侧滑装置。1 9 8 5 年，二汽技术中心引进了西德k n o r r 公司生产的数模混合电子控制a b s ，并在e q l 4 0 中型货车上进行了装车测试，达到 了防抱制动的要求。1 9 8 9 年，清华大学汽车工程系开始了液压a b s 系统在b 3 2 1 3 吉普车上的应用研究，但距离1 9 9 2 年颁布g b l 3 5 9 4 9 2 国标要求仍有明显差距。目 前，清华大学和济南重型汽车技术中心正在进行“汽车防抱制动系统a b s 研究”， 这是国家科委的攻关项目。上海汽车集团公司与美国i t t 合资建厂生产m k 2 0 a b s ，所以目前已经安装a b s 的桑塔纳2 0 0 0 g s i 轿车出售8 9 】【1 1 1 1 2 4 】。 汽车a b s 在我国刚剐进入产品试验和车辆试装阶段，许多问题尚待进一步研 究。但是在摩托车a b s 方面的研究，尚不多见。南京理工大学机械学院1 0 6 教研室 于1 9 9 5 年开始研究摩托车a b s ，并先后完成了电子式a b s 和机械式a b s 的开发研 制，其中摩托车液压盘式防抱死控制器的设计已经申请了国家专利，并在南京理工 制动器有限责任公司生产并投入市场。这种机械式防抱死控制器根据车型和路面情 况，通过控制制动器的制动压力，从而控制车轮的滑移率来实现车轮的防抱死，具 有成本低、结构简单、不改变车辆制动器的结构等优点。 1 4a b s 的性能试验台 目前国内生产制动器的厂家众多，市场上出现了一系列摩托车防抱死控制器产 品，这些产品在实际应用中存在着各种各样的问题，这些问题产生的主要原因是防 拖死控制器设计原理不成熟，无法准确计算和调节防抱死的压力。这样的产品无论 对摩托车生产厂家还是摩托车驾驶员来说都是潜在的安全隐患，但这些产品的检验 尚无统一的标准，更缺乏检测手段，产品的质量性能无法进行检测，国外工业发达 国家如日本、美国，早在7 0 年代就制定了轿车、汽车、摩托车制动器的实车试验 南京理工大学硕士论文摩托车液压制动防抱死控制器的性能榆捌与加工技术 方法标准，并在以后于8 0 年代分别制定台架试验方法1 1 9 l 【5 3 】，根据这个趋势，摩托 车制动器台架试验方法及检测装置的研制必须提到议事日程。 a b s 在汽车、摩托车上的广泛使用，如何准确、快速、有效地检测a b s 的各种 工作性能已是项十分紧迫的任务。从试验情况看，a b s 装车路试存在着三个方面 的问题：一) 试验费用高；二) 试验周期长；三) 试验精度低，而仅靠整车制动性 能试验不能反映制动器的性能和质量，为了有效克服a b s 装车路试过程中存在的缺 陷，实现对a b s 工作性能检测的精确化和台架化无疑是最佳途径，摩托车a b s 工作 性能试验台正是针对上述问题研究开发的，其研制使a b s 工作性能检测便捷、准确 成为可能，为a b s 性能试验的计算机台架化测试提供了技术保障。因此，摩托车制 动器实验台架是考核、评价制动器这一部件性能的专用试验装置。 i 5 本论文研究的主要内容 本论文是针对中、低档摩托车液压防抱死控制器而开发的性能检测实验台。同 时设计了防抱死控制器的加工工艺装备，为批量生产该防抱死控制器生产提供了工 艺装备。该论文的主要内容有： 1 ) 阐述a b s 工作原理。主要分析车轮受力情况，说明滑移率的定义及附着 系数间的关系，建立摩托车参数、滑移率和地面附着系数关系的模型，推导出关系 式，说明a b s 的控制技术以及影响控制技术的主要因素。 2 ) 摩托车液压制动防抱死控制器的设计。分析在不同路面，通过调节装置制 动压力，实现理想控制，并推导出控制器压力的计算公式，以及防抱死控制器的基 本设计、相似参数和结构尺寸的系列化设计程序。 3 ) 防抱死实验台的研制。根据防抱死控制器的检测要求，给出实验台的整体 结构和控制系统示意图，分析了实验台的结构和工作过程，其中惯性质量模拟系统 的合理结构和较高的模拟精度是至关重要的，同时考虑模拟惯量选择的连续性，给 了国产一系列不同质量的摩托车制动器试验的飞轮组。 4 ) 实验及结果分析。给出了动静态实验装置的示意图，介绍了c r a s 软件的 使用方法和传感器的实验电路图以及实验台装置。实验的内容主要以1 2 5 型摩托车 液压防抱死控制器为例，进行动静态模拟实验，测试摩托车在高、中、低三种地面 状况下制动对防抱死控制器的输入输出压力的特性曲线，分析模拟的效果。 5 ) 摩托车制动防抱死控制器的加工技术。针对阀芯、阀体的精密配合，主要 介绍了加工的工艺过程，选择的刀具，尤其在实现小孔的加工上，介绍了一种目前 实际使用的高速钻孔，合理的工艺过程保证小孔的加工，给出加工小孔的工艺夹 具。 4 南京理丁人学碳士论立摩托车 f i ( 压制动舫抱死控制= j j 的性能榆测l ，加工拽术 2a b s 的工作原理 防抱死制动系统( a b s ) 是改善车辆安全性的技术之一。它能提高车辆在不同 附着系数路面条件上的制动安全性能，保障车辆的稳定性，减少交通事故的发生， 具有明显的社会效应和经济效应。因此，防抱死制动装置已作为车辆标准部件和安 装部件使用。防抱死制动装置已经发展为与驱动防滑控制组合的装置( a b s a s r ) 。 它既可以防止制动时车轮抱死，又可以防止起步和加速时驱动轮的滑转。车辆在安 装a b s 后，使传统的制动转变为瞬态自动控制与调节的制动过程，即使驾驶员制动 过度，经循环控制制动压力的变化，车轮也不会抱死。 2 1a b s 的功能及优点 a b s 的功能就是通过调节、控制制动管路压力，避免车轮在制动过程中抱死而 滑移，使其处于滑移率1 5 2 5 的边滚边滑的运动状态。其优点如下： 1 ) 改善了车辆制动时的横向稳定性。车辆不管在何种路面上实施制动，只要 车轮抱死滑移，横向附着系数就极小，车辆将失去抵抗横向干扰力的能力，极易侧 滑，不稳定。从而保证了车辆制动时有较高的横向稳定性。 2 ) 改善了车辆制动时的方向稳定性。车辆制动时转向轮抱死滑移，车辆将失 去了转向操纵能力，只能按惯性力的方向运行：当转向轮处于边滚边滑的运动状 态，则可以保证车辆有足够的转向操纵能力。 3 ) 改善了制动效能。绝大多数路面的附着系数与滑移率的关系如图2 4 所示 的规律变化，但也有少数的松散路面( 如砾石路面、松土路面或积雪很深的路面 等) ，当滑移率为1 0 0 时，附着系数最大。在前一种所示的绝大多数情况下，a b s 有充分利用路面的潜在附着力的优点，因而改善了制动效能，使制动距离减少，制 动减速度增大。在后一种所示的个别情况下，a b s 虽不能改善制动效能，但保证了 车辆有良好的稳定性及足够的转向操纵性。 4 ) 减少了轮胎的局部过度磨损。车辆制动时，车轮抱死滑移，会造成轮胎局 部磨损严重，特别是在高附着系数路面上更甚，采用了a b s 则避免了轮胎的局部磨 损。 5 ) 使用方便、工作可靠。a b s 系统的使用与普通制动系统的使用几乎没有区 别。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。 南京理_ t 大学颂j 一论文靡托午液胜制动防抱死控制器的性能扮测1 ，加t 投术 2 2 制动时车轮受力分析 车辆行使时能在最短距离内停车且维持行驶方向稳定性和在下坡时能维持一一定 车速的能力称为车辆的制动性，它是车辆的主要性能之一。以一定速度行驶的车辆 具有相应的动能和位能( 下坡行驶时) ，制动过程就是借助于外力，将车辆的动能 和位能转变为其它形式的能量予以散失。 车辆制动时，驾驶员操纵制动器给车轮一制动力矩，即车轮给地面一制动力， 由于附着作用，地面反作用力给车轮一制动力，前者称为制动器制动力，后者称为 地面制动力。车辆制动过程实际就是地面制动力阻止车轮运动的过程，因此，地面 制动力对车辆制动性具有决定性的影响。 2 2 1 制动器制动力 图2 1 所示为车辆在良好的硬路面上制动时车轮受力分析情况。图中g 为车轮 ( 轴) 的法向载荷，z 为地面对车轮的法向反作用力，t 为车轴给车轮的推力， m ，为制动器产生的摩擦力矩，m 为惯性力矩。由于有摩擦力矩m 。的作用，轮胎 给地面一个切向力f ，称为制动器制动力。 m ，= r ( n ) ( 2 1 ) 式中： m 。一制动器摩擦力矩，n , ； r 一车轮半径，m 。 制动器制动力由于来自制动器的摩擦力矩m 。而制动器的摩擦力矩主要取决 于制动器的型式、结构尺寸、摩擦副间的摩擦系数等；制动器制动力虽与车轮半径 成反比，但在实际结构设计中是难以两全的，且车轮半径r 小到一定程度后，车轮 的接触面积减小，使附着力降低，制动效果下降。 一么j 0 o 。地 x 。、 yf 。 f u ，x u ，f q r 操作力( 后) 图2 1制动时车轮受力图图2 2 制动力与附着系数的关系 6 塑塞墨三查兰堡主丝兰空錾兰鎏墨塑垫堕垫翌茎型矍塑堡丝塑翌主塑王垫查 2 2 2 地面制动力 制动过程中，车轮受到个与行驶方向相反地面外力，使车轮从一定的速度减 小到较低的车速或者停车，这个地面外力称为地面制动力。 在图2 1 中车轮受力对轴心取力矩得： m 。= z r + m ，+ m ， ( 2 2 ) 由于m ，本身较小略去不计，丝也较小可以略去，则地面制动力为： 。 r 以：丝 ( 2 3 ) ， - 。是使车辆制动减速的外力，其大小主要取决于制动器摩擦副的摩擦力和轮 胎与地面间的附着力。地面制动力增大，制动减速度也增大，制动距离则短，因 此，地面制动力的大小对车辆制动性能具有决定性的影响。 2 2 3 制动力与附着力 车辆在制动过程中，车轮的运动有滚动、抱死滑移和边滚边滑三种情况。制动 器操纵力较小还未达到某一极限值时，邻动器产生的制动力不大，地面与轮胎之间 的摩擦力即地面制动力足以克服制动器制动力而使车轮滚动，轮胎在地面上留下胎 面花纹的压印，压印前段形状与轮胎花纹基本一致，后段花纹逐渐模糊。当制动器 操纵力增大，其制动力( 制动器、地面的) 也成正比例的增大，直到车轮抱死在路 面上滑移，轮胎在地面上留下拖印。 但是地面制动力x 。又是路面滑动的摩擦约束反力，它的最大值不能超过地面 附着力，即： 蜀巴= z p 式中： 乞一路面附着力，n ： z 一轮胎的地面法向反力， n ； 口一路面附着系数。 ( 2 4 ) 制动时，制动力与附着力的变化如图2 2 所示，设在某中路面上附着系数妒 为一常数，当制动器操纵力p 户口，制动器制动力只仍直线上升，但地面制动力e 不再增加，此时 壁皇兰! 查兰塑! ：兰兰 篁堑主堕堡型垫堕垫堑丝型堡塑堡丝生型兰塑王垫查 车轮产生滑移。 所以，车辆制动时，制动器必须提供足够的制动力只，且地面又能提供较高 附着力y ，才能获得足够的地面制动力x 。，两者缺一不可。 2 3 滑移率 2 3 1 滑移率定义 由制动过程可知，随着制动强度的增加，车轮滚动的成分越来越少，滑动的成 分越来越多，轮胎与地面出现相对速度，即车速与轮速之间产生速度差。 将相对速度与车辆前进速度之比称为滑移率s ，用滑移率表示制动过程如下： s ：丝二2 堕1 0 0 ( 2 5 ) u m 式中 u 。一车轮轴心的运动速度，m s ； r 一车轮半径，m ； c o 。一车轮转动角速度，r a d s 。 从上式可以看出，车轮纯滚动时，= ，。，s = 0 ；纯滑动时， 国。= 0 ，s = 1 0 0 ；边滚边滑时，0 s 1 0 0 ，滑移率s 越大，车轮滑动的成分越 多。 1 警 i i 、 f车轮速度 ： j 制动压力 制动时间 图2 3车速与车轮 图2 4 妒一s 特性 2 3 2 滑移率与附着系数的关系 随着制动强度的增加，车轮的滚动成分越来越少，滑动成分越来越多，滑移率 逐渐增大。但是附着系数在摩托车的整体制动过程中并不是常数，车轮在各种运动 南京理丁大学硕上论殳 雎托车液压制动舫抱死控制器的性能榆测与加丁技术 状态下，具有不同的滑移率，其附着系数也随之变化。如图2 4 所示。从图中可以 看出，纵向附着系数p 。和侧向附着系数p 。的变化是不同的，开始制动时，纵向附 着系数纯随滑移率s 的增大而迅速增大，当s = 1 0 2 0 时妒。具有峰值，滑移率 s 再增大，识则随之开始下降；而侧向5 寸着系数够。在s = o 时为最大，即具有最大 的防侧滑能力，但随着滑移率s 的增大，侧向附着系数则迅速减小。 由上述可知：当滑移率s 在某一范围，一般为s = 1 0 3 0 时，路面具有较高 的纵向、侧向附着系数，车辆才能获得最佳的制动效果和防侧滑能力，保证制动的 可靠性和安全性。实践证明，车轮在抱死滑动时，制动距离并不是最短的。而最短 的制动距离是发生在车轮要被抱死而尚未抱死的制动状态。这时，车轮能保持在即 将滑移而尚未开始滑移状态，制动力接近附着力但尚未达到附着力，其制动效率最 高。 表2 1 各种路面上的附着系数 路面状况 纵向附着系数礼峰值侧向附着系数纯 沥青或混凝土( 干)0 7 5 0 8 o 9 沥青( 湿)0 4 5 , - - 06 0o 5 o 7 石块 0 5 50 6 0 七路 0 6 5 ( 干) 0 4 , - , 05 ( 湿) 0 6 8 ( 干) 0 5 s ( 湿) 雪 o 15o2 0 冰0 0 7o1 0 表2 1 所示为各种路面上的附着系数 面高，且纵向附着系数与侧向系数的差别 2 4 车轮制动与车轮的旋转 2 4 1 车轮减速度与加速度 由表可知，干燥路面的附着系数比湿路 干路面比湿路面小。 如图2 5 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，车轮减小并产生滑移。制动完全解除时，制动力 矩消失，车轮从滑动状态开始恢复到滚动状态。即车轮速度逐步增加至车辆速度。 这种在单位时间内车轮增加或者减少的变化量叫车轮的加速度或减速度。 即： 车轮减速度= u 形t ( 2 6 ) 车轮加速度= u 么丁 ( 2 ，7 ) 南京理工夫学硕士论文靡托车液琏制动劭抱死控制器的中 能榆测口加丁技术 、! 辆速度 a v , 分t t l ：一。4 v 2 制动压力 、 图25 车轮的减速度与加速度 一般情况下，制动的强度越大，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。 2 4 2 车轮减速度和p s 特性 滓 、 心黻 车轮速度心 沁死盅 0 ； 时间 ii) o p i 卞一一 坐墅 o r 隹 制动力鸦一 = 二二夕 车轮减速度 |。 0 制动开始 图2 6 车轮抱死过程的分析 制动抱死 矩p 。 制动时影响车轮旋转的主要原因是制动力矩和车轮转矩。制动力矩大于车轮转 矩时，轮速降低，车轮减速度与制动转矩之差成正比。制动力矩小于车轮转矩时， 轮速增加，车轮加速度与轮速转矩和制动力矩之差成正比。图2 6 所示为车辆制动 南京理t 凡学坝士论文障托车液琏制动防抱死控制 i j 的性能榆测1 ，l j n t 盘i t 后，车轮减速度过程与典型的口一s 特性的关系。由图2 6 可知，施加制动后，制 动压力上升，制动力矩随之增大，车轮速度开始降低，滑移率和车轮转矩( n ) 增大。可以认为在滑移率达到s 。之前，车轮转矩和制动力矩是同步增长的。因 此，该阶段车轮减速度和制动力矩增大的速度成正比。但是，继续增大制动力矩， 滑移率超过s 。时，纵向附着系数妒。反而下降，车轮转矩也随之减小，与制动力矩 之差急剧增大，最终使车轮的速度迅速减小直至车轮抱死。这期间车轮减速度非常 大。由车轮抱死过程可知：滑移率8 达到s 。，之前，能够通过制动力矩即通过制动 压力来控制车轮稳定旋转。超过s 。，以后，车轮转速对制动力矩很敏感，不能通过 制动压力控制车轮的旋转，车轮很容易抱死。如果把制动过程的滑移率s 控制在 s 。，处，则纵向附着系数妒。可以保持最大值，则制动距离缩短。 由公式： ：兰二-( 2 8 ) 2 妒。g 可知：妒。越大，制动距离l 越短。 式中：l 一制动距离； u 制动初速度： g 一重力加速度。 滑移率s 始终保持在s 。，处，侧向附着系数p 。也可以保持较大值，能够确保车 辆行驶方向的稳定性和操纵性。当超过s 。，则车轮很容易抱死，所以将 0 s s 。，叫稳定区域，s 。 s 1 0 0 叫非稳定区域。 2 ：5 制动时车轮的运动状态分析n 3 m 射n 6 m 们 为了保证车辆在制动时有良好的侧向稳定性，并能在大多数路面条件下获得 较好的制动效能，现在对车轮的运动状态进行分析。 2 5 1 动力学模型及分析 采用防抱死制动系统的车辆( 摩托车) ，在制动过程中其单个车轮的制动力矩 与变化着的制动工况及路况有关，故应采用适合于不同的变化规律的力学模型以 达到最佳的制动效果。由于制动器的制动力矩、路面对车轮的滚动阻力矩、地面 对车轮的水平作用力和车体受到的迎风阻力都是速度的函数。因此其力学模型是 一个非线性方程组。只有在计算机防真时，才采用上述模型或者更加复杂的模 型。用解析的方法求解时，通常作如下的假设： 1 ) 承受的载荷f 为常数： 查皇些王查兰望i ：笙兰 兰堑兰鲨垒塑垫堕丝至丝型登生堡竺笪型兰塑! 茎查 2 ) 迎风面积及滚动阻力为零； 3 ) ( 附着系数) 一s ( 滑移率) 曲线为两条直线( 如图2 7 ) 2 寺心 当。蚶外“ ( 2 9 ) 氆鸭) 篙当踮 s 1 0 0 删 ( 2 l0 ) 4 ) 车轮上的制动力矩假设随时间成正比增加( 如图2 8 ) m = b f 图2 7“( 附着系数) s ( 滑移率) 的简化图 图2 8 制动力矩与时间的关系图 ( 2 1 1 ) 2 南京理丁大学倾t 论文 摩托车液压制动防抱死挎制器的性能榆测与加工技术 由图2 9 得车轮运动方程 = m a ： y = 0 ： m = 0 ： 图2 9 车轮受力示意幽 y 诎= t f ：u m j ；= c g 一，馏 i 译= f ：p - 一m ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 车轮制动时的滑移率： s ：生：x - o _ m _ _ l ：1 一掣：1 一导 ( 2 1 5 ) u o 工x 妒n 车轮的中心速度，即车速有两部分组成； x = u o = u b + 妒r ( z 1 6 ) 假设车轮为平直路面制动，不颠簸，则：p = o , f = = g + g 各式中：一车轮中心速度，； 一车轮与路面接触点的速度，形； 驴一车轮转动角速度，m 形z ； 吼一由车轮中心平移速度( 参考速度) 计算的车轮转动角速度，7 形：； 一地面附着系数： 地一最大地面附着系数； s 。一对应z ，的滑移率； 南京删t 人学硕士论文 麟托车液烁制动饬拖死拄制器的性能榆测，抓t 技术 s 一滑移率； 弘。一滑动附着系数； m 一制动器的制动力矩，n m 6 一制动力矩的时f s j 系数； t 一制动时间，j ； m 一车轮的质量，： r 一车辆作用在车轮上的惯性力，j v t 一车轮承受的载荷，； g 一垂直载荷，； g 重力加速度： ，一车轮的转动惯量，磁m 2 ； r 一车轮的滚动半径，m 。 2 5 2 常规紧急制动过程分析 程 当0 s s s 。，时，由( 2 9 ) 、( 2 1 1 ) 、( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 方程组得到微分方程： 弗+ 些+ 鱼f 一岂生垦二：0 ( 2 1 7 ) l s 。j 氓i j s i 当s 。，s 1 0 0 时，由( 2 1 0 ) 、( 2 ，1 1 ) 、( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 方程组得到微分方 西一垫二! d 尘西+ 鱼f _ p f 2 ：r ：0( 2 ，1 8 ) ( 1 一s 。，) 坳o 7 ， 2 5 3 防抱死制动过程分析 当路面附着系数达到峰值点时，防抱死系统液压调节器应该产生反应，进行保 压或者减压，首先看保压情况，假设保压开始的时刻r = 0 ，则由： i 币= f ：罅r b t ：t 。2 1 9 ) 俐。w 一氆) 悬 ( 22 。) t ：垒堕+ 坐出 堪h f ：r b ( 2 2 1 ) 南京理t 大学坝士论史摩托车液压制动防抱死控制器的性能榆测与枷工投术 i s ：旦 驴。 得到微分方程： ( 2 2 2 ) 矽一垫二竺! 鉴：谚：坐生一型尘一堡些 ( 2 2 3 ) i i 审。q s i 。? li 耻h f ：1r 式中： f 。一从开始制动到地面附着系数达到峰值点的时间可由( 2 】7 ) 求出 妒。一对应时刻，由车轮中心平移速度( 参考速度) 计算的车轮转动速度 再看减压情况，设调节器以系数b ，降低制动力矩，并假设降压开始的时刻 f = 0 ，则由： l 妒= 西：r b t ：+ bj t 蝗2 4 ) 俐。地一氆) 篙 ( 2 2 5 ) 得到微分方程 1 一s ：旦 妒。 彩一垫二型墨毛：生+ # g f ：r - b t c j i 辔， ? il ( 2 2 6 ) 为了防止通过减压滑移率s 返回到s 。时，滑移率s 继续减小，降低地面附着 系数，防抱死系统液压调节器应停止减压，变为保压或者增压，首先看保压的情 况。则由： 坳= f 二心- r m n ( 2 2 7 ) 掣：兰s ( 2 2 8 ) j s 。 得到微分方程 s ：1 一旦 妒。 亩+ 兰监二谚：丝生! j i s 。审。ii s ( 2 2 9 ) 塑皇里! 查兰竺! ：笙苎竺盐芏坚坚型垫堕望! ! 笙型竖竺竺墼! 兰型：型! 丝尘 式中： ，一通过降压从路面附着系数峰值点又回到地面附着系数峰值点所需的 时削，由式( 2 2 6 ) 求出。 m ，一可由式 彳，= b ，。一6 ，。，】求出 再看增压的情况，设制动力的增加系数为b ，并设增压开始时刻_ 0 ，由方 程组： ，= c r b 二，f 一 ， ( 2 3 0 ) “：型l ，s ? s 。 得到微分方程 s ：l 一旦 妒。 函+ 坐丛西：坐一监一生f( 2 3 1 ) ： s 。审c ?s 。 ii 假设滑移率的控制范围在( 见图2 7 ) ，利用上述诸多微分方程( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 、 ( 2 2 3 ) 、( 2 2 6 ) 、( 2 2 9 ) 、( 2 3 1 ) n 推导出防抱死液压调节器所需的计算公式。如：到 峰值附着系数时的车轮减速度，车轮的抱死时间，防抱制动液压调节器的增压、减 压、保压的时间等等。 2 5 4 车轮抱死时间计算与分析 由摩托车a b s 的数学模型可以计算出在没有安装a b s 时，车轮从开始制动到抱 死的时间。 l ：当0 s s 。，时，由方程组得到微分方程： 彩+ 坐! ! ：! 西+ 鱼- t 一兰：垒兰：0 。 s 。m i 审o i i s ，。j 这里假设前轮载荷t 为常数。 方程的解为： 南京理工夫学蛳寸：论且=雕托车液撤制动舫抱死控制器的性能愉测与加丁技术 盟：1 一竺生 审n“h f ， 卜塑( 1 一) h f ：r e x p 券 ( 2 3 2 ) 式中：指数函数只是在时间很小时候才起作用，故指数部分可以略去，则上式 可以简化为下式： 盟：1 妒。 则达到i 或者s 。的时间为 2 ：当s 。s s 茎1 0 0 时，由方程组得到微分方程 函一垫二竺! ! 尘西+ 叫b 一型! ：o 够一= _ 一舻+ 一f 一o 一2 u ? ( 1 一s 。、j i ij 令f + = 卜r 。，则方程的解为： 盟：! ! 二坠望1 些 驴，( 一卢。) t r l b ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) 将上式中的指数项按泰勒级数展开，并舍去二次项以后各项，可近似求得值 即为： 弘羔+ j 羔+ 老 ( 2 3 5 ) 即可以算出摩托车在紧急制动时从开始到抱死的时间，其大小约为百分之几到 十分之几秒。 学等 筹 糕 南京理_ 丁大学硕士论文】鼙托车液制动防抱死控制器的性能愉测j 加丁投术 2 6 a b s 控制技术盥4 3 2 6 1a b $ 的基本技术要求 对任何一种设计和使用的防抱死装置来说，都必须做到制动的可靠性和稳定 性，以满足安全性的需要。因此a b s 具有： 1 ) 在任何路面条件下制动都能保证制动稳定性； 2 ) 在设计车速的整个范围内，都能控制调节制动车轮： 3 ) 与无防抱死制动相比，在满足制动稳定性的条件下做到缩短制动距离： 4 ) 必须最快地适应制动滞后和发动机驱动的影响，不受司机操作熟练程度的 影响： 5 ) 保证具备防抱死制动调节的后续制动压力的供给能力； 6 ) 必须具备系统的监测和诊断功能，一旦发现有损制动性能的故障，a b s 系 统自动关闭，并恢复常规制动功能。 7 ) 装车应用的部件必须安全可靠并符合法规要求。 2 6 2 以车轮减速度为控制参数的控制 汽车在制动时轮 速降低，对车轮速度二 微分，可求出车轮的 减速度( 一a ) ，将其 和设定值一作比 较，可以获得车轮减 速度信号一a 。在车 轮减速期间，持续降 低压力又会使轮速上 升，由减速而升速， 在大于一d 时的其他 时间增加制动力。车 辆速度和制动压力为 圈2l o减压速度过快的控制过程 别用u ，和p 。表示，把规定的一a 。表示车轮减速度门限值。为了防止在稳定区域出 现不必要的减压，一a 。必须比所对应的车辆减速度稍大一些。如果一。值比 z 。所对应的车辆减速度小，车轮超过稳定界限之前，过早地就要减压。则附着系 数达不到一，其结果会是制动距离延长，应当指出，这种控制方式在车辆低速运 南京理工人学坝士论史j 搴= 托车液雕制动防抱死拧制器的性能榆测1 j 加丁技术 行制动时，驱动轮可能会达不到设定值一“之前车轮抱死。 2 6 3 以滑移率为控制参数的控制 滑移率是由车辆速度和车轮速度计算得到的，如果能在制动时把滑移率始终控 制在8 3 0 的范围内，就会获得满意的制动效果。但是在实际应用中，可以用车 轮传感器准确的测出轮速，却没有理想的用于准确测出瞬时车速u ，? 的方法，在制 动加压和车轮在稳定区减速的过程中，车速和车轮变化趋势是相同的。可设定车轮 减速度达到某一定值时，以该瞬时的轮速为初始值，根据轮速u 。按固定斜率变化 的规律，计算出近似的车速u 。，在车辆开始制动加压时，轮速下降，根据参考车 速计算出的滑移率数值超过设定值酥时，发出滑移率信号一s ，由此开始降低制动 压力，直到滑移率减小到低于s 。，轮速逼近车速又继续增大制动压力，实现滑移 率的控制过程，这种方法设定的斜率u 。必须比最大附着系数所对应的车辆减 速度稍大一点。只要车轮减速度能达到要求的特定值、斜率满足前述条件，在所有 路面上都能保持车轮旋转恢复到稳定区域。 2 6 4 以车轮加速度和减速度为控制参数的控制 在开始制动时制动压力迅速上升，车辆和车轮开始减速，很快车轮减速度达到 控制门限值一c i 。，制动压力开始下降，轮速由继续下降而转为轮速上升，逐渐达到 较小的加速度+ d 。，制动压力停止减小而“保压”，很快由达到加速度门限值，这 时制动压力增长较大，使轮速很快下降，当加速度重新回至+ 4 。时，压力又缓慢