（车辆工程专业论文）防抱制动系统模糊控制方法的研究.pdf

摘要 本文详细地介绍了防抱制动系统工作原理，对双参数逻辑门 限控制器的实现进行了改进，以单轮车辆模型为基础，讨论防抱 制动控制规律，研究车辆和路面参数对防抱制动过程的影响。建 立多自由度车辆动力学模型，开发了一套a b s 试验计算机仿真系 统，充分考虑了车辆制动过程的非线性和时变性。以防抱制动机 理为依据，以双参数逻辑门限控制方法为基础，探索模糊控制在 汽车防抱制动系统的应用，设计了新的模糊控制逻辑，并与双参 数逻辑门限控制器进行了比较。在a b s 试验的计算机仿真系统中， 设计了9 种不同的a b s 试验仿真工况，验证模糊控制在多自由度 的汽车上的有效性。试验结果表明，a b s 试验仿真系统软件工作 可靠，性能稳定，模糊控制器能够自适应各种路面状况和初始条 件，防止车轮抱死。 关键词：防抱制动系统，计算机模拟，模糊逻辑，系统模型， 滑移率，附着系数 a b s t r a c t t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fa n t i - l o c kb r a k i n gs y s t e mi si n t r o d u c e d t h ea c t u a l i z a t i o nm e a s u r eo fd o u b l ep a r a m e t e rl o g i ct h r e s h o l dc o n t r o l l e r i s i m p r o v e d b a s e d o nt h eo n e - w h e e lv e h i c l e d y n a m i cm o d e l ，t h e i n f l u e n c e so fa n t i l o c kb r a k i n gs y s t e mc o n t r o lr u l e s ，a n dv e h i c l ea n d r o a dp a r a m e t e r so na n t i l o c kb r a k i n gp r o c e s sa r ed i s c u s s e da n da n a l y z e d a13 - d i m e n s i o n a lv e h i c l e d y n a m i c m o d e li ss e t u p as i m u l a t i n g p r o g r a m i s d e v e l o p e d f o rt h ea n t i l o c k b r a k i n gs y s t e m t e s t t h e n o n l i n e a ra n dr e a l - t i m ec h a n g e st a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n af u z z yl o g i c a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e mc o n t r o l l e ri s p r o p o s e d ，a n dt h ea p p l i c a t i o no f f u z z yl o g i cc o n t r o l l e rt oa n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m i se x p l o r e d t h er e s u l t o f b r a k i n gp e r f o r m a n c eb yf u z z yl o g i c a n t i l o c k b r a k i n gs y s t e m c o n t r o l l e ri sc o m p a r e dw i t ht h eo n eb yd o u b l ep a r a m e t e rl o g i ct h r e s h o l d c o n t r o l l e r t h e9k i n d so fd i f f e r e n ta n t i - l o c kb r a k i n gs y s t e ms i m u l a t i n g t e s ta r ed e s i g n e dt ov a l i d a t et h ev a l i d i t yo f f u z z yl o g i cc o n t r o l l e ro nt h e 13 一d i m e n s i o n a lm o d e l t h er e s u l to ft h et e s t ss h o w st h a tt h ec o m p u t e r s i m u l a t i o nf o ra n t i - l o c kb r a k i n gs y s t e mt e s ti sp e r f o r m e d s t a b l y ，a n dt h a t t h ef u z z yl o g i cc o n t r o l l e ri sa d a p tt oa l lk i n d so fr o a ds u r f a c ea n di n i t i a l c o n d i t i o n so fv e h i c l et op r e v e n tt h ew h e e lf r o m l o c k i n g k e yw o r d s ：a n t i - l o c k b r a k i n gs y s t e m ，s i m u l a t i o n ， w h e e l s l i pr a t e ，f u z z yl o g i c ，s y s t e mm o d e l i n g ， a d h e s i o nc o e f f i c i e n t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密囵。 学位论文作者签名：氢0 寺翼 7 鲫多年弓月c d 日 指导教师签名：李惕 沙哆年；月l d 日 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体。均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：冤i 裂晕 日期：础垆3 月f d 日 江苏大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 随着世晃汽车工业的迅速发展，舒适性、安全性已成为人们选购汽车的 重要依据。从汽车诞生时起，车辆制动系统在车辆的安全方面就扮演着至关 重要的角色。目前广泛采用的防抱制动系统( a n t i l o c kb r a k es y s t e m ) ，简 称a b s ，是提高汽车主动安全性的一个重要装置，是9 0 年代以后汽车工业 重要发展趋势之一。 汽车的防抱制动系统的开发始于7 0 年代初，目前已成为发达国家汽车 生产的标准装备。目前我国的防抱制动系统尚处于起步阶段，随着我国加 入世贸组织之后，发展民族汽车工业，增强国产汽车的市场竞争力，对具有 自主知识产权的防抱制动系统的开发与研究提出了迫切的要求。 防抱制动系统是基于车辆轮胎与路面之阁的附着性能随滑移率改变的 基本原理而开发的高技术装置。它有效地防止了制动过程中车轮“抱死”， 避免汽车因后轮抱死而丧失方向稳定性，前轮抱死而丧失转向能力。带有常 规制动系统的汽车与同类带有防抱制动系统的汽车相比较，后者最终制动距 离往往要比前者短。因而防抱制动系统是一种有效的车辆安全装置，它提高 了汽车行驶的稳定性、操纵性和制动安全性。 a b s 与常规的制动系统相比有四个显著的优点： 1 改善了汽车制动时的横向稳定性 汽车在各种路面实施制动，当车轮抱死滑移时，横向附着系数极小，汽 车失去了抵抗横向力的能力，极易侧滑，不稳定。匹配有a b s 的汽车在紧 急制动过程中，保持着很大程度的操纵控制，有足够的抵抗横向力的能力， 保证汽车制动时高横向稳定性。 2 提高了汽车制j ，时的方向操纵性 汽车制动时转向轮抱死滑移，汽车就失去了转向能力，仅能按惯性力的 方向运行：由于a b s 减少了车轮抱死的机会，转向轮处于边滚边滑的运动 状态，保证了汽车有足够的转向能力。 3 减少了轮胎的局部磨损 汽车制动时，车轮抱死滑移，轮胎局部磨损严重；使用a b s 防止车轮 抱死，消除了在紧急制动过程中轮胎平斑的可能性。 4 缩短了汽车制动距离 汽车制动时，车轮抱死，纵向附着系数小；使用a b s 可以使纵向附着 系数保持在峰值附着系数附近，充分利用地面附着系数，缩短了制动距离。 江苏大学硕士学位论文第l 章绪论 1 1a b s 发展历程 1 1 1 国外a b s 的发展 a b s 系统的发展最早可以追溯到本世纪初期，1 9 2 8 年制动防抱理论就 被提出。在3 0 年代，机械式制动防抱系统就开始在火车和飞机上获得应用， 德国博世( b o s c h ) 公司在1 9 3 6 年第一个获得了用电磁式车轮转速传感器获 取车轮转速信号的制动防抱系统的专利权，可以认为这是a b s 系统形成中的 一个里程碑( 烈。 防抱制动系统的实际应用从1 9 4 3 年开始，首先用于机车上，美国的西 屋公司开始批量生产用于火车上的防抱系统。而飞机发展的需要进一步推动 了a b s 的发展，为了防止飞机着陆时车轮抱死和严重磨损，a b s 装置被用 于飞机上。这时的防抱制动系统大多是机械式的，利用惯性飞轮探测车轮是 否抱死，从而决定制动压力是否需要调整。 进入5 0 年代后，汽车制动防抱系统开始受到较为广泛的关注。】9 5 1 年， g o o dy e a r 航空公司将a b s 用于载重车；美国福特( f o r d ) 公司曾于l9 5 4 年将飞机的防抱制动系统移置在“林肯牌”轿车上，这次试验虽然以失败而 告终，但揭开了汽车应用a b s 的序幕；凯尔塞海伊斯( k e l s eh a y e s ) 公司 在1 9 5 7 年对被称为“a u t o m a t i c ”的防抱制动系统进行了试验研究，研究结 果表明防抱制动系统确实可以在制动过程中防止汽车失去方向控制，并且能 够缩短制动距离：克莱斯勒( c h r y s l e r ) 公司在这一时期也对被称为“s k i d c o n t r o l ”的防抱制动系统进行了试验研究。由于这一时期的各种制动防抱系 统采用的都是机械式车轮转速传感器和机械式制动压力调节装置，因此，获 取的车轮转速信号不够精确，制动压力调节的适时性和精确性也难于保证， 控制效果并不理想。 随着电子技术的发展，电子控制制动防抱系统的发展成为可能。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系统开始进入产品化阶 段。凯尔塞海伊斯公司在1 9 6 8 年研制生产了称为“s u r e t r a c k ”的两轮防抱 制动系统，该系统由电子控制装置根据电磁式转速传感器输入的后轮转速信 号，对制动过程中后轮的运动状态进行判定，通过控制由真空驱动的制动压 力调节装置对后制动轮缸的制动压力进行调节，并在1 9 6 9 年被福特公司装 备在雷鸟( t h u n d e rb i r d ) 和大陆马克i i i ( c o n t i n e n t a lm ki i i ) 轿车上。 克莱斯勒公司与本迪克斯( b e n d i x ) 公司合作研制的称为“s u r e t r a c k ， 的能防止4 个车轮被制动抱死的系统，在1 9 7 1 年开始装备帝国( i m p e r i a l ) 轿车，其结构原理与凯尔塞海伊斯的“s u r e t r a c k ”基本相同，两者不同之处， 只是在于两个还是四个车轮防抱制动。博世公司和泰威士( t e v e s ) 公司在 江苏奎堂竺主堂垡丝苎苎! 童笪笙 一一一 _ 这一时期也都研制了各自第一代电子控制防抱制动系统，这两种防抱制动系 统都是由电子控制装置对设置在制动管路中的电磁阀进行控制，直接对各制 动轮以电子控制压力进行调节。 别克( b u i c k ) 公司在1 9 7 1 年研制了由电子控制装置自动中断发动机某 缸点火，以减小发动机输出转矩，防止驱动车轮发生滑转的驱动防抱系统。 瓦布科( w a b c o ) 公司与奔驰( b e n z ) 公司合作，在1 9 7 5 年首次将防 抱制动系统装备在气压制动的载贷汽车上。 这一时期的各种a b s 系统都是采用模拟式电子控制装置，由于模拟式 电子控制装置存在着反应速度慢、控制精度低、易受干扰等缺陷，致使各种 a b s 系统均未达到预期的控制效果，所以，这些防抱控制系统很快就不再被 采用了。 进入7 0 年代后期，数字式电子技术和大规模集成电路的迅速发展，为 a b s 系统向实用化发展奠定了技术基础。博世公司在19 7 8 年首先推出了采 用数字式电子控制装置的防抱制动系统博世a b s 2 ，并且装置在奔驰轿车 上，由此揭开了现代a b s 系统发展的序幕。尽管博世a b s 2 的电子控制装 置仍然是由分离元件组成的控制装置，但由于数字式电子控制装置与模拟式 电予控制装置相比，其反应速度、控制精度和可靠性都显著提高，因此，博 世a b s 2 的控制效果己相当理想。 从此之后，欧、美、目的许多制动器专业公司和汽车公司相继研制了形 式多样的a b s 系统。 8 0 年代后期，随着电子技术的发展，防抱制动系统( a b s ) 的实用和推广 成为世界汽车技术领域最显著的成就。a b s 控制不断更新换代，体积越来越 小，功能越来越强，控制逻辑更加合理，具有自适应性和故障自诊断，a b s 向着提高性能成本比的方向发展。1 9 9 0 年，德尔科( d e c l o ) 公司推出了更为 经济的d e c l oa b sv i 型。这些公司的努力，使a b s 占的成本百分比大大下 降，从而为a b s 技术在轿车上的迅速普及创造了良好的条件。 据统计，1 9 9 0 年全世界生产的轿车中只有2 5 的新车将a b s 作为标准 或选装配备，而目前估计全世界新生产的轿车中有约9 0 的新车装备a b s 。 一些汽车制造公司如美国通用，德国的奔驰，宝马等已在其生产的轿车上 1 0 0 地装备a b s 。因此，可以这样认为，a b s 在轿车上真正普及应用还是 在8 0 年代末至9 0 年代的最近1 0 年 3 】。 目前的国际上通用的检验a b s 产品的标准有：欧洲经济委员会( e c e ) 的汽车制动法规( r 1 3 ) 的附件b 采用制动防抱装置的车辆的试验要求。 国际标准化组织( i s o ) 的道路车辆技术委员会( t c 2 2 ) 的制动分委会( s c 2 ) 也等效采用了e c e 的r 1 3 的附件b 。 江蔓查堂堡主堂垡堡垄笙! 圭笙堡 _ 一 一 1 1 2 我国a b s 的发展 我国对a b s 的研究开始于8 0 年代初，a b s 的研究项目被列入“九五” 科技攻关计划。 目前多数新进口轿车都装备有a b s ，其中有些豪华轿车还装备有t c ( 牵 引控制) 。1 9 9 8 年上海大众汽车公司在其生产的桑塔纳2 0 0 0 型轿车上装备 a b s 。我国的两个新的轿车合资项目上海别克( b u i c k ) 币f l 广州本国( h o n d a ) 于 1 9 9 8 年和1 9 9 9 年正式生产的别克世纪( b u i c kc e n t u r y ) 和本国9 8 款( 第六代) 雅阁f a c c o r d ) 新车型都将a b s 作为标准配备( 其中9 8a c c o r d 车型装的是 b o s c ha b s ) 。另外，一汽大众和神龙都计划在其生产的捷达和富康轿车上分 别装备a b s 。因此，可以预测，a b s 也将在不久的将来普及应用在我国国 产轿车上 3 1 。 我国己制订车辆安全性方面的法规，并使其成为强制性法规。我国检验 a b s 产品的国家标准为g b l3 5 9 4 9 2 采用防抱制动系统要求和试验方法， 它等效采用了欧洲经济委员会( e c e ) f j 定的汽车制动法规r 13 的附件1 3 。 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 低。因此增强国产a b s 的竞争能力，迫切需要对e c u 和控制软件等a b s 的关键技术进行深入的研究。 1 2a b s 控制技术发展现状 目前，汽车防抱制动系统( 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角加速度门限及参考 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，需在许多不同的道路上加以测试；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，由于逻辑门限控制方法的编制有许多局限性，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 的控制参数是滑移率。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滑移率，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，但由于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。防抱系统要求商可靠性，否则会导致 人身伤亡及车辆损坏。因此，发展鲁棒性好的a b s 控制系统成为关键。现 在，已有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 江苏大学硕士学位论文第l 章绪论 限方法是以比较为目的外，增益调度p 1 d 控制、变结构控制和模糊控制是常 用的鲁棒控制系统。 另外，也有采用其它的控制方法，如基于状态空间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。 1 3a b s 未来发展方向 汽车防抱制动系统的发展主要是控制技术的发展。一是扩大控制范围、 增加控制功能：二是采用现代控制理论，实施伺服控制和高精度控制。另外， a b s 也在向着减小体积和质量，提高集成度，简化安装工作，拓展a b s ， 开发新技术的方向发展。 未来电子行业的发展将会把汽车电子化产品推向的新的高度。汽车电子 的功能将从完成单一控制系统拓展为综合控制系统。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，丽成 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 ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) - - 体化运用的构想。智能运输系统所采用 的先进电子系统将使a b s 系统产生质变。雷达、传感器、g p s 等电子信息 技术将实现智能车辆控制，由于能够准确采集到车辆运动速度，a b s 的控制 系统将会使a b s 的作用发挥到最佳状态。 另一方面，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重要的方向。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。 1 。4 本课题的主要工作 目前关于汽车制动的研究主要集中在制动控制方面，包括制动控制的理 论和方法，以及采用新的技术。防抱制动系统的控制软件是防抱制动系统的 关键技术之一。国内外的很多的学者采用各种控制方法对其进行了研究，但 是一些控制方法对硬件的要求较高或者控制器过于复杂，调试比较困难，缺 望蔓奎兰堡主堂垡堡塞塑! 至堑堡 乏实用性。国内的防抱制动系统还处于发展阶段，探索有效的控制逻辑是加 快发展防抱制动系统的关键。 防抱制动系统的研制与开发要求研究出具有较强的实用性、通用性和可 靠性的产品，它涉及到汽车、电子技术、自动控制、计算机技术等领域，还 受到试验条件等方面的制约。本课题力求在现在的条件下就防抱制动系统的 控制方法进行研究，设计种新的具有实用价值，调试容易，鲁棒性强，控 制效果好的模糊控制器。从防抱制动控制机理的研究出发，本课题主要进行 了以下的工作： 1 建立单轮车辆模型，研究防抱制动控制的规律，分析车辆和路面参 考对防抱制动过程的影响。 2 建立多自由度车辆动力学数学模型，开发一套a b s 试验的计算机仿 真系统，监控防抱制动过程。 3 以防抱制动机理为依据，以双参数逻辑门限控制方法为基础，探索 模糊控制在汽车防抱制动系统的应用，设计薪的模糊控制逻辑，并进行计算 机仿真的研究与分析。 4 设计了多种不同的a b s 试验仿真工况，验证模糊控制在多自由度的 汽车模型上的有效性，并进一步调整规则。 5 进行试验验证，验证a b s 试验的计算机仿真系统的可靠性和准确性， 从而进一步验证模糊控制的有效性。 兰菱奎兰堡主兰垡笙塞 箜! 兰垒旦! 盟三笪堕里一 第2 章a b s 的工作原理 汽车防抱制动系统( 简称a b s ) 能够根据路面与轮胎的附着情况，利用 附着系数和车轮滑移率s 之间的非线性关系，调整制动管路压力，维持滑移 率在期望值附近，以获得最大的纵向附着系数和较大的侧向附着系数，以保 证汽车具有良好的制动效能、方向稳定性。 2 1 制动时汽车的运动 2 1 1 汽车运动受力分析 车辆受到与行驶方向相反的外力作用时，才能从一定的车速减速直至停 车。这些外力只能由地面和空气提供，但实际上由于空气阻力相对较小，所 以此外主要由地面提供车辆减速宜至停车的力，称为地面制动力 4 1 。如果单 独分析车轮与路面之间的受力，情况如图2 ，i 所示： 匝互卜匝五一 惯性j j ； ： 匝乎匝驴 一i i 避由阿 均匀路面 i 蕊嘉 函孓c 鹫j ；! = = 葛粤 一h 址a 自 不均匀蹄嘶 图2 j 宜线制动力示意图 与地面制动力有关的摩擦系数称为制动附着系数，也称为纵向附着系 数。地面制动力受制于两个摩擦副的摩擦力：一个是制动器内制动摩擦片与 制动鼓或制动盘间的摩擦力：一个是轮胎与地面问的摩擦力，即地面附着力 一。左右地面制动力相等时，车辆能沿着行进方向停住；而左右地面制动力 不相等时，绕车辆质心产生一个旋转力矩，会使制动跑偏。 在轮胎和地面的接触面还存在另外一个摩擦力，它与地面制动力方向不 同，作用在垂直于车轮旋转平面方向上，称为侧向力，与之相关的摩擦系数 是侧向附着系数1 5 j 。前轮的侧向力又口q 做转弯力。汽车依靠侧向力克服横向 风力维持行进方向。当车辆转弯时，转动方向盘使车轮产生一个转角，地面 提供侧向力，克服离心力维持车辆的转弯运动。这种情况如图2 2 所示。 江苏大学硕士学位论文第2 章a s s 的： 作原理 ；甲制刻。甲 。 一惯性 i 甲喂， i m “ f r 印甲 一惯性 锨巧儿瞩， 牝勺 髑22 受侧向力制动受力图 一般来说地面制动力越大，制动减速度的绝对值就越大，车辆停车的距 离越短；车轮能提供的侧向力越大，车辆的方向稳定性越好，操纵性越好。 反之，车轮能提供的侧向力很小，车辆就有可能发生侧滑或甩尾等危险情况。 2 1 2 车轮抱死时汽车运动情况 图2 3 是车轮抱死时汽车运动情况。当车轮抱死时，侧向附着系数接近 零，侧向力也接近于零。此时，只要对汽车作用很小的偏转力矩，汽车就会 产生不规则运动而处于危险状态。转向力很小，无法躲避前方的障碍物f 5 1 。 。刳小螨 幽生 | 口 n u fl 线 ：牲 口 猡 牿。 驰 图2 。3 制动车轮抱死时汽车运动情况 2 2 制动时车轮的运动 2 2 1 制动车轮运动学 2 2 1 1 制动车轮的运动参数 蓼 汽车制动时，描述车轮运动状态参数主要有：车轮转速国、车轮角加速 度m 及其变化率。、车轮滑移率6 1 。 1 、制动时的车速及车轮角速度 汽车在平直的道路上制动时，车轮运动状态如图2 4 所示。设车轮与路 面的接触点为b ，车轮中心为o ，车轮中心的速度v ，则有 江苏大学硕士学位论文第2 章a b s 的工作原理 削2 4 乍轮运动状态 矿：k + 甜或：堡监( 2 1 ) r 式中：矿一车速，m s ； 一车轮相对于路面的滑移速度，m s ； 一车轮角速度，r a d s ； r 一车轮的动力半径，m 。 2 、滑移率 为了表述车轮相对于路面的滑移速度在车轮中心平移速度矿所占的 比例，引入了滑移率s 这一概念，它能充分表示制动时车轮的运动状态。 定义如下： s ：皂：1 一竺 ( 22 ) 矿 v 由式( 2 2 ) 可知：车辆制动对，且0 。当= 0 时，s = 0 ，鲫= v ，表示车轮只滚不滑；当= v 时，s = 1 ，= 0 ，表示车轮只滑不滚；当 0 矿时，( o r v ，o 0 ，但m 可以大于零，可小于零，也可等于零，这取决于制动器制动力 与路面附着力之间的关系。 图2 5 所示为车速、参考车速、车轮转速鲫- 、及车轮角加速度之削的关 系。从图中可以看出，只要求出制动车轮转速的极大值，通过逻辑处理，就 可求得参考车速。 因此，求取参考车速的关键是求( - 9 的极大值。当m ：0 ，m c0 时，出 现极大值，如图2 5 所示，在时刻，b 时，= 0m c 0 ( ，略小于7 8 时， 0 f 略大于r b ，c oc0 ，表明历经，b 时刻时，m 由币变为负，呈减少的趋势) 车轮转动速度( o f ) 线1 在b 点出现了极大值。当m ：0 ， 0 时，出现 极小值，由图2 5 也可明显看出来。 将车轮转动速度线上两个或两个以上的极大值点相连就可得到参考车 速，参看图2 5 。 ( 4 ) 车轮滑移率的测量方法 前面讨论了a b s 测量车轮转动角速度及参考车速的方法，车轮半径r 可 以看作为定值。在上述三个数值确定的情况下，由控制器按式( 2 2 ) 就可以方 便地求取车轮滑移率s 。 2 2 一轮胎的附着特性 车轮的制动理论主要建立在轮胎与地面之间的附着特性基础上，轮胎的 附着特性是决定汽车制动性能的重要因素。对汽车的制动过程而言，道路对 汽车的所有纵向制动力和侧向力都是通过轮胎接触地面传递的。纵向制动力 和侧向力影响汽车制动效能和制动行驶稳定性。根据摩擦理论，纵向制动力 和侧向力的形成要求在轮胎和路面之间存在相应方向的相对滑动。由于轮胎 是一个弹性体，所以这种滑动不仅与滑动过程有关，而且也与轮胎的弹性变 1 1 垩蔓奎兰堡主堂垡笙苎蔓! 至垒里! 堕三堡垦望一一 形有关。实际上。轮胎的侧向力主要是由于轮胎弹性变形产生的相对滑动引 起的。 当车辆制动时，车轮速度减小，车辆速度与车轮速度之间存在一个速度 差，我们把这种现象称之为滑移现象，衡量滑移现象的程度用前面提到的滑 移率s 表示。 制动附着系数。、侧向附着系数，与滑移率s 之间存在着密切的关系， 图2 6 所示为常用来分析汽车制动性能的轮胎纵向和横( 侧) 向附着特性曲 线 4 1 。 图2 6 轮胎附着特性曲线 在制动过程中，在滑移率s 较小时，纵向附着系数。随着滑移率s 的 增大而增大，当s 达到某一值时s o 时，。达到最大值：此后，s 增大，“。反 而减小；当s 达到1 0 0 时，车轮抱死拖滑，卢。达到较小值，侧向附着系数 所在制动过程中附着s 的增大而减小，s - = 0 时，肼最大，当车轮抱死时，“ 趋近于零。从图中我们可以看出在纵向附着系数最大值时所对应的滑移率下 的轮胎侧向附着系数卢，也能保持有一定大小的值，从而使汽车的制动效能和 操纵稳定性都得到保障。因此，控制汽车制动时车轮滑移率，使其达到纵向 附着系数最大值，不仅能使汽车有最佳的制动效能，而且具有良好的制动行 驶操纵稳定性。 2 2 3 车轮抱死过程 图2 7 是汽车实旋制动后，车轮抱死减速过程与典型的车轮附着特性。 汽车实施制动后，制动压力上升，制动器制动力矩随之增大，车轮速度 开始降低，滑移率和地面制动力矩增大。由前面轮胎附着特性的分析可以知 道在滑移率达到氐之前，制动器制动力矩和地面制动力矩增长可看作是同步 增长。但是，继续增大制动器制动力矩，滑动率超过s ，。后，。反而下降， 地面制动力矩随之减小，而制动器制动力矩却继续增大，两者之差急剧增大。 最终使车轮速度大幅度减小直至车轮抱死。这期间的车轮减速度非常大。 江苏大学硕士学位论文第2 章a b s 的工作原理 根据这个过程可以得到如下结论： 滑移率达到s 。之前，能够通过制动器制动力矩即通过制动压力来控制车 轮稳定旋转。0 s s 。叫做稳定区域；超过s 。以后，车轮转速对制动力矩变 化很敏感，如果不麓控制车轮的旋转，车轮将很快孢死。s s s i 叫做菲稳 定区域。如滑移率始终保持在s 。处，侧向附着系数，也可保持较大的值，能 够确保汽车行驶的方向稳定性和操纵性。 一稳证叵i 一4 匏记眄城 图2 7 车轮抱死过程 2 2 4 车轮制动时受力分析 k 影。 ( a ) r恭 f 。 t 图2 8 制动轮的受力情况 图2 _ 8 ( a ) 为车轮在良好的路面上制动时车轮的受力分析【4 1 ，图中为车 轮的垂直载荷( n ) ，尼为地面对车轮的法向反作用力( n ) ，m 。为车轮制动 器的摩擦力矩( n - m ) ，m j 车轮及与其相联旋转质量惯性力矩( 甜m ) ，m ，为 江苏大学硕士学位论文第2 章a b s 的工作原理 车轮的滚动阻力矩，b 为车轴对车轮的推力( n ) ，f r 为地面制动力( n ) ，f ， 为车轮的滚动阻力( n ) ，为车轮的动力半径( m ) 。忽略滚动阻力矩( m ，) 、 车轮及与其相联旋转质量惯性力矩( m ，) 和滚动阻力f ，车轮的受力情况 如图2 8 ( b ) 所示。 汽车制动过程的动力学方程如下： lo ) 2r f r m 。 f ，= w “q = m g j ub 其中：m 一四分之一车辆总质量k g ；p 一车身速度m s ： 卜一车轮的转动惯量k g i t l 2 ；r 一车轮的动力半径。 为方便分析防抱制动规律，在研究中，将纵向附着系数 想化为如图2 9 所示的两条直线段【2 1 。 图2 9 理想化附着系数一滑移率的特性曲线 则儿与s 的关系表达式为： ( 2 3 ) ( 24 ) ( 25 ) 滑移率曲线理 u b = 訾s 胪背：- 等s 6 这里：以一峰值附着系数；以一车轮完全抱死时附着系数：鼠期 望滑移率。 4 江苏大学硕士学位论文第2 章a b s 的：作原理 将( 2 2 ) 式代入式( 2 6 ) 中，令0 9 。= v r ，可得 胪等c 卜 舻心+ 等。云 s s o ( 2 7 ) s o s 。的不稳定运动状态。因此，当s s 。后增大m ，并没有益处。为了 计算方便，设m 。= m 。6 1 。 将式( 2 7 ) 中第二式代入式( 2 5 ) ，得： 肛( 篱m g ( 2 - 1 5 将m 。= m 。及式( 2 1 5 ) 代入式( 2 4 ) ，得： 胁”坐掣一生( d o 令c = 型等 一生，emgr(ph-,ug) j ，( 1 一s o ) = e 一目十暑( 1 一e 一。) 将式( 2 1 7 ) 代入式( 2 2 ) ，得： s = 卜r ( e c o o e 万- c r + c e - ； ) 对式( 2 1 7 ) 求导，得： 0 9 e o o e m c e 一。 上式中f 。不能忽略不计，作为近似计算可把e 二次以上的各项，式( 2 1 7 ) 可写成： 0 9 = o ) o + ( c g o ) 。t 由上式可方便的计算车轮抱死的时间为： 1 6 ( 2 1 7 ) ( 2 18 ) ( 2 1 9 ) o 展开成级数并且忽略去 ( 22 0 ) 62c1 1 一 e 卜 ： 为 则 解通的6，式程 方分微 坚蔓查堂堡主堂堡垒苎 笙! 童垒旦! 堕三堡堡望 当车轮抱死时，= 0 ，则f s = i _ 竺殳i ( 2 - 2 1 ) 占一。 由式( 2 1 2 ) 可以看出，车轮在紧急制动开始后，角减速度按指数规律 d 一 增长；随着f 的增加，指数项的影响减小，角减速度达到一临界- - d 。o j 0 ，即 7 二型塑。由式( 2 1 1 ) 可知车轮滑移率是线性函数叠加一个指数项，随时 1 m g 。r 间增加，指数项的影响减小，滑移率的增长速度趋于稳定，与原来的理想的 轮胎模型稳定部分相吻合，在车轮滑移率达到峰值附着系数滑移率以后，由 式( 2 1 9 ) 可知，角减速度增加，滑移率以指数形式迅速增加，到车轮抱死， 可见，车轮角减速度的变化反映了车轮抱死的运动状况，车轮角减速度达到 角减速度的临界值是轮胎附着系数达到峰值附着系数的一个信号。这样，车 轮角减速度是防抱制动控帝4 的一个重要参数，为防抱制动装置的设计提供了 理论依据。为确保防抱制动装置能防止车轮抱死，防抱制动系统在车轮滑移 率达到期望滑移率时的时间，。附近时刻降低制动压力，其响应时间和调节制 动管路压力的时阳j 必须小于车轮抱死所需的时间，即小于f 。 2 2 5a b s 车轮运动状态分析 装用a b s 的汽车与不装用a b s 的普通制动系的汽车比较，在制动时车 轮运动状态有时是相同的，有时是不相同的。 装用a b s 的汽车，只要驾驶员踩下制动踏板，a b s 就处于等待工作的 状态，一旦传感器传送到控制器的数据资料表明车轮即将抱死，a b s 就丌始 工作。国家标准g b l3 5 9 4 9 2 规定车速低于15 k m h 允许车轮抱死，a b s 会自动终止工作。只有在a b s 工作期间，装用a b s 汽车的车轮运动状态与 不装用a b s 汽车的车轮运动状态才是不一样的。 现在讨论制动压力降低时，制动车轮运行状态的分析。 由前面的讨论可知，当制动器制动力达到路面的峰值附着力，即滑移率 达到岛( 见图29 ) 时，如不减小制动器摩擦力矩。即不降低制动压力， 车轮运动状态就会进入高滑移率( s s 。，见图2 9 ) 的不稳定区域，直到车 轮抱死拖滑。因此，a b s 应适时豹开始工作，减小制动压力，使制动器摩擦 力矩m 。减少，车轮滑移率也减少。设制动器摩擦力矩从m 。开始以速率k 的比率减小，即m u = 。kr ，= r m g ，一k t 【6 ，将该式及式( 2 7 ) 中第 式代入力矩平衡方程式( 2 4 ) ，可得： 厂、 ，- = 譬，m g t i 一旦 一, u h m g ，+ k ， 坚蔓查兰堡主堂堡笙苎蔓! 兰垒呈! 堕王堡堕堡 令d ：“r m g r f i s q ，b 1 = 一等 则+ d 导：一b 。t + d ( 1 一s 。) ( 2 2 2 ) 蛾 式( 2 ，2 2 ) 与式( 2 9 ) 具有同样的形式，可作同样的处理。 其解作近似处理后为： m = ( 1 一& ) - 。一等+ 占 舳一警= 者鲁 ( 22 3 ) ( 2 2 4 ) 制动器处于减压期间，c o o 0 ，k ，s o 等值恒为正，故由式( 2 2 3 ) 可知， 。，0 ，即车轮加速运转。角加速度。值不仅与车轮与道路之j 司接触条件( 。， 鼠) 有关，而且与车轮结构参数( r ) 、垂直载荷及车速( c o o = v r ) 有关，同时与 制动器摩擦力矩的减小速率k 有关。需要说明的是控制k 的大小，对a b s 的性能影响很大，足是设计a b s 调节器的重要指标之一。 控制k ，实质上是控制制动压力的下降速率。压力下降速率一般不得大 于压力上升的速率，般而言，前者是后者的0 5 l 倍f 6 】。如戈值过大，出 于制动系统滞后而导致a b s 反应速度低，会出现制动压力过低的现象，使 滑移率s 偏离s 。过大，势必不能充分利用轮胎与路面间的潜在附着力，导 致制动效能降低，甚至比不装用a b s 汽车的制动效能还差。 以上分析了a b s 工作期间制动压力变化时车轮的运动状况。a b s 的性 能不仅取决于a b s 本身，如控制器的控制参数、控制逻辑、运算速度等及 传感器的测量精度、调节器的反应速度和调压速率等；而且与制动系本身的 技术状态有关，如制动器的效能及制动系的滞后现象和车轴问制动力分配等 等。鉴于上述各种因素的影响，当代汽车装用a b s 后制动时，车轮有短暂 时刻的抱死拖滑是允许的【5 】。 2 3 防抱制动装置控制逻辑 2 3 1 基本防抱控制逻辑 a b s 的压力控制模式目前有二类循环模式：一类循环模式是增压一压力 保持一减压；另一类循环模式是增压一减压。二种压力控制模式各有优缺 点压力控制模式不同，控制器的控制逻辑不同，调节器的构造也不相同。 目前可作为a b s 控制参数的有：车轮滑移率、车轮转动角加速度及其变化率 坚蔓奎堂堡主兰丝鲨塞 箜! 兰垒旦! 盟三j 型垦翌一 等三种描述车轮运转情况或动力学状态的参数。现代汽车防抱制动装置大多 采用车轮角加速度和车轮滑移率两个控制参数进行组合，按第一类循环模式 的逻辑门限控制。 闰2 1 0 防抱控制过程原理图 防抱死制动基本原理如图2 1 0 。在制动的初始阶段，制动压力上升， 车轮产生制动减速度。当车轮达到某一减速度值( 即a 点) ，说明车轮即将 抱死，车轮状态已处于不稳定区域，此时则命令制动力矩减小，即降低制动 管路压力。这时车轮由于惯性及机械系统滞后仍有一段时间制动减速度下 降，随后制动减速度的绝对值开始减少，最终产生车轮角加速度，这表明车 轮已恢复到稳定的车轮特性区域。 如果继续降低制动管路压力，就会导致车轮制动力减小， 并最终使制动力丧失。当车轮达到稳定区域时，希望车辆尽可能多地停留在 这一区域，这样制动力和侧向力都较大。所以，当车轮运动状态达到一定的 加速度门限后，制动压力进行保持，这时车轮由于惯性的原因加速度会继续 上升一段时间，然后呈下降趋势。这时如果不改变制动压力状态，维持保压， 车轮减速度比较小，达不到峰值附着系数，则制动距离长。所以当加速度下 降到某一门限时，开始增加制动压力，为使制动状态能较长时间地停留在稳 定区域内，则交替式的增压保压，获得不同的压力增加速率，得到最优制动 效果。 在大多数的防抱制动系统中，普通制动系统保持不变。在制动过程中， 一旦满足a b s 工作条件，控制