（车辆工程专业论文）摩托车液压制动防抱死控制器的研制.pdf

p3 9802 2 南京理z 大学硕士论文 摘拦 摘要 为提高中、低档摩托车的制动安全性能，目前亟待开发一种经济实用、便 于安装的防抱制动系统( a b s ) 。本文首先分析了车辆a b s 工作原理、控制技 术及影响控制技术的因素：建立了摩托车用机械式a b $ 数学模型，分析影响摩 托车制动安全性能的因素，在此基础上，提出了针对路面条件，通过调节装置 控制制动压力，使车轮滑移率处于理想的范围，实现摩托车在紧急制动时的防 抱死制动，并推导出控制压力与路面附着系数之间的关系式，给出了各种路面 条件下控制压力的理论计算值。基于上述理论，设计出三套适用于中、低档摩 托车防抱死控制器的方案，分析了每套方案的结构特点。以方案三为例，采用 微机化测试系统，进行防抱死控制器在高、中、低三种路面状况下输入输出端 制动压力测试的动态和静态实验以及实际路况试验，实验均取得了预期效果。 课题的研究成果已取得国家专利，目前已作为产品投入小批量生产。f 该控制器 结构新颖、便于安装、价洛性能比好，将具有广阔的市场前景，旷y 关键词：摩托车盘式制动器防抱死控制器 。厂。， 南京珊 上学硕i ：论_ 空= a b s t r a c t a b s t r a c t i eo r d e rt o i m p r o v e b r a k e c a p a b i l i t y o f m e d i u m - p r i c e a n d l o w - p r i c e m o t o r c y c l e s ，ak i n do f e c o n o m i c a la n dp r a c t i c a la n t i l o c kb r a k es y s t e m ( a b s ) e a s y t ob ei n s t a l l e di s u r g e n t l yr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e da tp r e s e n t t h i sd i s s e r t a t i o n a n a l y z e d t h e w o r k i n gp r i n c i p l e o fv e h i c l e s a b s ，c o n t r o l l e rt e c h n o l o g y a n d i n f l u e n c i n gf a c t o r so fc o n t r o l l e rt e c h n o l o g y t h em a t h e m a t i c sm o d e lo fm e c h a n i c a i s t y l e a b sf o r m o t o r c y c l e s i se s t a b l i s h e dt h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h eb r a k i n g s e c u r i t yp e r f o r m a n c e a r e a n a l y z e d i n o r d e rt oa c h i e v ea n t i l o c kb r a k eo f m o t o r c y c l e s ，at h e o r yb ya d j u s t i n gc o n t r o l l e rt oc o n t r o lb r a k i n gp r e s st om a k et h e s l i p r a t ei na ni d e a l s c o p e f o rd i f i e r e n ts u r f a c ec o n d i t i o n si s p u t f o r w a r dt h e c a l c u l a t i o nf o r m u l ao fh y d r a u l i cd i s kb r a k ec o n t r o lp r e s si sd e d u c e db a s e do nt h e t h e o r y ，t h r e em o d e l so fa n t i l o c kb r a k i n gc o n t r o l l e ra r ed e s i g n e dw h i c hi st h es a m e w i t h m e d i u m p r i c e a n d l o w p r i c em o t o r c y c l e s a n de a c hm o d e l s c o n f i g u r a t i o n f e a t u r ei sa n a l y z e da sa ne x a m p l e ，u s i n gt h et h i r s tm o d e l ，t h ed y n a m i ca n ds t a t i c a n dr o a ds u r f a c ee x p e r i m e n t st h a ta d o p tc o m p u t e rt e s ts y s t e mf o ra n t i l o c kb r a k i n g c o n t r o l l e ra r et e s t e do nh i g h ，m e d i u ma n dl o wa d h e s i o nc o e f f i c i e n t sr o a ds u r f h c e t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa c h i e v e dw h a tw ew a n t e dt h er e s e a r c hh a r v e s to ft h i s d i s s e r t a t i o nw a sa c q u i r e dn a t i o n a lp a t e n ta n dw a s p r o d u c e dl i t t l eb a t c ha sap r o d u c t a tp r e s e n tt h ec o n t r o l l e ri sn o v e l t ya n d e a s yt ob e i n s t a l l e da n dg o o d p r i c ec a p a b i l i t y t h e p r o d u c t w i l lm a k eap r o s p e c tm a r k e ti nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：m o t o r c y c l e d i s kb r a k ea n t i l o c k b r a k i n g c o n t r o l l e r t 1 1 课题背景及意义 1 绪论 摩托车制动性是指摩托车在行驶过程中，能强制地降低其行驶速度，以至 按需要实现停车的能力，是摩托车的主要性能之一，直接关系到摩托车行驶的 安全性【“。摩托车制动系统具有前后轮独立制动、质心高、制动时载荷前移等 特点，在制动过程中，如果不能进行合理有效的制动，常会引起交通事故 4 1 。 据交通部门统计，由摩托车造成的交通事故，多数由此引起。具体表现为：1 ) 施加的制动力过大，致使车轮抱死。若前轮抱死，则操纵失灵，失去转向能力； 后轮抱死，则发生侧滑、左右甩尾而翻车。2 ) 因担心车轮抱死，施加的制动力 不足，致使制动距离过长，发生撞车事件。 摩托车防拖制动系统( a n t i - l o c kb r a k es y s t e m ，简称a b s ) 是基于轮胎与 路面的附着性能随滑移率改变的原理而开发的高技术系统。它从防止制动过程 中车轮“抱死”的机理出发，避免摩托车后轮侧滑甩尾和前轮丧失转向能力， 达到提高摩托车制动稳定性、操纵性和安全性的目的。实践证明它具有以下几 项显著的优点【l l j ： 1 ) 防止摩托车侧滑，大大提高摩托车制动过程中的方向稳定性； 2 ) 使摩托车保持灵活的操纵性，顺利的躲避障碍物； 3 ) 缩短制动距离，特别在冰雪路面上可缩短制动距离约1 0 2 0 ； 4 ) 防止轮胎“拖胎”，减少轮胎磨损，提高轮胎的使用寿命； 5 ) 提高摩托车行驶的平均车速约1 5 1 。 因此摩托车a b s 是一种主动安全技术，大大提高了摩托车的制动安全性能。 据有关资料表明，装备a b s 可以避免71 的交通事故，1 3 9 的材料损失，1 74 的人员伤害，也可避免或减少其他卷入事故中的1 1 o 的材料损失，以及1 08 的人员伤害i ”1 1 2 ”。 我国摩托车工业的发展从1 9 8 0 年的4 9 万辆到现在己突破一千万辆，产量 跃居世界前列，取得了长足进步【1 2 1 。随着我国国民经济的发展和人民生活水平 的提高，人们对摩托车产品的质量、适用性、舒适性以及安全性的要求也越来 越高。为提高摩托车的制动安全性，亟待开发出一种经济实用、便于安装的液 压制动防抱死控制装置。但是摩托车用a b s 的开发研究及应用在国内尚属起步 阶段，在摩托车上的安装使用则是空白。因此研究摩托车用a b s 具有实际意义。 基于上面的认识，南京理工大学1 0 6 教研室决定开发研究面向中、低档摩托车 液压盘式制动防抱死控制器，该课题由南京市科委下达，与南京理工制动器有 直塞型三盔堂堡圭笙苎丝堕一 一 限责任公司合作开发研制。 1 2 国内外研究概况 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阀组成。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 - 4 7 飞机装上了h y d r o a 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 j 【4 彬1 1 2 7 。 目前国外生产a b s 的厂家主要有：美国的d e l c o 公司，其产品主要应用在 雪佛兰、别克、庞帝克等车系上；德国的b o s c h 公司，它是目前世界上最大的 a b s 生产厂，产品主要应用在奔驰、宝马等车系上，并且为其它国家近3 0 个汽 车厂的5 0 余种汽车配备了防抱死制动系统；日本本田公司于8 0 年代就在其生 产的十几种车型上安装了自己开发研制的防抱死制动系统。除了上述三家以外， 还有德国的w a b c o 、t e v e s ，美国的f o r d 、g m 、b e n d i x 、k e l s e yh a y e s 等公司 1 2 1 4 1 1 ”1 1 2 5 1 1 2 7 。 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应用，如赛车及高档豪华旅游摩托车。随着成本 的降低及技术的进步，a b s 必将在中、低档摩托车上得到广泛的应用。根据控 制方式、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【”。 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，后又推广到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 1l k g 。1 9 9 0 年又在r 1 1 0 0 r s 上安装了第二代产品( a b s i i ，) 重量减 至6 9 k g 。但是这种结构的产品价格高，如对宝马r 1 1 0 0 r s 车，有a b s 和无 a b s 价格相差1 0 0 0 多美元。还有技术因素，对于自身超过一吨的汽车而言，加 2 南京理工大学硕士论文绪论 装a b s 增加的重量无关紧要，而对于摩托车则是负担。以上因素决定了a b s l i 很难在中低档摩托车上推广应用。 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、压力控制阀、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，由调节器调节制动压力，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。但是对中低档摩托车而言， 价格依然过高，重量仍有55 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 ，主要由速度感应器、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 次每秒。 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。但此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，同样难以在中低档摩托车上广泛应用【1 1 【”l 。 我国从事a b s 的研究始于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。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五一四厂联合 研制，推出了3 5 0 0 - - - b f b 0 2 型汽车电子防抱系统。8 0 年代中期，交通部重 庆公路研究所研制成f k x a c l 型防抱抗侧滑装置。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 j 2 1 3 吉普车上的应用研究，但距离1 9 9 2 年颁布的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 0a b s ，目前已有安装a b s 的桑塔纳2 0 0 0 g - s i 轿车 出售【3 i i l 2 】 2 1 腰1 1 ”。 汽车a b s 在我国刚刚进入产品试制和车辆试装阶段，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 ，并由前届研究生肖冰在导师袁军堂的指 导下完成了电子式a b s 的开发研制工作，随后由马少杰完成机械式a b s 产品 3 童塞翌三盔兰堡主笙苎堑篓 的开发研制，并申请了专利。这种a b s 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、不改变车辆制动系统的结构等优点。但是此结构在数学模型的建立、密 封、输入输出制动压力的试验、产品的系列化和调节机构等方面均有待于进一 步完善和研究。 1 3 本论文研究的主要内容 本论文针对中、低档摩托车行驶时的制动安全性能，防止摩托车在紧急制 动时因车轮抱死发生侧滑、甩尾以及失去转向能力引起交通事故而开发研制摩 托车液压防抱死控制装置。该控制器已获得国家专利，目前正在向商品化阶段 发展。论文完成的主要内容有： 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其 与附着系数间的关系，分析车轮理想制动控制过程，叙述a b s 的控制技术及影 响控制技术的主要因素。 2 、摩托车用机械式a b s 的建模与分析。在建立摩托车机械式a b s 数学模 型的基础上，进行车轮抱死时间分析与计算以及理想的前后轮制动器制动力分 配曲线分析，并分析了影响摩托车制动安全性的主要因素。 3 、摩托车液压制动防抱死控制器设计理论。在阐述摩托车机械式a b s 控 制原理的基础上，提出了针对不同路面，通过调节装置控制制动压力，实现近 似理想的制动控制，并推导出控制制动压力的计算公式，分析影响机械式a b s 控制性能的关键因素。 4 、控制器结构设计。根据摩托车液压制动防抱死控制器设计理论和控制器 的功能原理共设计了三套适用于中低档摩托车的防抱死控制器方案，比较每套 方案的结构特点。根据总体设计图给出了每种方案的阀芯设计图，在方案二中 给出了变螺距弹簧的设计。 。 5 、实验。给出了动静态实验装置的示意图，介绍了实验采用的c r a s 软件 和压阻式传感器。实验内容是以结构设计中的方案三为例，进行动静态试验和 道路实验，测试摩托车在高、中、低三种路面状况下防抱死控制器输入输h j 压 力特性曲线。 4 2a b s 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下的制动安全性能，保障车辆的稳定性，减少交通事故 的发生，具有明显的社会效益和经济效益。因此防抱死制动装置己作为车辆的 标准部件和选装部件安装使用。 防抱死制动装置己发展成为与驱动防滑控制组合的装置( a b s a s r ) 。它既 可防止制动时车轮抱死，又可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 1 制动时车轮受力分析 车辆行驶时能在最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。车辆制动过程实际上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 1 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力，r 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。由于有摩擦力矩肘。的作用，轮胎 圆周给地面一切向力只，称为制动器制动力。 e 丝 n ， 式中，m 。一制动器摩擦力矩，n m ( 2 1 ) 卜一车轮半径，朋。 制动器制动力由于来自于制动器的摩擦力矩肘。，而制动器的摩擦力矩主要 取决于制动器的型式、结构尺寸、摩擦副问的摩擦系数等；制动器制动力虽与 南京理工大学硕士论文a b s 工作原理 石 一0 i 。憋r j ，r ， z 图2 1 制动时车轮受力图 f ，x b ，f 。 e 前) f 后) 图2 1 制动力与附着系数的关系 车轮半径成反比，但在实际结构设计中是难以两全的，且车轮半径小到一定程 度后，轮胎的接触面积减小，使附着力降低，制动效果下降。 2 1 2 地面制动力 制动过程中，车轮受到一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矩得： m 。2 xb r + m j + m f ( 2 2 ) 由于 彳，本身较小略去不计，竺2 也较小也略去，则地面制动力 ， 五：丝( 2 3 ) 以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 1 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状况。 制动器操纵力较小还未达到某一极限值时，制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 路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 塑塞堡三查兰里圭笙兰 竺! 三生曼堡 一一一 渐模糊。当制动器操纵力增大，其制动力( 制动器、地面的) 也成正比例地增 大，直至车轮抱死在路面上滑移，轮胎在路面上留下拖印。 但地面制动力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 x 6 s e = z 妒 ( 2 ；) 式中r 一路面附着力，n ： z 一轮胎的地面法向反力，n ； 妒一路面附着系数。 制动时，制动力与附着力的变化关系如图2 2 所示，设在某种路面上附着 系数妒为一常数，当制动器操纵力pc 只时，地面制动力j 。等于制动器制动力 e ，并随p 的增大而直线上升，当p = 只时地面制动力也达到极限值，等于地 面附着力l ；之后p ，只，制动器制动力e 仍直线上升，但地面制动力鼻，不 再增加，此时车轮产生滑移。 所以，车辆制动时，制动器必须提供足够的制动力f ，且地面又能提供较 高附着力，才能获得足够的地面制动力以，两者缺一不可。 2 2 滑移率 2 2 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，轮胎与路面出现相对速度，即车速与轮速之间产生速度差， 如图2 3 所示。 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 ；生二! ：坠1 0 0 ( 2 5 ) k 式中 v 。一车轮轴心的运动速度，m s ； r 一车轮半径，m ； 。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，v 。= ，国。，s - 0 ；纯滑动时，。：0 ， s = 1 0 0 ；边滚动边滑动时，0 c sc 1 0 0 ，滑移率s 越大，车轮滑动的成分 越多。 7 塑空翌三查兰竺主兰苎竺! 三堡堡堡 爨：车轮速度、j ：= ：= ：、 ：y ， z ! 。 乒 一亡 j磁 乃 2 9 1 2 m p a 时，活塞压缩弹簧开 始下移，由于密封圈8 的作用将进出油臼断开，随着只的增大，活塞压缩弹簧 4 0 南京理工大学硕士论文 摩托车液压制动防抱死控制器结构设计 继续下移，当活塞上面的2 与出油孔连通时，输入压力最突然下降，而输出压 力由于西2 小孔的节流作用，输出压力p 2 上升的幅度不大，实现如图5 2 所示的 从a 到露的缓慢上升过程。此时活塞在弹簧力的作用下上移，输出压力最下降， 而输入压力升高，活塞又开始下降，结果在某一压力值附近形成几次振荡，也 即制动器制动压力形成一个压力波动过程，起到了防抱死制动的效果。 不同的路面制动压力输出特性曲线控制点压力可通过设置在下部的调节机 构对弹簧的预紧来实现，不同车型的调节控制参数应通过计算和试验来确定。 5 2 3 阀芯设计及结构特点分析 图5 4 阀芯结构 由上述的总体设计图可知其阀芯结构如图5 4 所示。阀芯结构特点是有一倒 f 型孔，孔径均为, 2 m m ，在两孔之间有一密封圈，起密封作用。当制动液压力 小于弹簧预紧力时，下面的孔起作用，控制器相当于过油回路；当大于弹簧预 紧力时，上面的孔开始起作用，相当于制动时的“点剥”作用。但是这种结构 存在“啃圈”的缺点。即当密封圈越过上壳体9 的小孔时，容易引起密封圈的 损坏，经过几次循环制动后，密封圈因“啃圈”而失去密封作用，使制动效果 下降。 4 l 5 3 1 总体设计图及结构特点分析 图5 5 方案二总装图 l 一阀芯2 一进油管3 一上壳体4 一过油螺栓5 一密封圈6 一弹簧7 一弹簧底座 8 一调节螺母9 一下壳体l o 一调节螺杆1l 一销1 2 一旋钮1 3 一定位销 总体方案设计如图55 所示，此时防抱死控制器处于自由状态。 这种结构设计的特点是在考虑了方案一的优点，去除在制动过程中由于上 壳体中2 小孔对阀芯上密封圈“啃圈”而造成泄压以及不能提供足够的制动压 力的缺点。将阀芯方案改成如图5 6 所示的方案，主要利用阀芯与上壳体之间的 紧密配合来解决“啃圈”问题，并且将原阀芯上的两个# 2 m m 孔改成痧2 孔与莎0 3 孔，目的是利用o 3 小孔的节流来缓慢增加出口压力只，小孔节流对压力变化 的影响如第四章所述。为了向小型化方向发展，考虑到利用双弹簧来完成制动 压力的预紧与调节，会造成控制器结构的庞大，在安装上不方便。结合摩托车 液压盘式制动器的结构特点，要求控制器结构应尽可能的小，因此对弹簧的设 计采用变螺距弹簧以实现控制器结构的要求，完成制动压力的调节与预紧。控 制器调节机构采用螺纹传动方式，主要由调节螺杆、调节螺母及旋钮等组成。 4 2 南京理工大学硕士论文 摩托车液压制动防抱死控制器结构设计 其特点是调节过程在控制器结构体内进行，利用螺纹传动方式实现弹簧预紧力 的调节。 5 3 2 工作过程分析 首先根据路面状况、天气等情况，将防抱死控制器调节到一合适的初始位 置，即调节弹簧的初始预紧力，使制动器有合适的初始制动压力。以高附着系 数路面为例，当摩托车紧急制动时，进油管制动压力只较小，由于弹簧的预紧 作用，只= 只，阀芯开始并不移动。当超过弹簧的预紧力时，阀芯开始下移， 上壳体的2 m m 孔被阀芯逐渐封闭，随着只的继续增大，当阀芯的o - 3 m m 小 孔与上壳体的2 孔相通时，高低压贯通，则制动压力只下降，在弹簧力的作用 下，使阀芯上移，随后只又上升，阀芯下移，如此反复几次，使制动压力经历 几个波动过程，从而有效控制制动器制动压力上升过快，防止车轮抱死。 不同的路面制动压力输出特性曲线控制点压力可通过设置在下部的调节机 构对弹簧的预紧来实现，不同车型的调节控制参数应通过计算和试验来确定。 5 3 3 阀芯设计及结构特点分析 图5 6 方案二阀芯结构 由上述总体设计图可知其阀芯结构如图56 所示。为解决方案阀芯结构的 南京理工大学硕士论文 摩托车液压制动防抱死控制器结构设计 t t 肯圈”问题，将密封圈去掉，改用间隙配合，以达到密封的要求。如第4 章 所述，流量q 与间隙为3 次方的关系，可见间隙对制动压力的影响是很大的。 因此设计时间隙的大小是关键因素。阀芯结构仍用倒f 型结构，采取小孔节流 技术，将上面的b 2 m m 孔改为0 03 m m 细长孔，这样节流效果明显。结构的缺 点是紧急制动时，容易将阀芯上的密封圈压出壳体，造成阀芯不能复位和防抱 死不能正常工作。 5 3 4 弹簧设计 根据方案二总体设计，阀芯直径为0 8m m 。以c h l 2 5 型摩托车为例，由表 4l 可知，在高附着系数路面如p ：o 7 5 时，理论计算出的最佳控制制动压力为 29 1 2 m p a 。则可计算出作用在弹簧上的预紧力为： e 1 盘p s = 2 9 1 2 x 1 0 6x 厅x 4 2 1 0 6 = 1 4 63 7n ( 5 1 ) 同理，在低附着系数路面p ：0 3 上可计算出最佳的控制制动压力为 0 8 1 i m p a 。则作用在弹簧上的预紧力为： f 2 2 毫p s _ o 8 1 l x l 0 6 丌4 2 1 0 6 = 4 07 7 n( 52 ) 为保证弹簧在各种情况下均能起作用，扩大弹簧的作用范围，在设计弹簧 时，可令曩；3 0 n ， ：1 5 0 n 。由总体设计方案图可知，阀芯的上下移动距离 最大控制在$ m m ，因此弹簧的最大并圈距离为h 。s8 m m 。根据弹簧上述工作 要求及上壳体的有关参数，参照等螺距弹簧的设计原则，确定如下参数：根据 弹簧工作应力及材料供应情况，选择5 0 c r v a ，簧丝直径为d ：4 2m m 。弹簧指 数即旋绕比c 。d ：，d ，选择c 。5 ，则弹簧中径d ：一1 0 m m 。由资料1 2 2 n - j 知， 单圈弹簧刚度k 。为： 耻畿 ( 53 ) 式中：g 一弹簧材料切变模量( n m m 2 ) ； d 一弹簧钢丝直径( r a m ) ： 、 及一弹簧中径( m m ) ； 野一考虑螺旋角影响的变形修正系数，这里取叩= 1 。 将有关参数代入式( 53 ) 计算得k 。1 6 0 n m m 。为保证在初始安装下不 产生并圈，弹簧的有效圈数n 满足下列关系，即行：k 。，；f , ，；为初始安装 变形，只为初始安装下的载荷。这里取”：5 ，总有效圈数n o 。”+ 2 = 7 。 五一= 3 m m ，f 2 为最大载荷e 作用下的变形量。 由资料 2 2 n t 女l ：l ，决定变螺距变化规律的常数4 和占为： 南京理工大学硕士论文 摩托车液压制动防抱死控制器结构设计 r ：邕兰 4 ) 2 一”+ 绺k d f ，一f 、 4 ；主；二丝 ( 55 ) k d n ? 式中：n ：在最大载荷e 作用下的并圈数，其余参数同上。 ，的选取要综合弹簧总有效圈数门值的大小及对弹簧特性非线性的要求， 一般要求n ，2 。这里取n ，：2 。将有关参数代入式( 54 ) 、( 55 ) 可求出常数 b = 1 ，a t0 3 7 5 。 由以一k 。f ( n 2 ) k 。( 爿；十五) ，可计算出 一o 1 9m m ，则 一力 一0 1 9 5 0 9 5 m m 。 变螺距部分的圈距按下列规律变化，即 f ( i ) = a i 8 + ( 56 ) 式中，为圈序。 由上式可得变螺距部分的圈距为： 屯一( f ) = 0 3 7 5 x f 十0 1 9 ( 5 7 ) 载荷与变形量之间的关系为： f e lt k d a f ( 58 ) 川t 警熹m ) ( 5 9 ) 将数据代入式( 5 8 ) 、( 5 9 ) 得： f = 3 0 + 1 6 0 03 7 5 f( 51 0 ) 厂：0 9 5 + ! 竺5 j o 5 f - 3 0 1 ( 51 1 ) 。 1 6 0 l 6 0 l 综上所述，变螺距圈距九，随并圈数帆变化的载荷f 、变形量厂的计算值 见表5 1 所示： 设等螺距部分圈距为l ： 由最大并圈距离h s = + 伽一2 ) 屯s 8 ，则九g 21 7 r a m ，这里取 九s 21 4 ，验算可知h 6 = 7 9 2 r f l m 满足不等式。 4 5 南京理工大学硕士论文摩托车液压制动防抱死控制器结构设计 表5 1 变螺距弹簧无、f 、l 厂问的计算值 6 oo511 52 a 6 04o5 6o7 509 4 f3 06 09 01 2 01 5 0 o9 51 8 426 433 439 5 弹簧总长为： 日。娟“+ 5 ) “酗+ ( n - 蚴九 = 6 5 2 十0 5 6 + 0 ，9 4 + 3 x 21 4 ；2 09 根据上述设计，变螺距弹簧如图5 7 所示。 已! i 耋! 靼2 照 9 2 - 1 _ 5 0 n 图5 7 弹簧设计图 ( 51 2 ) 5 4 摩托车液压制动防抱死控制器设计方案三 5 4 1 总体设计图及结构特点分析 总体方案设计如图58 所示，此时防抱死控制器处于自由状态。 4 6 南京理工大学硕士论文摩托车液压制动防抱死控制器结构设计 方案三充分考虑方案一、二的优点，使防抱死控制器结构更小更紧凑。过 油螺钉与壳体相垂直，安装时将过油螺钉先安装在制动器下泵上，然后将装配 好的壳体套在过油螺钉上，并用紧定螺钉固定。采用这种方法，可以根据制动 器结构大小任意旋转壳体方向，便于安装。壳体结构采用方形，在去除不必要 的部分后，使结构紧凑。壳体中的5 与8 形成的台阶，起限制阀芯移动量的作 用。改变了在方案二中因阀芯移动量过大，容易造成阀芯串出西8 腔从而使阀芯 不能复位，同时也容易引起密封圈的损坏。考虑到安全因素，设计中采用两个 密封圈。方案二中采用的调节机构过于庞大，为减小尺寸，在方案三中调节机 构仍采用螺纹传动方式，由旋钮1 9 来调节，由弹簧底座1 2 与调节螺杆1 3 之间 螺纹传动实现，这里指针2 1 既起指示作用，也起定位作用，使旋转时弹簧底座 能沿弹簧方向作直线运动。这样减小了结构尺寸，使控制器显得紧凑。同时以 方形代替圆形，在外观上也有较大改进。 图58 方案三总装图 1 一进油管2 紫铜垫片3 一进油螺钉4 一阀芯5 一密封圈6 一壳体7 紫铜垫片 8 一过油螺钉9 一密封圈l o 一弹簧座1l 一弹簧1 2 一弹簧底座 1 3 一调节螺杆1 4 一销 钉1 5 密封圈 1 6 一紧钉螺钉 1 7 一端盖1 8 紧定螺母1 9 一旋钮2 0 刻度尺2 1 一指针 4 7 三旦旦 ： 一 南京理工大学硕士论文 摩托车液压制动防抱死控制器结构设计 5 4 2 工作过程分析 同样，首先设定弹簧的初始预紧力p o ，由旋钮1 9 实现。当行驶的摩托车紧 急制动时，制动总泵的制动液通过进油管进入壳体，经过阀芯4 的2 m m 孑i 进 入壳体上的2 m m 斜孔，由过油螺钉到达制动器下泵。此时车轮慢慢被抱住， 当制动液压力超过弹簧的初始预紧力时，弹簧被压缩，阀芯随着下移。当阀芯 的o 3 与壳体斜孔相通时，高低压相贯通，b 上升，月下降，此时在弹簧的作 用力下，阀芯上移。这样使p 2 的上升不至于过快，使车轮在极短的时间内抱死， 同时西o 3 m m 小孔的节流作用，相当于摩托车制动过程中的“点刹”作用，从 而有效的防止车轮抱死。 5 4 3 阀芯设计及结构特点分析 阀芯结构如图5 9 所示，与方案二的阀芯结构基本相同，均采用倒f 型孔 作为控制方法。其特点是将原有的阀芯分成两部分，即阀芯与弹簧座。根据工 作要求，阀芯与壳体之间采用间隙配合。由于壳体上有一台阶，限制了阀芯的 行程，制动时阀芯行程是固定的，解决了方案二中阀芯在制动时被压出阀腔的 不利因素，保证控制器的安全性。 图5 9 方案三阔芯结构 5 5 小结 本章在分析摩托车机械式a b s 功能原理的基础上，设计出三套防抱死控制 南京理工大学硕士论文摩托车液压制动防拖死控制器结构设计 器方案，给出每套方案的结构图和相关零件图，分析并比较每套方案的优缺点， 它们具有结构简单新颖、经济实用、便于安装的特点。通过e e 较，方案三的设 计比较合理，因此在向商品化方向发展以及实验时，均以方案三为研究对象。 4 9 南京理工大学硕士论文 实验及结果分析 6 1 实验内容及条件 6 1 1 实验内容 6 实验及结果分析 本实验系统以某1 2 5 型摩托车液压盘式制动器为例，模拟该型摩托车制动 时的输入输出压力特性，液压制动防抱死控制器采用结构设计中的第三套方案。 实验主要分静态实验和动态实验以及道路实验。静态实验测试制动器在安装上 防抱死控制器后制动液流经控制器的输入输出压力变化特性曲线，不考虑摩托 车制动初速度、路况、载重以及摩托车自身结构参数的影响。动态实验主要是 在摩托车制动器实验台架上模拟实际制动过程，测试流经控制器的输入输出压 力变化特性曲线，以制动初速度5 0 k m h 为例模拟前轮紧急制动情况。 已知实验参数：摩托车及人的总质量m = 2 2 0 k g ；f o 2 1 5 m ；l = 1 3 3 m ； b ：0 4 4 m ；h ：0 6 m 。盘式制动器制动钳的有关参数为：，一0 4 ； d ：0 0 3 4 m ；r 。01 1 m 。由表4l 可知在各种路面情况下的调节压力理论计算 值，这里实验主要考虑高、中、低三种路况的附着系数，调节压力理论计算值 如表61 所示： 表6 1 高中低三种路况的调节压力理论计算值 i 模拟路面干混凝土湿混凝土冰雪 l i妒b 07 5。0 6o 1 5 i i 尸( m p a ) 2 9 1 22 0 9 40 3 4 7 i 6 1 2 实验装置 实验装置主要由传感器、微机、2 4 v 直流电源、接线板、压力信号a d 卡、 1 6 通道采集箱及c r a s 系列信号分析软件等组成。采用两个相同型号的压力传 感器，分别测试制动液流经防抱死控制器输入输出压力的变化特性曲线。2 4 v 直流电源为传感器提供至1 6 2 4 v 的直流电。采用微机控制可以实现对实验的 实时观测。a d 卡、信号放大器及c r a s 软件主要实现将传感器的信号经放大 器放大，传到a d 卡转换为数字信号，由c r a s 软件处理显示为输入输出压力 特性曲线。测试环境采用w i n d o w s 9 8 操作系统。动静态实验装置如下所述： 1 静态实验装置 如上所述，静态实验主要测试流经防抱死控制器的输入输出压力特性曲线 南京理工大学硕士论兰 兰兰苎兰墨竺! ! 一 而不考虑其它因素。实验装置由微机、传感器、接线板、信号采集卡、直流电 源、盘式制动器及电线等组成，其装置简图如下图61 所示： 图6 1 静态实验装置不意图 2 动态实验装置 动态实验主要模拟实际制动状况，采取的手段是在摩托车试验台上测试防 抱死控制器的输入输出压力特性曲线。动态实验装置在静态实验设备的基础上， 加上摩托车试验台以及另外一台微机控制试验台的实验参数。该试验台是由武 汉汽车工业大学生产，可由微机进行参数设定初始电机的转速，由人工根据各 种车型进行惯性轮的脱挂从而模拟出各种车型的摩托车。试验结果可由与微机 连接的打印机输出数据纪录。动态实验装置如下图62 所示： 6 1 3 实验系统测试软件及传感器介绍 1 c r a s 采集系统简介 c r a s 即随机信号与振动分析系统，由南京汽轮机厂开发研制，用于机械 振动、冲击、噪声的数据采集、测量、频谱分析及系统分析，结构动力修改等 领域，主要由各种台式或笔记本式p c 机、a d 卡、传感器、放大器及c r a s 系列软件组成。这里采用c r a sv 50 中的数据采集系统a d c r a s 软件以及q l 1 1 6 即1 6 通道采集箱，测试防抱死控制器的输入输出压力特性曲线。其图形 南京理工大学竺：垡兰奎兰苎竺墨竺塑 _ - _ - l _ - _ _ _ _ - _ - _ _ - _ - _ _ _ _ 一一 界面如图63 所示。 图6 2 动态实验装置示意图 c r a s 数据采集软件可以同时采集1 1 6 个通道的信号，在菜单栏的作业中 输入作业名及选择通道。参数设置采用书签式属性对话框选择，如图6 4 所示。 其中采样频率范围为5 1 2 k h z - 1 28 h z ，与硬件和测试系统响应有关。数据块数 分1 、2 、4 1 0 2 4 3 2 7 6 8 ( 每块1 0 2 4 点) ，一般取2 或4 块。触发方式有自 由触发、正触发和负触发。这里采用正触发，触发电平为3 0 ，触发延迟8 0 ， 触发通道为输入传感器信号。电压范围有士5 0 0 0 m v 、2 5 0 0 m v 、5 ：1 2 5 0 m v 、 6 2 5 m v 及3 1 2 m v ，主要选择依据是根据传感器输出的电平范围，这里选择 5 v 。工程单位有很多，选择m p f l 。校正因子即每工程单位对应传感器输出电 压数，这里为1 0 0 0 ，表示i m p a 的压力对应1 0 0 0 m v 的电压。通道标记是用户 指定的每个通道注解，如c h l 、o h 2 。采集控制有监示采集及连续采集，这里采 用监示采集。菜单栏中的实时示波指在采集数据之前先通过示波观察波形以便 确信系统工作正常，传感器灵敏度合适，连线可靠。数据采集即根据相应的采 集方式( 连续或监示) 采集数据。波形显示有李萨如图、数据处理、数字滤波 等操作。 5 2 南京理工大学硕士论文 实验及结果分析 图6 4c r a s 参数设定界面 5 3 南京理工大学硕士论文 实验及结果分析 2 传感器介绍 为测试防抱死控制器输入输出压力特性曲线，采用两个型号相同的传感器， 分别介绍如下： 产品名称：t s t z 1 0 2 型压力传感器9 9 1 2 和t s t z ，1 0 2 型压力传感器9 9 1 0 。 测试环境： 电压源直流稳压电源p a b3 2 2 a 温度2 4 5o c 数字表8 8 4 0 a 数字多用表 湿度5 0 r h 压力计y s 一6 0 0大气压力9 9 k p a 测试数据：如表61 和表62 所示。 表6 2t s t z 一1 0 2 型压力传感器9 9 1 2 测试数据 测试点 行程 o m p a2 m p a4 m p a6 m a8 口a1 0 呼a 1 0 4 0 6 vl8 3 5