（动力机械及工程专业论文）摩托车abs性能试验台设计.pdf

武汉理工大学硕+ 学位论文 摘要 a b s 是提高汽车制动制动性能的重要装置，也是提高汽车安全性的重要装置 目前a b s 制动器已经在汽车上得到很大的普及，相关标准强制要求某些种类的 汽车必须安装a b s 装置以提高汽车的安全性能。但由于成本和技术等方面的原 因，a b s 制动器在摩托车上使用很少，由于a b s 在提高整车安全性能方面的巨 大作用，随着技术的进步a b s 制动器必将在摩托车上得到更大的普及，也会有 越来越多的单位投入到摩托车a b s 的研究之中，开发出更多的相关产品。本项 目的目的就是设计开发一种实用、安全、方便的a b s 制动器性能检测试验台， 为a b s 的设计和生产提供帮助。 本文介绍了制动防抱死系统( a b s ) 的基本原理、基本结构和常用控制方法等。 分析了a b s 的性能要求和相关技术标准。根据a b s 的基本原理、a b s 的性能要 求和相关技术标准设计了摩托车a b s 制动器性能试验台。介绍了摩托车a b s 试 验台的惯量加载系统，摩托车a b s 试验台动力驱动装置的选择，道路模拟系统 设计，摩托车a b s 试验台数据采集和数据处理系统。在试验台设计开发完成之 后，利用该试验台进行了大量的试验，并根据试验的结果对本课题做了分析和总 结。这种道路模拟系统在目前国内的摩托车a b s 制动器试验台方面尚属首创。 在本文的最后，列举了某款a b s 制动器的性能检测数据。最后，根据试验的情 况对本项目作了分析和总结。 关键词：a b s ，惯量加载，道路模拟，台架试验 n 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a n t i l o c kb r a k es y s t e m ( a b s ) i sav e r yi m p o r t a n tc o m p o n e n tt oe n s u r et h e s a f e t yo ft h ev e h i c l e a tp r e s e n tt h ea b s h a sb e e nw i d e l yu s e do nt h ea u t o m o b i l e ，a n d s o m ek i n d so fa u t o m o b i l e se v e nh a v eb e e nc o m p e l l e dt oe q u i pt h ea b s c o m p o n e n tt o i n c r e a s et h ea u t o m o b i l e ss a f e t ym o d u l u s h o w e v e r , a st h ec o s t so ft h ea b si sh i g h e r t h a nt h en o r m a lm o t o r c y c l ea b l et ob e a r , m o s tm o t o r c y c l e ss t i l lh a v en o te q u i p p e dt h e a b sc o m p o n e n t b u tw i t ht h em a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e sd e v e l o p m e n t ，t h ea b s c o m p o n e n tw i l lb ep o p u l a r l yu s e do nt h em o t o r c y c l e a tt h es a m et i m e ，a sm o r ea n d m o r ec o m p a n i e st a k i n gp a r ti nt h er e s e a r c ho ft h ea b s ，t h e r ew i l lb em o r ca n d m o r e g o o dn e wp r o d u c t sf o rt h ec u s t o m e r i no r d e rt os u p p l ys o m et e c h n i q u es u p p o r t sf o r t h ed e s i g na n dt h em a n u f a c t u r eo ft h ea b sc o m p o n e n t ，t h i sp r o j e c tw i l ld e s i g na f u n c t i o n a l ，s a f e ，a n dc o n v e n i e n tt e s t i n gb e n c ht o t e s tt h eb r a k i n ga b i l i t yo fb r a k e e q u i p p e dw i t ht h ea b s t h et h e s i sd e s c r i b e sb a s i cp r i n c i p l e s ，b a s i cs t r u c t u r e sa n d b a s i cc o n t r o l l i n gw a y so ft h ea b s ，a n a l y z e st h ea b s sp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sa n d l e c h n o l o g ys t a n d a r d s ，a n dg i v ead e t a i l e di n t f o d u c t i o no f t h em o t o r c y c l ea b st e s t i n g b e n c h si n e r t i al o a d i n gs y s t e m ，t h ew a yo fh o wt oc h o o s et h eb e n c h sd r i v i n gs y s t e m , t h ed e s i g n a t i o no fv a r i o u sr o a ds i t u a t i o n ss i m u l a t i o ns y s t e m ，a n dw a y so fb u i l d i n gt h e d a t ac o l l e c t i n ga n dd a t ap r o c e s s i n gs y s t e m a f t e rt h ew h o l em a n u f a c t u r eo ft h e m o t o r c y c l ea b st e s t i n gb e n c hc o m p l e t e d u s et h et e s t i n gb e n c ht od oal a r g eq u a n t i t y o fe x p e r i m e n t ，t h e nu s et h ee x p e r i m e n td a t at od os o m ea n a l y s i sa n ds u m m a r yi n o r d e rt og i v es o m ea d v i c et oi m p r o v et h et e s t i n gb e n c h t h i sk i n do fr o a ds i m u l a t i o n s y s t e mi s s t i l lv e r ya d v a n c e da th o m e t h et h e s i sg i v e ss o m et e s t i n gd a t ai nt h e a p p e n d i x a tl a s ta c c o r d i n gt o t h ee x p e r i m e n td a t a , w ed ot h ea n a l y s i sa n dt h e s u m m a r y k e y w o r d s ：a n t i - l o c kb r a k es y s t e m ，i n e r t i al o a d i n g , r o a ds i t u a t i o ns t i m u l a t i o n ， t e s t i n gb e n c he x p e r i m e n t 1 1 1 武汉理1 = 大学硕十学位论文 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：叠玉! 受日期：兰宓乏! 墨 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：耋l m 师签名：篡诛日期：2 兰丝 武汉理1 = 大学硕十学位论文 第一章绪论弟一早三百下匕 1 1 本课题研究的背景 防抱制动系统是汽车安全行驶的一个重要组成部分，现已成为轿车、豪华客 车、大吨位货车的标准装备。 g b 7 2 5 8 2 0 0 4 _ 机动车运行安全技术条件规 定：“总质量大于1 2 0 0 0 k g 的长途客车和旅游客车、总质量大于1 6 0 0 0 k g 允许挂 接总质量大于1 0 0 0 0 k g 的挂车的火车及总质量大于1 0 0 0 0 k g 的挂车必须安装 g b 厂r 1 3 5 9 4 ( 机动车和挂车防抱制动性能和试验方法) 规定的防抱死制动装置。” 由于a b s 是一种机电结合的高技术产品，又是涉及整车安全的关键部件， 其研究和生产的门槛很高。目前a b s 的一些关键的设计和制造技术掌握在国外 少数几家大型企业的手里，并作为企业机密加以保护。从上世纪9 0 年代开始， 国内有一些科技人员开始进行a b s 技术的研究，并取得了一定的成果。经过近 2 0 年的努力，目前已经有国产a b s 产品批量装备在整车上。在a b s 的研究及 其生产过程中，如何准确、快速、有效地检测a b s 的各种性能，已成为一个关 键问题。目前的a b s 的检测主要采用装车路试，从试验情况看，a b s 装车路试 存在三个主要问题：1 费用高：2 安全性差；3 精度低、重复性不好。为了克 服装车路试存在的问题，实现准确、快速、有效的测试目标，a b s 测试的台架 化是最有效的途径。 1 2a b s 的发展历程及趋势 a b s 技术是英国人霍纳摩尔1 9 2 0 年研制发明并申请专利。2 0 世纪3 0 年代， a b s 就已经在铁路机车的制动系统中应用，目的是防止列车在制动过程中抱死， 导致车轮与钢轨局部急剧摩擦而过早损坏。1 9 3 6 年德国b o s c h 公司取得了a b s 专利权。它是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，使用 开关方法对制动压力进行控制。 2 0 世纪4 0 年代末期，飞机制动系统开始采用a b s ，并很快成为飞机的标准 装备。2 0 世纪5 0 年代防抱制动系统开始应用于汽车工业。 1 9 7 8 年a b s 系统有了突破性发展。b o s c h 公司与奔驰公司合作研制出三 通道四轮带有数字式控制器的a b s 系统，并批量装于奔驰轿车上。由于微处理 器的引入，使a b s 系统开始具有了智能，从而奠定了a b s 系统的基础和基本模 式。 2 0 世纪8 0 年代中期以后，借助于电子控制技术的进步，a b s 的更为灵敏、 武汉理丁= 大学硕十学位论文 成本更低、安装更方便、价格也更易被中小型家用轿车所接受。 目前，国际上a b s 在汽车上的应用越来越广泛，已成为绝大多数类型汽车 的标准装备。 我国对a b s 的研究现状开始于2 0 世纪8 0 年代初。目前，我国政府制了定 车辆安全性方面的强制性法规，g b 7 2 5 8 2 0 0 4 机动车运行安全技术条件 规定：“总质量大于1 2 0 0 0 k g 的长途客车和旅游客车、总质量大于1 6 0 0 0 k g 允许 挂接总质量大于1 0 0 0 0 k g 的挂车的火车及总质量大于1 0 0 0 0 k g 的挂车必须安装 g b t 1 3 5 9 4 ( 机动车和挂车防抱制动性能和试验方法) 规定的防抱死制动装置。” 我国有许多单位和企业从事a b s 的研制工作，东风汽车公司、北京理工大 学、清华大学、山东重汽集团等都有a b s 研究的相关项目。目前已有一些国产 a b s 产品批量生产并投放市场，但其性能跟国外大公司诸如b o s c h 的a b s 产 品比起来还有差距。 现在a b s 技术正沿着以下几个方面继续发展： ( 1 ) 电子稳定控制( e s p ) 。e s p 主要在a b s a s r 基础上解决汽车转向行 驶时的方向稳定性问题，保证汽车在各种恶劣情况下行驶时，都具有良好的动态 稳定性。 ( 2 ) a b s 】巳s p 与自动巡航系统( a c c ) 集成。由于a b s e s p 和a c c 都要 用到相同的轮速采集系统，制动压力调节装置以及发动机输出力矩调节装置，因 此a b s e s p 和a c c 集成化系统，不仅可以大大降低成本，而且可以提高汽车的 整体安全性能。 ( 3 ) 减小体积，降低重量。减轻重量对汽车的燃油经济性有帮助。汽车发 动机的安装空间非常紧凑，要求a b s 控制器的体积尽可能的小一些。 ( 4 ) 在a b s 系统的基础上扩展成车速记录仪( v s r ) 。该装置通过实时采 集四个车轮轮速信号，可以再现汽车的实际运行轨迹以及驾驶员对车辆的操作情 况。 1 3 本论文的主要内容 1 介绍a b s 制动器的基本原理和控制原理； 2 分析摩托车a b s 的试验项目、a b s 的性能测试标准： 3 设计摩托车a b s 性能试验台； 4 用设计的试验台对a b s 制动器进行性能试验，分析试验结果： 2 武汉理t 大学硕十学位论文 1 4 本论文的意义 a b s 试验台在a b s 制动器的设计开发、生产制造、产品检验等方面具有很 重要的作用，特别是对于a b s 制动器企业在设计和生产过程中发现问题，并及 时对产品进行改进有很大的作用。主要作用有： 1 新产品的开发试验 目前我国制动器生产厂家，设计、研制新型制动器，均采用参照法进行，即 选用与将要设计的制动器参数相近的现有制动器，改变其中部分参数进行设计， 然后试制样品进行装车或台架试验，只要大概满足配用车辆的制动要求，即告完 成，如试验过程中达不到要求，则对某些参数进行调整，再进行试验，直到符合 设计指标。 a b s 性能试验台可以实现a b s 性能测试的台架化，比整车路试试验省时、 省力，而且费用少得多。可及时得到数据，以便快速进行分析、修改、调试。加 速新产品的开发过程。 2 产品的型式检验 a b s 的生产过程中，产品质量控制方法之一就是型式检验。a b s 性能试验 台可以用来进行型式检验。 3 生产中的问题及时发现与查找 在制动器生产过程中，为控制产品品质各生产厂均对自己生产的零配件进行 严格的检验。检验的主要方面是其结构参数，即尺寸、公差是否符合图纸要求， 对其材料的物理，化学性能也进行抽查，此外在总成装配过程中，对机构的操纵 性能、摩擦副的间隙进行检验。然而，对制动器而言，仅仅从结构参数上进行检 验是远远不够的，影响制动器各方面性能，耐久性、可靠性的因素除结构参数外， 还在于磨擦副的匹配性能，衬片硬度、耐磨性，摩擦系数等有直接关系，因而在 制动摩擦副中，任何一个零部件的物理化学性能的改变均可能对以上方面带来影 响，所以制动器生产厂应定期对制动器总成进行性能测试，以监控其产品品质的 稳定。 制动器在设计和生产过程中，一般都应进行台架性能测试以确定生产过程中 质量是否稳定。a b s 性能试验台可在a b s 生产过程中可作抽检用，可及时发现 生产中的问题。在生产中发生了问题也可以通过台架试验得到的数据，分析并找 出问题的根源，从而解决问题。 a b s 性能试验台对制动器生产厂家提高产品性能，自己开发设计新型制动器 有一定帮助。 目前国内已经有法规强制某磐类型的新生产汽车安装a b s 制动器，人们对 1 武汉理丁大学硕十学位论文 汽车安全性的要求也越来越高，汽车已经部分安装了a b s 制动器，汽车a b s 制 动器已经有了相当的普及程度。然而，由于技术、成本等方面的原因，带a b s 的制动器很少应用到摩托车上，目前国内带a b s 制动器的摩托车还非常少，带 a b s 的制动器只出现在一些非常高档的摩托车上，大多为进口摩托。目前国内 也有有些摩托车宣称其制动器带有a b s ，但是，大多为机械式和制动压力吸收 式的简易a b s 装置，其效果比较差。随着人民生活水平的提高，收入的增加， 和人们对行驶安全的要求越来越严格，电子控制类的a b s 制动器一定会越来越 多的应用于摩托车上。随着国内技术水平的进步和制造技术的提高，国内开发和 生产摩托车制动器的企业和机构会越来越多。设计开发一种能有效检测a b s 制 动器各项性能的试验台，相信对于我国a b s 设计、研究、制造水平的提高有很 大的帮助。而且该试验台还能用于普通不带a b s 的制动器的性能检测，对于目 前我国制动器技术质量水平的提高有一定的帮助。 4 武汉理r 大学硕十学位论文 第二章a b s 的工作原理 目前，世界上生产的a b s 装置产品种类很多，但是它们的基本原理是相同的。 a b s 装置的主要的差异在性能水平上，如选用的控制参数、计算方法、系统结构 等。 a b s 系统的全称为防抱制动系统，英文全称为a n t i - l o c kb r a k es y s t e m 。 g b t 1 3 5 9 4 将其定义为：“制动过程中能自动控制车辆的一个或几个车轮在其旋 转方向上的滑移程度的系统”。 a b s 具有三个特点：( 1 ) 防止车轮在紧急制动时的抱死、拖滑，并使车辆制动 器的制动力在制动过程中始终保持在地面制动的最大值附近，从而有效地减少了 车辆制动距离和制动时间；( 2 ) 控制车辆的侧向滑移率，从而使车辆保持较好的 制动时方向的稳定性；( 3 ) 由于自身具有液力蓄能器，故当车辆的主制动系统发 生故障时，其剩余制动效能仍能保证车辆紧急制动停车。 a b s 系统的基本工作原理是：由安装在车轮附近的测速传感器测量出车轮的 瞬间转速、角减速度等参数，控制器根据这些参数计算出此时的车轮的纵向滑移 率，并依据一定的数学模型操纵压力调节器调整制动管路中的制动液压力，改变 制动器的制动力，使车轮的滑移率保持在一定水平上( 约为2 0 ) ，此时制动器的 制动力趋近地面制动力最大值。车轮处于半抱半滚的状态，从而使车辆的制动性 能处在最佳的状态下。a b s 系统的防抱制动作用，通常是利用试错法来响应“抱 死”和“松开”时的两个压力的极值点，不断地调整制动管路压力，在反复逼近 中实现的。有经验的驾驶员在制动时，特别是在恶劣的路况和较高车速条件下制 动时，都采用“点制动”的方法，达到安全停车的目的，而不是采用一脚把制动 踏板踩到底的全制动方式就是这个道理。 2 1 制动过程中车轮的受力分析 车辆制动的本质是借助外力，将车辆的动能和位能转化成其它形式的能量耗 散掉的过程。车辆制动时，驾驶员操纵制动器给车轮一个制动力矩，从而使得车 轮给地面一个制动力，由于地面的附着作用，地面反作用给车轮一个制动力。制 动器给车轮的制动力称为制动器制动力，地面给车轮的制动力称为地面制动力。 车辆制动是通过地面制动力来阻止车轮运动的过程，因此地面制动力对车辆的制 动具有决定性的作用。 图2 1 为车轮制动时的受力分析图。图中f ：为车轮受到的法向载荷，f l 为 地面对车轮的法向反作用力，t 为车轴对车轮的推力，m 制动器产生的摩擦力矩， 5 武汉理工大学硕士学位论文 f 为地面制动力。 在车轮制动过程中，忽略阻力偶矩、减速 时车轮自身的惯性力和惯性力偶矩，根据车轮 的受力平衡得知： f = m r 式中：r 车轮的滚动半径； f 地面制动力； m 制动器的摩擦力矩。 地面制动力不仅取决于制动器制动力，同 时又受到地面附着条件的限制。 如图2 - 2 为地面制动力与附着力的关系 图。图中f z 为制动器制动力。 地面制动力的最大值不能超过地面附 着力，即： f f ，= f 2 i i 式中：f 地面制动力； f 。地面附着力； f 2 车轮法向载荷； l i 路面附着系数。 图2 - 1 车轮制动时 t p ap 图2 2 地面制动力与附着系数的 制动时在某一附着系数的路面上，当操 纵力p p a 时，制动器制动力仍增大，但地面制动力不再 增加反而减少，此时车轮产生滑移。所以在车辆制动时，制动器必须提供足够的 制动力，同时路面要能提供足够的附着力，车辆才能获得较好的地面制动力，两 者缺一不可。 2 2 滑移率与附着系数 车辆在制动过程中，车轮的运动状态主要有三种：纯滚动、滑动、边滚动边 滑动。在车辆的制动过程中，随着制动强度的增加，轮胎与路面出现相对速度， 也就是车速和轮速之间产生速度差。车轮滚动的成分越来越少，滑动的成分越来 越多。 武汉理下大学硕十学位论文 滑移率，是一个表征车辆在制动过程中，车轮滑移运动量相对大小的参数。 其计算公式为： s = 了v 2 - r v l 1 0 0 式中：s 滑移率； v ：车速： v 。轮速。 滑移率描述了车轮在制动过程中的运动状态：s = o 时，表示车轮处于纯滚动 状态；s = 1 0 0 时，表示车轮处抱死滑动状态；0 ( s ( 1 0 0 时，表示车轮处于边滑动 边滚动状态。s 越大，表示运动中车轮作滑动运动的成分越大，制动效能也就越 低。 1 o o 8 o 6 萋叫 篓0 。2 o 2 0 1 1 06 0 8 0 1 0 0 滑移率s 图2 3 附着系数与滑移率的关系 通常当车轮滑移率处于1 5 一3 0 的范围内时，轮胎与路面所间的纵向附 着系数。有其最大值，该最大值称为峰值附着系数pp ，与其相对应的车轮滑移 率称为峰值附着系数滑移率s p 。当车轮在路面上自由滚动时，由于轮胎与路面 之间没有产生相对运动趋势，其间的纵向附着系数就是零，当车轮滑移率从零增 大到峰值附着系数滑移率s p 时，尽管车轮滑移率不等于零，但轮胎与路面之间 并没有发生真正的滑动，滑移率不等于零完全是由于弹性轮胎变形产生的。因此， 当车轮滑移率处于这一范围时，轮胎与路面问的纵向附着系数实质上就是其间静 摩擦系数的表现，所以，随着轮胎与路面间纵向相对滑动趋势的增大、其问的纵 向附着系数就会迅速增大，当车轮滑移率达到峰值附着系数滑率s p 时，弹性轮 胎与路面之| 日j 即将发生相对滑动，此时其问的附着系数就是最大静摩擦系数。此 后，直到车轮完全滑动( s = 1 0 0 ) 的范围内，轮胎与路面之间的纵向附着系数就 武汉理下大学硕十学位论文 从最大静摩擦系数到滑动摩擦系数的过渡，轮胎与路面问附着系数将是不稳定 的。当车轮在路面上完全滑动时，轮胎与路面| 白j 的纵向附着系数称为滑动附着系 数“s ，由于物体问的摩擦系数总是小于最大静摩擦系数，所以，轮胎与路面间 的附着系数| ls 总是小于峰值附着系数pp 。 侧向附着系数随滑移率的增大而减小，当滑移率为1 0 0 时，侧向附着系数 几乎为零，此时如果给车辆一个侧向力，车辆的行驶方向就会完全失去控制，发 生侧滑。对于大多数路面来既，车辆的纵向附着系数在滑移率约为1 0 _ 一3 0 达 到最大，此后，纵向附着系数随着滑移率的增大而减小。 由上面的分析可知，未使防抱控制系统的车辆在制动的时候，在紧急制动过 程中，由于制动力过大，滑移率很容易超过理想滑移率范围( 图2 3 中阴影部分 所示) ，使得车辆制动效能降低，也会使得车辆在制动过程中行驶方向的可控制 性降低。 在各种路面条件下轮胎与路面间峰值附着系数和滑动附着系数的平均值如 表2 1 所示。 表2 - 1 不同路面的峰值附着系数和滑动附着系数 路面种类及状况峰值附着系数峥滑动附着系数 沥青路面和水泥路面 o 8 o 9o 7 5 ( 千) 沥青路面( 湿) 0 5 o 70 4 5 o 6 水泥路面( 湿) 0 8 00 7 0 石子路 o 6 0o 5 5 土路( 干) 0 6 8 o 6 5 土路( 湿)o 5 50 4 5 0 5 0 雪( 压实) o 2 0 o 1 5 2 4a b s 的基本构成 a b s 通过自动重复地对制动压力进行调节，将滑移动率控制在最佳范围内， 从而保证车轮不被抱死，获得最佳的制动效能和制动时车辆的可操纵性。其实现 目标的控制方式种类很多，但系统的硬件组成基本是一致的，都是由轮速传感器、 电子控制器和制动压力调节器三大部分组成。 首先，由轮速传感器测出车轮的转速度信号，轮速传感器的信号送入电子控 制器，由电子控制器计算出车轮速度、车轮的加速度、滑移率等参数，再由电子 控制器的控制单元对这些参数进行分析后给压力调节器发出指令，通过压力调节 8 武汉理工大学硕1 ：学位论文 器调节制动压力。 2 4 1 轮速传感器 轮速传感器的作用是测出车轮的实时转速，并把车轮的速度信号送到电子控 制器的运算单元中。轮速传感器是a b s 控制系统的信息感知元件。目前广泛应 用的是电磁感应式轮速传感器。它是由与车轮共同旋转的齿圈和固定的电磁感应 头两部分组成。齿圈是由磁阻较小的铁磁性材料制成，传感器主要由永磁性磁芯 和感应线圈组成。当齿圈随着车轮转动时，齿圈的齿顶与齿隙就交替变化，在感 应线圈中就会产生类似正弦波的交变电压，交变电压的频率与齿圈的齿数和转速 成正比。因此，转速传感器的交变电压频率与齿圈的齿数和转速成正比。这种交 变电压信号经整形电路的变换后，可以生成a b s 控制器能够处理的标准方波信 号。a b s 控制器根据方波信号的每一个上升和下降沿的发生时间来计算车轮的 回转速度。传感器和电磁感应头的相对位置，传感器信号和整形信号的相互关系。 2 4 2 电子控制器( e c u ) e c u 是a b s 系统的控制中枢，其作用是接受来自轮速传感器的感应电压信号， 计算出车轮的转速、车轮的加速度及滑移率，并对这些信号进行分析后，向制动 压力调节器发出压调节指令。 现代的a b s 电子控制器主要是由集成度和运算精度都很高的数字电路构成， 其基本单元有： 1 轮速传感器感应电压信号输入放大单元 其作用是将来自轮速传感器的信号放大整形后送往运算单元。 2 运算电路 其主要作用是进行车轮转速，加速度、及滑移率等控制参数的计算，以及电 磁阀的开启控制运算和监控运算。其运算过程是：接受由轮速传感器感应电压信 号输入放大单元传来的信号计算出车轮的瞬时线速度，然后对瞬时线速度积分计 算出初始速度，把初始速度与瞬时线速度进行比较运算，得到车轮胎的加速度及 滑移率。最后根据设定方式，计算并发出响应的控制信号，对电池阀控制单元输 出减压、保压或者增压控制信号。 3 电池阀控制单元 其作用是接受来自运算电路单元的减压、保压或者增压信号，并据此对电池 阀进行控制。 4 故障反馈电路单元 其作用是对电子控制器内部电压进行监控，以及其它各个单元进行故障监 武汉理1 ：大学硕十学位论文 控。一旦发现故障，则停止a b s 的工作，同时通过安装在仪表台上的a b s 报警灯 把故障通知驾驶员。 2 4 3 制动压力调节器 制动压力调节器是a b s 的执行机构，装在主泵和分泵之间，主要是接受来自 控制器的控制指令，对制动压力进行增、减。压力调节器有液压和气压调节器两 种。压力调节器按其构造通常有两种模式：三位三通阀，二位三通阀。对三位三 通阀来说，第一种位置为不通电位置，主缸与轮缸相通，轮缸压力随主缸压力上 升而上升( 增压) ；第二种位置为半通电位置，主缸、轮缸及回油泵相互隔断， 轮缸的压力保持不变( 稳压) ；第三种位置为全通电位置，轮缸与回油泵相通， 轮缸压力降低( 减压) 。故三位三通阀可以对制动压力实施增压一稳压一减压的 压力控制模式，是最有效的a b s 压力控制模式。三通即为通主缸、通轮缸及回油 泵。 2 5a b s 的控制原理 a b s 系统为了能将滑移率控制在理想滑移率附近的范围内，需要对制动压力 进行反复调节，a b s 的控制系统的性能直接决定了a b s 甫f j 动器系统的制动性能，是 a b s 系统最关键的部件，是a b s 的核心。汽车a b s 控制系统是非线性系统，轮胎特 性变化范围大，车辆模型有各种不确定性，因此，要建立精确的数学模型很难实 现。目前国外采用最广泛的a b s 控制方法是逻辑门限值控制方法。随着车用微机 控制技术和传感器技术的发展，在滑移率理论、耗散功率理论等基础上发展起来 的控制方法( 最优控制、p i d 控制、模糊控制、神经网络控制等) 是克服逻辑门限 值控制方法技术缺陷的关键。 2 5 1 逻辑门限值控制 逻辑门限制控制是基于经验式的控制方法，它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。由于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，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。其 控制方式可描述为： k 。= c ，a ，。，4 - c 。a 1 0 武汉理t 大学硕士学位论文 式中：k 综合加减速度； c 参考滑移率； e 加、减速度的加权系数； 。参考滑移率； a 加、减速度。 逻辑门限值的控制逻辑可表达为： f k - i - a 2 l 艺 口2 式中：a t 加速度门限值： a 2 减速度门限值。 减压 保压 增压 逻辑门限值控制方法的各种门限值及其它参数要依据大量的道路试验来确 定，存在一定的局限性。如控制逻辑比较复杂，容易发生逻辑冲突；调试困难； 整个控制过程车轮滑移率并不是保持在最佳滑移率上，而是在它的附近波动，因 此并未达到最佳的制动效果，控制过程也不够平稳；另外，开发完成的液压a b s 装置不具有通用性，不同的车型需要不同的匹配技术。这种控制方法必须进行大 量的试验来确定控制参数的数值，才能达到较理想的控制效果，开发周期长。 2 5 2 滑模变结构控制( v s s ) 滑模变结构控制( v s s ) 是一种特殊的非线性控制方法，其非线性表现为控 制的非连续性。滑模变结构控制的非连续性实际上是对控制函数的一种开关切换 动作，系统在整个控制过程中由于该切换动作，不断地反复改变其结构，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，以理想开关的方式切 换控制量的大小，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“滑动模态”。滑模变结构控制与其他的控制系统的主要区别是在于它们的“结 构”并非固定，而是在控制过程中不断地改变，结构在系统瞬变过程中按照规定 的结构控制法则有规律地变化。 选择车轮实际滑移率与理想滑移率之差6 = 0 为滑移换节曲线，通过采用不同 制力矩，实现制动力矩的增加或减少，把滑移率控制在理想滑移率范围内 滑模变结构控制方法可以有效地适用于车轮防抱制动系统的非线性控制，对 被控系统参数变化不敏感，抗干扰能力强，动态性能好，具有很好的安全性和很 强的自适应性，但它的算法有静差调节，很难保证静态精度，要求作动系统有较 l l 武汉理下大学硕十学位论文 高的动作频率，且滑动运动在切换面附近切换时有抖动，对作动系统的性能及可 靠性要求太高。 2 5 3 模糊控制( f u z z y ) 模糊控制是以人的控制经验作为控制的基础知识模型，以模糊集合论作理论 基础，以模糊逻辑推理作为控制算法的数学工具，用计算机来实现的一种智能控 制。模糊控制用模糊数学的方法来描述过程变量和控制作用的这些模糊概念以及 它们之间的关系，根据这些模糊关系及某时刻过程变量的检测值( 需化成模糊量) 用模糊逻辑推理的方法得出当前时刻的控制量。 模糊控制系统可以分为四个部分：模糊控制器；输入输出接口；被控对象； 传感器，其结构如下图所示： 模糊控制算法的目的是从输入的连续精确量中，通过模糊推理算法求出相应 的精确控制值。模糊控制算法有多种实现形式，常用的方法有合成推理关系矩阵 法、合成推理查表法、合成推理解析公式法、强度转移法和后件函数法等。模糊 控制器的控制算法是由计算机的程序实现的。这种程序一般包括两个部分，一个 是计算机离线计算查询表的值，属于模糊矩阵运算；另一个是计算机在模糊控制 过程中在线计算输入变量( 误差、误差变化) ，并将它们模糊量化处理，查找查询 表后再作输出处理( 压力变化) 的程序。 2 5 4 模糊神经网络控制 人工神经网络( a n n ) 是指用工程技术手段模拟人脑神经的结构和功能的技 术，用电子计算机模拟人脑神经元对信息的加工、存储和搜索等活动过程的技术。 采用神经网络原理对对象进行控制称为神经网络控制( n n c ) 。随着模糊信息处理 技术和神经网络技术研究的不断深入，将模糊技术与神经网络技术进行有机结 合，从而构造出一种自动处理模糊信息的神经网络或自适应模糊系统，成为当前 一个重要的研究热点。 由于模糊神经网络控制系统具有很多的优点，所以利用神经网络控制的汽车 防抱死系统具有更好的性能，在汽车防抱死系统中具有广泛的应用前景，但是目 前该方法还处于理论研究阶段。 武汉理工大学硕士学位论文 随着现代控制技术在汽车防抱死系统中的广泛应用，可将几种控制方法进行 综合，如基于最优控制和滑模变结构控制的最优变结构控制、神经网络与模糊逻 辑相结合的控制等等。在具体设计a b s 的控制方法时，选取哪一种或几种综合的 控制方法，可根据实际情况进行选择。 2 6a b s 在摩托车上的使用情况 国外摩托车a b s 的装车量也已超过3 0 ，主要是因为国外摩托车朝大排量与 小排量两极发展，中排量车很少，国外摩托车装用a b s 都是大排量车。这主要是 因为a b s 的价格昂贵，只有那些价格高的摩托车才可能装用。 目前，我国摩托车上装用的“a b s ”大致有以下三种类型： 橡胶囊式 阀芯式 膨胀球式 图2 - 4 目i i 国内在用的摩托车a b s 典型结构 武汉理1 ：大学硕十学位论文 如图2 - 4 所示，三种目前国内在用的摩托车a b s 装置均是利用弹性元件吸 收管路压力的尖峰，使管路压力在升高的过程中变得缓慢一些，事实上它们均不 能起到防抱死的作用。因为它没有轮速传感器，不能判断车轮是否抱死，所以也 就谈不上具有真正防止车轮抱死的作用。 目前，a b s 的技术已经很成熟，a b s 在摩托车上使用的最大障碍是成本问题， 如果能在成本上有所突破，a b s 在摩托车上的使用前景是很好的。 1 4 武汉理1 二大学硕士学位论文 第三章摩托车a b s 试验台的设计 3 1 摩托车a b s 试验台的总体设计 摩托车a b s 试验台的总体设计思路是： a 采用惯性模拟试验方法，通过不同惯量盘的不同组合，实现台架试验模 拟惯量与摩托车实际运行过程中的惯量相符合。 b 实现微机自动进行数据采集、数据处理、试验程序自动控制等功能。 3 1 1 机械部分 试验台机械部分主要有三大部分组成：电机、惯量质量盘、转鼓。其示意图 如图3 1 所示。 电机惯量质量盘转鼓 ， |l 式|几 n u | 二一 一 川 _ 砺占栅 n l i - l n 言訇同j t l 一。hj 7厂r u 兰割凹 - l b -h 1 u ij | jl l h州 1 5 - l 一一 一r 一一 图3 i 摩托车a b s 试验台总体结构图 a 电机作为试验台的驱动力装置，其转速必须是可调的，以满足模拟在不 同车速下摩托车运动惯量质量的需要。 b 惯量质量盘的作用是将摩托车行驶过程中的运动惯量模拟成惯性质量盘 的转动惯量。主轴与转鼓等部件组成的基础惯量再加上七个活动盘组成的惯量质 量系统来模拟不同车型的制动状况。通过拨叉推动压嵌离合器与主轴的结合与分 离来实现惯量盘的加载与卸载，从而实现对不同类型摩托车的运动质量惯量的模 拟。 c 转鼓是用于道路模拟系统，转鼓有两个，一个作为主动转鼓带在加载的 时候带动制动轮一起转动，另一个作为从动转鼓。通过不同的转鼓表面材料束实 现对不同附着系数路面的模拟。 武汉理f 大学硕十学位论文 此外，a b s 试验台架还包括有制动器央具，摩托车轮对地丽压力模拟装置等 重要组成部分。其中制动器夹具必须要满足拆装方便、不破坏实件、操纵力能直 接作用在被测试件上。摩托车轮与地面之间压力模拟装置主要用来模拟制动时车 轮与地面之间的压力的大小，因为在一定路面上，不同重量的摩托车的路面制动 力的大小是不一样的，必须要通过一个装置来模拟。 3 1 2 微机控制和数据采集、处理 微机控制和数据的采集系统由传感器、a d 非线性转换、放大器、直流电源、 下位机、接线板、微机( i - 位机) 等组成。本试验台采用计算机直接控制，全部 数据采集和处理均由计算机完成。测试结果实时地以数据和曲线的方式显示在电 脑屏幕上。试验结果可由打印机或绘图仪打印出，也可以保存在上位机数据库中。 所有试验步骤均采用窗口操作模式，界面友好、简单、操作方法和试验结果一目 了然。 3 1 2 1 硬件部分 a 自动测试、控制系统 选用普通p c 和下位机，编写控制软件，利用标准接口设计功能卡，搭建自 动测试系统。其功能结构如图3 - 2 所示： 图3 2 自动测试、控制系统示意图 b i 放大器 放大器具有高增益、高输入阻抗、低输出阻抗、零漂小、差分输入单端输出、 1 6 武汉理工大学硕十学位论文 接近零输入电平和零输出电平的特性。根据这些特性，采用专用芯片来满足高性 能要求。 c a d 非线性转换 非线性a d 转换技术适用于数字式非电量测量的a d 转换。在输入与输出 之间严格遵循指定的函数关系的电路叫做函数电路。函数电路可以由无源或有源 元件组成，也可以用数模转换器来产生所需的函数。本台架使用专用函数电路 构成非线性转换。 3 1 2 2 软件部分 摩托车a b s 性能试验台的软件设计思路主要是从以下几个方面考虑的： 九充分发挥软件的容错功能 软件容错就是对设备各功能的诊断及设备本身的参数都应由计算机软件进 行判断，最后给出符合试验要求的结果。具有容错功能的软件才是可靠的。 b 操作界面直观、形象、友好 在设计计算机操作界面的时候，首要因素就是其功能的完善性，同时要美观、 形象，操作界面的布置要协调，操作截面要尽量做到不懂计算机的人也能顺利地 操作。 c 软件的质量因素 a 可靠性：指软件在特定的环境下，在给定的时间内不发生故障工作的概率。 b 安全性：指软件系统的各个成分( 源程序、数据等) ，免受非授权人员读 取和修改的保护能力。 c 效率：指对资源利用的合理程度。 d 可移植性：是指把软件移植到其他硬件环境下正常运行的难易程度。 在设计系统软件的时候基于以上设计指导思路，具体的设计如下： a 接口要少 接口要少的原则是要求限制软系统中构件之间的通信链数目。接口要少的原 则是从构件连续性和可扩充性导出的。如果构件之间关联太多，则修改或出错的 影响可能会波及许多构件，这个原则也与构件可集成性有关，如果希望构件可以 在新的环境中被重用，则它不应该过于依赖其它构件。 b 接口要小( 耦合要弱) 接口要小或耦合要弱是指两个构件通信时，它们所交换的住处应该尽可能 少。接1 ：3 要小与通信链数目多少无关，这个需求主要来自构件的连续性与保护性 ( 信息隐藏) 。接口明确原则要求任何两个构件在通信时，其交换信息的内容要明 确，亦即要求通信要“公开”。信息隐藏原则可以表述为：有关构件的所有信息， 1 7 武汉理_ t 大学硕七学位论文 除了明确说明了“公有的”那些信息之外，其余的应该全为该构件私有。若对某 个构件进行修改，只变动其私有部分，而不影响其公有接口，那么通过公有接口 与之通信的其它构件就不会受到影响。用面向对象技术来设计与实现软构件是最 有成效的，因为面向对象语言的基本构成单元一类，已经具备了软构件的许多特 征，并在技术上完全可以实现。 c 系统程序为分层设计 本试验台的系统程序包括主菜单、主程序、数据输入程序、显示程序、打印 程序、绘图程序，控制程序以及各种参数计算程序。子程序按功能单元分为参数 输入、单项试验、程序试验、数据处理、退出等模块。 d 软件采用二种语言编写 由于试验台涉及多种参数的测量、计算、输出，所以各部分的软件采用不同 的语言编程，利用各类软件的优势。如控制软件采用汇编语言编写，图表采用数 据库，而主界面则采用v b 语言等。这种软件方案最大的好处是可做到十分精干， 运行速度很快，而且可靠。 e 实时检测处理数据，每次的试验数据是唯一的，试验完成后，仅只打印 一次表格和曲线，其数据试验完后可以重复出数据表，但不能对数据进行修改。 3 2 摩托车a b s 试验台的惯量加载系统 质量惯性模拟系统是指模拟各种车型实际行驶惯量的当量回转惯性质量。其 主要结构是一组旋转飞轮( 惯性质量盘) ，利用飞轮的旋转惯量来模拟摩托车的 行驶运动惯量。飞轮的旋转由驱动电机驱动主轴，主轴通过压嵌式离合器来驱动 离合飞轮的旋转来实现。当量回转惯性质量为分级选择组合式，操纵方式采用机 械拨叉机构来实现离合。活动盘安装在带压嵌的活动盘毂上，且与花键套之间以 一对滚动轴承支承，若离合器与活动盘