（机械设计及理论专业论文）汽车abs控制器的计算机模拟检测.pdf

摘要 摘要 汽车防抱死制动系统( a n t i 1 0 c kb r a k i n gs y s t e m ，简称a b s ) 是一种主动安 全装置，它能够提高汽车的安全性能，减少交通事故的发生率，现在已经成为了 许多车辆的必备装置。近年来我国先后出台了相关法规与标准，强制要求相关的 客车与货车安装a b s 。今后一段时间我国a b s 开发与生产将进入高速增长期， 但我国a b s 的检验主要依靠装车道路试验，需要耗费大量财力、人力与时间， 缺乏高效、准确的室内检测手段，难以满足a b s 生产与开发的需求。 本文对a b s 核心部件电子控制器e c u 的计算机模拟检测进行了研究。 首先研究分析了汽车动力学模拟的各种方法，选用两轮模型作为研究对象建 立了车体模型、轮胎模型、制动器模型、气压系统模型。然后用m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具箱对各个模型进行了仿真分析，用c 语言对进行了二次模型化，并采用 v c + + 实现了交互式界面，完成了汽车制动过程动力学模型的计算机建模。对计 算机运行结果和实际路试数据进行了对比分析，证明该系统能够较好地模拟实际 a b s 装车试验的各项参数，具有一定的应用价值。 在硬件方面，对轮速信号模拟和阀控信号采集进行了研究，研究了如何实现 计算机系统和a b s ( e c u ) 的通信问题，建立了对a b s ( e c u ) 的闭环检测系统。 关键诃：汽车防抱死制动系统，动力学建模，计算机仿真，模拟检测 ：玺三些查耋璺圭兰堡笙三 a b s t r a c t a u t o m o b i l ea n t i - l o c kb r a k i n gs y s t e mi sa na c t i v es a f e t yd e v i c e i tc a nr a i s et h e s a f e t yp e r f o r m a n c ea n d r e d u c ea c c i d e n tr a t e n o wa b sh a sb e c o m eas t a n d a r d d e v i c ee q u i p p e dw i t ho nm a n yv e h i c l e s c h i n e s er e l e v a n c el e g i s l a t i o nh a sb e e n c o m p u l s i v e l yd r a w nu pt oc a l lf o re q u i p p i n gw i t ha b so np a s s e n g e rt r a i na n dw a g o n a b sw i l lf a c eah i g h - s p e e dg r o w t hi nc h i n ai nf u t u r e b u tt h ei n s p e c t i o no fa b s m a i n l yd e p e n d so nt h er o a de x p e r i e n c ew h i c hn e e d sm u c hm o n e y m u c ht i m ea n d m u c hl a b o r i ti sl a c ko fe f f i c i e n ta n da c c u r a t et e s t i n gm e a n si nr o o mi nc h i n an o w a n di ti sn o ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fa b sd e v e l o p m e n ta n dp r o d u c t i o n t h i sp a p e rm a i n l ys t u d ys i m u l a t i o nt e s ta n de v a l u a t i o nf o rc o r eu n i te c uo f a b s f i r s t l y ，i tw a ss t u d i e dt h a tv a r i o u ss i m u l a t i o nm e t h o d so fa u t o m o b i l ed y n a m i c s ， c o u p l e dw h e e lw a ss e l e c t e da ss t u d yo b je c t b o d ym o d e l ，t i r em o d e l ，b r a k i n gt o r q u e m o d e la n da i rp r e s s u r em o d e lw e r ee s t a b l i s h e d t h e nm a t l a b s i m u l a t i o nt o o l b o xw a s u s e dt os i m u l a t ea n da n a l y s i st h e s ea b o v em o d e l s s e c o n d l y ，t h e s em o d e l sw e r e p r o g r a m m e db yc i n t e r a c t i v ei n t e r f a c ew a sr e a l i z e db yv c + + p r o g r a m t h e a u t o m o b i l ed y n a m i cm o d e lo fb r a k i n gp r o c e s sw a se s t a b l i s h e d f i n a l l yi tw a s c o m p a r e da n da n a l y z e db e t w e e ns i m u l a t i o nr e s u l ta n da c t u a lr o a dt e s t i tw a sp r o v e d t h a tt h i ss y s t e mc a ns i m u l a t ev a r i o u sp a r a m e t e r so f a b sa c t u a lt e s tp r e f e r a b l y i tw a ss t u d i e dt h a tt i r es i g n a le m u l a t i o na n dv a l v ec o n t r o ls i g n a lc o l l e c t i o n s e r i a lc o m m u n i c a t i o nw a ss t u d i e db e t w e e nc o m p u t e rs i m u l a t i o ns y s t e ma n da b s ( e c u ) c l o s e d - l o o pt e s ts y s t e mf o ra b s ( e c u ) w a s e s t a b l i s h e d k e y w o r d s ：a u t o m o b i l ea n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ，m o d e l i n g ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n ， s i m u l a t i o nt e s t 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师的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，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的， 论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导老师签字： 论文作者签字； 2 0 0 7 年5 月2 5 日 公咿乞掩拽 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课慝背景、目的和意义 汽车是当今世界最主要的交通工具之一，汽车的安全性、经济性和舒适性是 人们所关注的焦点。汽车制动性能是汽车行驶安全性的一个重要指标【，良好的 制动性能是交通安全的重要保障。重大的交通事故往往与制动距离过长和紧急制 动时侧滑等情况有关【2 1 ，随着汽车保有量的增加和汽车平均行驶速度的提高，交 通事故给人们带来的危害日益严重，研究和改善汽车制动性能成为汽车设计与开 发部门的重要课题。 汽车防抱死制动系统a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ( a b s ) 由于其能控制车轮在 旋转方向的滑移程度，能有效地防止汽车制动时发生侧滑，防止转向轮抱死导致 方向操纵性失效，故能提高汽车的制动效能，改善行车的主动安全性 3 1 。国外发达 国家已普遍规定在汽车上使用主动安全装置以提高行车安全性。我国随着汽车工 业的发展与汽车技术的提高，自上世纪九十年代中后期开始在汽车上配置a b s ， 近年来我国生产的汽车配置a b s 的比例在逐年增大，合资生产的高、中档轿车 普遍配置了a b s ，对于客车与货车，国家标准g b l 2 6 7 6 - 1 9 9 9 “汽车制动系统结 构、性能和试验方法”规定从2 0 0 3 年l o 月起，m 3 类旅游客车、n 3 类载货汽车， 0 4 类挂车必须装用a b s 。 目前国内使用的a b s 有进口的、合资企业生产的、及本国技术生产的，而 真正拥有自主知识产权生产汽车a b s 的国内厂家不多，设计开发能力不足，难 以满足国内市场对汽车a b s 急速增长的需求。 本课题基于广东工业大学与广州市科密汽车制动技术有限公司合作申请的 2 0 0 2 年广州市科技计划项目“汽车防抱死系统动力学计算机仿真”( 项目编号： n o 2 0 0 2 j i c 0 3 0 1 ) 。在研究气动制动动力学原理基础上，综合考虑车况与路况等 因素对制动效能的影响，建立气动防拖死制动系统计算机模拟检测系统。该系统 可以作为开发的辅助工具，从气压制动a b s 开发初期到开发完成都可应用来指 示车况及制动系统特性参数、路况等因素对汽车制动性能的影响，观察a b s 系 广东工业大学硕士学位论文 统特性参数的改变对汽车a b s 的制动效能的影响，评价汽车a b s 的制动效能， 达到缩短开发周期、降低开发风险与开发成本，实现高效、经济、安全开发的目 的；也可以作为气压制动 b s 产品的检测手段，部分代替路试的功能，大幅度降 低生产成本。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外汽车动力学研究的发展情况 汽车动力学是一门比较老的学科，但一直处于不断发展之中【2 1 。汽车动力学 主要研究汽车在各种力的作用下的动态特性及其对汽车使用性能的影响。汽车动 力学研究所有与汽车运动有关的问题，研究内容可按车辆运动方向分为纵向、垂 向和侧向动力学三大部分。其中驱动动力学、制动动力学、行驶动力学和操纵动 力学等都是主要内容。与本文密切相关的是制动动力学。汽车通过车轮和地面接 触，由于汽车和地面的相对运动而使车轮受到来自地面的力，这个力就是使汽车 运动的主要的力，加上空气阻力、引力、改变运动状态产生的惯性力等，构成了 汽车上的复杂力系。汽车的各项性能，即汽车的动力性、制动性、操纵稳定性及 平顺性等，就是汽车在受各种力的影响下呈现的特性。 汽车动力学的研究主要采用两类方法：一类是以实验为主的主观评价法；另 一类是以理论分析为主的客观评价法1 3 1 4 0 1 。主观评价法就是让实验人员根据实验 时自己的感觉来评价汽车的性能及其影响因素。但如果研究仅停留在实验阶段， 或根据过去的经验来应对新的设计要求，而不去揭示汽车设计或影响其性能的内 在规律，必然会有许多未知的因素使实验结果与过去的经验相矛盾。同时，大量 重复的实验将使汽车设计耗费巨大且周期较长。而客观评价法可通过理论分析确 定汽车评价指标与汽车结构参数的函数关系，即根据已知的物理定律来描述相关 的力学特性并建立分析模型，模型由力与运动的代数或微分方程来表示，通过这 些方程式来评价汽车的性能。因此，模型提供了改变汽车结构及其结构参数以提 高汽车性能的手段。但是汽车动力学是一门相当复杂的学科，要想通过理论分析 得符合实际的结果，必须考虑很多因素，使得系统的力学模型十分复杂。 近几十年来计算机技术的迅速发展给这一学科注入了新的活力。计算机动力 学模拟( 本文采用i s o 的定义：模拟即选取一个物理的或抽象的系统的某些行为 2 第一章绪论 特征，用另一系统来表示它们的过程) 是其中的一个重要方面。车辆动力学模拟 一般包括两个方面的内容：一是建立描述车辆动力学的微分方程组，即建模；二 是采用采用数值方法解微分方程组，即计算。对这两项工作可以采用不同的方法， 如人工建模和计算、计算机建模和计算、以及混合建模。计算机车辆动力学模拟 的成功取决于多方面的因素，例如建模、输入参数、编程及数值方法的精度及稳 定性。 人工建模和计算是一种较传统的方法，即通过对车辆的动力学分析建立车辆 运动的微分方程组，并求解此微分方程组【2 】【”。从应用的角度来说，用人工方法 建立的简单模型往往针对车辆的一种动力学特性进行研究，而将其它影响较小的 因素忽略掉，使模型简化，但模型一般比较粗糙。计算机建模方法虽然精确，但 建模过程复杂，所需的参数多。混合方法集成了人工与计算机建模两者的优点。 人工方法比较灵活，特别是对各种部件的简化处理比较方便，而当方程的解比较 繁琐时，其工作可以由计算机完成，这样可以大大提高工作效率。 近年来出现了一些利用工具软件进行车辆动力学建模的研究方法，例如利 用a d a m s 、m a t l a b 等软件进行建模。a d a m s 软件比较适用于车辆动力学研 究。它采用多刚体力学的方法，将系统分成多个刚体，对刚体的质量和各个方向 的转动惯量及连接方式进行定义和赋值。它从物理系统的刚体结构出发，定义每 一个构件的形状、质量、受力、约束和连接情况，可以在三维状态下建立模型。 采用a d a m s 进行建模的过程复杂，所需的参数多，要求使用者对物理系统的机 构动力学有较深入的了解。同时由于是以机构为基础来建模的，所以对系统的替 代比较困难。 m a t h w o r k 公司于1 9 6 7 推出的。m a t r i xl a b o r a t o r y ”软件包，经过不断的更 新和扩充，目前最新m a t l a b 7 0 版本是一种功能强、效率高、便于科学和工程运 算的交互式软件。它带有十几个工具箱，可以用于不同的专业领域，其中s i m u l i n k 工具箱可完成系统图形建模。该方法将各种功能模块化，可以直接用鼠标拖放模 块，建立信号连接。用m a t l a b 仿真免去了程序代码编程带来的繁琐和低效。 另外国内外也研制了一些汽车动力学仿真软件，例如a d p c s p ，它是在 h v o s m 仿真软件的基础上用f o r t r a n 语言和c 语言二次开发得到的。a d p c s p 有大量的输入数据和输出数据，a d p c s p 软件能够模拟汽车的操纵和行驶运动、 模拟不同路面状况下汽车的振动响应、模拟各种制动系统在各种路面上产生制动 广东工业大学硕士学位论文 力的能力等等，功能非常强大 计算机硬件闭环仿真是8 0 年代随着计算机技术的发展而兴起的一种新的研 究车辆各种性能的方法。它是将控制系统的控制器软硬件置于由计算机组成的实 时模拟环境中，构成的一个闭环控制系统。在计算机建立车辆模型，采用数值方 法计算车辆各种动力学性能，将计算值通过i o 变成实际的模拟物理量输出给控 制器，使控制器所处环境就像在实际汽车上的环境一样。试验条件可以控制，试 验可以大量的进行，可以对控制器的控制方法进行大量的研究。 由于本项目需要建立的是实时性要求非常高的系统，牵涉到p c 机、单片机、 接口电路、汽车防抱死系统控制器之间的协作。用现成的商品工具软件难以得到 短小精悍运行高效的代码。考虑到c 语言简洁、紧凑、使用方便、灵活，而且其 可以直接访问内存地址，能进行位操作，使其能胜任开发操作系统的工作。另外， 其生成的目标代码质量高，程序运行效率高，可移植性好，选为本课题上位机语 言。 1 2 2 国内外汽车a b $ 检测实验台的发展情况 汽车产品交付使用前必须进行充分的试验，过去对制动系统的试验都是在道 路上进行，耗费大量的人力物力，成为汽车生产的瓶颈环节。逐步将道路试验转 变为室内台架试验是汽车生产技术发展的必然趋势。近年来，随着计算机仿真技 术的发展，为汽车制动过程的研究提供了一个极其有效的方法和手段。通过对汽 车制动过程的多工况仿真，可实现汽车结构、运动参数及环境因素对汽车制动过 程影响的研究，从而达到显著提高汽车的制动性能的目的。 在国外，由于计算机技术很成熟，很多专门的公司开发了混合仿真的计算机 平台，如美国n i 公司的p c i 和德国d s p a c e 公司的d s p a c e 等。并且众多软件公 司开发的车辆动力学模型软件，能够模拟不同车辆和道路情况而且越来越精确， 如美国机械仿真公司的c a r s i m 和t r u o k s i m ，以及德国t i i e s i s 公司的t h e s i s 。 国外大型的汽车及汽车电子产品公司，欧宝、奥迪、通用、博世等都利用a b s 硬件在环回路仿真( h i l s ) 台架试验方法进行a a s ( e c u ) 的测试【4 1 4 9 1 。h i l s 就 是在控制器开发出来之后，实际的控制器和用来代替真实环境或设备的仿真模型 一起组成闭环测试系统，难以建立数学仿真模型的部件( 如液压系统) 可以保留 在闭环中，进行整个系统的仿真测试。引进这些系统通常耗资巨大，且关键部分 是全密封的。 4 在国内，济南重型汽车研究所的程军教授等人已经做出了一种基于p c 4 8 6 微 机的实时硬件闭环模拟系统【5 1 。清华大学的柴占祥等人也对防抱死制动系统做了 计算机模拟【6 1 。但这些均是对液压制动系统的动力学。国内目前还没有出现对气 压制动汽车进行动力学模拟的系统。 本文要建立气压制动的a b s 控制器计算机模拟检测实验台，以满足企业生产 需求为目的。用模型来模拟道路试验，探索车辆的制动性能，研究有效的控制规 律。要建立描述车辆制动性能的各动力学模块，进行计算机建模并开发专业的检 测装置，进行模拟检测。 本文要建立的实验台是一个实时系统。实时模拟系统也可分为两类。第一类 系统中不包含机械子系统，如图i 。微机实时计算车辆动力学模型方程，通过p c 总线上的i o 接口模板将计算出的车轮速度转化为相应的频率，模拟电磁齿圈式 传感器感应出来的脉冲。a b s 控制器接收到脉冲后通过内部软件的逻辑判断和算 法发出控制命令给执行系统，执行系统的状态由i o 端口模板采集并读入计算机。 计算机根据a b s 控制器信号进行制动气压液压的升压、降压和保压计算。通过 计算机中的车辆、轮胎及制动器模型分别计算出制动力矩及这一瞬时的车辆动力 学状态，如车速、轮速等。再由i o 接口模板将计算出的车轮速度转化为相应的 频率发出。这样不断循环直到a b s 控制过程完成。 图卜1 计算机模拟系统 f i g i - ic o m p u t e rs i m u l a t i o ns y s t e m 第二类为混合模拟系统，即将制动器模型换为实际的压力管路机械系统，如 图i - 2 。 图i - 2 混合模拟系统 f i g i - 2m i x e ds i m u l a t i o ns y s t e m 广东工业大学硕士学位论文 1 3 本论文研究内容 本课题在前期单轮模型研究的基础上，用计算机模拟真实的车况和路面环 境，检测控制器的执行效果，来评价a b s 制动性能，达到测试控制器质量的目 的。要进行如下工作： ( 1 ) 进行两轮模型车辆制动力学性能分析，建立各相关模型。 ( 2 ) 编写各个模型的代码，进行两轮模型气制动a b s 系统的制动过程计算机 模拟。用户可以在对话框中将输入数据填好，选择不同的制动器、路面和轮胎模 型，选择合适的串口。运算结果可通过数据或图形方式输出。 ( 3 ) 组建如图1 所示的模拟实验平台，建立软硬件接口通信，采用r s 2 3 2 通 信标准，实现a b s 阀控信号的采集和轮速信号的发送，实现a b s 控制器和微机 之间的通信。 1 4 本论文的创新点 ( 1 ) 根据动力学基本原理推导得到正确的车轮运动惯性力计算公式、地面正 压力计算公式、汽车减速度计算公式。 ( 2 ) 编制车辆两轮模型模拟检测系统。可以对不同质量、不同制动器和不同 轮胎的汽车在不同路面上行驶时的制动性能进行研究。 ( 3 ) a b s 检测实验台是高技术生产检测设备，关键技术是企业秘密，反映实 验台具体技术的资料比较少。从掌握的资料看，国内外的制动仿真软件的设计主 要是用于对a b s 控制逻辑的研究和液压a b s 的评价。而本课题要研究的是气压 系统，且既能作为研究开发a b s 来使用，又能作为生产检测设备来使用。 6 第二章a b s 控制原理及评价方法 第二章a b s 控制原理及评价方法 汽车防抱死制动系统在传统制动系统的基础上采用电子控制技术以实现制 动力的自动调节，可防止制动时车轮抱死，以提高制动安全性并获得最有效的制 动。a b s 不仅能有效地缩短制动距离、克服由于车轮抱死所造成的轮胎严重磨损， 避免由于后轮抱死而使车辆出现甩尾和前轮抱死而使车辆丧失转向能力的情况 发生，同时还可以提高车辆躲避前方障碍物的能力。 2 ia b s 的基本结构 1 ，毹裁疆嚣耩摩罨2 | 断i 扛匿力溽耳装i3 ，柏舞尉空蕈元期8 警掌灯5 眉乾蘧震传蓐嚣6 焉嘻明了f 先7 i 啊 葡圭羞i8 比纠努鞠9 - 彘动蛇缸，0 蓄电涟 点火开关 图2 - 1a b s 结构原理图 f i g 2 - ia b ss t r u c t u r et h e o r yf i g u r o 汽车防抱死制动系统主要由轮速传感器、电子控制器、执行机构三大部分构 成。制动过程中，a b s 电控单元( e c u ) 3 不断地从传感器1 和5 获取车轮速度信 号，并加以处理，分析是否有车轮即将抱死拖滑。如果没有车轮即将抱死拖滑， 制动压力调节装置2 不参与工作，制动主缸7 和各制动轮缸9 相通，制动轮缸中 的压力继续增大，此即a b s 制动过程中的增压状态。如果电控单元判断出某个 7 广东工业大学硕士学位论文 车轮( 假设为左前轮) 即将抱死拖滑，它即向制动压力调节装置发出命令，关闭制 动主缸与左前制动轮缸的通道，使左前制动轮缸的压力不再增大，此即a b s 制 动过程中的保压状态。若电控单元判断出左前轮仍趋于抱死拖滑状态，它即向制 动压力调节装置发出命令，打开左前制动轮缸与储能器的通道，使左前制动轮缸 中的压力降低，此即a b s 制动过程中的减压状态【l ”。 2 1 1 轮速传惑蚤 轮速传感器的作用是对车轮的运动状态进行检测，获得车轮轮速信号，并把 车轮的轮速信号转变为电信号送入电子控制器，轮速传感器可根据不同的要求分 别安装在车轮和轴上。目前用于a b s 系统的轮速传感器主要有电磁式轮速传感 器和霍尔式轮速传感器两种类型。电磁式轮速传感器是利用电磁感应原理，将物 体转动速度转换成感应电势来测量车轮速度。在防抱死制动系统中使用的传感 器，多数为电磁式轮速传感器，它虽然结构简单、成本低、但存在以下缺点： 1 ) 输出信号的大小随转速的变化而变化，若车速过慢，其输出信号低于l v 时，控制器就无法检测； 2 ) 频率响应不高，当转速过高时传感器的频率响应跟不上，容易产生错误信 号； 3 ) 抗电磁波干扰能力差。尤其是输出信号幅值较小时。 现在国内外的a b s 的控制速度范围一般为1 5 2 6 0 k m h 或更大，这就对轮 速传感器和处理控制信号的控制器都提出了更高的要要求。 霍尔式轮速传感器克服了电磁式轮速传感器的上述缺点，并且具有下列优 点： 1 ) 输出信号的幅值不变。在工作电压为1 2 v 时，输出幅值保持1 1 5 1 2 v ， 车速再慢甚至到零，信号幅值都不变。 2 ) 频率响应高( 可达2 0 k h z ) 。用于 b s 系统可检测到1 0 0 0 k m h 的信号，故 可满足使用要求。 3 ) 抗干扰能力强。由于输出信号在整个轮速范围内不变，且幅值较高，所以 抗电磁能力很强。 目前霍尔式轮速传感器越来越广泛的应用在a b s 系统中 8 董三耋竺：耋型矍堡垒兰丝童鎏 2 1 2a b s 电子控制看 a b s 电子控制器( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) ，常用e c u 表示，是防抱死制动 系统的核心部件。它的主要作用是接收各个轮速传感器的信号，经过放大、整形 后，精确计算出的汽车参考车速、各个车轮的轮速、加( 减) 速度以及滑移率，进 行必要的逻辑分析比较，判断车轮的运动状态【1 9 1 。并以此为根据输出控制指令， 送至制动压力调节器，控制电磁阀，完成制动压力控制工作。另外，e c u 还有 监测等功能，如有故障时a b s 会停止工作并将a b s 警示灯点亮。一般的电子防 抱死控制系统只有一套运算电路，但为了更保险，以及在装有多个轮速传感器的 情况下，需要装用两套运算电路，同时进行运算和传递数据，利用各自的运算结 果互相比较，相互监控，确保可靠性。 2 1 3 镧动压力调节蚤 制动压力调节器是a b s 中的主要执行器。它接收从e c u 发出的指令，驱动 电磁阀动作调节制动系统的压力，使之增大、保持或减小，实现制动系统压力的 控制功能。根据液压控制阀的位置可使制动器对应三种不同的状态：电磁阀使油 源与轮缸接通，制动轮缸增压；电磁阀关闭，制动轮缸保压；电磁阀使制动器轮 缸和回油路接通，制动轮缸减压。 由于a b s 是在原来传统制动系统基础上增加一套控制装置而形成的，因此， a b s 也是建立在传统的常规制动过程的基础上进行工作的。在制动过程中，车轮 还没有趋于抱死时，其制动过程与常规制动过程完全相同；只有车轮趋于抱死时， a b s 才会对趋于抱死的车轮的制动压力进行调节。通常，a b s 只有在汽车速度 达到一定程度( 如5 k m h 或8 k m h ) 时，才会工作。当汽车速度降到一定程度时， 因为车速很低，车轮抱死对汽车制动性能的影响很小，为了使汽车尽快制动停车， a b s 就会自动终止防抱死制动压力调节。在制动过程中，如果常规制动系统发生 故障，a b s 随之失去控制作用。若只是a b s 发生故障，常规制动系统正常时， 汽车制动过程仍像常规制动过程一样照常进行，只是失去防抱死控制作用。现代 a b s 都能对系统的工作情况进行监测，具有失效防护和自诊断功能，一旦发现 a b s 工作故障时，将自动关掉a b s ，恢复常规制动，并将a b s 警示灯点亮，向 驾驶员发出警示信号。 9 2 2a b 8 的工作原理 2 2 1 镧动时汽车的受力 对行驶着的汽车施加适当的制动时，汽车就会平稳的停住。这是因为制动过 程中轮胎和地面产生了与前进方向相反的摩擦力，这个力就是地面制动力。与地 面制动力相关的摩擦系数叫做纵向附着系数。纵向附着系数越大，地面制动力越 大，能在较短的制动距离内使汽车停下。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力叫做惯性力。当左右地面制动力相等时，汽车 能够沿着行进方向停住；左右制动力不等时，绕汽车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上还存在着另外一个摩擦力，它与地面制动力不同， 作用在车轮横向上，这个力叫做侧滑摩擦力。如横向风所产生的不规则力，作用 在汽车的侧面一样，汽车需要克服这些力的影响，才能维持行进方向。决定侧滑 摩擦力大小的摩擦系数叫做侧向附着系数。 2 2 2 滑移率 如前所述，汽车是利用地面和轮胎之间的摩擦力来减速的。制动时，车轮速 度减小，在车速与车轮之间产生一个速度差，产生滑移现象。滑移的程度用滑移 率s 来表示7 1 ，即： j ： f - - d r 1 0 0 ( 2 - 1 ) s 一汽车滑移率，v 一汽车车身速度；毋一车轮角速度；，一车轮半径 从上式可以看出，当车速等于轮速时，滑移率为零。汽车制动时，两者的差 别越大，滑移率越大。停车之前车轮抱死时，轮速为零，滑移率达到1 0 0 。从 开始制动到某一车速的过程中附着系数是随着滑移率的增加而增大的 8 1 。 2 2 3 滑移率和纵向、侧向附着系数的关系 图2 - 2 是汽车紧急制动时，车轮滑移率和纵向、侧向附着系数之间的关系。 图中实线表示纵向附着系数，虚线表示侧向附着系数。滑移率约为l o 一2 0 时 纵向附着系数最大，当滑移率越过峰值点纯后，纵向附着系数反而减小。滑移 率为1 0 0 ( 即车轮抱死拖滑) 时纵向附着系数为以。纵向附着系数峰值点附近 第二章a b s 控制原理及评价方法 的滑移率实质上反映轮胎接地面部分大部分处于拉伸状态，少部分处于滑移状 态，此时的纵向附着系数比较接近轮胎和地面的静摩擦系数。车轮完全抱死拖滑 时，纵向附着系数则过渡为滑动摩擦系数。因此从总是小于地的，在高附着系 数路面上，前者小于后者l o 一2 0 ；在低附着系数路面上，前者小于后者2 0 一3 0 。当纵向附着系数处于峰值点附近时，横向附着系数也保持在最大横向附 着系数的5 0 一7 0 范围，车轮保持一定的转向能力。 当车轮滑移率处于纵向附着系数峰值点左侧时，纵向附着系数随着滑移率的 增大而增大，横向附着系数保持较大数值，此时车轮制动处于稳定状态。当车轮 滑移率越过纵向附着系数峰值点后，车轮制动进入不稳定状态。随着附着系数的 减小，使得一定制动力矩下车轮减速度增大，车轮滑移率进一步增大，附着系数 继而减小，车轮迅速抱死。在这个过程中横向附着系数下降很快，偶然的外界力 作用在后轴上将导致严重的侧滑，前轴侧滑失去方向操纵性，后轴侧滑车辆失控， 汽车就有可能出现严重的安全事故【9 1 。 可见，a b s 是根据车轮与地面的滑移率一附着系数的关系，控制各车轮的制 动强度，合理、有效的利用地面纵向、横向附着系数，将车轮滑移率控制在纵向 附着系数峰值点右侧附近，获得最大的纵向附着系数和较大的横向附着系数。在 防止出现车轮抱死的前提下，提高制动效能，保证一定的转向能力和方向稳定性 d o l 。 格 囊 羹 o 图2 - 2 侧向和纵向附着系数与滑移率的关系图 f i g 2 2l o n g i t u d i n a la n dl a t e r a la d h e s i o n s l i p 广东工业大学硕士学位论文 2 3 汽车制动性能的主要评价指标 2 3 1 汽车制动性能 汽车制动性能是汽车主动安全性的主要性能之一，它直接影响汽车速度性能 的发挥，关系到乘员、车辆和行人的安全，是汽车安全的行驶的基本保障【l ”。 汽车制动性能是由汽车制动装置( 制动和减速系统) 的各结构参数确立的，通过 制动过程输出特性参数显示出来。表征制动性能的参数主要是制动效能、制动效 能的稳定性和制动时车辆的方向稳定 1 2 1 1 2 6 1 。 制动效能主要指汽车以一定初速度迅速停车的能力，通常以制动距离与制动 过程中的制动减速度来表征1 3 儿2 7 1 。在同一路面上，制动效能越高，也即制动减 速度越大，则制动距离越短。制动距离越短，越有利于避免交通事故的发生，它 是制动性能最基本的评价指标。制动减速度的大小是汽车降低行驶速度能力强弱 的量化体现，它也是表征制动效能的重要特性参数。 制动效能的稳定性是指汽车抗制动效能下降的能力1 2 7 1 。汽车制动系在不同 的使用环境下，制动效能会发生变化，会衰退、降低。根据导致制动性能衰退的 原因，可将制动效能的衰退现象分为热衰退和水衰退。 制动时的方向稳定性是指汽车在制动过程中维持直线行驶的能力或按预定 弯道行驶的能力，即是汽车预防制动跑偏和侧滑的能力。 2 3 2 防抱死镧动系统检测参数 a b s 的特征不同于、优于常规制动系统之处，是在制动时能防止制动车轮抱 死【引。车轮是否抱死，以及抱死的程度，汽车界以车轮滑移率作为评价制动车轮 抱死程度的量化指标。制动时，制动车轮虽未抱死，若车轮滑移率高于受检车辆 a b s 的固有控制水平，就是a b s 状况衰退、交差的征兆。若配置有a b s 的汽车 制动时，车轮抱死便是a b s 丧失防抱死功能、完全失效的体现。显然，a b s 车 轮制动时的滑移率可用作评定防抱死系统状态的检测参数。 a b s 的控制原理是控制汽车轮胎的滑移率在峰值附着系数对应的滑移率s c 附近，从而使汽车拥有最佳的纵向附着系数和较高的横向附着系数。 g b t 1 3 5 9 4 2 0 0 3 机动车和挂车防抱制动性能和试验方法规定以道路实验来评 价a b s 性能，它的主要指标就是测试附着系数利用率【1 3 】【2 2 1 。 第二章a b s 控制原理及评价方法 车轮制动的滑移率只是表征车轮在制动过程中的运转状况，尚不能表征a b s 的总体状况。还需要表征车辆制动性能的基本指标，如：制动距离，制动时间、 制动力等n2 1 。因此，本论文提出用于检测a b s 性能的参数为车轮滑移率、制动 时间、制动距离以及附着系数利用率。 广东工业大学硕士学位论文 第三章车辆制动动力学模型的建立 建模是对系统实体特性及其变化规律的抽象，一般是对系统实体中那些所要 研究的特性的抽象。比如，我们要研究汽车的滑移率特性，那就需要我们将车体 纵向速度、车轮速度进行抽象，建立能够表示它们之间互相影响规律性的模型。 模型是经过适当简化的系统实体的代表，并通过合适的形式来表示，比如图形， 符号语言，数学关系式等。有了能反映系统实体本质特性和数量关系的模型，就 可以借助数学理论及计算机对系统进行分析和处理。 一般来讲，模型只是研究对象的一种近似的抽象。针对不同的研究目的，找 出主要的影响因素，忽略次要的因素，建立起具有足够精确程度而又能满足研究 的要求，方便进行研究的模型。例如，要检验a b s 产品中的e c u 能否根据轮速 信号进行压力调整，只需要建立单轮车辆模型；而如果要进一步检验e c u 能否 保证在制动过程中后轮不会先抱死，就需要建立双轮车辆模型。 汽车a b s 是一套完整的机电控制系统，其建模涉及到控制理论、计算数学与 计算机技术等学科。a b s 系统是一个与车身、车轮、制动系统、路面条件等密切 相关的非线性控制系统，计算机模拟检测系统的开发首先要建立相关的动力学模 型。其中包括车辆力学模型、轮胎模型、制动器模型和路面模型等。 3 1 车辆动力学模型的建立 车辆动力学模型有多种，按照动力学等效方式可以分为单轮、两轮、四轮三 种。四轮模型与真实车辆的情况最接近，除了制动效能外还可以模拟车辆运动时 的横向倾侧、轴荷变化、制动力分布等情况，用于需要描述复杂的动力学性能的 场合，如转弯制动、横向动力学控制模拟等。两轮模型的模拟精度有所下降，不 能反映车辆运动时的横向倾侧和每个车轮的制动力，但计算复杂性减少，可以用 来研究纵向制动效能，研究车辆加、减速度对轴荷变化的影响，前后轴制动力分 配等情况。单轮模型的模拟精度最差但计算复杂性最小，可以用来描述汽车的纵 向制动效能。综合考虑企业需求、模拟精度和计算复杂性，本文采用两轮模型。 董三耋圭塑型塑塑垄耋璧型墼i 鳖 在本项目的研究中，曾直接引用有关文献提出的双轮车辆模型建立计算机模 拟系统，但不能正常运行。本章从最基本的动力学原理出发，重新推导了双轮车 辆模型表达式。 3 1 1 单轮模型的建立 一辆汽车由许多部件组成，然而对于许多基本的分析，所有的部件都将集中 在一起来考虑。在分析制动时，整个汽车作为一个单元减速，因此它可以被看成 具有一定质量和惯性特性的位于汽车质心的集中质量。在进行加速、制动和大多 数分析时，汽车就用一个集中质量代表。本项目前期研究中侧重于 b s 控制车轮 抱死的功能和制动效能，忽略载荷转移、空气阻力、轮胎滚动阻力和悬架系统、 转向系统的影响，采用简化的单轮模( 见图3 - 1 ) 代表车辆，来研究车辆的制动 过程。假设该模型只做纵向直线运动，忽略侧向运动和横摆运动。 图3 - 1 单轮车辆模型 f i g 3 - 1s i n g l ew h e e lm o d e lo fv e h i c l e 由图3 - 1 可知，在纵向方向，代表整车轮只受地面摩擦力作用，根据牛顿第 二定律有：m r , = 一成( 3 - 1 ) 如果研究车轮本身，以车轮转动中心为力矩中心得： 肠= 成r 一蚝 ( 3 2 ) 以上两式中，m 一汽车质量；帚一汽车加速度；一车轮与地面附着系数； f n 一地面对轮胎的反力；，一车轮转动惯量；西一车轮角加速度；尺一车轮滚动 半径；m i , 一车轮制动力矩； 奎三些奎耋堡圭兰竺鎏兰 3 1 2 两轮模型的建立 对于两轮车辆模型，不考虑车辆倾侧的影响，将簧上质量和簧下质量作为整 车质量；忽略轮胎阻力和车辆风阻的影响，不考虑车辆纵向、横向和绕惯性轴的 转动h 3 。建立的车辆模型如图3 - 2 所示。 图3 - 2 两轮车辆系统模型 f i g 3 - 2t w o - w h e e lv e h i c l em o d e l 图中：耐一车辆惯性力，i ，。一质心到地面的距离，孵一车辆重量，口一质心到 前轴的距离，b 一质心到后轴的距离，三一前后轴之间的距离，1 一地面对前轴 法向反作用力，托一地面对后轴法向反作用力，蜀一滚动阻力作用下轮胎变形 引起法向反力对前轴偏移距离，e ，一滚动阻力作用下轮胎变形引起法向反力后 轴偏移距离。 此时汽车简化成三大部分，车身、前轴和后轴。根据构件转动的动力学原理， 即转动惯量乘以角加速度等于作用在构件上的所有外力之和。对前轴来讲，有 以西，= 毛。+ 1e 1 一“l r ( 3 - 3 ) 对于后轴来讲，应该有 以西2 = 毛：+ 以e 一鸬2 r ( 3 - 4 ) 其中j 。是前轴的等效转动惯量，j ：是后轴的等效转动惯量，m 。是前轴制动器力 矩，m 。是后轴制动器力矩，r 是车轮半径，q 是前轮角速度，毋：是后轮角速度， “是对应前轴的附着系数，：是对应后轴的附着系数。 根据达朗伯原理，以n 2 的作用点为中心写出力矩平衡方程( 逆时针力矩为 第三章车辆制动动力学模型的建立 正) ，帚为减速度( 设e l = e 2 ) m , h j + m g ( b 一易) 一1 三= 0 ( 3 5 ) 得前轴正压力： l = m g ( b 一毛) + n 珀h s l ( 3 6 ) 以n l 的作用点为中心写出力矩平衡方程式 m p h s m g ( a + 置) + 2 工= 0 ( 3 7 ) 得后轴正压力： 2 = m g ( a + e o m b h s l ( 3 8 ) 其中肼一汽车质量，口一车辆减速度 车辆从地面获得制动力，对于两轮模型有两个车轮提供制动力，在水平方向 上根据力学基本原理f = m a ，最大制动力 刀一= “1 + 2 也 ( 3 9 ) 代入( 3 - 6 ) 、( 3 - 8 ) 整理得最大制动减速度 忙掣篙掣u 0 工+ 丙= ( 2 一 当制动器制动力小于最大制动力 耐= 如+ 瓦2 ( 3 - 1 1 ) 如一前轮的地面制动力； 瓦：一后轮的地面制动力。 当车轮角减速度很小并忽略轮胎变形的影响，由力矩平衡得到： 凡= 鲁( 3 - 1 2 ) 由式( 3 1 1 ) 和( 3 - 1 2 ) 得： 耐：孥+ 孥 ( 3 - 1 3 ) rr 、7 1 7 以上根据动力学基本原理重新推导的公式用于系统动力学模块，得到的结果 与路试数据吻合，其中( 3 - 4 ) 、( 3 - 8 ) 和( 3 - 1 0 ) 与参考文献 2 】不同。对比参考 文献【2 】： 后轴： 西l = ：+ 2 如一乜2 r 式中的j l 应为j ：，m l 应为2 ； 后轮对地面正压力：2 = m g ( b - e 。) - n f f , h , l ，其中小括号内减号应为加号， b 应为a ； 车辆减速度：寸：盟丝譬二拿鎏! 掣其中分子中括号内第二项因子应为 l + 【鲍一一j t 20 3 2 气压系统模型的建立 3 2 1 压力增加情况 本文气路压力模型是引用文献2 1 试验结果进行拟合得到的1 4 1 。压力范围为 0 7 0 0 k p a 。 见图3 3 ，图中横座标为时间t ，单位j ；纵座标为气路压力p ，单位k p a 。取 修正后曲线2 进行拟合，将该曲线分为三段，即低压区用直线表示，中间区用 二次曲线表示，高压区用直线表示。 ( 1 ) 低压区 区域：( 0 ，0 ) 一( 0 5 ，5 0 5 ) 拟合得：p ( f ) = l o l o t( o s t o 5 ) 1 8 一 耋三兰圭塑型塑垫垄兰堡耋墼塞耋 1 未修正计算；2 修正后计算；3 试验数据 图3 - 3 压力建成动特性曲线“1 f i g 3 3a u g m e n tg u f v eo fp r e s s u r e ( 2 ) 中间区 区域：( 0 5 ，5 0 5 ) 一( o 9 ，7 1 0 1 运用最小二乘法拟合，选用二次曲线，令尹( f ) = 口o + 邓+ 口2 t 2 这里取五个点进行拟合m = 5 ，拟合曲线次