（车辆工程专业论文）全挂汽车列车制动稳定性的仿真研究.pdf

全挂汽车列车制动稳定性的仿真研究 摘要 随着现代化建设的快速发展，全国高速公路网日益完善给使用汽车列车货 运带来了方便，提高了物流的效率。但是随之而来的安全问题也不容忽视，汽 车列车由于其发生的交通事故危害较大，近年来越来越受到人们的关注。而其 中大部分的交通事故均与汽车列车的制动有关。汽车列车在制动时由于受侧向 干扰易出现折叠等制动失稳现象，这将严重影响道路交通安全。所以对汽车列 车制动稳定性的研究是非常必要的。 本文介绍了制动防抱死系统( a b s ) 的发展历史、结构、工作原理以及在 汽车列车上的应用。分析了整车制动时的受力，并运用“统一轮胎 模型建立 汽车列车制动时的受力数学模型。以某型全挂汽车列车为研究对象，通过 m a t l a b s i m u l i n k 软件，建立汽车列车整车动力学仿真模型和制动防抱死控制模 型。对未安装或安装a b s 系统的全挂汽车列车在高附着系数和对开路面两种条 件路面上进行直线制动仿真。提出了一种适用于全挂汽车列车的基于目标滑移 率逻辑门限值控制的制动防抱死控制方式，分析对比安装与未安装a b s 系统的 汽车列车制动仿真结果，证明该控制方式是可行的。可以有效防止制动时列车 各轴车轮的抱死；调整挂车与牵引车制动压力的建立时间，使得挂车与牵引车 制动强度相协调，整个制动过程中汽车列车具有一定的“拉直 作用，显著提 高了列车制动稳定性。使得折叠之类制动失稳现象发生率下降。 关键词：制动防抱系统汽车列车稳定性仿真控制 s t u d y o nt h es t a b i l i t yo ff u l l - j 1 -o a f t e rl 0 md i n a t l 0 1 1 v e h i c l ei nb r a k i n g a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e r nc o n s t r u c t i o n ，t h ei m p r o v e m e n ti nt h e n a t i o n a l h i g h w a yn e t w o r k t ot h eu s eo fc o m b i n a t i o nv e h i c l eh a sb r o u g h t c o n v e n i e n c ea n de n h a n c et h ee f f i c i e n c yo ft h el o g i s t i c s h o w e v e r ，t h ee n s u i n g s e c u r i t yp r o b l e m sc a nn o tb ei g n o r e d ，c o m b i n a t i o nv e h i c l e a c c i d e n t sh a p p e n b e c a u s eo fi t sh a r m f u l ，i nr e c e n ty e a r sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n m o s to ft h e a c c i d e n t sw h i c ha r er e l a t e dt ot h eb r a k i n go ft h ec o m b i n a t i o nv e h i c l e w h e nt h e c o m b i n a t i o nv e h i c l eb r a k i n gb e c a u s eo fi n t e r f e r e n c eb yt h el a t e r a lt a k ep l a c e b r a k i n gi n s t a b i l i t yp h e n o m e n o ne a s i l y ，s u c ha sja c k - k n i f i n g ，t h i sw i l ls e r i o u s l y a f f e c tr o a ds a f e t y s ot h er e s e a r c ho nt h es t a b i l i t yo fc o m b i n a t i o nv e h i c l ei sv e r y n e c e s s a r y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ea n t i - l o c kb r a k i n gs y s t e m ( a b s ) sh i s t o r yo ft h e d e v e l o p m e n t ，s t r u c t u r e ，w o r k i n gp r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o ni n t h ec o m b i n a t i o n v e h i c l e a n a l y s i so ft h ef o r c et ot h ef u l lv e h i c l ew h e nt h eb r a k i n ga n du s i n go f ”u n i f o r mt i r e ”m o d e lt r a i ns e tu pt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ef o r c et ot h ef u l l v e h i c l ea tt h et i m eo ft h eb r a k i n g s t u d yf o rac e r t a i nt y p eo ff u l l t r a i l e r c o m b i n a t i o nv e h i c l e ，t h r o u g ht h em a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e ，s e tu pt h ed y n a m i c s s i m u l a t i o nm o d e la n da n t i 1 0 c kb r a k ec o n t r o lm o d e lo fc o m b i n a t i o nv e h i c l e t h ef u l l t r a i l e rc o m b i n a t i o nv e h i c l ei sn o ti n s t a l l e do ri n s t a l l e da b s ，a tt w oc o n d i t i o n s r o a d so fh i g ha t t a c h m e n tc o e f f i c i e n ta n do f fa t t a c h m e n tc o e f f i c i e n tr o a d ，f o rt w o s t r a i g h t l i n eb r a k i n gs i m u l a t i o n a d v a n c eaa n t i - l o c kb r a k i n gc o n t r o lm a n n e rw h i c h l o g i ct h r e s h o l dc o n t r o lb a s e do nt h ea i ms l i pr a t ef o rt h ef u ut r a i l e rc o m b i n a t i o n v e h i c l e ，a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h ec o m b i n a t i o nv e h i c l ei n s t a l l a t i o na n dn o t i n s t a l l e dw i t ht h ea b sb r a k i n gs y s t e m ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o li s f e a s i b l e i tc o u l de f f e c t i v e l yp r e v e n tt h ew h e e l so ft h ea x l e sf r o ml o c k i n gw h e nt h e c o m b i n a t i o nv e h i c l eb r a k i n g ；a d j u s te s t a b l i s ht i m eo ft r a c t o ra n dt r a i l e rb r a k e p r e s s u r e ，m a k e st h eb r a k es t r e n g t ho ft r a c t o ra n dt r a i l e rb eh a r m o n i c ，t h ee n t i r e b r a k i n gp r o c e s so f t h ec o m b i n a t i o nv e h i c l eh a sa “p u l ls t r a i g h t r o l e ， s i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h es t a b i l i t yo ft h ec o m b i n a t i o nv e h i c l eb r a k e m a k e sb r a k e i n s t a b i l i t ys i t u a t i o nr a t ed o w ns u c ha sja c k - k n i f i n g k e y w o r d s ：a b s ；c o m b i n a t i o nv e h i c l e ；s t a b i l i t y ；s i m u l a t i o n ；c o n t r o l 插图清单 图2 1 汽车制动防抱死系统控制框图6 图2 2 车轮在制动时受力情况1 l 图2 3 地面制动力、制动器制动力以及附着系数之间的关系一1 2 图2 4 附着系数与滑移率关系曲线一1 3 图2 5 逻辑门限值控制方法工作示意图1 4 图2 6 挂车2 通道a b s 布置方案1 5 图2 7 挂车3 通道a b s 布置方案1 6 图3 1 车辆运动坐标系1 7 图3 2 全挂汽车列车整车受力图1 8 图3 3 牵引车受力图( 俯视) 1 8 图3 4 车轮受力图1 9 图3 5 制动滑移率与纵向附着系数关系2 2 图3 6 制动滑移率与侧向附着系数关系2 3 图3 7 牵引车和挂车制动时的碰撞2 7 图4 1 整车仿真模型框图3 3 图4 2s i m u l i n k 整车模型3 4 图4 3s i m u l i n k 牵引车动力学模型3 4 图4 4 轮胎模型框图3 5 图4 5s i m u l i n k 轮胎模型3 5 图4 6s i m u l i n k 滑移率计算模型3 6 图4 7a b s 滑移率控制模型3 7 图4 8s i m u l i n k 制动防抱死系统滑移率控制模型3 8 图4 9 牵引车a b s 工作框图3 8 图4 1 0s i m u l i n k 牵引车a b s 控制模型3 9 图5 1 在有、无a b s 的牵引杆受力4 l 图5 2 牵引车前轮在有、无a b s 下的滑移率4 1 图5 3 牵引车后轮在有、无a b s 下的滑移率4 1 图5 4 挂车前轮在有、无a b s 下的滑移率4 3 图5 5 挂车后轮在有、无a b s 下的滑移率4 3 图5 6 无a b s 牵引车车速与前轮轮速4 3 图5 7 无a b s 牵引车车速与后轮轮速4 3 图5 8 无a b s 挂车车速与前轮轮速4 3 图5 9 无a b s 挂车速与后轮轮速4 3 图5 1 0 有a b s 牵引车车速与前轮轮速4 3 图5 1 1 有a b s 牵引车车速与后轮轮速4 3 图5 1 2 有a b s 挂车车速与前轮轮速4 4 图5 1 3 有a b s 挂车车速与后轮轮速4 4 图5 1 4 无a b s 牵引车与挂车车速4 4 图5 1 5 有a b s 牵引车与挂车车速4 4 图5 1 6 无a b s 牵引车与挂车制动距离4 4 图5 1 7 有a b s 牵引车与挂车制动距离4 4 图5 。1 8 在有无a b s 的牵引杆受力4 5 图5 1 9 牵引车左前轮在有、无a b s 下的滑移率4 5 图5 2 0 牵引车右后轮在有、无a b s 下的滑移率4 5 图5 2 1 挂车左前轮在有、无a b s 下的滑移率4 6 图5 2 2 挂车右后轮在有、无a b s 下的滑移率4 6 图5 2 3 无a b s 牵引车车速与左前轮轮速4 6 图5 2 4 无a b s 牵引车车速与右后轮轮速4 6 图5 2 5 无a b s 挂车车速与左前轮轮速4 6 图5 2 6 无a b s 挂车车速与右后轮轮速4 6 图5 2 7 有a b s 牵引车车速与左前轮轮速4 7 图5 2 8 有a b s 牵引车车速与右后轮轮速4 7 图5 2 9 有a b s 挂车车速与左前轮轮速4 7 图5 3 0 有a b s 挂车车速与右后轮轮速4 7 图5 3l 无a b s 牵引车与挂车车速一4 7 图5 3 2 有a b s 牵引车与挂车车速4 8 图5 3 3 有、无a b s 牵引车与挂车纵轴线夹角4 8 图5 3 4 无a b s 牵引车和挂车制动距离4 8 图5 3 5 有a b s 牵引车和挂车制动距离4 8 表格清单 表4 1 某型全挂汽车列车基本参数3 3 表4 2 各种路面上的平均附着系数3 4 符号表 牵引车整备质量 牵引车绕纵向轴的转动惯量 牵引车质心与前轴的距离 牵引车质心与后轴的距离 牵引车质心高度 牵引车前轮的转动惯量 牵引车后轮的转动惯量 牵引车前轴轮距 牵引车后轴轮距 牵引车前轮制动力系数 牵引车后轮制动力系数 挂车整备质量 挂车绕纵向轴的转动惯量 挂车质心与前轴的距离 挂车质心与后轴的距离 挂车质心高度 挂车前轮的转动惯量 挂车后轮的转动惯量 挂车前轴轮距 挂车后轴轮距 挂车前轮制动力系数 ， p ， m 厶 q 仇 噍 k ， k 鸩 如 吒 如 k k k 挂后轮制动力系数 轮胎的纵向刚度 轮胎的侧向刚度 轮胎的拖距 轮胎的转折系数 制动系统时间常数 制动系统最大压力 前轮转角 制动初速度 侧向干扰力 迎面风阻系数 迎风面积 车轮的滚动半径 滚动阻力系数 转换系数 2 j ， r f r 一 k 巧 巧 乃 髟 t n 万 r 巳 r 厶 k 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得盒胆王些盔堂 或其他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已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位做储躲岛逾签字眺如声争月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金妲三l 三些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒胆王些太 堂可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 岛也 撕籼扫尹争月产日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名盔。及t 签字日期：枷尹年幺月一日 2 电话： 邮编： 致谢 在三年的硕士研究生学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得到了我的 导师孙骏教授的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是到收集资料、论 文成稿，都倾注了孙骏老师的心血，由衷感谢孙老师在学业指导及各方面所给 予我的关心以及从言传身教中学到的为人品质和道德情操。孙老师广博的学识、 严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，必将使我终身受益， 并激励我勇往直前。是孙老师无微不至的关怀才使得我顺利完成了硕士阶段的 所有学业。 同时，感谢机汽学院的全体老师，他们的教诲为本文的研究提供了理论基 础，并创造了许多必要条件和学习机会。 感谢父母在生活上和精神上的大力支持。感谢师兄刘杰、李超、马文博以 及室友徐德胜在学习和生活上的热心帮助，感谢研0 6 3 班所有同学给予的帮 助。 作者：高逾 2 0 0 9 年3 月2 0 日 第一章绪论 1 1 所选课题的意义 众所周知，汽车的出现是人类进入文明社会的主要标志之一。汽车给人类 带来文明的同时，也带来了某些灾难。交通事故、环境污染等公害几乎是汽车 的诞生同时产生的。根据统计，自从有机动车道路交通事故死亡记录以来，全 世界死于道路交通事故的人数已超过3 2 0 0 万人，而近年来公路交通事故每年的 死亡人数已达5 0 万人、伤10 0 0 万人以上【l 】。目前，公路交通安全问题已经成 为世界各国普遍存在的问题。我国从l9 7 0 年至2 0 0 4 年间，共发生交通事故 9 0 2 0 4 1 2 起，死亡1 7 0 8 8 3 0 人，伤6 1 4 8 6 6 0 人。“车祸猛于虎 也绝非耸人听 闻。 在世界各国对汽车安全性的研究中，最受关注的投入人力、物力最多的是 对乘用车( 或m 1 类的客车) 安全性的研究。在各国安全法规的约束下，乘用 车的安全，如涉及主动安全性的各项性能以及涉及被动安全性的车身安全、乘 员约束系统( 安全带、安全气囊) 等技术都得到了迅速的发展，使乘用车的各 种安全性都达到了很高的水平。相对来说，对大型货车( 包括汽车列车在内， 例如在美国7 0 以上的大型货车都是汽车列车) 安全性的研究在过去就比较少 一些。这主要是商业上的原因。从表面上看，在发生交通事故时大型货车似乎 相对乘用车安全一些。因为，一方面，在过去汽车列车的车速似乎比较低；另 一方面，他们在与其他车辆碰撞时，大型货车内的乘员一般没有多大的生命危 险，除非造成本车的翻车事故。然而，随着全世界车辆数量的不断增加，社会 对车辆安全性的要求也随之增加。实际上，社会对比较安全的，少污染的以及 危险性较小的商用车的要求与对乘用车的要求，在性能上应该说是没有明显区 别的。 引起汽车列车交通事故的稳定性问题，虽然与乘用车的类似问题相比，它 们在交通事故中所占的比例较小，但由于这类事故的严重性( 差不多类似于飞 机失事) 常常会吸引社会公众的高度关注。试设想一列装载4 0 t 以上的汽车列 车在高速公路上翻车了，社会和新闻媒体将会产生多大的反应。 汽车列车最危险的安全事故主要有：折叠、挂车的横向摆动、侧翻。其中 前两项事故直接与汽车列车的制动相关，因此提高汽车列车在制动时的稳定性 成为降低交通安全事故发生率的有效手段。汽车列车的制动性能以及它在制动 过程中的特性与乘用车是明显不同的。这主要表现在汽车列车有较大的制动距 离、较长的制动系统响应时间、很大的运动动能以及产生折叠等不稳定性的倾 向等。在制动过程中由于路面不平、车辆系统本身、侧向风以及最为重要的挂 车制动响应滞后等干扰都可能对制动方向稳定性产生影响。在汽车列车上安装 a b s 可以使车辆在制动过程中，使所有的车轮都处于非抱死状态( 当然，最好 是似抱死非抱死的状态) ，以便在车辆猛烈制动时，无论是左右车轮的制动力矩 是否均匀、地面的附着情况是否一致，车辆都能发挥轮胎和地面间的最佳附着 能力，得到较好的制动性能一一短的制动距离和好的制动稳定性。 汽车列车制动过程是非常复杂的车辆动力学问题，路上试验虽能全面的反 映车辆的制动性，但是试验需要有特定的场地，且也颇费时间和金钱，而且还 比较危险。在实际道路试验中会受到很多随机因素的影响，即使完全相同的条 件下测得的结果也有较大的差异。而利用计算机进行仿真研究，则能够取得比 较接近实际的结果，可以对汽车制动工况的各项性能做出宏观上的正确评价。 仿真研究最大的优点在于，可以根据仿真结果，在车辆设计阶段预测该车的制 动稳定性能，缩短研发周期，提高产品质量。所以，利用计算机进行仿真研究 相对来说更有实际意义，是目前研究汽车制动性和操纵稳定性的主要方式。 1 2 国内外的研究现状 汽车的制动方向稳定性是现代汽车重要的性能。研究汽车在有无制动防抱 死控制工况下的制动方向稳定性，需要以轮胎力学、整车动力学和制动防抱死 控制技术作为前提，所以本节对这些理论的发展状况分别进行讨论。 1 2 1 轮胎力学的发展状况 轮胎是汽车的重要组成部分，是汽车与地面之间的传力元件，起着承载、 转向、驱动和制动等作用，其性能优劣直接影响到汽车的转向操纵性、动力性、 制动性、行驶平顺性、越野性、乘坐舒适性等【2 j 。 产生力的因素很多，如滑移率、侧偏角、滚动阻力系数、行驶速度、地面 不平度、路面、轮胎的类型等，建立力与这些因素之间的关系即是建立所谓的 轮胎模型。实际上轮胎的力学模型不仅对车辆操纵稳定性模拟、仿真尤为重要， 在汽车的制动稳定性模拟计算、汽车碰撞事故分析计算以及汽车动态控制模拟 计算中都必须用到轮胎模型，在很大程度上汽车运动学描述的准确与否就取决 于所用轮胎模型能否准确有效的表述出轮胎上作用的力的特征p j 。 轮胎模型大致可以分为理论模型、经验模型和半经验模型三种【4 j 。 1 2 2 汽车动力学发展状况 汽车本身是一个复杂的多体系统，外界载荷的作用更加复杂，加上人一车 环境的相互作用，给汽车动力学研究带来了很大困难。 国外汽车动力学中的操纵稳定性研究经历了由试验研究到理论研究，由开 环研究到闭环研究的发展过程。力学模型逐渐由线性模型发展到非线性多体系 统模型。模型的自由度数由两个发展到数十个【5 ，6 】，模拟计算也由稳态响应特性 的模拟发展到瞬态响应特性和转弯制动特性的模拟【7 肖j 。 国内在汽车动力学中的操纵稳定性的研究中，采用多刚体系统动力学进行 分析和计算的工作起步较晚。7 0 年代初，长春汽车研究所和清华大学同时发展 2 了汽车操纵稳定性的研究。对于车辆制动过程的动力学特性，国内外专家学者 们己经进行了一定的研究，但是模型的精确性还有待进一步的验证和完善。 1 2 3 防抱死控制技术发展状况 防抱死制动系统( a b s ) 作为一种开发时间长、推广应用迅速和目前较为有效 的安全部件，己经成为中高级轿车和载重车的标准装备。1 9 5 1 年g o o d y e a r 航 空公司将a b s 装于载重车。但这一阶段控制部分主要是机械式的，工作很不可 靠【9 】。直到7 0 年代末，随着电子技术的发展，关于a b s 的研究才有了突破性 进展。到1 9 9 0 年全世界a b s 的生产量就己经超过了1 0 0 0 万台【1 0 l 。国外防抱 死制动系统的控制技术到目前已经相当成熟【l l ，1 2 】。 国内的a b s 研究开始于八十年代中期，只有长春汽车研究所、国营5 1 4 厂、 原西安公路学院、交通部重庆公路科研所等少数几家单位进行了准备性研究。 直到九五价段，国家才把汽车防抱死制动系统研究作为重点攻关项目，清华大 学、中国重型汽车技术发展中心、原吉林工业大学、东风汽车公司等科研院所 和单位都从理论和试验上进行了深入的研究，并取得了一定的科研成果。 目前关于汽车防抱死制动系统的研究主要集中在控制机理和数学建模上。 常采用控制方式有以下几种：逻辑门限值控制、p i d 控制、最优化控制和滑模 变结构控制等【l 引。 ( 1 ) 逻辑门限值控制 逻辑门限值控制是一种常见的控制方式，它采用加、减速度门限控制，并 加上一些辅助门限，并不涉及具体系统的数学模型。因此对于非线性系统是一 种有效的控制方法，实施时不需要测量车速，对系统的硬件要求低，成本低， 所以获得了广泛的应用，但是系统的控制逻辑比较复杂，调试比较困难，轮速 波动较大【l4 1 。 ( 2 ) p i d 控制 数字p i d 方法是自动控制领域最常用的控制算法。p i d 控制适用于线形系 统和非线形不严重的系统，而且控制参数的调节比较困难，难以实现对制动系 统的良好控制。 ( 3 ) 最优化控制 最优化控制是基于状态空间法的现代控制方法。它根据车辆一地面系统的 数学模型，按最优化原理求得控制系统的最优控制指标，用状态空间的概念， 在时间域内研究汽车防抱死制动系统，是一种基于模型分析型的控制系统【l5 1 。 ( 4 ) 滑模变结构控制 滑动模态变结构控制是以经典的数学理论为基础的一种控制。这种控制能 够增强系统的不确定性和外部扰动对控制器的抗干扰能力，具有很强的自适应 性。系统由受控对象和一个变结构控制器组成，控制器中含有一个控制环节， 它操纵控制器结构的变更，进入滑移换节曲线后，就与系统的结构和扰动无关 3 1 6 , 1 7 , 1 8 】。 ( 5 ) 模糊控制和神经网络控制 模糊控制和神经网络控制都属于智能控制的范畴。模糊控制不需要控制对 象的精确数学模型，响应速度快，超调量小，具有较好的鲁棒性和灵活性，近 几年来成为国内外a b s 控制算法研究的一个热点。模糊控制器存在的问题是， 消除系统稳态误差的性能比较差，对较小误差的控制方面不如p i d 控制，难以 达到较高的控制精度 1 9 2 4 j 。 1 2 4 防抱死控制技术在汽车列车上的应用与发展 重型车是从1 9 8 1 年开始安装a b s 的。它可使驾驶员不顾及路面附着系数 情况进行制动，得到最短的制动距离和良好的制动稳定性，从而提高交通安全 性。19 8 7 年a s r 又增加到a b s 中，这样在启动和加速过程中可充分利用牵引 力，使路面附着系数得到充分利用。目前，a b s a s r 已成为成熟的标准产品， 欧洲e e c 8 8 1 9 4 指令首次强制性规定总质量1 6 t 以上的牵引车、某些大客车及 挂车装用一类a b s ，1 9 9 2 年有关会议的补充规定a g b 9 2 s e c r 2 0 又将车辆范 围扩大到总质量3 5 t 以上。美国也于1 9 9 6 年规定某些重型车上装用a b s 。 传统的a b s 只能控制管路压力，不能控制前轴和后轴的制动力分布，且重 型车大多采用气压传动系统，所以压力建立的响应时间长，同时存在各轮不均 匀的制动衬片磨损、牵引车与挂车制动相容性等问题。为了克服这些缺点，德 国几个著名的制动阀生产厂家，如b o s c h 、w a b c o 、k n o r r ，在a b s a s r 的 基础上开始研制出电子制动力控制系统，简称e b s 。 与国外相比，我国a b s 的研究与开发起步较晚，国家于1 9 9 2 年颁布了 g b l3 5 9 4 19 9 2 汽车防抱制动系统性能要求和试验方法( 后修订为 g b t 1 3 5 9 4 - - 2 0 0 3 机动车和挂车抱制动系统性能和试验方法) ，于八五期间 成立了“国家安全节能重点实验室”研制a b s ，在“九五 计划中又把a b s 作为安全节能重点项目进行了研究。1 9 9 9 年国家颁布了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lo 月1 日起大型旅游客车、 重型汽车和0 4 类挂车都强制安装符合g b t 1 3 5 9 4 要求的防抱死装置。2 0 0 1 年 1 0 月由科技部、财政部、国家税务总局发布的中国高新技术产品目录中又 将a b s 汽车防抱死制动系统技术级别最高和最优先发展项目之一。2 0 0 4 年7 月发布的g b 7 2 5 8 机动车运行安全技术条件中再一次规定“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 的挂车的货车及总质量大于1 0 0 0 0 k g 的挂车必须安装符合g b t 1 3 5 9 4 规定的防抱制动装置。 以上要求自标准发布之日起7 个月( 2 0 0 5 年2 月1 日) 开始对新注册车实施。随着汽车工业的飞速发展和人们生活水平的不断提高， 以及一系列标准法规的发布实施，作为主动安全系统之一的汽车防抱制动系统 ( a b s ) 越来越受到汽车生产厂家和众多消费者的重视，a b s 系统的防抱性能及 4 工作可靠性已经成为衡量机动车性能的一个重要指标【2 引。 交通部重庆公路科学研究所柯愈治等人分析了列车a b s 的布局方案，并采 用e c er 1 3 法规对汽车列车使用与不使用a b s 进行了对比试验【2 6 , 2 7 j 。牵引车 与挂车上的a b s 都是个厂商独立安装的，黑龙江汽车改装有限责任公司王哲勇 等人探讨的挂车a b s 系统工作原理与一般汽车a b s 相同【2 引。海南汽车试验研 究所的陈振日总结了牵引车、半挂车a b s 的道路试验及计算方法【2 9 1 。、目前就 牵引车与挂车两套a b s 间配合工作的问题少有研究。 1 3 本课题所作的工作 ( 1 ) 建立某型全挂汽车列车的动力学数学模型，在建模中考虑了整车的纵 向、侧向、横摆运动以及车轮的滚动和前轮的转动八个自由度。依据数学模型， 应用m a t l a b s i m u l i n k 软件，建立全挂汽车列车制动仿真模型。 ( 2 ) 运用建立的仿真模型，对未装a b s 系统的汽车列车和安装a b s 系统 的列车进行直线制动仿真。其中包括了两种路面情况：高附着系数路面和对开 路面，对两种路面情况分别进行仿真研究。 ( 3 ) 根据全挂汽车列车制动失稳条件，分析仿真结果，对比不同工况下的 车速、轮速、车身横摆角及牵引杆力等数据。通过分析得出制动防抱死系统 ( a b s ) 在汽车列车制动过程中，在制动稳定性方面所起的重要作用。 1 4 本章小结 本文简单分析了研究汽车列车制动稳定性的必要性，并介绍了制动防抱死 系统和汽车列车a b s 的国内外的研究现状，以及汽车轮胎模型、整车动力学研 究的国内外概况。明确了本课题应做的工作。 5 第二章制动防抱死系统的组成及工作原理 汽车制动防抱死系统( 英文为a n t i 1 0 c kb r a k i n gs y s t e m 简称a b s ) 的基本 功能就是可感知制动轮每一瞬时的运动状态，并根据其运动状态相应地调节制 动器制动力矩的大小，避免出现车轮的抱死现象。它是电子控制技术在汽车上 最有突出成就的一项应用。可使得汽车在制动时维持方向稳定性和缩短制动距 离，有效地提高了行车的安全性。 2 1a b s 的基本组成 a b s 系统通常由车轮速度传感器、压力调节单元、电子控制单元( e u c ) 、 齿圈、线束、管路和a b s 警示灯等组成。在不同的a b s 系统中，压力控制单 元的结构形式和工作原理往往不尽相同，e c u 的内部结构和控制逻辑也有很大 差异 3 0 】。 汽车制动防抱死系统控制框图如图所示： 路面状况 交通状况 气候状况 制动器轮缸压力 驾驶员制动意志 地面制动力 制动 踏板 动作 管道流体压力 轮缸压力 调节器 i i 粼指令 电子 ll 住喇佣等 控制装置l 车轮运动状态 图2 - 1 汽车制动防抱死系统控制框图 2 1 1 车轮速度传感器 a b s 车轮速度传感器是用来获取汽车相关部件的运动信息，经过e c u 运 算处理后，根据计算结果对汽车运动状态进行判断，并控制电磁阀的开闭，进 而调节制动力矩保证车轮滑移率在目标值附近以获得附着系数的最佳值。a b s 用传感器通常包括车轮速度传感器和车体加速度传感器，其中车轮速度传感器 是最主要的一类传感器。 车轮速度传感器也叫轮速传感器或转速传感器，它可以测出与车轮驱动轴 6 共同旋转的齿圈，然后产生与车轮转速成正比的交流信号。车轮速度传感器将 车轮轮速信号传给e c u ，e c u 通过计算决定是否开始或准确的进行防抱死制 动，因此，作为最重要的信息源，正确检测和处理车轮速度传感器信号是一个 必须予以足够重视的问题。车轮速度传感器是一种由磁通量变化而产生感应电 压的装置，在每个车轮上安装一个，共四个，一般由磁感应传感头与齿圈组成。 传感头是一个静止部件，通常由永久磁铁、电磁线圈和磁极等构成，安装在每 个车轮的托架上。齿圈是一个运动部件，一般安装在轮毂上或轮轴上与车轮一 起旋转。 目前常用的轮速计算方法如：频率法、周期法、多倍周期法等。各种方法 都有它们的适用条件和要求，各有各的局限性。总之，良好的轮速处理方案应 该满足以下要求1 3 l 】： ( 1 ) 实时性的a b s 防抱死控制系统大约5 m s - - - 7 m s 就完成一个工作循环， 因而对轮速处理过程实时性的要求就更高了。系统取得轮速所花的时间分为硬 件转换时间和软件计算时间，这两者之间又以软件计算时间的开销为大，最极 端的情况是一个循环的时间都花在了轮速的计算上。由于有着这样的限制，轮 速算法不可能设计得很复杂。 ( 2 ) a b s 轮速的精度对其以后的车轮加减速度和参考车速的计算精度影 响很大。所以轮速算法应能对轮速原始信号中的粗大误差加以识别、剔除，或 者抑制粗大误差的影响。 在汽车的四个车轮上各装有一个转速传感器，其作用是向电子控制单元提 供各个车轮的转速信号。车轮的轮速信号是a b s 工作的基础，为了保证安全， 在转速传感器失效后，电子控制单元会采取以下措施： 单个转速传感器失灵：防抱死制动系统( a b s ) 功能中断，a b s 报警灯点 亮；两个以上转速传感器失灵：a b s e b s 功能中断，a b s 报警灯点亮。 2 1 2 压力调节单元 压力调节器是a b s 的执行机构，功能是接受并执行来自电子控制装置的指 令，使制动轮缸或气室能实现压力增高、压力保持或压力降低。它在自动调节 轮缸或气室的压力时，不受驾驶员的控制。 压力调节器安装在主缸( 总泵) 和轮缸( 分泵) 之间。压力调节器的结构形式很 多，有真空式、液压式、机械式、气压式和空气液压加力式，可根据设计或使 用的车型等多种因素决定。商用汽车列车大多采用气压式的压力调节器。 2 1 3 电子控制单元( e c u ) e c u 是用来把轮速传感器传来的车速交流信号，计算出各个车轮的速度， 并与其加减速度进行比较，得出各车轮的滑移率状况，经过分析后，便通过电 磁阀对制动管路发出控制指令。因此，e c u 一般由轮速信号放大器( 电路) 、 微处理器( 运算电路) 以及输入、输出电路和其他控制电路等组成。 7 轮速信号放大器把轮速传感器传来的车速交流信号放大成矩形波并整形后 输入到运算电路一微处理器。微处理器主要进行车轮转速和线速度、滑移率、 加减速度的运算，以及电磁阀开启控制的运算和监控的运算等。电磁阀控制电 路将运算电路的各种信号，如保压、增压或减压等信号变为控制电磁阀的电流。 此外，e c u 还包括稳压电路、故障储存电路和继电器驱动电路等。同时，e c u 还有自测和监控的功能。其自测和监控功能包括电源供应、内外接口、数据传 输、微处理器的工作状况、各阀门的开启与保护、错误信息的控制以及内存的 读写功能等。当出现故障信号时，e c u 便关闭继动阀门，停止a b s 的工作， 并使其恢复到常规的制动状态。对装有缓速器的商用车，包括汽车列车，当气 压a b s 进入工作状态时，缓速器控制系统在接收到e c u 发送的信号后便终止 缓速器的动作；当a b s 停止工作后，e c u 又触发缓速器重新进入正常工作状 态。 2 1 4a b s 报警灯 防抱死制动报警灯位于仪表盘内，如果e c u 探测到a b s 有故障，此灯会 亮起。防抱死制动报警灯通知驾驶员由于某种故障致使防抱死制动功能被关闭。 如果只有防抱死制动报警灯亮，可正常制动。e c u 控制防抱死制动报警灯状态 的条件如下： a b s 系统功能正常时，e c u 将关闭防抱死制动报警灯，当a b s 探测到有 故障时，e c u 将使a b s 报警灯处于打开状态。点火运行时，e c u 将控制防抱 死制动报警灯打开约三秒钟后再关闭。 2 2a b s 的形式 2 2 1a b s 控制通道形式 制动防抱死装置在汽车上的布置方案是多种多样的。布置方案不同，所得 到的车辆的方向稳定性和制动效能也不同。一般来说，布置方案越复杂，其成 本越高，维修费用越高，但制动性能越好。制动防抱死装置方案比较简单常常 导致制动距离较长。这在低附着系数路面上表现得更明显。在北方冬季常有的 对开路面( 这种路面是汽车行驶的一侧路面附着状况较好，另一侧路面附着状 况较差。即两侧路面的附着状况不同) 上，制动性能较差。在弯道上制动时， 还会出现方向失稳现象。另外，简单的制动防抱死系统对轮速传感器的输出信 号反应较慢。汽车制动过程中从低附着系数路面过渡到高附着系数路面上时， 制动力不能及时得到增加，使制动效能不好。而从高附着系数路面过渡到低附 着系数路面上时，由于轮缸或气室压力不能及时降低，车轮会出现抱死。 制动防抱死装置在汽车上的布置方案要考虑到多种因素：要和汽车的其他 性能相适应，要和它的生产成本相适应，要和它的使用环境相适应，力求以较 低的方案价格获得较满意的制动效果。 8 防抱死制动系统的控制通道是指制动系统中能够对制动压力独立进行自适 应调节的制动管路。一个控制通道可能只对一个车轮进行防抱死制动压力调节， 也可能对多个车轮一同进行防抱死制动压力调节。一个控制通道只对一个车轮 进行防抱死制动压力调节时，称该控制通道为独立控制。一个控制通道对多个 车轮一同进行防抱死制动压力调节时，如果是以具有最大附着力的车轮不发生 制动抱死为控制原则，称该控制通道为按高选原则进行一同控制；如果是以具 有最小附着力的车轮不发生制动抱死为控制原则，则称该控制通道为按低选原 则进行一同控制。根据控制通道的数量，防抱死制动系统可以分为四通道系统、 三通道系统、双通道系统等。对由同一控制指令控制而由多个制动压力调节装 置同时进行同样制动压力调节的多条制动管路，仍应视为一个控制通道【3 2 1 。 ( 1 ) 四通道式 四通道a b s 有四个轮速传感器，在通往四个车轮制动分泵的管路中，各设 一个制动压力调节装置，进行独立控制，构成四通道控制形式。 由于四通道a b s 是根据各车轮轮速传感器输入的信号，分别对各个车轮进 行独立控制的，因此附着系数利用率高，制动时可以最大程度的利用每个车轮 的最大附着力。 ( 2 ) 三通道式 三通道a b s 是对两前轮进行独立控制，两后轮按低选原则进行一同控制( 即 两个车轮由一个通道控制，以保证附着力较小的车轮不发生制动抱死为控制原 则) ，也称混合控制。 两后轮按低选原则进行一同控制时，可以保证汽车在各种条件下左右两后 轮的制动力相等，即使两侧车轮的附着系数相差较大，两个车轮的制动力都限 制在附着力较小的水平，使两个后轮的制动力始终保持平衡，保证汽车在各种 条件下制动时都具有良好的方向稳定性。三通道a b s 在小轿车上被普遍采用。 ( 3 ) 双通道系统 双回路控制的a b s 系统可有2 4 个传感器。二通道式a b s 难以在方向稳定 性、转向控制性和制动效能各方面得到兼顾，目前采用很少。 ( 4 ) 单通道系统 单通道控制的a b s 系统通常使用在后轮驱动的车种上，故仅有后轮制动回 路a b s 电脑控制其中的1 个或2 个传感器。单通道a b s 由于制动时两后轮不 会抱死，能够显著的提高制动时的方向稳定性，在安全上是一大优点