大型汽车防抱死制动系统的研究说明书.doc

摘 要本文是根据防抱死制动系统的工作原理，以车轮减速度、加速度和滑移率为控制参数的ABS。应用汽车单轮运动的力学模型，分析了制动过程中的运动情况，防抱门限选择加、减速度作为主要门限，以滑移率作为辅助门限的防抱控制理论，根据车速、轮速来计算车轮滑移率。采用气压制动（F/A），四传感器四通道式，四轮独立的控制方式的后轴驱动，利用霍尔式转速传感器，针对大型汽车进行防抱死系统的研究，开发了四传感器四通道气压制动防抱死系统，该系统由传感器、压力调节器和电子控制单元组成，能充分利用路面的附着系数，提高车辆制动时的方向稳定性。关键词：防抱死制动系统（ABS）；滑移率；电子控制单元AbstractThis article is according to guards against holds the dead braking system the principle of work, take wheel retarded velocity, acceleration and slipping rate as controlled variable ABS. Using the automobile mono wheel movement mechanics model, analyzed applied the brake in the process movement situation, guarded against holds the threshold to choose Canada, the retarded velocity took the main threshold, slipped rate guards against as the assistance threshold holds the control theory, according to the vehicle speed, the wheel came at once the computation wheel skidding rate. Use the barometric pressure to apply the brake (F/A), four sensor four channel types, four turn independent control mode rear, uses the Hall type tachometer generator, guards against in view of the large-scale bus holds the dead system the research, has developed 4 sensor 4 channel barometric pressures apply the brake to guard against hold the system, this system by sensor, pressure regulator and the electronic control unit is composed, can use the road surface fully the coefficient of adhesion, enhances the vehicles to apply the brake the time yawing stability.Key Words：Anti-lock braking system (ABS); slip ratio; microprocessor目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪论- 1 -1.1 汽车防抱死制动系统概述- 1 -1.1.1 汽车防抱死系统(ABS)组成- 1 -1.1.2 汽车防抱死系统(ABS)的设计原则- 1 -1.1.3 汽车防抱死系统(ABS)的主要类型- 2 -1.2 汽车防抱死系统(ABS)的历史发展概况- 2 -1.2.1 国内汽车防抱死系统(ABS)的发展- 2 -1.2.2 国外汽车防抱死系统(ABS)的发展- 3 -1.3 汽车防抱死系统(ABS)存在的问题- 4 -1.4 汽车防抱死系统(ABS)的未来趋势- 4 -第2章 防抱死制动系统的基本理论- 6 -2.1 气压制动系统的组成- 6 -2.1.1 气压制动的工作原理- 6 -2.1.2 气压制动的优缺点- 7 -2.2 汽车制动的基本概念- 7 -2.2.1 制动时轮胎与地面之间主要的受力- 7 -2.2.2 地面附着力- 8 -2.2.3 地面制动力、侧向力与地面附着力之间的关系- 8 -2.2.4 滑移率- 9 -2.3 制动时车轮纵向受力与车轮旋转运动的关系- 10 -2.4 ABS系统的控制原理- 11 -2.4.1 ABS系统的控制过程- 12 -2.4.2 控制参数- 12 -2.5 防抱死制动系统的工作原理- 17 -2.5.1 制动时车轮受力分析- 18 -2.5.2 路面附着系数与滑移率的关系- 19 -第3章 汽车防抱死制动系统硬件设计- 22 -3.1 MSP430F149最小系统- 22 -3.2 CPU简介- 23 -3.3 最小系统设计- 24 -3.4 防抱死制动系统轮速传感器- 25 -3.4.1 轮速传感器的结构- 25 -3.4.2 霍尔式车轮转速传感器- 26 -3.5 制动压力调节装置的工作原理- 28 -3.6 电子控制器- 31 -3.6.1 电子控制器的功能- 31 -3.6.2 ECU的基本电路- 32 -3.6.3 ECU的安全保护电路- 33 -第4章 大型汽车防抱死制动系统软件设计- 37 -4.1 控制参数的计算- 37 -4.1.1 车轮速度的求取- 37 -4.1.2 滑移率的计算- 38 -4.1.3 汽车制动过程的动力学模型- 38 -4.1.4 制动轮缸压力函数- 39 -4.1.5 计算滑移率- 40 -4.2 ABS系统的诊断与检查- 40 -4.2.1 初步检查- 40 -4.2.2 ABS系统故障征兆模拟测试方法- 41 -4.3 故障自诊断- 41 -4.4 快速检查- 42 -结 论- 43 -第1章 绪论1.1 汽车防抱死制动系统概述1.1.1 汽车防抱死系统(ABS)组成ABS（Anti-lock Braking System）防抱死制动系统，如图1-1所示主要由传感器、电子控制单元(ECU)和电磁阀三部分组成。传感器一般安装在车轮上以测量车轮的转速，传感器一般为磁电感应式。ABS工作时ECU接收传感器送来的车轮信号，一般为符合ECU电压要求的矩形电压波，然后固化在ECU中的程序根据各个车轮的速度来决定对各个车轮的制动液压力如何调节，并输出相应的控制信号给各个车轮的液压控制单元。液压控制单元接收到信号后对车轮分泵的压力进行调节。传感器的作用是为ECU提供车轮的运动情况，ECU是ABS系统的控制中心，ECU中固化的程序实际上是ABS的控制方法，而液压控制单元是ABS控制方法的执行机构1。图1-1 汽车防抱死系统(ABS)组成图1.1.2 汽车防抱死系统(ABS)的设计原则没有安装ABS的汽车，在行驶中如果用力踩下制动踏板，车轮转速会急速降低，当制动力超过车轮与地面的摩擦力时，车轮就会被抱死，完全抱死的车轮会使轮胎与地面的摩擦力下降，如果前轮被抱死，驾驶员就无法控制车辆的行驶方向，如果后轮被抱死，就容易出现侧滑现象。因此，在设计汽车防抱死系统(ABS)时要保证几个条件：1：保证高制动过程中汽车行驶的方向稳定性；2：保证驾驶员在制动过程中仍能控制转向盘，从而避开障碍物；3：缩短制动距离保证行驶方向2。1.1.3 汽车防抱死系统(ABS)的主要类型防抱死制动系统ABS装置的控制通道分为四通道式、三通道式、二通道式和一通道式。(1)四通道式 四通道ABS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器装置，进行独立控制，构成四通道控制形式。但是如果汽车左右两个车轮的附着系数相差较大(如路面部分积水或结冰)制动时两个车轮的地面制动力就相差较大，因此会产生横摆力矩，使车身向制动力较大的一侧跑偏，不能保持汽车按预定方向行驶，会影响汽车的制动方向稳定性。因此,驾驶员在部分结冰或积水等湿滑的路面行车时，应降低车速，不可盲目迷信ABS装置3。(2)三通道式 三通道ABS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抱死为原则)，也称混合控制。桑塔纳2000GSi既是用的这种ABS装置。性能特点：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。在对桑塔纳2000进行的60 km/h紧急制动对比试验中，有ABS的车型比无ABS车型的制动距离只短1米，但是有ABS的车型始终都有方向，不会失去对方向的控制。对两前轮进行独立控制，主要考虑小轿车，特别是前轮驱动的汽车，前轮的制动力在汽车总制动中所占的比例较大(可达70%左右)，可以充分利用两前轮的附着力。但由于两前轮制动力不平衡对汽车行驶方向稳定性影响相对较小，而且可以通过驾驶员的转向操纵对由此产生的影响进行修正。因此，三通道ABS在小轿车上被普遍采用。(3)二通道式 二通道式ABS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)一通道式 一通道式ABS常叫单通道ABS，它是在后轮制动器总管中设置一个制动压力调节器，在后桥主减速器上安装一个轮速传感器(也有在后轮上各安装一个)。1.2 汽车防抱死系统(ABS)的历史发展概况1.2.1 国内汽车防抱死系统(ABS)的发展我国ABS的研究开始于80年代初。从事ABS研制工作的单位和企业很多，诸如东风汽车公司、重庆公路研究所、西安公路学院、清华大学、吉林大学、北京理工大学、上海汽车制动有限公司和山东重汽集团等，具有代表性的有以下几个4。华南理工交通学院汽车系以吴浩佳教授为代表从事汽车安全与电子技术及汽车结构设计计算的研究，在ABS技术方面有独到之处能够建立制动压力函数,通过车轮地面制动力和整车动力学方程计算出汽车制动的平均减速度和车速;还可以通过轮缸等效压力函数计算防抱死制动时的滑移率。另外,在滑移率和附着系数之间的关系、汽车整车技术条件和试验方法方面也有独到见解。济南程军电子科技公司以ABS专家程军为代表的济南程军电子科技公司对ABS控制算法研究颇深,著有汽车防抱死制动系统的理论与实践等专著几本,专门讲述ABS控制算法,是国内ABS开发人员的必备资料之一。重庆聚能公司产品包括汽车、摩托车系列JN111FB气制动电子式单通道、JN144FB气制动电子式四通道和JN244FB液压电子式四通道等类型ABS装置及其相关零部件30多个品种，其ABS产品已通过国家汽车质量监督检测中心和国家客车质量监督检测中心的认定，获得国家实用新技术专利,并正式被列为国家火炬项目计划。西安博华公司主要产品是适用于大中型客车和货车的气压四通道ABS 和适用中型面包车的液压三通道ABS及其相关零部件。其中BH1203-FB型ABS和BH1101-FB型ABS已通过陕西省科委科技成果鉴定和陕西省机械工业局新产品鉴定,认为该项技术已达到国内领先水平。重庆公路研究所研制的适用于中型汽车的气制动FKX-ACI型ABS装置已通过国家级技术鉴定，但各种制动情况的适应性还有待提高。清华大学研制的适用于中型客车的气制动ABS由于资源价格和性能上的优势,陶瓷材料的应用将迅速扩展；金刚石和CBN 超硬材料的应用将进一步扩大；新刀具材料的研制周期会越来越短，新品种新牌号的推出也将越来越快。人们所希望的既有高速钢、硬质合金的强度和韧性，又有超硬材料的硬度和耐磨性的新刀具材料也完全有可能出现。1.2.2 国外汽车防抱死系统(ABS)的发展早在1928年制动防抱理论就被提出，在30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，博世（BOSCH）公司在1936年第一个获得了用电磁式车轮转速传感器获取车轮转速的制动防抱系统的专利权。1954年福特（FORD）公司将飞机的制动防抱系统移置在林肯（LINCOIN）轿车上。1957年凯尔塞海伊斯（KELSEHAYES）公司对称为“AUTOMATIC”的制动防抱死刹车系统进行了试验研究，研究结果表明制动防抱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，如图1-2所示。在60年代后期和70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。1968年凯尔塞海伊斯公司研制生产了称为“SURETRACK”两轮制动防抱系统。1971年别克（BUICK）公司研制了由电子控制装置自动中断发动机点火，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转系统.瓦布科（WABCO）公司与奔驰（BENZ）公司合作，在1975年首次将制动防抱系统装备在气压制动的载贷汽车上。1980年后，电脑控制的ABS逐渐在欧洲、美国及亚洲日本的汽车上迅速扩大。到1993年，美国在轿车上安装ABS已达46%，现今在世界各国生产的轿车中有近75%的轿车应用ABS，ABS防抱死刹车在日常生活中发挥着重要的作用。图1-2 ABS防抱死刹车系统1.3 汽车防抱死系统(ABS)存在的问题ABS系统本身也有局限性，它仍然摆脱不了一定的物理规律。在两种情况下，ABS系统不能提供最短的制动距离。一种是在平滑的干路上，由有经验的驾驶员直接进行制动。另一种情况是在松散的砾石路面、松土路面或积雪很深的路面上制动。另外，通常在干路面上，最新的ABS系统能将滑移率控制在5%20%的范围内，但并不是所有的ABS都以相同的速率或相同的程度来进行制动。尽管四轮防抱制动系统能使汽车在尽可能短的距离内进行制动，但如果制动进行得太迟，使之在与障碍物碰撞前不能完全停下来，仍不能阻止事故的发生5。1.4 汽车防抱死系统(ABS)的未来趋势根据国内外一些研究动态和高档轿车的实际应用表明，ABS技术将向几个方面继续发展6。（1）ABS和驱动防滑控制装置ASR一体化ABS以防止车轮抱死为目的，ASR是防止车轮过分滑转，ABS是为了缓解制动，ASR是为了施加制动。（2）动态稳定控制系统VDC或电子稳定控制ESP。VDC主要在ABS/ASR基础上解决汽车转向行驶时的方向稳定性问题。ABS与电子全控式（或半控式）悬架、电子控制四轮转向、电子控制液压转向、电子控制自动变速器等控制系统在功能、结构上有机地结合起来，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。（3）ABS/ASR与自动巡航系统CCS集成。由于ABS/ASR和CCS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ABS/ASR/CCS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。（4）减小体积，降低重量。汽车的重量增加，对燃料经济性不利。另外，不论是大型车还是小型车，发动机的安装空间都是非常紧凑的，因此，也要求ABS控制器的体积尽可能的小一些。（5）更快的响应速度，更好的控制效果随着ABS与新一代制动系统的结合，如电子液压制动EHB、电子机械制动EMB、ABS有了更快的响应速度，更好的控制效果，而且更容易与其他电子系统集成。ABS将成为集成化汽车底盘系统中不可缺少的一个节点。（6）在ABS系统中嵌入电子制动力分配装置EBD构成ABS+EBD系统。EBD的功能就是在汽车ABS开始制动压力调节之前，高速计算出汽车四个轮胎与路面间的附着力大小，然后调节车轮与附着力的区配，进一步提高车辆制动时的方向稳定性，同时尽可能地缩短制动距离。（7）在ABS系统基础上扩展车速记录仪VSRVSR又称汽车黑匣子。该装置通过实时采集的四个车轮轮速信号，再现交通事故发生过程中汽车的实际运行轨迹以及驾驶员对车辆的操作情况，便于公安交通管理部门能准确判断事故的责任。第2章 防抱死制动系统的基本理论2.1 气压制动系统的组成气压制动系统由空气压缩机，调压器，油水分离器，双腔制动控制阀组成。其中空气压缩机的作用是产生压缩空气，是整个制动系统的动力源，空气压缩机按其气缸的数量可分为单缸和双缸两种。调压器的作用是使储气筒保持在规定的气压范围内，并在超过规定气压后，实现空气压缩机的卸荷空转，以减少发动机的功率消耗。油水分离器的作用是将压缩空气中所含的水分和润滑油分离开来，以免腐蚀气筒及回路中的橡胶件。制动控制阀控制从贮气筒进入制动气室和挂车制动阀的压缩空气，即控制制动气室的工作气压7。2.1.1 气压制动的工作原理由发动机驱动的空气压缩机将压缩空气经单向阀首先输入湿储气罐，压缩空气在湿输气管内冷却、并进行油水分离之后，分成两个回路：一个回路经储气筒、双腔制动阀的中腔通向后制动气室；另一个回路经储气筒、双腔制动阀的下腔通往前制动气室。当其中一个回路发生故障失效时，另一个回路仍能继续工作，以保证汽车具有一定的制动能力，从而提高了汽车行驶的安全性。（1）不制动时：两个电磁阀均不导通，进气电磁阀常闭，排气电磁阀常开，两个膜片阀都在其弹簧的作用下关闭，随时可以投入制动。（2）制动时：两个电磁阀也不导通，制动阀的压缩空气，进入膜片式进气阀的右侧，因进气电磁阀处于关闭状态，切断了压缩空气与进气膜片左侧控制气室的通道。此时，控制气室通大气，在压力差的作用下，膜片式进气阀打开，压缩空气即进入通往制动气室的管路。又因排气电磁阀也未导通，处于开启状态，压缩空气进入膜片式排气阀右侧控制气室，在其弹簧力和气压的作用下，膜片式排气阀保持可靠的关闭，压缩空气畅通无阻的流入制动气室，产生随动制动作用。（3）防抱死降压时：当某一车轮将要抱死时，轮速信号给电脑ECU，即以占空比方式，使进、排气电磁阀都导通，进气电磁阀打开，关闭了大气通道，压缩空气即进入其膜片阀控制气室，使膜片进气阀处于关闭状态。而排气电磁阀导通则关闭，切断了膜片阀控制气室与压缩空气的通道，并打开了大气通道，其膜片在气压差的作用下而开启，使制动气室与大气相通，制动气压随之下降，防止了该车轮抱死。（4）防抱死保压时。当将要抱死的车轮角速度信号，处于最佳状态时，ECU只导通进气电磁阀，使其开启，并切断膜片阀左侧控制气室与大气的通道，压缩空气使膜片进气阀关闭，切断了制动阀与制动气室的通路。由于排气电磁阀仍处于开启状态，其膜片阀处于关闭状态，故制动气室中的气压保持不变（双阀关闭）。（5）防抱死升压时：当该车轮的轮速信号从最佳状态加快时，ECU即发令使两个电磁阀都不导通，恢复正常制动状态，制动气室的气压即随动升高。可见，ABS防抱死的调压过程是：降压保压升压，三个连续的工作过程，使车轮在制动时，处于最佳状态，提高了附着力的利用率和制动效能。2.1.2 气压制动的优缺点气压制动系是动力制动系最常见的型式，由于可获得较大的制动驱动力且主车与被拖的挂车以及汽车列车之间制动驱动系统的联接装置结构简单、联接和断开都很方便，因此广泛用于总质量为8t以上尤其是15t以上的载货汽车、越野汽车和客车上。但气压制动系必须采用空气压缩机、贮气罐、制动阀等装置，使结构复杂、笨重、轮廓尺寸大、造价高；管路中气压的产生和撤除均较慢，作用滞后时间较长(0.30.9s)，因此在制动阀到制动气室和贮气罐的距离较远时有必要加设气动的第二级控制元件继动阀(即加速阀)以及快放阀；管路工作压力较低(一般为0.50.7MPa)，因而制动气室的直径大，只能置于制动器之外，再通过杆件及凸轮或楔块驱动制动蹄，使非簧载质量增大；另外，制动气室排气时也有较大噪声。气压制动主要优点为操纵轻便、工作可靠、不易出故障、维修保养方便；此外，其气源除供制动用外，还可以供其它装置使用。2.2 汽车制动的基本概念2.2.1 制动时轮胎与地面之间主要的受力(1)地面制动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在轮胎与地面之间产生了与行进方向相反的摩擦力。我们把这个力叫做地面制动力。与地面制动力相关的摩擦系数叫做制动力附着系数。制动力附着系数越大，地面制动力越大，就能在较短的制动距离内使汽车停下。(2)侧向力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，作用在车轮横方向上，这个力叫做侧向力（作用于前轮上则称为转向力）。如同横向风力所产生的不规则的力，作用在汽车的侧面一样，汽车需要克服这些力的影响，才能维持行驶方向。汽车转弯时，转方向盘使车轮产生一个转角，相应地在轮胎的接地点上产生了一个能够克服离心力的侧向力，从而保证汽车的曲线运动。侧向力越大汽车的方向稳定性越好，转向力越大，操纵性越好。反之，侧向力和转弯力很小或消失时，汽车就无法按照驾驶员的意图行驶。汽车在冰、道路上制动时，会发生跑偏或调头现象。2.2.2 地面附着力在硬实的路面上，轮胎与路面之间的附着力就是轮胎与路面之间的摩擦力。所以，轮胎与路面之间的附着力也必然会遵循摩擦定律，即轮胎与路面之间的附着力取决于其间的垂直载荷和附着系数，其关系如下：.(2-1)式中：.轮胎与路面间的附着力,N； W.轮胎与路面间的垂直载荷,N； .轮胎与路面间的附着系数在汽车的实际行驶过程中，轮胎与路面间的垂直载荷和附着系数会随许多因数而变化，因此，轮胎与路面间的附着力实际上是经常变化的。在影响附着力的诸多因素中，车轮相对路面的运动状态对附着力有着重要的影响，特别是在湿滑的路面上其影响更为明显。2.2.3 地面制动力、侧向力与地面附着力之间的关系从（2-1）可知，轮胎与路面之间的附着力F是有极限的。而地面制动力首先取决于制动器制动力，但同时其与侧向力的合力又受到附着力的限制，即这一合力的值不会高于附着力的值。图2-1 摩擦圆的概念图地面制动力，侧向力与地面附着力三者之间的关系可用摩擦圆的概念进行说明，如图2-1所示。由图可以看出，在合力一定的情况下，降低地面制动力，则侧向力增加，这将有利于汽车的制动方向稳定性和转向操纵性。2.2.4 滑移率在汽车的实际制动过程中，车轮在路面上的纵向运动可以区分为两种形式-滚动和滑移。即汽车在制动过程中，车轮可能相对于路面发生滑移，滑移成分在车轮纵向运动中所占的比例可以由滑移率来定向表征。首先对地面制动力所产生的滑移率做一简要说明。图2-2 制动时的车速与轮速当轮胎在路面上自由滚动时，轮速与车速相等；制动过程中，由于车轮相对于路面发生滑移，轮速减小，在车轮与轮速之间产生一个速度差，如图2-2所示。车速与轮速 之间存在着速度差称为滑移现象。滑移的程度用滑移率表示，即：.(2-2)式中，.车体速度，m/s； .车轮速度，m/s； .车轮的转动角速度，rad/s； R.轮胎的滚动半径，m。从上式可以看出，当车速等于轮速时滑移率为零，汽车制动时两者差别越大，滑移率越大。滑移率的数值说明了车轮运动中滑动成分所占的比例，滑移率越大，说明滑动成分越多。停车之前车轮抱死时，轮速为零，滑移率达到100%。制动力附着系数、侧向力附着系数和滑移率之间存在着密切的关系，非制动状（）下，制动力附着系数等于零；制动状态下，滑移率达到时最大（此时的制动力附着系数称为蜂值附着系数）之后随着的增大反而减小。当时，即车轮在路面上自由滚动时，侧向力附着系数最大之后随着车轮滑移率数值的增大侧向附着系数会迅速减小。当车轮完全抱死，时，车轮将完全丧失抵抗外界横向作用力的能力，此时如果车轮上存在外界横向作用力的作用（如汽车重力的横向分力、路面不平整产生的横向力、横向风力等），车轮将在路面上发生横向滑移，汽车的方向稳定性和转向能力将基本丧失。2.3 制动时车轮纵向受力与车轮旋转运动的关系汽车制动时，影响车轮旋转的主要因素是制动器制动力矩和地面制动力矩。地面制动力矩就是作用于轮胎和地面之间的地面摩擦力使车轮向制动器制动力矩相反方向旋转的力矩。地面制动力矩的大小取决于车轮载荷W，车轮半径R和制动力附着系数即，地面制动力矩M=。根据图2-3所示车轮受力情况，可得到车轮旋转运动方程式.(2-3)式中：.车轮的旋转角加速度， .车轮的转动惯量； .制动器摩擦力矩;图2-3 车轮在受力时的制动情况从运动方程式可以看出：(1)当制动器制动力矩小于地面制动力矩时，车轮速度下降，其减速度正比例于制动器制动力矩和地面制动力矩的差值。(2)当制动器制动力矩大于地面制动力矩时，车轮速度上升，其加速度正比例于制动器制动力矩和地面制动力矩的差值。图2-4 车轮抱死的过程结合典型的-特性曲线，来分析一下施加制动后车轮的减速过程。如图2-4所示，对汽车施加制动后，制动压力上升，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（即）增大。可以认为在滑移率达到之前，地面制动力矩和制动器制动力矩是同步增长的。因此，一般认为，该阶段车轮减速度和制动器制动力矩的增大速度（增长曲线的斜率）成正比。但是，继续增大制动力矩，滑移率超过时，如前所述，反而下降，地面制动力矩随之减小，与制动器制动力矩之差急剧增大。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。根据这个过程可以得到如下结论：（1）滑移率达到之前能够通过制动器制动力矩即通过制动压力来稳定地控制车轮的旋转。超过以后车轮转速对制动器制动力矩很敏感，不能通过制动压力控制车轮的旋转，车轮很容易抱死（2）如果把制动过程的滑移率控制在处，则可以保持最大值那么制动距离可以缩短（3）滑移率始终保持在处侧向附着系数也可以保持较大值，就能够确保汽车的方向稳定性和操纵性。如图2-4所示如果滑移率超过，则车轮就很容易抱死所以特性曲线中的区域称为曲线区域而把的区域称为非稳定区域。2.4 ABS系统的控制原理汽车的制动过程具有时变性强，受外界条件影响大及非线性明显等特点。因此要求汽车防抱制动系统具有（对各种路况）适应性强，反映速度快的特性。除了硬件因素外，控制软件是使得ABS满足汽车制动性能要求的关键。控制软件主要是指ABS的控制逻辑和控制方法。目前市场上已有的ABS产品几乎毫无例外地采用逻辑门限值控制方法。这种方法属于半经验型的控制方法，需要进行大量的实验来匹配参数，而且通用性差，对于不同的车型即使采用同一ABS系统，控制参数也不相同。但是，该方法具有控制简单，计算量小，便于实现的优点。从目前的应用情况看，该方法能较好地实现ABS的控制，因而得到了世界范围内的广泛采用。下面就以逻辑门限值控制方法为例，来讨论ABS系统的控制参数和控制过程。2.4.1 ABS系统的控制过程（1）如前所述，在制动过程中将车轮的滑移率控制在8%-30%范围内，可以获得较大的制动力和较高的侧向力，从而提高制动性能。但是，具有一般制动系统的汽车是无法作到这一点的，只有防抱死制动系统ABS才能实现这个要求，从而显著地改善汽车在制动时的制动效果与方向稳定性。（2）ABS系统的直接控制目标是车轮的滑移率。8%-30%的滑移率是综合各种工况的一个控制范围，但是在开发匹配ABS系统时，通过大量的试验，针对不同的路面，设置不同的与路面相适应的最佳滑移率控制区域，以保证获得最佳的方向稳定性、转向操纵性和较短的制动距离8。2.4.2 控制参数以车轮减速度为控制参数的控制方式汽车制动时轮速降低，对车轮速度微分，可求出车轮减速度，将其和设定值作比较，可以获得车轮减速度信号。 车轮减速度为控制参数的控制方式就是仅在发生信号的期间内降低制动压力，其他时候则增加制动压力。从而，如果制动压力的降压速度比较适当，就会得到如图2-5所示的制动周期。图2-5 以车轮减速度为控制参数的控制周期此汽车速度和制动压力分别用和表示。把规定的定值称为车轮减速度门限值。为了防止在稳定区域内出现不必要的减压，必须比所对应的汽车减速度稍大一点：如果比所对应的汽车减速度小，车轮超过稳定界限之前，过早地就要减压，则附着系数达不到，其结果会是制动距离延长。采用车轮减速度作为控制参数，对于在高速档或空档时进行紧急制动的特定条件下，测出车轮的稳定界限，降低制动压力，是最为有效的。但是采用这种控制方式也存在着以下缺点：（1）汽车以低速档行驶制动时，驱动轮可能会在达不到设定值之前发生车轮抱死。因为在确定是否恢复到稳定区域的过程中无法进行制动控制，所以在地面制动力矩较小的低路面行驶时，或者从高路面进入低路面时，即地面附着系数发生急速变化的情况下，制动压力的降压速度过慢，无法根据滑移率的变化进行制动控制，最终导致车轮抱死。以滑移率为控制参数的控制方式滑移率是由汽车速度和车轮速度计算得到的。在实际应用中，可以用轮速传感器准确的测出轮速，却没有理想的用于准确测出瞬时车速的方法，因而这种控制方式的关键在于如何准确的测出。当然可以采用具有多谱勒雷达效果的非接触轮速传感器或加速度测出汽车减速度，然后计算出。但是，采用非接触速度传感器成本高、技术复杂；采用加速度传感器会受到道路坡度的影响，误差较大，这两种方法都缺乏实用性。目前采用的方法是根据测出的车轮速度来计算瞬时速度。因为在制动加压和车轮在稳定区域减速的过程中，车速和轮速变化趋势是相同的。可设定车轮减速度达到某一特定值时，以该瞬时的轮速为初始值，根据轮速按如图2-6所示固定斜率变化的规律，计算出近似的车速（以下称为参考车速），再把看作车速来计算滑移率。根据参考车速所计算出的滑移率的数值如果大于相当于的设定值时，则发出滑移率信号，由此开始降低制动压力，直到滑移率减小道低于。轮速逼近车速又继续增大制动压力，实现滑移率的控制过程。图2-6 以滑移率为控制参数的控制周期采用这种控制方式，所设定的斜率应比路面最大附着系数所对应的车辆减速度稍大一点。只要车轮减速度能达到要求的特定值、的斜率满足前述条件，几乎在所有路面上都能保持车轮旋转恢复到稳定区域。但是，仅使用滑移率作为控制参数也存在着不可避免的的缺点：（1）必须要根据路面状况的变化来调整的斜率，因而至少需要测定车体减速度的手段，降低了实用性；（2）是一个定值，不可能代表所有路面的最佳滑移率，因而准确的测定出车轮的稳定界限也是不可能的；（3）在返回稳定区域之前，连续降低制动压力，有时会出现过度减压现象；车轮的旋转运动不能经常保持在最佳状态，因而不利于缩短制动距离；（4）在低速档行驶制动时，驱动轮的减速度若达不到要求的特定值，则得不到，因而无法算出滑移率，对车轮将失去控制，导致车轮抱死。以加速度和减速度为控制参数的控制方式这种控制方式就是将信号与信号汇合起来，从信号产生后，信号产生之前，持续降低制动压力；信号产生期间保持制动压力；信号消失后增加制动压力，如图2-7所示。为了尽快测定出车轮速度是否开始重新上升，使减压过程充分减压，应选取尽量小的设定值。 图2-7 以车轮加速度和减速度为控制参数的控制周期车轮减速度和加速度为控制参数的控制方式对于在高速档和空档时进行紧急制动的特定条件下，如果能够适当地控制制动压力的降压速度，几乎在所有路面上都能够达到防止车轮抱死的目标。这种控制方式的缺点为：（1）汽车以低速档行驶制动时，驱动轮可能会在达不到设定值之前发生车轮抱死；（2）在信号产生的时间内，车轮的旋转不一定能返回到稳定区域，此时如果制动压力降低速度不足，在低路面上或由高路面向低路面跃变时，就会导致车轮抱死或滑移率增大、制动控制失灵等现象。从低路面向高路面跃变时，反应迟缓，制动距离加长。作为控制参数的信号，其设定值小一些，只是为了尽快检出车轮旋转的开始加速点，但是使车轮的运动回复稳定区域的加速度是否过大，则无法检测出。为了弥补这一缺陷，就要追加一个较大的车轮加速度设定信号，以应付路面附着系数突变的情况。用设定信号的方法设定较大的车轮加速度设定信号，测出车轮加速度，当汽车从结冰路面进入混凝土路面，因的急剧变化而使车轮加速度过大时，迅速增加制动压力弥补原制动压力不足的缺陷。按照这种方法可以得到如图2-8所示的制动控制周期。图2-8 采用车轮加速度信号+A的控制周期虽然追加了信号后，提高了制动控制的实用化程度，但是这种控制方式仍然不能保证在所有路面及行驶条件下都能实现最佳制动。以车轮加、减速度与制动滑移率为控制参数的联合控制方式这种控制方式以对角从动轮和驱动轮（如后驱动车的右前轮和左后轮）的所产生的两个中，选取一个较大的作为控制参数，这种处理方法叫做选高或者高选技术。以两个车轮为控制对象主要是因为这样做可使的变化接近于实际车速，这是目前准确计算车轮滑移率最有效的方法。转弯制动时，由于前后左右四个车轮均发生了载荷转移，其中，由于前外轮上的垂直载荷最大，地面制动力矩也最大，因而前外轮最不容易抱死，从其轮速得到的参考车速也就最接近于实际车速，在左右轮附着系数不同的路面上即对开路面上实施制动时，附着系数大的一侧的车轮最不容易抱死，从其轮速得到的参考车速也就最接近于实际车速。得到参考车速后，计算出设定值不同的两个滑移率控制门限值和，并和车轮加减速度控制门限值一起，实现ABS的控制过程。在车辆开始制动加压后，为了防止车轮滑移率稳定区域内发生不必要的减压，制动压力控制前出现减速度门限值-a时仅做出保持压力的动作，在信号区间内信号产生时，才控制制动压力降低。但是，若在产生信号之前，信号也已达到，就直接开始控制制动压力降低。这样不管车轮转动惯量或附着系数如何变化，均能获得有效的控制周期。2.5 防抱死制动系统的工作原理在制动时，ABS根据每个车轮速度传感器传来的速度信号，可迅速判断处车轮的抱死状态，关闭开始抱死车轮上面的常开输入电磁阀，让制动力不变，如果车轮继续抱死，则打开常闭输出电磁阀，这个车轮上的制动压力由于出现直通制动液贮油箱的管路而迅速下移，防止了因制动力过大而将车轮完全抱死。在此同时，主控制阀通电开启，动态压力的制动液可进入制动阀，动态压力的制动液从动态助力管路通过主控制阀、制动总泵密封垫外缘到达前轮输入管路如此反复地工作（工作频率312次/秒），让制动状态始终处于最佳点（滑移率S为20%），制动效果达到最好，行车最安全。在制动总泵前面腔内地制动液是动态压力制动液，它推动反应套筒向右移动，反应套筒又推动助力活塞从而使制动踏板推杆向右移。因此，在ABS工作地时候，驾驶员可以感觉到脚上踏板地颤动，听到一些噪音。如图2-9所示汽车减速后，一旦ABS电脑检测到车轮抱死状态消失，它就会让主控制阀关闭，从而使系统转入普通地制动状态下进行工作。如果蓄压器地压力下降到安全极限以下，红色制动故障指示灯和琥珀色ABS故障指示灯亮。在这种情况下，驾驶员要用较大地力进行深踩踏板地制动地方式才能对前后轮进行有效地制动。图2-9 ABS系统工作原理示意图ABS系统能够通过自动控制制动过程中车轮的运动状态，使车轮不产生抱死，保证汽车制动时处于最佳的制动状态，即保持方向稳定性、方向可操作性和缩短制动距离。ABS以车轮的运动状态为控制目标，使汽车在制动时具有最佳的制动性能，对ABS进行研究，就必须了解汽车制动时的制动特性。2.5.1 制动时车轮受力分析汽车受到与行驶方向相反的外力时，才能从一定的速度制动到较小的速度或直至停车，这个外力只能由地面和空气提供。但由于空气阻力相对较小，所以实际上外力是由地面提供的，我们把制动过程中在轮胎与地面之间产生的与行进方向相反的摩擦力称之为地面制动力。地面制动力愈大，制动减速度愈大，制动距离也愈短，所以地面制动力对汽车制动性能具有决定性的影响。当左右地面制动力不等时，绕车辆质心产生一个旋转力矩，会使制动跑偏。图2-10 车轮在制动时的受力情况图2-10中滚动阻力偶矩和减速时的惯性力、惯性力偶矩均忽略不计。为车轮制动器中的摩擦力矩，单位为，为地面制动力，为车辆对车轮的推力，为地面对车轮的法向反作用力，为车轮的垂直载荷，起单位均为。为车轮半径，单位为。当制动踏板力较小时，由力矩平衡显然有.（2-4）地面制动力，是使汽车制动而减速行驶的外力，但是地面制动力取决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：一个是轮胎与地面间的摩擦力，即附着力。在轮胎周缘克服制动器摩擦力所需要的力称为制动器制动力。相当于把汽车架离地面，踩住制动踏板，在轮胎周缘沿切线方向推动车轮直至它能转动所需的力。制动器制动力可由下式确定：.（2-5）由式2-5可知，仅由制动器参数确定，即取决于制动器的型式、结构尺寸、制动器摩擦副的摩擦系数以及车轮半径，并与制动管路的压力成正比。当制动踏板力较小时，制动器摩擦力矩不大，地面与轮胎之间的摩擦力即地面制动力，足以克服制动器摩擦力矩而使车轮滚动；车轮滚动时的地面制动力就等于制动器制动力。且随踏板力增长呈正比例增长。但地面制动力是滑动摩擦的约束反力，其值不能超过附着力，即.（2-6）式2-6中为地面纵向附着系数，为纵向附着力。当制动器踏板力或制动系统管路压力升至某一值时，地面制动力达到附着力车轮即抱死不转而出现拖滑现象。压力继续升高时，制动器制动力由于制动器摩擦力矩的增长而继续按直线关系上升。此时若车轮法向载荷为常数，地面制动力达到附着力后就不在增加。图2-11所示为制动过程中三个力之间的关系。图2-11 制动过程中地面制动力、制动器制动力以及地面附着系数之间的关系由此可见，汽车的地面制动力首先取决于制动器制动力，但同时又受到地面附着条件的限制，所以只有汽车具有足够的制动器制动力，同时地面又能提供较高的附着力时，才能获得足够大的地面制动力。因此，从缩短制动距离的角度，如何充分利用轮胎与路面的最大附着力就十分有意义了9。2.5.2 路面附着系数与滑移率的关系附着力的大小在数值上等于附着系数与垂直载荷的乘积，由于车轮接地面在纵向和侧向的附着能力是不尽相同的，因此，附着力有纵向附着力和侧向附着力之分；同样，附着系数也有纵向附着系数和侧向附着系数之分，它们的关系分别为：.（2-7）.（2-8） 式（2-7）、式（2-8）中、分别为纵向、侧向附着系数。附着系数表述了不同材料和花纹的轮胎与不同路面之间的特性即相互作用的综合影响。汽车轮胎属于弹性体，制动时它与路面间的相互作用是一个十分复杂的物理过程，不同轮胎在不同道路条件下的实际附着系数值很难通过理论计算得到，而往往通过试验确定。附着系数的大小受诸多因素的影响，与滑移率密切相关。仔细观察汽车制动过程，可以看出轮胎留在地面上的印痕从车轮滚动到抱死拖滑是一个渐变的过程。随着制动强度的增加，车轮滚动时的成分越来越小，而滑动成分越来越大。一般用制动滑移率S来说明在制动过程中滑动成分的多少，定义如下：.（2-9） 车辆行驶方向上的纵向滑移率为：.(2-10) 侧向滑移率为：.(2-11) 式中：车轮中心的纵向速度，单位； ：车轮自由滚动半径，即无地面制动力时的滚动半径，单位； ：车轮转动的角速度，单位； ：轮胎接地中心的行驶方向与轮胎滚动半径的夹角，称为侧偏角；在纯滚动时，滑移率；纯拖动时；边滚边滑时，。滑移率越大，滑动成分越大。附着系数与滑移率之间的关系曲线是ABS系统进行调节的主要依据，典型的附着系数滑移率曲线图2-12 典型附着系数滑移率曲线由该曲线可看出，在制动过程尚未开始时，即时，纵向附着系数，侧向附着系数最大。制动过程开始以后，纵向附着系数随着滑移率的增加而迅速上升，当增加到临界滑移率时（约为10%-30%），达到峰值附着系数,该段曲线为稳定区域，滑移率再继续上升，进入不稳定区域，侧向附着系数逐渐下降，时的附着系数称为滑动附着系数。实际上根据实验求附着系数滑移率曲线时，超过后车轮立即抱死，采集区间的数据很困难。而侧向附着系数则随着滑移率的增加立即减小，时接近于0。此时车轮完全抱死，轮胎与路面之间的侧向附着力接近于0，车轮将完全丧失抵抗外界侧向力的能力。此时若车轮上纯在外界侧向力的作用（如汽车重力的分力、路面不平度产生的侧向力、侧风力等），车轮将会在路面上发生侧滑，这是一种极其危险的工况。由图2-12还可以看出，当车轮的滑移率处在临界滑移率附近时，侧向附着系数约为最大附着系数的50%70%。若将车轮的滑移率控制在这一范围内，车轮的纵向附着系数最大，侧向附着系数亦较大。最大的纵向附着系数可使汽车获得制动和驱动所需的最大纵向附着力最大，而较大的侧向附着系数可使汽车获得转向或防止侧滑所需的侧向附着力。除滑移率之外，附着系数的数值主