12制动教材(新编) 方泳龙 编著--第六章.doc

第六章 提高汽车安全性的制动控制系统提高汽车的安全性关系到多方面组合的重要课题，在事故的预防、事故回避等预防安全领域里与汽车运动性能之间有密切的关系。从事故发生的时间流程来考虑，事故预防的中心作用是驾驶员，也就是驾驶员在事故发生之前，之后的瞬间里对汽车的作用非常大。对事故发生之后瞬间的乘客保护的冲突安全部分是属于事故发生前的预防安全领域，在事故回避上与制动器控制系统有密切的关系。在汽车的预防安全领域和冲突安全领域里人-车-环境的作用是不同的。也就是事故预防、事故回避、乘客保护、救出乘客等环节中人-车-环境的作用是不同的。在事故预防环节中人和环境的作用是主要的，在事故回避环节中车的作用是主要的，在事故发生之后的乘客保护环节中车的作用是主要的，在救出乘客的环节中车和环境的作用是主要的。在1970年使用的制动防抱死系统（Anti-Lock Brake System，简写为ABS）为开端，不断开发并商品化了的驱动防滑控制系统(Traction Control System，简写为TCS)、车辆稳定性控制系统(Vehicle Stability Control System，简写为VSC)、制动器辅助系统(Brake Assist System，简写为BA)等有效的制动控制系统。ABS是在紧急制动时或容易滑动的路面上制动时防止车轮抱死、保证汽车的方向稳定性和操纵性为目的的制动器控制系统。TCS是在雪路和结冰路面等容易滑动的路面上进行加速时，防止发生驱动轮的打滑，提高车辆稳定性和加速性的控制系统。VSC是在急剧操纵方向盘和路面状况急剧进行变化等不可预测状态下，防止横摆运动和横向侧滑的控制系统。VSC是控制制动系统和发动机的输出转矩来维持汽车横向稳定性。BA是汽车进行紧急制动时，一般的驾驶员没有用足够的力量来踩制动踏板，为了辅助这一现象，判定为紧急制动工况时，加大制动器制动力的装置就是制动器辅助系统。6-1 汽车制动防抱死系统的基本原理在这一节里主要分两个大部分来讲述。第一部分主要讲ABS的组成部分。第二部分主要讲述ABS 的基本原理，即制动时的车辆的运动、滑移率、制动器和车轮的旋转运动；影响控制技术的因素；ABS的控制技术；ABS存在的问题及其解决方法。6-1-1、 制动防抱死系统的组成ABS如图6-1所示，由三部分所组成，即传感器、电子控制总成和液压控制总成。其功能示意图如图6-2所示。图6-1 ABS系统的组成示意图1. 车轮传感器把齿轮形状转动盘安装在驱动轴或者轮毂等转动体上，和这个旋转体相邻接的固定部位上安装电磁头。当车轮旋转时发生和旋转体相位相同的脉冲信号送到电子控制总成。一般，车轮传感器利用电磁感应类型的传感器使用的较多。2. 电子控制总成（ECU） ECU接受车轮传感器送来的信号，计算车轮速度、计算滑移率、计算车轮加速度，并综合考虑这些信号，利用各种各样的算法预测轮胎要抱死的前兆，向促动器发出驱动指令回避车轮抱死。有各种各样的控制算法，基本上是根据对车体速度采用合适的滑移率改变制动器油压而设定车轮速度、加速度基准与实际车轮速度、加速度之间的对比进行控制。但是，检测出车体速度是困难的。现在，根据四个车轮的速度分别进行推测演算。ABS控制的好坏很大程度上取决于车体速度的推测精度。图6-2 ABS系统功能示意图另外，监视和确认向液压总成传送去的控制功能，并且，确认和监视系统的各组成部件和整体功能。当系统发生故障时点亮警报灯和启动警报器，提醒驾驶员的同时，停止使用ABS系统，并恢复一般的制动系统。3. 液压控制总成该总成布置在主缸和轮缸之间，接受从电子控制总成发出的控制命令，驱动电磁阀、泵、电机，并直接或间接地增压、减压和保持制动器的压力。过去有了各种类型的液压控制总成，但是目前主要使用如图6-3所示的，根据轮胎滑移率状态进行增压、保压、减压的三个 图6-3 促动器管路图模型重复的液压控制总成。打开A阀关闭B阀的状态是一般的工况，当踩制动踏板时主缸的油压传递到轮缸而达到增压的状态。当关闭A阀打开B阀时油流到油箱，而处于减压状态，油泵把流到油箱的制动器油送到主缸一侧。还有，当把A阀和B阀同时关闭时轮缸的油压处于保压6-1-2 、制动时的车辆运动1. 车辆运动的受力分析1）、制动时产生的力(1) 制动力：车辆行驶中进行制动时，轮胎和地面的接触面上产生的和前进方向相反的摩擦力。我们把这一摩擦力称为地面制动力。和这个制动力有关的摩擦系数叫附着系数。附着系数越大，制动力就越大，制动时可以在短距离内停车。(2) 惯性力：和作用在车轮上的地面制动力合力的大小相同，方向相反的力称为惯性力，作用在质心上。当然忽略空气阻力、滚动阻力等。(3) 横摆力矩：当左右制动力对称时，车辆不跑偏。当左右制动力不对称时，产生以车辆质心为轴的横摆力矩。根据情况不同，车辆可能产生横向位移（侧滑）或跑偏。2）横向滑移摩擦力（侧偏力）车辆在行驶中进行制动时，轮胎和地面的接触面上产生和地面制动力不同的摩擦力作用在轮胎的横向方向上。我们把这个力称为横向滑移摩擦力（侧偏力）。这个力是有横向风等外力作用在车轮的侧向方向时，为了维持车辆的原来行驶方向，而产生的抵抗力。另外当有侧偏现象时（车辆改变方向），也就是随着操纵方向盘的转动，各转向轮上产生侧偏角，并产生横向摩擦力。这一摩擦力是抵抗离心力维持曲线运动的力。和这一摩擦力的大小有关的摩擦系数称为横向附着系数。3）车轮被抱死时的车辆的运动（a）、直线行驶时 当直线行驶的车辆进行紧急制动，全部车轮都抱死时，横向滑移摩擦系数（侧向力系数）几乎为零。所以，保持车辆方向稳定性的侧偏力几乎为零。此时的状态是处于不稳定状态。如果，有地面或轮胎的质量不均匀，使左右轮的制动力不相等，产生横摆力矩时，车辆开始进入不规则旋转的危险状态。这一现象，正如在冰上行驶的车辆被抱时发生的现象相同。车辆在不规则旋转中解除制动力时，车辆很快向着车轮指的方向行驶，这一现象是很危险的。（b）、曲线行驶时当曲线行驶的车辆进行紧急制动，全部车轮都抱死的情况。先考虑只抱死前轮的工况。因为侧偏力几乎变为零，所以，维持按照驾驶员方向盘指的方向行驶的能力没有了，车辆没有按驾驶员的意志行驶，而和驾驶员的意志毫无关系的方向滑移过去。此时，滑移过去的方向就是曲线行驶的切线方向。其次考虑只抱死后轮时。后轮的侧偏力几乎变成零。就失去了维持行驶方向的能力。于是，由于作用在汽车上的离心力，或者前轮的侧偏力，使车辆一边进行旋转一边跑出弯道路面，我们把这一运动称为自转Spin-out。当全部车轮都抱死时，侧偏力同时几乎变成为零，就失去了操纵性和方向稳定性。只抱死前轮和只抱死后轮的两种工况合在一起时，车辆一边进行和驾驶员的操纵毫无关系的不规则旋转，一边沿着弯道的切线方向滑移过去。如上所述，如果用适当的制动力可以使车辆停止在预想停止的地方，但如果制动器制动力过大时，就把车轮抱死，这是引起种种危险车辆运动的最大原因。因此，在冻冰路、雪路、砂石路、坏路、干燥路、直线路、弯道等各种道路条件下，控制好车辆的速度，经常注意不要让车轮被抱死。2. 载荷的转移车辆的重量是由各个车轮所支撑着。为此，在轮胎和路面之间的接触面上作用着所谓轮胎载荷的垂直方向的作用力。这一轮胎上的载荷随着制动力和离心力有以下的变化。(1) 由制动力引起的变化当进行制动时产生的地面制动力是由轮胎载荷和制动摩擦系数的乘积来表示的。和这一制动力大小相同、方向相反的力，就是作用在车辆质心上的惯性力。为此，产生车辆向前倾斜的力矩使前轮增加轮胎载荷，使后轮减小轮胎载荷。制动摩擦系数为，车辆重量为，轴距为，重心高度为，则载荷的移动量为，可见，重心越高，轴距越短时，车辆轮胎载荷变化越大。(2) 离心力引起的变化有侧倾时，车辆的质量，速度，以及转弯半径所决定的离心力作用在车辆的重心上。为此，产生侧倾力矩。外侧轮胎的载荷增加，内侧轮胎的载荷减小，设轮距为，假设离心力引起的侧倾力矩对前后轮胎的作用是相等的，则有载荷移动量这一轮胎载荷的变化称为动载荷的转移。其变化量是和不同方向的加、减速度成正比例的。由于这一载荷的转移，侧倾时进行制动，就有外侧轮的制动力变大，内侧轮的制动力变小。我们研究ABS的时候必须想到这一点。6-1-3、滑移率1. 滑移率的定义车辆的速度（以后叫车体速度）是随作用于轮胎和路面之间的制动力增大而减速。这是因为在制动器上的制动力使车轮的旋转速度（以后叫车轮速度）减少，产生车体速度和车轮速度差的原因，如图6-4所示。这一产生的车体速度和车轮速度差的现象我们称为滑移现象，把滑移的大小用滑移率来表示。滑移率用来表示，即定义为，从这一式子可见，当车体速度和车轮速度相等时，滑移率为零。当进行制动使车体速度和车轮速度差增大时，滑移率也增大。然而，当车辆将要停止前车轮被抱死时，车轮速度变为零，故滑移率为100%。图6-4 车体速度和车轮速度图6-5 特性2. 滑移率和摩擦系数的关系如前所述，制动力系数和侧向力系数与滑移率之间有密切的关系，具有如图6-5所示的特性。也就是，没有进行制动时（滑移率），制动力系数，开始进行制动滑移率到一定值时，变为最大，此后，随滑移率的增大制动力系数变小。制动力系数最大值所对应的滑移率称为（最佳滑移率）。另一方面，侧向力系数是滑移率时最大，随着滑移率的增大，侧向力系数变小。从而，车轮抱死时，如前所述，车辆失去了方向稳定性和操纵性。6-1-4、 制动器和车轮的旋转运动1. 车轮减速度和车轮加速度在旋转中的车轮进行制动时，随着制动压力的上升，要产生同旋转方向相反的制动力矩，为此，产生如图6-6所示的由车轮速度的减少引起的滑移现象。当解除制动力时，制动力矩消失，车轮从滑移状态恢复原来的工况。即，车体速度和车轮速度达到一致为止增加车轮速度。这种或者减小或者增加的单位时间内的车轮速度的变化量称为车轮减速度或者车轮加速度。即，图6-6 车轮的减速度和加速度图6-7 制动器转矩和轮胎转矩因此，一般制动力越大，车轮减速度越大，在滑移状态中，制动力解除越快，车轮加速度就越大。2. 车轮减速度和特性当进行制动时，对车轮旋转有影响的主要因素为如前所述的制动器转矩和轮胎转矩。轮胎的转矩是如图6-7所示的轮胎和路面的接触面上作用着的制动力使车轮上制动器转矩方向相反的方向旋转的力矩。和轮胎转矩大小有关的是车轮的载荷，车轮半径，以及制动力系数。即注意：严格的讲，在旋转的轮胎上作用着滚动阻力引起的滚动阻力矩，故。图6-8 车轮抱死的过程静载荷和车轮半径对车辆几乎是个常数，所以，轮胎转矩跟制动力系数成正比。由这两个力矩使车轮的旋转状态变成如下情况。制动器转矩比轮胎转矩大的时候，车轮速度开始减小。车轮减速度跟制动器转矩与轮胎转矩差的大小成正比。轮胎转矩比制动器转矩大的时候，车轮速度开始增加，车轮加速度跟轮胎转矩与制动器转矩差的大小成正比。把以上关系用车轮的旋转运动方程式来表示如下，这里，车轮的旋转角加速度车轮的转动惯量制动器转矩开始进行制动时，车轮速度的减小过程和特性一起表示的话，如图6-8所示。开始进行制动，制动器压力上升时，制动器转矩随之增大，从而，车轮速度开始减少，滑移率和轮胎转矩（即）开始上升。滑移率到最佳滑移率为止，轮胎转矩是和制动器转矩基本上成正比地增加。因此，在这一期间，车轮减速度是和制动器转矩的上升速度（倾斜）成正比。但是，其后继续增加制动器转矩时就要超过最佳滑移率。如前所述制动力系数开始减少，从而轮胎转矩也开始减少，急剧增加制动器转矩和轮胎转矩大小之差。因此，车轮速度急剧减少，最后车轮被抱死，在这一期间车轮的减速度非常大。从这一现象，能够说明以下事实。在达到最佳滑移率之前，制动器转矩，也就是用制动器压力来能稳定地控制车轮旋转。当超过最佳滑移率时车轮的旋转对制动器转矩的大小变化很敏感，用制动器压力来控制车轮的旋转是处于不稳定状态，车轮容易被抱死。进行制动时滑移率总能保持最佳滑移率，那么，此时的能保持最大值，所以制动距离变成很短。因为图6-9 稳定区域和不稳定区域可见，越大制动距离越短，这里是重力加速度，是制动初速度。总是保持最佳滑移率时，侧向力系数能保持相当的值。所以能够确保车体的方向稳定性和操纵性。如图6-9所示，滑移率超过时车轮容易被抱死，所以，范围称为稳定区域，的范围称为不稳定区域。实际上，特性通过试验求得时，滑移率超过最佳滑移率，就很快把车轮抱死，所以，很难采集范围的实验数据。6-1-5、 影响控制技术的因素1. 实际的特性如前介绍的特性曲线（图6-5）是比较典型的曲线，实际上随道路的状态（结冰、雪、干燥、湿润路等），轮胎的结构，轮胎的表面状态、气压等因素不同其特性是不一样。例如，子午线轮胎与干燥的混凝土路，松软雪地，湿润的冰路面以及带防滑钉雪地轮胎与湿润的柏油路之间的特性。于是，为最大时的最佳滑移率是在范围。在进行转向等时产生轮胎的横向侧偏角时，最佳滑移率的范围变为更大。制动力系数随着车速的提高而逐渐变小。还有，当路面被水膜覆盖时，制动力系数的最大值与车轮抱死时的最小值的差非常大。因此，一般把制动力系数大的路面，中等路面以及小的路面分别称为高附着系数路面，中等附着系数路面以及低附着系数路面。在以上的和的变化，对于制动器转矩的变化趋势相等时，有关车轮的旋转有以下三方面的影响。的最大值不同情况，车轮的减速度和滑移率达到规定值时的制动器转矩的值有很大的差别。这一现象我们可以联想结冰的路面和干燥的混凝土路面上，进行相同的制动时（制动器转矩相同）发生的情况，就很容易理解了。最佳滑移率不同工况，最佳滑移率越大，如前所阐述那样稳定区域越大，当制动器转矩相等时，达到最佳滑移率为止的车轮减速度大小是不一样的。还有我们要记住以下一个重要的事实，当继续提高制动器转矩时，快要达到最佳滑移率时刻开始车轮的减速度是急剧增加的。2. 车轮和发动机的转动惯量的影响制动器转矩和（或者是轮胎转矩）之外作用于车轮的因素当中，对ABS的控制技术影响大的有，车轮和发动机的转动惯量。其中，车轮的转动惯量使车轮的旋转速度相对于制动器转矩的反应滞后。从而，其滞后时间是转动惯量越大，而滞后程度越严重。另外，把发动机的转动惯量换算到车轴，其等价转动惯量变大。例如，车辆挂上变速器的第三档时，其等价转动惯量大小等于空挡时的3倍，挂上变速器的第二档时，其等价转动惯量大小等于空挡时的10倍。因此，对驱动轮来说，其变速档位越低，滞后时间越长。不同大小转动惯量对制动器转矩的响应是不同的，也就是，当转动惯量小的时候，随着急剧上升的制动器转矩没达到最佳滑移率之前，车轮减速度可以达到规定的值。当转动惯量大的时候，由于车轮速度的响应滞后的关系，特别是在冻冰路面上缓慢地进行制动时，车轮减速度还没有达到规定值，就达到了最佳滑移率，故车轮的旋转进入不稳定区域。从而继续提高制动器转矩时，车轮就被抱死。6-1-6、 ABS的控制技术ABS是根据滑移率和车轮减速度是否达到规定值而判断车轮是否在稳定区域里旋转，或者将要进入不稳定区域。如将要进入不稳定区域时，立刻保持油压或者减小油压，特性和转动惯量这两个因素对ABS的控制技术有很大的影响。也就是说，为实现理想的控制，应根据路面（特性）的种类和变速器的不同档位（转动惯量的大小），在滑移率和车轮减速度中，必须选择主要控制的参数，并改变其规定值（检测车轮旋转稳定区域的值）。但是，在行驶中要预先知道路面的特性，现在的技术是不可能实现的，变速档位不同其转动惯量的大小也随车的种类不一样。要预先知道这个事情也是很困难的。所以，目前正在应用预测控制技术和学习控制技术来实现近似于理想的控制。预测控制技术是把参数的设定值等的控制条件预先进行规定并进行控制的技术。学习控制技术是记住前一个控制循环（制动器压力从减压开始到增压的一个循环过程）中的各参数的变化状态，以这一参数为基础决定下一个控制循环条件的技术。有时也称为模仿控制技术。1. 预测控制技术(1) 车轮减速度作为控制参数方式把车轮速度（以后称为）进行微分就得到车轮减速度（以后称为），把这一车轮减速度跟规定值（）进行比较，就得到如图6-10所示的车轮减速度信号。在这车轮减速度信号（）发生的区间降低制动器压力，其余区间进行增压，就是这个控制方式。因此，如果制动器压力的减压速度合适，就可以得到如图6-11所示的控制循环。这里把车体速度以及制动器压力分别用以及来表示。 图6-10 车轮减速度信号-a 图6-11 以车轮减速度信号为控制参数的控制循环把这一规定值称为车轮减速度设定值。为了防止车轮在稳定区域里不必要的制动器压力的减压, 这一规定值必须是比现有路面的最大制动力系数决定的车体减速度稍微大一些的值。这一道理可从下面事实来理解。也就是，当规定值比由特性里的的最大值所决定的车体减速度（）小的时候，车轮还没有达到稳定区域界限就开始降低压力，那么不能达到最大制动力系数，其结果，对缩短制动距离很不利。(a) 本方式的优点车轮减速度主要跟制动器转矩的增加速度，车体速度、特性的变化趋势，以及车轮和发动机的转动惯量有关（请参考5.5节）。特别是这个转动惯量小的时候进行紧急制动，对于特性很敏感。因此，本方式对变速器高档位或者空挡时紧急制动时最适合检测车轮的稳定区域界限，降低制动器压力是最有效的。（b）本方式的缺点进行制动时变速器低档直接跟发动机连在一起的驱动轮的加速度没有达到规定值，在这种情况下施加制动时，不可能控制其车轮，而出现车轮抱死情况。由于不可能一边确认车轮速度是否恢复到稳定区域，一边进行控制，所以行驶在低附着系数的路面时，或者从高路面进入低路面时发生的，所谓附着系数的跳跃（的值突变）引起的轮胎转矩的急剧减小的时候，不可能进行控制。还有制动器压力的减压速度不充分引起的车轮抱死，或者不能适应滑移率的急剧变化，就变成不可能进行控制。为了防止这一现象，可以采取如下措施：一是加大制动器压力低的区域里的减压速度；二是根据定时器延长信号，延长在低路面上的减压时间。第一措施是由于制动器的刚性原因，在高压区域里容易产生不必要的过大的减压速度，所以，在高路面上控制时产生过大的减压。因此，把车轮的旋转不可能长时间保持在最合适的状态中，跟理想的控制有很大的差距，也就是在缩短制动距离方面非常不利。第二个措施是由于需要根据实际情况把定时器设定时间进行变更的准确情报，所以，缺乏实现性。(2) 滑移率作为控制参数的方式滑移率是通过车体速度和车轮速度的差来进行计算，如何正确地掌握是个非常重要的问题。这是因为，是通过车轮速度传感器来正确地测出来，但是，还没有准确地检测车体速度的适当手段。当然，可以利用应用多普勒效果的非接触速度传感器以及加速度传感器来检测出的车体减速度，并换算成车体速度的手段。应用多普勒效果的非接触速度传感器成本高、技术复杂，应用加速度传感器从原理上受道路坡度的影响，检测误差大，这两者都缺乏实用性。因而现在一般使用的方法是从计算出。也就是车体速度一般跟车轮速度变化趋势相同，当达到某一规定值的瞬间开始，把这一时刻的值作为初值，计算所规定的斜率来变化的近似的车体速度，以后称参考速度或者基准速度（reference），于是，把作为车体速度计算出滑移率，其滑移率值超过相当于的设定值期间，发出滑移率信号，如图6-12所示。那么这一控制方式是只有信号发生期间降低制动器压力，其余期间进行增压。因此，得出如图6-13所示的控制循环。我们要注意，在这个方式中，的斜率必须设定为比现有路面的时车体减速度稍微大一些，即。图6-12 参考速度的计算和滑移率信号 图6-13 以滑移率为控制参数的控制循环(a) 本方式的优点本方式只要车轮减速度达到规定值，参考车速的斜率满足上述条件情况下，几乎在所有路面上能够准确地把车轮的旋转恢复到稳定区域。(b) 本方式的缺点由于的斜率必须根据路面情况进行变化，所以至少需要检测车体减加速度的手段，所以缺乏实用性。设定值是一个规定值，不一定等于所有路面的，所以，不可能准确地检测出车轮的稳定界限。由于恢复到稳定区域为止连续减少制动器压力，所以产生过大的减压现象。根据以及可知，由于不可能把车轮速度长时间保持在最适应的状态，所以对缩短制动距离很不利。以低档和发动机连在一起的车轮的没达到规定值，没有产生，所以不可能计算滑移率，不能进行控制的那个车轮就被抱死。(3) 车轮减速度和加速度作为控制参数的方式和信号同样把车轮加速度跟正的规定值进行比较，就得出如图6-14所示的车轮加速度信号，把信号和信号组合起来进行控制就是这种控制方式，也就从信号发生开始到信号发生之前，继续降低制动器压力，信号发生期间进行保持压力。于是，信号消失以后开始增加制动器压力的方式。因此就得到如图6-15所示的控制循环。图6-14 车轮的加速度信号和减速度信号 图6-15车轮的加速度信号和减速度信号 为控制参数的控制循环这里使用的信号是为了检测充分的制动器压力的减压量而设定的。即车轮重新开始加速这一信息而设定的。因此，该设定值希望设定为尽量小。(a) 本方式的优点在方式（1）的优点中所阐述的条件下，制动器压力减压速度合适的话，几乎在所有路面上可以防止车轮的抱死。(b) 本方式的缺点与方式（1）的缺点相同。由于信号发生期间车轮的旋转有时不一定完全恢复到稳定区域，当制动器压力的减压速度不充分时，在低路面上，或者从高路面进入低路面的的跳跃时，发生车轮抱死或者滑移率的增大，就不能进行控制。从低路面进入高路面有的跳跃时，因响应迟缓，对制动距离不利。这个缺点在前面两个方式中也是存在的。但是，在那里还没有引用加速度设定值的概念，所以没有阐述。在这里利用的信号是仅仅表示车轮的旋转开始加速这一动态信息而设定的比较小的设定值，不是表示车轮的旋转恢复到稳定区域时加速度的大小。于是，为了弥补这一缺点（从低路面进入高路面有跳跃），追加了设定值，即车轮加速度大的新的信号，这是对的跳跃（的大变化）采取的对策。也就是如图6-16所示的和信号相同的方法，检测大的设定值的车轮加速度信号，即车轮旋转速度产生过大的加速度时较早地弥补制动器压力的不足。这种路面就是从冰雪路面进入混凝土路面时的制动力系数的突变。因此，应用这一方式得到了如图6-17所示的控制循环。 图6-16 新的车轮加速度信号+A 图6-17 使用车轮加速度信号+A的控制循环由于弥补了这信号，把前述的控制方式变成了高实用性的控制。但是，距实现理想的控制还有许多技术上的问题。其中，必须解决前述的两个致命的缺点，转动惯量大时，驱动轮的加速度没有达到规定值，不可能计算滑移率，不能控制车轮。从高路面进入低路面有的跳跃时，由于减压速度不充分，引起车轮的抱死。同时，要解决控制时的制动器压力的减压幅度问题。也就是，制动器压力应按照车轮减速度的大小进行减压，在车轮加速度信号发生之前为止进行减压的方法，不一定是在所有路面上都最合理的。有时引起过大的减压，往往把制动器压力的减压幅度超过需求水平以上的大小。路面的制动力系数越大，产生过大减压的现象越严重。所以，不利于缩短制动距离。但是，为了防止这一现象，只在车轮减速度信号发生期间降低制动器压力，就重新出现前述的缺点（制动器减压速度不充分）。因此，只根据加速度来实现所有路面和运动状态上进行最合理的控制是不可能的。（4）车轮减速度、车轮加速度以及滑移率作为控制参数的方式前面阐述的三种方式的基本问题整理如下：在高路面上产生过大减压，或是在低路面上发生车轮抱死。在突变的路面的适应性差。特别是从高路面向低路面跳跃时的车轮抱死。以低档跟发动机连接在一起时驱动轮容易抱死。这些问题当然是在ABS实用化的第一阶段必须解决的课题。于是，为解决这些问题滑移率的信息是不可少的控制参数。根据从高路面向低的路面突变情况，确定了制动器压力减压速度之后，必须充分地利用滑移率这个参数，寻求对高路面和低路面都适应的减压时间。所以，这种控制方式就是把车轮减速度信号、加速度信号以及滑移率信号组合在一起实现控制。这里，首先阐述近似计算滑移率时使用的参考车速的计算方法，然后说明解决上述问题的控制方法。最后，将要介绍对制动装置的滞后现象，避免驱动轴共振，实现稳定控制的问题，引入了阶梯性控制制动器压力的脉冲控制技术，并举例介绍了实用的控制方法。汽车的双回路制动控制中，有对角线（X型）布置的驱动轮和非驱动轮（例如后驱动汽车的右前轮和左后轮）的车轮速度所产生的两个中，选取一个较大的作为控制参数，这种处理方法叫做选择高（Select-High）或者高选择（High-Select）技术的一种。上述的两个车轮作为研究对象的理由是，这样做可使的变化接近于实际车速，这是准确计算车轮的滑移率的最有效的方法。对于另一对角线布置的车轮采用同样的方法计算参考车速，这样可以把两个对角线布置的车轮的旋转独立的监控，这种方式的优点很多。以两个车轮为控制对象的技术根据有如下三个。把驱动轮用低速档位跟发动机连在一起的时候，非驱动轮同驱动轮相比转动惯量小，对制动器制动力的变化很敏感，所以可以得到以下两个结论。a) 刚开始进行制动后的短时间内，驱动轮的参考车速很接近车体速度。b) 由于非驱动轮比驱动轮很早开始受控制，所以在受控制初期的非驱动轮的参考车速很接近于车体速度。转弯制动时，由于前后左右同时发生载荷的转移，所以在四个轮中转弯外侧的前轮的地面制动力变为最大，内侧后轮的地面制动力变为最小。因此，一般转弯外侧的前轮最不容易抱死，其最近似于。在车辆的左右轮不同的路面上，所谓非对称路面（分段路面）上进行制动时，由于大的一方的车轮最不容易抱死，所以，其车轮的是最近似于。图6-18 两个滑移信号-1、-2利用这一来计算出如图6-18所示的设定值不同的两个滑移率信号、。于是，把这些跟车轮加、减速度信号进行组合，可以实现如下的控制过程。a) 为了防止在特性的稳定区域上不必要的减压，开始制动之前的信号只是保持制动器压力，该信号发生期间内发生信号时，就第一次开始进行制动器压力的减压，开始进行控制循环。但是，在发生信号之前，若发生信号时，就直接开始进入控制循环。因此，根据这一方式得到的控制循环，无论是车轮的转动惯量和路面的制动力系数的大小如何变化，能够得到有效的、确实的控制循环。于是，能够确实地防止在低速档位和发动机连在一起的驱动轮被抱死的现象。b) 第二次以后的控制循环上的减压是由信号或者信号开始。c) 在高路面上，信号的消失同时停止减压，在低路面上，信号发生同时停止减压。这是如前所述的实现高以及低路面上合理的减压时间的一种方法。现有的ABS装置减压机构的减压速度受制动器装置（特别是轮缸）刚性的影响，在高压区域里减压快，在低压区域里减压非常缓慢，所以，在制动器压力高的高路面上缩短减压时间，防止过大的减压，而对制动器压力低，地面制动力也小，车轮的重新加速慢的低的路面上，充分加长减压时间，以保证车轮恢复正常的加速状态。为此，路面的识别是由信号来进行的。即，信号消失时发生信号，认为这一路面是低的路面。另外，从高路面向低路面突变的跳跃时，也采用同样方法识别控制。这一识别方法从理论上不能说是一种正确的方法，但是，如前所述，由于减压速度是根据制动器压力的高、低压区而变化，缩短了车轮在低路面上的重新加速过程，制动过程中的车轮速度变化幅度增大了。所以作为预测控制技术在实用上是没有问题的。d) 在发生信号的期间保持，该信号消失以后，没有发生其他信号时，将缓慢的进行增压。e) 在发生信号的期间急速增加。这是对从低向高路面突变，或者产生减压过多工况是有效的。2. 实用化的控制技术解决了上述几个基本问题之后，对预测控制技术上还留下了两个高难度的问题。一个是制动器装置的滞后问题，另一个是传动轴的振动问题。(1) 制动器装置的滞后问题制动器压力和制动器转矩之间必然存在如图6-19所示的滞后现象。因此，为减少制动器转矩，首先有必要急剧消除压力差，为增大制动器转矩，首先有必要急剧弥补的压力差。制动器装置的滞后问题取决于制动器刚度，制动器刚度又取决于消除间隙引起的空行程，制动软管的弹性变形，轮缸的刚度等。为了使制动器转矩和制动器压力相适应，必须采用从接近稳定界限的稳定区域瞬间开始，急速弥补相当于该滞后的压力差的控制方法。但是，这一滞后现象随制动器压力的值和制动器装置的种类不同而不同。所以如图6-20所示，必须根据滞后的大小来变更压力差的值。这个事情暗示我们学习控制技术的必要性。 图6-19 制动器装置的滞后现象 图6-20 滞后的补偿(2) 传动轴的振动问题通过传动轴将驱动轮和发动机连在一起，组成了如图6-21所示的振动系统。根据控制时变化的制动器转矩，在传动轴的旋转方向上产生扭转振动。为此，有可能给ABS带来错误的动作，即由于轮胎转矩随制动器转矩急剧变化，振动系统将按两个转动惯量、和传动轴扭转弹性系数所确定的固有频率的振动，导致驱动轮的进行变化。其结果由于发生了各种控制信号，出现了和的共振现象。出现了与实际车轮的旋转无关系的振动，因此，进行不必要的的控制。 图6-21 发动机-转动轴-驱动轮的振动系统也就是，有时的增压速度过大，有时减压速度过大和对滞后现象的反映迟缓。在这些振动中为了防止增压速度过大现象，必须把的增压速度从减压速度的设计成。还有，为了防止减压速度过大和滞后现象，利用信号的急剧增压功能来弥补基础上，解决滞后现象，然后尽量减小振动的振幅的同时，还必须采用不受该振动影响的增压技术。因此，人们想到的就是把制动器压力用阶梯控制的脉冲阶跃控制技术。这就是由Robert Bosch公司确立的技术，具有如下的特点：当信号已经消失时信号也消失，就意味着向稳定区域的恢复已结束了，从该瞬间开始在一定时间内提高，在提高压力过程中，首先对应滞后，然后车轮速度再次进入非稳定区域之前，以一定的时间间隔（）进行阶段性的增压。因为，设定值比系统固有振动频率大的多，完全可以防止共振的发生。由于的阶跃量小，（时间间隔）长，如图6-22所示能够长时间保持接近稳定界限的稳定区域内。图6-22 脉冲阶跃控制的控制循环以一定数量的脉冲还不能使车轮速度进入非稳定区域时，在此后的时间内无限地增大制动器压力，把车轮速度强制地进入非稳定区域内之后，继续进行控制循环。这种方法对低速档和发动机连在一起的转动惯量大，对制动器转矩不敏感的驱动轮非常有效。当信号消失时，发生信号，此后不发生信号的状态长时间继续保持情况，以及信号消失时，发生信号的情况，这两种情况表明的减压稍微不足状态。于是到发生信号为止进行阶段性的减压。从而弥补其减压不足，并保证车轮速度的恢复。总之，车轮加、减速度信号的基础上再增加了车轮的滑移率信号时，可以实现多种多样的控制，也能适应车轮的所有旋转状态。因此，这一控制方式可以说是预测控制技术的结论。3. 学习控制技术采用预测控制技术使ABS达到了实用化的程度，为了进一步提高控制性能，使其适应各种车型、各种路面及运输条件，为扩大ABS的应用范围，至少必须解决以下几个问题。更准确地识别各种路面。适应实际安装各种不同制动器的滞后现象。适应变速档位不同而不同的车轮的转动惯量。这些问题是一边学习前一个控制循环上的各个参数的状态，一边进行控制的学习技术来解决。(1) 路面的识别在预测控制技术中，当发生信号时，把这个路面看作是低路面。但是，这一点从理论上讲是不准确的，将使控制过程中的车轮速度变化幅度，也就是滑移率变化幅度不必要地进行增大，这是导致控制性能降低的主要原因。因此，为了进一步加大制动器压力的减压速度，使车轮重新加速更快，可利用下述方法正确地识别路面。图6-23 阶段性减压过程的学习如图6-23所示，学习前面介绍的阶段性的减压过程，当信号消失时，发生信号，此后在长时间内不发生信号，并进行两次阶段性的减压时，认为该路面为低路面。所以，从下次控制循环开始信号发生之前连续进行减压。在图6-23中状态（Phase）3中进行的学习效果，是在状态6中表现出来了。可以看出，的重新加速过程提前了，其振幅也变小了。这个方法如前所述对低路面上，因为车轮的重新加速度小，所以从信号消失开始到信号发生为止的时间变长了，以这个时间为依据识别路面比较准确。还有，在以后的控制循环中，发生信号时认为路面的变大，可以断定轮胎转矩比制动器转矩大的多，则下一个控制循环开始恢复原来的控制方法。但是，从高向低跳跃时，如图6-24所示，由于在最初控制循环中发生信号，所以直接转入在低路面的控制方法，在发生信号之前继续按低路面进行控制。图6-24 从高的向低的跳跃时的控制循环(2) 对不同滞后和不同转动惯量的措施制动器装置的滞后和车轮的当量转动惯量不同时，车轮的重新加速过程也不同。恢复到稳定区域的旋转状态也不一定是最佳。因此，至少学习恢复到稳定区域后的重新减速的过程，并识别其差异，需要调整阶段性升压的第一阶梯压力。从这里想到的是，第一阶梯压力完了之后，车轮重新进入非稳定区域之前的升压阶梯数，然后根据的大小随时变更下次控制循环上所需的时间。一般认为等于34最合适，实验结果也证明了这一点，因此，只要在这个范围之内，认为对滞后或者转动惯量是合适的。所以，没必要变更下一个控制循环的，不在这个范围内则不合适，需要按如图6-25变更。在图6-25的上图里，最初压力上升过程中，很明显地表示的不足，所以，在下一个过程中把增加。还有，在图6-25的下图里的最初的过程为，很明显的过大。所以，在下一个过程中把减去。于是，其结果下一个控制循环中的双方都比较合适，得到了的最合适的升压阶梯数。图6-25 重新减速过程的学习根据这种控制技术，无论在什么路面和运输条件下，能够把车轮的旋转状态控制在非常狭窄的滑移率变化范围里，实现非常接近理想的控制。6-1-7. ABS存在的问题及其解决方法ABS是通过控制车轮轮缸或制动钳（盘式制动）的压力，完成增压、减压、保压等动作，防止车轮抱死，实现最佳制动控制。减压的方法是改变调节器的内腔容积，或者利用放泄阀、柱塞泵进行减压。可变容积式或采用柱塞泵的循环式减压回路一般都与主缸连在一起。因此，制动液流量的变化会通过主缸作用在制动踏板上，使踏板行程发生变化，并传递给驾驶员。ABS工作时，制动踏板行程经常发生变化，也就是发生打脚的现象，对于这种现象有两种看法。认为打脚现象出现后，可以使驾驶员知道ABS处于工作状态，即汽车车轮处于容易滑移的状态，应该允许的现象。认为制动踏板突然变化使驾驶员产生一种不舒适感，不应该允许的现象。图6-26 循环式调节器的原理但是，不管怎么说，在ABS工作过程中，最好能够控制踏板的行程发生过大的变化，即使这种变化是允许的，也要改善控制踏板变化降低到最低程度，这是一个研究方向。作为一个方法，增设一个阀门，隔断ABS的动作对主缸的影响。这种方法目前正在逐步实用。其基本原理如图6-26所示。在液压泵和主缸之间的管路中设置一个单向阀，不让高压制动液直接进入主缸，而是进入储能器中暂时储存起来。ABS的增压过程主要由储能器供给高压制动液。因此，可以控制ABS工作过程中产生的踏板行程变化。在控制踏板行程变化的同时，减轻ABS工作中的工作噪声也是一个课题。工作噪声产生的原因如下：制动液压力的变化引起的振动和噪声液压元件本身的振动向车体的传播。液压元件本身的工作噪声。具体地讲，柱塞泵输出液压的脉动产生的噪声，电磁阀的开闭使液压急剧变化产生脉动噪声，由于脉动产生制动管路的振动向车体的传播，放大器、液压泵、电机等的轴承的振动和噪声。为了减轻振动和噪声，可在管路系统中设置减振容器，还可在液压部件安装部位上增设柔性减振装置。6-2 驱动防滑控制系统ABS是制动时防止车轮抱死的控制系统，驱动防滑控制系统（TCS）是在雪地和冰雪路面等容易打滑的路面上加速行驶时，通过车轮滑转率的控制，防止驱动轮滑转的控制系统。驱动防滑控制系统提高了车辆的稳定性和加速性。6-2-1 驱动防滑控制系统的控制方法TCS是把驱动轮的滑转率控制在适当的范围里。轮胎对滑转率的特性具有与制动时的轮胎特性相同的特性。在TCS里为确保较大的纵向力和横向力，一般把滑转率设定在较小的范围内进行控制。驱动防滑控制系统的控制方法有，控制发动机的转矩的方法；控制制动力矩的方法；以及组合控制发动机的转矩和制动力矩的方法。 发动机转矩的控制方法：a、缩小油门开度b、减少燃料喷射量或者停止喷射c、调整点火时间 制动力矩控制方法：由于直接控制轮胎、所以其响应很敏捷。因为要施加跟平时的制动系统无关的制动压力，所以需要单独的压力源。在容易滑的低附着系数路面上过猛地踩油门踏板时，如何进行驱动防滑控制系统的控制，请看图6-27。从前轮（非驱动轮）的车轮速度传感器送来的信号推测车体速度，从后轮（驱动轮）的车轮速度传感器送来的信号演算滑转率，并决定控制目标速度而进行控制。在TCS控制里使用的控制基准速度设定为比控制目标速度高一些。一般，根据车辆的行使状态（曲线运动、直线运动）其设定值是不同的。驱动 图6-27 TCS控制方法轮速度超过控制基准速度时，增加制动器油压的同时，为减小发动机扭矩，关闭节气门。从而驱动轮控制在控制目标速度a附近。没有装配TCS的汽车，由于车轮速度急剧增加使车轮处于空转状态，所以稳定性不好（图中的虚线）。6-2-2 驱动防滑控制系统的效应以后轮驱动的车辆为例进行说明驱动防滑控制系统的效应（图6-28）。没有装配TCS的车辆来说，在附着系数低的路面上过猛地踩下油门踏板时，经常发生驱动轮打滑（滑转）的现象。此时的汽车后驱动轮的侧偏力几乎为零，从而增大横摆力矩，使汽车原地打转或者发生后轴侧滑等现象。TCS是检测出这一后轮的滑转率，把驱动轮滑移率控制在适当范围之内。其结果， 产生抵抗侧偏力、，可以减少横摆力矩，使车辆处于稳定状态。 增大驱动力、也增大了，驱动效率好，提高了加速性。根据以上的效果，汽车可以放心地进行曲线运动，提高汽车的轨迹性能。 图6-28驱动防滑控制系统的效应6-3 车辆横向稳定性控制系统车辆横向稳定性控制系统是为了维持汽车横向稳定性而控制制动系统和发动机的输出转矩，是在急剧操纵方向盘和路面状况急剧进行变化等不可预测状态下防止横摆运动和横向侧滑的装置。6-3-1 曲线运动临界状态的车辆不稳定现象影响车辆曲线运动性能的轮胎侧偏特性来说，不管是什么样的轮胎，在路面上其滑转率角度超过某一值时，就达到侧偏力饱和，前轮或者后轮接近临界状态，此时很难进行稳定的曲线运动。前轮或者后轮达到临界状态时的车辆处于不稳定的状态。通过实验证明，当车辆的后轮先达到临界状态并方向盘的转角超过某一转角时，车辆的横摆角速度不能收敛，就转到不稳定状态上去，车辆处于方向盘转角随车速越高转角越小的过多转向状态。因此，车辆的侧偏角急剧增加的不稳定现象，往往引起后轮的横向滑移、一般称为打转（激转）。通过实验还证明，当车辆的前轮先达到临界状态时，车辆的转弯半径变最小时的前轮侧偏角不随车速而变化基本一致。前轮的侧偏角超过转弯半径最小时的侧偏角时，尽管驾驶员把方向盘转角变的更大，但是转弯半径不但不减小，反而变大，导致不好进行转弯。证明了前轮的轮胎产生过分的侧滑，转弯就很困难，称为漂滑或者漂移现象。6-3-2 车辆横向稳定性控制系统的控制方法在表61里列出了为防止后轮或者前轮的横向滑移使汽车进入不稳定曲线运动的控制方法。车辆横向稳定性控制系统的控制方法有两种。一种是根据车体侧偏角和它的变化率增大时，在前外轮上附加制动力的自转稳定性控制方法。另一种是根据前轮侧偏角增大时，在后内轮为中心附加制动力的公转转弯性控制的方法。由于车体和车轮的侧偏角不能直接检测出，所以重要的一点就是如何根据各传感器的信息检测汽车的不稳定状态，如何精确地推测出横向滑移程度。车体或者车轮的侧偏角基本上是，根据横摆角速度的变化率、横向加速度、车速、转向角的信息而可以进行演算。在这里，还可以通过车辆的运动模型来提高推测精度，并采取处理斜坡度影响等措施。VSC的系统是由检测出车辆运动状态的横摆角速度传感器、横向加速度传感器、车轮速度传感器、转向角传感器、油门开度传感器，控制制动力、驱动力的促动器以及控制总成所组成。 表61 曲线运动临界状态时不稳定现象以及控制方法打转（原地激转）漂 移因