ABS汽车防抱死制动系统设计

第88页欢迎下载本文档参考使用，如果有疑问或者需要CAD图纸的请联系q1484406321本科生毕业设计ABS汽车防抱死制动系统设计摘 要ABS系统可以显著提高或改善汽车紧急制动时的操控性和稳定性，缩短了制动距离，是一种新型的汽车电子控制产品，并得到了越来越广泛的应用。本文以轿车为研究对象，展开对汽车ABS的研究。主要完成了以下的工作：通过对单个车轮时的受力分析确定了影响车轮附着系数的主要因素；通过比较电磁感应式轮速传感器和霍尔效应传感器的性能优缺点，采用并设计了霍尔效应式轮速传感器；通过对控制结构的分析设计了以INTEL公司生产的80C196KC单片机为核心的实时控制系统，包括信号输入电路、控制输出电路、驱动电路等硬件部分；经比较各种控制方案，确定了“逻辑门限制法”作为控制方案，并选用加速度和滑移率的组合作为控制参数。采用事件门限来计算车轮的转速。本文通过学习比较根据所学只是设计了ABS控制系统。从理论上实现了ABS的控制功能，完成了设计要求。在设计过程中对汽车制动理论和制动装置有了较为深入的了解，扩大了自己的知识面，自己解决问题的能力也得到了提高。关键词：防抱死制动系统 电子控制单元 门限值滑移率 轮速传感器Design of ABS antilock braking systemABSTRCTAnti-lock Braking System (ABS) is an important device to improve the active safety of vehicle. ABS can greatly improve steering control ability during the brake maneuver and shorten stopping distance. Today with the improvement of the vehicle speed, ABS is applied widely. With the car as the research object, the research on ABS has been carried on. And a series of work were finished: The dynamic situation of wheel was analyzed. Then, the model of hydraulic ABS was built and assured main complication affect the wheeler appendiculate coefficient.By comparing the capability of electromagnetism rotate speed sensor with Houer rotate speed sensor, we chose the later, and have designed a sensor of this kind.Via analyse the control system structure, we have designed a real-time system with the singlechip 80c196kc produced by Intel company .It comprises with signal input, singlechip system, output, drive electro circuit and otherwise parts of hardware segment.After comparing the different projects of the controllers, the method of logic rate has been comfirmed, and the combination of acceleration and slippage rate as been chose as control parameters. The time gate method to calculate the wheel rotate speed was adopted.In this paper, based on the knowledge I have mastered, I designed a ABS system and realized the control function in theory, accomplished my assignment. I have gotten a in-depth understand of motorcar trig theory and equipment. It widen my knowledge scope, improved my ability of solving problems.Kyewords: ABS electronic control slippage gate rotate speed sensor 目 录1 防抱死制动系统概述11.1 ABS的功能11.2 防抱死制动系统的发展历史21.3 防抱死制动系统的发展趋势31.4 国内ABS系统研究的理论状态和具有代表的ABS产品公司52 防抱死制动系统基本原理72.1 制动时汽车的运动72.1.1 制动时汽车受力分析72.1.2 车轮抱死时汽车运动情况82.2 滑移率定义102.3 滑移率与附着系数关系102.4 制动时车轮运动方程122.5 采用防抱死制动的必要性132.6 防抱死制动系统的基本工作原理143 防抱死制动系统硬件设计183.1 防抱死制动系统的布置形式与组成183.1.1防抱死制动系统的布置形式183.1.2防抱死制动系统的基本组成213.2 80C196KC最小系统233.2.1 CPU简介243.2.2 时钟电路设计283.3 防抱死制动系统轮速传感器选择293.3.1霍尔传感器的设计323.3.2霍尔开关电路的选择323.3.3传感器齿盘的设计343.4 防抱死制动调压系统工作过程9353.5 电源设计393.6 信号输入电路设计393.7 电磁阀驱动电路的设计403.8 泵电机驱动电路的设计433.9 ABS系统报警LED灯设计443.10 EPROM和RAM的扩展453.11故障诊断硬件电路设计473.12硬件抗干扰设计483.13车轮制动器的选择524 防抱死制动系统软件设计544.1 控制方案和控制参数的选取554.2 控制参数及其计算564.2.1门限减速度的求取564.2.2门限加速度的求取584.2.3路面识别技术584.2.4车身参考速度的确定584.3 控制过程624.4 程序设计655 结论与展望675.1 研究工作总结675.2 防抱死制动系统发展方向67参考文献70英文翻译68附录77致谢84 1 防抱死制动系统概述1.1 ABS的功能 汽车ABS在高速制动时用来防止车轮抱死，ABS是英文Anti-lock Brake Syetem的缩写，全文的意思是防抱死制动系统，简称ABS。凡驾驶过汽车的人都有这样的经历：在积水的柏油路上或在冰雪路面紧急制动时，汽车轻者会发生侧滑，严重时会掉头、甩尾，甚至产生剧烈旋转。制动力过大，将使车轮抱死，汽车方向失去控制后，若是弯道就有可能从路边滑出或闯入对面车道，即使不是弯道也无法躲避障碍物，产生这些危险状况的原因在于汽车的车轮在制动过程中产生抱死现象，此时，车轮相对于路面的运动不再是滚动，而是滑动，路面作用在轮胎上的侧滑摩擦力和纵向制动力变得很小，路面越滑，车轮越容易。总之，汽车制动时车轮如果抱死将产生以下不良影响：方向失去控制，出现侧滑、甩尾，甚至翻车；制动效率下降，延长了制动距离；轮胎过度磨损，产生“小平面”，甚至爆胎。ABS防抱死制动装置就是为了防止上述缺陷的发生而研制的装置，它有以下几点好处：增加制动稳定性，防止方向失控、侧滑和甩尾；提高制动效率，缩短制动距离（松软的沙石路面除外）；减少轮胎磨损，防止爆胎。现代轿车的ABS由输入传感器、控制电脑、输出调制器及连接线等组成。输入传感器通常包括死个车轮的轮速信号、刹车信号，个别车型还有减速度信号、手刹车或车油面信号。ABS的第一个优点是增加了汽车制动时候的稳定性。汽车制动时，四个轮子上的制动力是不一样的，如果汽车的前轮抱死，驾驶员就无法控制汽车的行驶方向，这是非常危险的；倘若汽车的后轮先抱死，则会出现侧滑、甩尾，甚至使汽车整个掉头等严重事故。ABS可以防止四个轮子制动时被完全抱死，提高了汽车行驶的稳定性。汽车生产厂家的研究数据表明，装有ABS的车辆，可使因车论侧滑引起的事故比例下降8%左右。ABS的第二个优点是能缩短制动距离。这是因为在同样紧急制动的情况下，ABS可以将滑移率（汽车华东距离与行驶的比）控制在20%左右，即可获得最大的纵向制动力的结果。ABS的第三个优点是改善了轮胎的磨损状况，防止爆胎。事实上，车轮抱死会造成轮胎小平面磨损，轮胎面损耗会不均匀，使轮胎磨损消耗费增加，严重时将无法继续使用。因此，装有ABS具有一定的经济效益和安全保障。另外，ABS使用方便，工作可靠。ABS的使用与普通制动系统的使用几乎没有区别，紧急制动时只有把脚用力踏在制动踏板上，ABS就会根据情况进入工作状态，即使雨雪路滑，ABS也会使制动状态保持在最佳点。ABS利用电脑控制车轮制动力，可以充分发挥制动器的效能，提高制动减速度和缩短制动距离，并能有效地提高车辆制动的稳定性，防止车辆侧滑和甩尾，减少车祸事故的发生，因此被认为是当前提高汽车行驶安全性的有效措施。目前ABS已经在国内外中高级轿和客车上得到了广泛使用。1.2 防抱死制动系统的发展历史ABS装置最早应用在飞机和火车上，而在汽车上的应用比较晚。铁路机车在制动时如果制动强度过大，车轮就会很容易抱死在平滑的轨道上滑行。由于车轮和轨道的摩擦，就会在车轮外圆上磨出一些小平面，小平面产生后，车轮就不能平稳地行驶，产生噪声和挣动。1908年英国工程师J. E. Francis提出了“铁路车辆车轮抱死滑动控制器”理论，但却无法将它实用化。接下来的30年中，包括Karl Wessel的“刹车力控制器”、Werner Mhl的“液压刹车安全装置”与Richard Trappe的“车轮抱死防止器”等尝试都宣告失败。在1941年出版的汽车科技手册中写到：“到现在为止，任何通过机械装置防止车轮抱死危险的尝试皆尚未成功，当这项装置成功的那一天，即是交通安全史上的一个重要里程碑”，可惜该书的作者恐怕没想到这一天竟还要再等30年之久。当时开发刹车防抱死装置的技术瓶颈是什么？首先该装置需要一套系统实时监测轮胎速度变化量并立即通过液压系统调整刹车压力大小，在那个没有集成电路与计算机的年代，没有任何机械装置能够达成如此敏捷的反应！等到ABS系统的诞生露出一线曙光时，已经是半导体技术有了初步规模的1960年代早期。精于汽车电子系统的德国公司Bosch（博世）研发ABS系统的起源要追溯到1936年，当年Bosch申请“机动车辆防止刹车抱死装置”的专利。1964年（也是集成电路诞生的一年）Bosch公司再度开始ABS的研发计划，最后有了“通过电子装置控制来防止车轮抱死是可行的”结论，这是ABS（Antilock Braking System）名词在历史上第一次出现！世界上第一具ABS原型机于1966年出现，向世人证明“缩短刹车距离”并非不可能完成的任务。因为投入的资金过于庞大，ABS初期的应用仅限于铁路车辆或航空器。Teldix GmbH公司从1970年和奔驰车厂合作开发出第一具用于道路车辆的原型机ABS 1， 该系统已具备量产基础，但可靠性不足，而且控制单元内的组件超过1000个，不但成本过高也很容易发生故障。1973年Bosch公司购得50的Teldix GmbH公司股权及ABS领域的研发成果，1975年AEG、Teldix与Bosch达成协议，将ABS系统的开发计划完全委托Bosch公司整合执行。“ABS 2”在3年的努力后诞生！有别于ABS 1采用模拟式电子组件， ABS 2系统完全以数字式组件进行设计，不但控制单元内组件数目从1000个锐减到140个，而且有造价降低、可靠性大幅提升与运算速度明显加快的三大优势。两家德国车厂奔驰与宝马于1978年底决定将ABS 2这项高科技系统装置在S级及7系列车款上。在诞生的前3年中，ABS系统都苦于成本过于高昂而无法开拓市场。从1978到1980年底，Bosch公司总共才售出24000套ABS系统。所幸第二年即成长到76000套。受到市场上的正面响应，Bosch开始TCS循迹控制系统的研发计划。1983年推出的ABS 2S系统重量由5.5公斤减轻到4.3公斤，控制组件也减少到70个。到了1985年代中期，全球新出厂车辆安装ABS系统的比例首次超过1，通用车厂也决定把ABS列为旗下主力雪佛兰车系的标准配备。图1-1 BOSCH防抱死制动系统1.3 防抱死制动系统的发展趋势（1）ABS本身控制技术的提高现代制动防抱死装置多是电子计算机控制，这也反映了现代汽车制动系向电子化方向发展。基于滑移率的控制算法容易实现连续控制，且有十分明确的理论加以指导，但目前制约其发展的瓶颈主要是实现的成本问题。随着体积更小、价格更便宜、可靠性更高的车速传感器的出现，ABS系统中增加车速传感器成为可能，确定车轮滑移率将变得准确而快速。全电制动控制系统BBW (Brake-By-Wire)是未来制动控制系统的发展方向之一。它不同于传统的制动系统，其传递的是电，而不是液压油或压缩空气，可以省略许多管路和传感器，缩短制动反应时间，维护简单，易于改进，为未来的车辆智能控制提供条件。但是，它还有不少问题需要解决，如驱动能源问题，控制系统失效处理，抗干扰处理等。目前电制动系统首先用在混合动力制动系统车辆上，采用液压制动和电制动两种制动系统。（2）防滑控制系统防滑控制系统ASR (Acceleration Slip Regulation)或称为牵引力控制系统TCS(Traction Control System)是驱动时防止车轮打滑，使车轮获得最大限度的驱动力，并具有行驶稳定性，减少轮胎磨损和发动机的功耗，增加有效的驱动牵引力。防滑控制系统包括两部分:制动防滑与发动机牵引力控制。制动部分是当驱动轮 (后轮)在低附着系数路面工作时，由于驱动力过大，则产生打滑，当ASR制动部分工作时，通过传感器将非驱动轮及驱动轮的轮速信号采集到控制器 中，控制器根据轮速信号计算出驱动车轮滑移率及车轮减、加速度，当滑移率或减、加速度超过某一设定阀值时，则控制器打开开关阀，气压由储气筒直接进入 制动气室进行制动，由于三通单向阀的作用气压只能进入打滑驱动轮的制动气 室，在低附着系数路面上制动时，轮速对压力十分敏感，压力稍稍过大，车轮就会抱死。为此利用ABS电磁阀对制动压力进行精细的调节，即用小步长增压或减压，以达到最佳的车轮滑移的效果 既可以得到最大驱动力，也可保持行驶的稳定性。（3）电子控制制动系统由于ass在功能方面存在许多缺陷，如气压系统的滞后，主车与接车制动相容性问题等。为改善这些，出现了电子制动控制系统EBS (Electronics Break System)它是将气压传动改为电线传动，缩短了制动响应时间。最重要的特点是各个车轮上制动力可以独立控制。控制强度则由司机踏板位移信号的大小来决定，由压力调节阀、气压传感器及控制器构成闭环的连续压力控制，这样可以在外环形成一个控制回路，来实现各种控制功能，如制动力分布控制、减速控制、牵引车与挂车处祸合力控制等。（4）车辆动力学控制系统车辆动力学控制系统VDC (Vehicle Dynamics Control)是在ABS的基础上通过测量方向盘转角、横摆角速度和侧向加速度对车辆的运动状态进行控制。VDC系统根据转向角、油门、制动压力，通过观测器决定出车辆应具有的名义运动状态。同时由轮速、横摆角速度和侧向加速度传感器测出车辆的实际运动状态。名义状态与实际状态的差值即为控制的状态变量，控制的目的就是使这种差值达到最小，实现的方法则是利用车轮滑移率特性。车辆动力学控制系统目的是改善车辆操纵的稳定性，它可以在车辆运动状态处于危险状态下自动进行控制。其主要作用就是通过控制车辆的横向运动状态，使车辆处于稳定的运动状态，使人能够更容易地操纵车辆。（5）控制系统总线技术随着汽车技术科技含量的不断增加，必然造成庞大的布线系统。因此，需要采用总线结构将各个系统联系起来，实现数据和资源信息实时共享，并可以减少传感器数量，从而降低整车成本，朝着系统集成化的方向发展。目前多使用CAN控制器局域网络(Controller Area Network)用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。1.4 国内ABS系统研究的理论状态和具有代表的ABS产品公司我国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。清华大学汽车安全与节能国家重点实验室有宋健等多名博导、教授,有很强的科技实力,他们还配套有一批先进的仪器设备,如汽车力学参数综合试验台、汽车弹射式碰撞试验台及翻转试验台、模拟人及标定试验台、Kodak 高速图像运动分析系统、电液振动台、直流电力测功机、发动机排放分析仪、发动机电控系统开发装置及工况模拟器、计算机工作站及ADAMS、IDEAS 软件、非接触式速度仪、噪声测试系统、转鼓试验台、电动车蓄电池试验台、电机及其控制系统试验台等。该实验室针对ABS 做了多方面的研究,其中,在ABS 控制量、轮速信号抗干扰处理、轮速信号异点剔除、防抱死电磁阀动作响应研究等方面的研究处于国内领先地位。吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室以郭孔辉院士为代表的研究人员致力于汽车操纵稳定性、汽车操纵动力学、汽车轮胎模型、汽车轮胎稳态和非稳态侧偏特性的研究,在轮胎力学模型、汽车操纵稳定性以及人- 车闭环操纵运动仿真等方面的研究成果均达到世界先进水平。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。另外,他们在基于MAT2LAB 仿真环境实现防抱死控制逻辑、基于VB 开发环境进行车辆操纵仿真和车辆动力学控制的模拟研究等方面也颇有研究。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。山东重汽集团引进国际先进技术进行的研究也已取得了一些进展。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。本文主要讲述以80C196KC单片机为核心，完成了信号输入回路、输出驱动回路、电源部分及故障诊断等硬件电路设计，对轮速传感器、电磁阀等的故障检测电路进行了设计。2防抱死制动系统基本原理2.1 制动时汽车的运动2.1.1 制动时汽车受力分析汽车在制动的过程中主要受到地面给汽车的作用力、风的阻力和自身重力的作用。地面对汽车的作用力又分为:作用在车轮上垂直于地面的支承力和作用在车轮上平行于地面的力。汽车在直线行驶并受横向外界干扰力作用和汽车转弯时所受到地面给汽车的力如图 2-1所示。其中Fx为地面作用在每个车轮上的地面制动力，他的大小决定于路面的纵向附着系数和车轮所受的载荷。所有车轮上所受地面制动力的总和作为地面给汽车的总的地面制动力，他是使汽车在制动时减速并停止的主要作用力。Fy为地面作用在每个车轮上的侧滑摩擦力，侧滑摩擦力的大小取决于侧向附着系数和车轮所受的载荷，当车轮抱死时，侧滑摩擦力将变得很小，几乎为零。汽车直线制动时，若受到横向干扰力的作用，如横向风力或路面不平，汽车将产生侧滑摩擦力来保持汽车的直线行驶方向，如图2-1（a）图2-1 汽车直线和转弯制动时的平面受力简图所示。若汽车在转弯时制动或在制动时转弯，也将产生侧滑摩擦力使汽车能够转向，如图2-1 (b)所示。地面制动力决定制动距离的长短，侧滑摩擦力则决定了汽车制动时的方向稳定性。这里将作用在前轮上的侧滑摩擦力称为转弯力，将作用在后轮上的侧滑摩擦力称为侧向力。转弯力和汽车的方向操纵性有关，它保证了汽车能够按照驾驶员的意愿转向;侧向力和汽车的方向稳定性有关，它保证了汽车的行进方向。转弯力越大，汽车的方向操纵性越好;侧向力越大，汽车的方向稳定性越好。如上所述，施加适当的制动，能够有效地使汽车停下。制动强度过大，是汽车发生各种危险运动状况的主要原因。因此，汽车行驶时，要根据冰路、雪路、砂石路、坏路、水湿路、干路、直路、弯曲路等道路条件，根据汽车速度、方向转角等行驶条件进行制动操作，必须时常注意不能让车轮完全抱死。2.1.2 车轮抱死时汽车运动情况车轮抱死时汽车所受到的侧滑摩擦力将会变的很小，这将使汽车制动时保持方向操纵性和方向稳定性的转弯力和侧向力变的很小，使汽车在制动时出现一些危险的运动情况。对ABS系统来说，就是要防止这些危险情况的出现。下面从汽车在一种路面上直线和转弯制动两方面简单讨论一下当车轮抱死时汽车的运动情况。（1）汽车在一种路面上直线运动制动车轮抱死时可能出现的运动情况如图2-2所示。图2-2 (a)为只有前轮抱死时，由于前轮的转弯力基本为零，无法进行正常的转向操作。为制动时前轮全部抱死而后轮不抱死汽车的运动情况示意，当前轮抱死时转弯力为零，驾驶员无法控制汽车的方向使汽车转向来避让前方的障碍物，这时由于汽车后轮不抱死，所以汽车仍具有侧向力来维持方向稳定性。图2-2 (b)为只有后轮抱死时，后轮的侧向力接近于零，汽车仍具有方向操纵性，但会因后轮抱死而失去方向稳定性使汽车侧滑。汽车不能保持原来的行驶方向，由于离心力和前轮转向力的作用，汽车将一面旋转一面沿曲线行驶(这种运动叫外旋转)。图2-2 (c)为前后车轮全部抱死时时转弯力和侧向力都为零，这种状态很不稳定，路面不均匀、左右轮地面制动力不相等时，即使对汽车施加很小的偏转力矩，汽车就会产生不规则运动而处于危险状态，在不规则旋转的过程中将制动释放，汽车就会沿着瞬时行驶方向急速驶出，这也是很危险的。（2）汽车在一种路面上转弯制动车轮抱死时可能出现的运动情况如图 2-3所示。所有这些运动情况若在制动时出现，都是极其危险的。从上面对出现这些危险运动情况的简单分析可以看出，制动时车轮抱死导致汽车出现各种危险运动情况，实质上是汽车因失去相应的维持本身方向稳定性方向操纵性的侧滑摩擦力而使汽车出现这些运动情况，即车轮抱死导致汽车的侧滑摩擦力为零。车轮的抱死程度和汽车的地面制动力及汽车的侧滑摩擦力之间存在一定的关系，ABS之所以能防止汽车制动时出现危险的运动情况，就是根据这个关系来调整车轮的运动状态，以避免侧滑摩擦力为零。图2-2 汽车直线制动车轮抱死时的运动情况图2-3 汽车转弯制动车轮抱死时的运动情况2.2滑移率定义通常,汽车在制动过程中存在着两种阻力:一种阻力是制动器摩擦片与制动鼓或制动盘之间产生的摩擦阻力,这种阻力称为制动系统的阻力,由于它提供制动时的制动力,因此也称为制动系制动力;另一种阻力是轮胎与道路表面之间产生的摩擦阻力,也称为地面制动力。地面对轮胎切向反作用力的极限值称为轮胎- 道路附着力,大小等于地面对轮胎的法向反作用力与轮胎- 道路附着系数的乘积。如果制动系制动力小于轮胎- 道路附着力,则汽车制动时会保持稳定状态,反之,如果制动系制动力大于轮胎- 道路附着力,则汽车制动时会出现车轮抱死和滑移。地面制动力受地面附着系数的制约。当制动器产生的制动系制动力增大到一定值(大于附着力)时,汽车轮胎将在地面上出现滑移。汽车的实际车速与车轮滚动的圆周速度之间的差异称为车轮的滑移率。滑移率S的定义式为: -（2-3） 式中:S 滑移率;Vt 汽车的理论速度(车轮中心的速度) ; 汽车车轮的角速度;r 汽车车轮的滚动半径。由上式可知:当车轮中心的速度(即汽车的实际车速) Vt 等于车轮的角速度和车轮滚动半径r 乘积时,滑移率为零( S = 0) ,车轮为纯滚动;当 = 0时,S = 100 % ,车轮完全抱死而作纯滑动;当0 S 100 %时,车轮既滚动又滑动。2.3 滑移率与附着系数的关系图2-4 给出车轮与路面纵向附着系数和横向附着系数随滑移率变化的典型曲线。当轮胎纯滚动时,纵向附着系数为零;当滑移率为15 %30 %时,纵向附着数达到峰值;当滑移率继续增大,纵向附着系数持续下降,直到车轮抱死( S = 100 %) ,纵向附着系数降到一个较低值。另外,随着滑移率增大,横向附着系数急剧下降,当车轮抱死时,横向附着系数几乎为零。从图1 可以看出,如果能将车轮滑移率控制在15 %30 %的范围内,则既可以使纵向附着系数接近峰值,同时又可以兼顾到较大的侧向附着系数。这样,汽车就能获得最佳的制动效能和方向稳定性。ABS 即是基于这一原理而研制的。图2-4 滑移率与附着系数关系实验证明，道路的附着系数受车轮结构、材料，道路表面形状、材料有关，不同性质道路其附着系数变化很大。图2.5给出了不同类型路面上滑移率-纵向附着系数之间的关系。 图2-5 不同路面上纵向、侧向附着系数与滑移率关系曲线由图2-5可以看出，各种路面上的变化的总体趋势是一致的。滑移率和纵向附着系数之间的关系曲线随路面类型的不同，出现峰值的滑移率的取值也会不一样，并且对应不同路面类型的滑移率-纵向附着系数曲线在峰值附着系数后曲线下降的速度也不相同，在干燥的路面上下降的快些，在湿滑的路面上略微有些下降。一般干燥洁净的平整水泥、沥青路面纵向峰值附着系数高达0.8-0.9，而冰雪路面的纵向峰值附着系数低至0.1-0.2。如果这种差别随路面类型的不同变化比较明显，则在设计ABS系统控制方法时，就必须考虑到随路面类型的不同而采取不同的控制目标和策略。若汽车在同一种类型路面上制动时的初速度不一样，车轮的纵向附着系数和滑移率之间的关系曲线也会略有不同，制动时的车速越高，车轮的纵向附着系数越低。但在同一路面上以不同制动初速度制动时车轮的附着系数-滑移率关系曲线不会有太大变化。总之，对于在一种路面上制动的汽车，车轮附着系数和滑移率之间的非线性特性是决定汽车制动性能的主要因素。实际上，汽车的制动过程就是车轮和路面之间的一种非线性变化过程，即车轮附着系数随车轮运动状态非线性变化的过程，所以说汽车的制动过程是一种非线性的制动过程。制动时汽车通过制动系统改变车轮的运动状态，从而改变车轮的滑移率，形成整个非线性的制动过程。2.4 制动时车轮运动方程制动过程单轮受力如图2-6所示。 图 2-6 制动过程车轮受力简图制动车轮轴荷与支撑力N平衡，该轮转动惯量J，半径r:，轴心平移速度V，转动角速度，制动器制动力矩M，通常与车轮制动压力成正比系数K, 则有地面制动力，紧急制动不计滑动阻力。则有Mr=Jddt=M-Fbr=Kp-Fbr-2-4Fb=Fs-2-5制动时制动力远大于空气阻力和滚动阻力，Fb1r，Fb2r，分别为右侧前后轮制动力，汽车初速为V0，质量为m(重力G)，质心c到前后轴距离l1,l2，轴距L,轮距B,质心高hg,汽车制动减速为 mdvdt=Fb1l+Fb2r+Fb2l+Fb2r-2-6前轴载荷 N1=Gl2L+dVdthgLg-2-7后轴载荷 N2=Gl1L-dVdthgLg-2-8制动时附加转向力矩Ms=Fb1l+Fb2l-Fb1r+Fb2rB=Fb1l-Fb1r+Fb2l-Fb2r-2-9V=v0+0tdVdtdt-2-10 从式(2-4)可知，调节制动压力可以使车轮角减速度产生变化:从式(2-10)计算制动时的瞬时车速V，可计算各车轮滑移率，从式 (2-7) (2-8)及各轴载荷可以判断道路附着系数，并进行调节，故知ABS可以用dW/dt(角加速度)或滑移率S，或滑移率与角加速度联合作为控制参数。2.5 采用防抱死制动系统的必要性汽车直线行驶过程中，突然紧急制动，汽车车轮一下子抱死，汽车仍然向前行滑，轮胎和地面之间发出吓人的磨擦声，汽车最后终于停了下来。在日常生活中，大家都可能遇到过这种现象。如果汽车发生交通事故，交通警察来了之后首先总是检查一下汽车制动痕迹，判断司机在事故中是否采取了制动措施。然后再测量一下制动距离，看一看该车制动效果好不好。当轮胎的滑移率在8%25%时，轮胎和她面的摩擦力 (附着力)最大。如果轮胎的滑移率过大的话，附着力反而要降低。如果司机能控制轮胎的滑移率，使其在制动期间始终处于8%-25%范围之内，汽车将在更短的制动距离内停车。当汽车转向时，如果汽车紧急制动的话，和直线行驶一样会出现车轮抱死现象。由于车轮抱死，汽车的侧向附着力变成了零，汽车轮胎出现侧向滑动，汽车丧夫了控制方向的能力，这是十分危险的。汽车的侧向附着力和制动力之间的关系十分紧密。在不制动的时候，轮胎前后方向的滑动为零，这时车轮侧向附着力最大。司机踏动制动踏板，随着制动力的加大，轮胎的滑移率增加，侧向附着力逐渐减速小。最后，当轮胎的滑移率达到 100%时，轮胎抱死。这样汽车的侧向附着力几乎等于零。此时汽车正在转弯中，轮胎开始出现侧向滑动。在车轮抱死之后，方向盘己经不起作用了，汽车陷入了不能控制方向的困境，只有前轮抱死的汽车沿着直线前进最后停车，只有后轮抱死的汽车发生旋转现象最后停车，如果前后轮都抱死的话，汽车一边转一边沿直线前进最后停车。上述各种状态是极其危险的。为了避免发生这些现象，司机在踏动制动板时，必须谨慎从事。在制动过程中，如果始终能使轮胎的滑移率处于8%25%范围之内的话，汽车将在最短的制动距离内停车并具有良好的控制方向的能力。为了达到上述目的，要求司机在操作时应十分精心，即踏动制动踏板使车轮抱死，然后在轮胎抱死的一瞬间放松制动踏板，轮胎一旦开始转动再踏动制动踏板使车轮抱死，如此反复操作。在摩擦系数小的光滑路面上，司机在制动时都很小心，唯恐使车轮抱死，但仍很难做到，原因是司机不知道车轮什么时候抱死。除此之外，汽车行驶 的许多条件也都在变化之中，如道路的路面状况时时刻刻都在变化，轮胎着地状 态也每时每刻各不一样，前后轮胎的载荷分配更是如此。要完成上述制动要求确实难上加难。当然技术熟练的司机在某种程度上能根据各种条件合理地操作制动，如采用点制动。可是一旦遇上紧急状态，大多数人都是一脚踏死制动踏板，使轮胎抱死为此。上述司机做不到的许多事，利用传感器就能办到。将传感器的数据进行整理、判断、变成执行机构所必需的信息，这部分工作对于电脑来说是很简单的，按照 电脑的指令执行操作，这在机械结构上也不会有什么大问题。ABS系统调节作用到每个车轮制动缸的制动液压力，以防止无论任何时由于制动过猛而可能引起的车轮抱死。当不再有可能抱死车轮时，再恢复正常压力。使滑移率控制在一定范围之内。这样不但提高了车辆行驶的稳定性，增强了车辆方向的可控性，而且缩短了制动距离。2.6 防抱死制动系统基本工作原理 ABS系统是通过在制动时按一定规律不断改变制动液压力使车轮不产生抱死状态的。这种对制动液压力的改变过程实际上就是ABS系统控制方法实施的过程。下面以基于车轮加减速度逻辑门限值的控制方法对直线单一路面的制动过程的控制为例，简单说明ABS的基本工作原理。 ABS系统在制动时对制动油压的控制过程如图2-7所示。汽车开始制动时，驾驶员踩下制动踏板，制动管路中油压由零开始上升，制动器使车轮上产生制动力矩，同时产生地面制动力使汽车和车轮都开始减速。此时 ABS系统不对制动过程进行干预，所以制动油压迅速增加，车轮减速度也增大。当车轮减速度的值达到规定的门限值-a时，产生减压信号，图2-7中1点所示，ABS系统开始工作，降低制动油压。由于液压制动系统的惯性，车轮减速度仍然下降一段时间，然后开始减小并小于门限值-a时，图2-7中2点，产生保压信号，ABS保持制动油压不变，车轮由减速状态进入加速状态，车轮速度开始回升并靠近车速，当车轮加速度值达到设定的门限值+a时，图2-7中3点，产生升压信号，ABS使制动油压上升，车轮加速度在上升一段时间后开始减小，车轮由加速状态又进入减速状态，并再次进入另一个控制循环。ABS通过这样的控制过程可以使车轮的速度控制在一定的范围内而不产生抱死。这种控制方法的关键在于对车轮加、减速度门限值的设定，合适的门限值可以使车轮的运动状态控制在比较理想的范围内。但显然门限值的确定需要大量的试验来确定。除了设定车轮加减速度门限值之外，还可以根据控制质量和路面类型的不同设定不同的门限值来提高控制的质量，如参考滑移率门限值等。 在ABS中，每个车轮上各安置一个转速传感器，将各车轮转速信号输入电子控制装置ECU. ECU根据各车轮转传感器输入的信号对各个车轮的运动状态进行监测和判定并形成相应的控制指令。制动压力调节装置主要由调压电磁阀总成、电动泵总成和储液器等组成一个独立的整体，通过制动管路与制动主缸和各制动轮缸相连，制动压力调节装置受电子控制装置的控制，对各制动轮缸的制动压力进行调节。图2-7 基于车轮加减速度逻辑门限值控制方法的ABS系统油压控制循环图ABS的工作过程可以分为常规制动、制动压力保持、制动压力减小和制动压力增大等阶段。在常规制动阶段，ABS并不介入制动压力控制，调压电磁阀总成中的各进液电磁阀均不通电而处于开启状态，各出液压电磁阀均不通电而处于关闭状态，电动泵也不通电运转，制动主缸至各制动轮缸的制动管路均处于沟通状态，而各制动轮缸至储液器的制动管路均处于封闭状态，各制动轮缸的制动压力将随制动主缸的输出压力而变化，此时的制动过程与常规制动系统的制动过程完全相同。在制动过程中，电子控制装置根据车轮转速传感器输入的车轮转速信号判定有车轮趋于抱死时，ABS就进入防抱死制动压力调节过程。例如，当ECU判定右前轮趋于抱死时，ECU就使控制右前轮制动压力的进液电磁阀通电，使右前进液电磁阀转入关闭状态，制动主缸输出的制动液不再进入右前制动轮缸，此时，右前出液电磁阀仍未通电而处于关闭状态，右前制动轮缸中的制动液也不会流出，右前制动轮缸的制动压力就保持一定，而其它未趋于抱死车轮的制动压力仍会随制动轮缸的制动主缸输出压力的增大而增大，如果在右前制动轮缸的制动压力保持一定时，ECU判定右前轮仍然趋于抱死，ECU又使右前出液电磁阀也通电而转入开启状态，右前制动轮缸中的部分制动液就会经过处于开启状态的出液电磁阀流回储液器，使右前制动轮缸的制动压力迅速减小，右前轮的抱死趋势将开始消除，随着右前轮的抱死趋势己经完全消除时，ECU就使右前进液电磁阀和出液电磁阀都断电，使进液电磁阀转入开启状态，使出液电磁阀转入关闭状态同时也使电动泵通电运转，向制动轮缸送制动液，由制动主缸输出的制动液和电动泵通电运转，向制动轮缸泵送制动液，由制动主缸输出的制动液和电动泵通电运转，向制动轮缸泵送制动液，由制动主缸输出的制动液和电动泵泵送的制动液都经过处于开启状态的右前进液电磁阀进入右前制动轮缸，使右前制动轮缸的制动压力迅速增大，右前轮又开始减速转动。ABS通过使趋于抱死车轮的制动压力循环往复地经历保持一减小一增大过程，而将趋于抱死车轮的滑移率控制在峰值附着系数滑移率的上范围内，直至汽车速度减小到很低或者制动主缸的输出压力不再使车轮趋于抱死时为止，制动压力调节循环的频率可达 3-20Hz。在该ABS中对应于每一个制动轮缸各有一对进液和出液电磁阀，可由ECU分别进行控制，因此，各制动轮缸的制动压力能够被独立地调节，从而使四个车轮都不发生制动抱死现象。3 防抱死制动系统硬件设计31 防抱死制动系统的布置形式与组成311 防抱死制动系统的布置形式ABS系统中，能够独立进行制动压力调节的制动管路称为控制通道。如果对某车轮的制动压力可以进行单独调节，称这种控制方式为独立控制；如果对两个(或两以上)车轮的制动压力一同进行调节，则称这种控制方式为一同控制。在两个车轮的制动压力进行一同控制时，如果以保证附着力较大的车轮不发生制动抱死为原则进行制动压力调节，称这种控制方式为按高选原则一同控制；如果以保证附着力较小的车轮不发生制动抱死为原则进行制动压力调节，则称这种控制方式为按低选原则一同控制。按照控制通道数目的不同，ABS系统分为四通道、三通道、双通道和单通道四种形式，而其布置形式却多种多样。(1)四通道ABS 对应于双制动管路的H型(前后)或X型(对角)两种布置形式，四通道ABS也有两种布置形式，见图3-1(a,b)。图3-1(a,b)为了对四个车轮的制动压力进行独立控制，在每个车轮上各安装一个转速传感器，并在通往各制动轮缸的制动管路中各设置一个制动压力调节分装置(通道)。由于四通道ABS可以最大程度地利用每个车轮的附着力进行制动，因此汽车的制动效能最好。但在附着系数分离(两侧车轮的附着系数不相等)的路面上制动时，由于同一轴上的制动力不相等，使得汽车产生较大的偏转力矩而产生制动跑偏。因此，ABS通常不对四个车轮进行独立的制动压力调节。(2)三通道ABS 四轮ABS大多为三通道系统，而三通道系统都是对两前轮的制动压力进行单独控制，对两后轮的制动压力按低选原则一同控制，其布置形式见图3-1(c)、(d)、(e)。图3-1(c)、(d)、(e)图(c)所示的按对角布置的双管路制动系统中，虽然在通往四个制动轮缸的制动管路中各设置一个制动压力调节分装置，但两个后制动压力调节分装置却是由电子控制装置一同控制的，实际上仍是三通道ABS。由于三通道ABS对两后轮进行一同控制，对于后轮驱动的汽车可以在变速器或主减速器中只设置一个转速传感器来检测两后轮的平均转速。 汽车紧急制动时，会发生很大的轴荷转移(前轴荷增加，后轴荷减小)，使得前轮的附着力比后轮的附着力大很多(前置前驱动汽车的前轮附着力约占汽车总附着力的70%80%)。对前轮制动压力进行独立控制，可充分利用两前轮的附着力对汽车进行制动，有利于缩短制动距离，并且汽车的方向稳定性却得到很大改善。本设计就是为三通道ABS。(3)双通道ABS 图3-1(f)所示的双通道ABS在按前后布置的双管路制动系统的前后制动管路中各设置一个制动压力调节分装置，分别对两前轮和两后轮进行一同控制。两前轮可以根据附着条件进行高选和低选转换，两后轮则按低选原则一同控制。对于后轮驱动的汽车，可以在两前轮和传动系中各安装一个转速传感器。当在附着系数分离的路面上进行紧急制动时，两前轮的制动力相差很大，为保持汽车的行驶方向，驾驶员会通过转动转向盘使前轮偏转，以求用转向轮产生的横向力与不平衡的制动力相抗衡，保持汽车行驶方向的稳定性。但是在两前轮从附着系数分离路面驶入附着系数均匀路面的瞬间，以前处于低附着系数路面而抱死的前轮的制动力因附着力突然增大而增大，由于驾驶员无法在瞬间将转向轮回正，转向轮上仍然存在的横向力将会使汽车向转向轮偏转方向行驶，这在高速行驶时是一种无法控制的危险状态。图 3-1 （f）（g）图3-1(g)所示的双通道ABS多用于制动管路对角布置的汽车上，两前轮独立控制，制动液通过比例阀(P阀)按一定比例减压后传给对角后轮。对于采用此控制方式的前轮驱动汽车，如果在紧急制动时离合器没有及时分离，前轮在制动压力较小时就趋于抱死，而此时后轮的制动力还远未达到其附着力的水平，汽车的制动力会显著减小。而对于采用此控制方式的后轮驱动汽车，如果将比例阀调整到正常制动情况下前轮趋于抱死时，后轮的制动力接近其附着力，则紧急制动时由于离合器往往难以及时分离，导致后轮抱死，使汽车丧失方向稳定性。 由于双通道ABS难以在方向稳定性、转向操纵能力和制动距离等方面得到兼顾，因此目前很少被采用。(4)单通道ABS 所有单通道ABS都是在前后布置的双管路制动系统的后制动管路中设置一个制动压力调节装置，对于后轮驱动的汽车只需在传动系中安