824 汽車防抱死制動系統(tǒng)ABS研究
824 汽車防抱死制動系統(tǒng)ABS研究,汽車,抱死,制動,系統(tǒng),abs,研究,鉆研
- 1 -目 錄1概述.................................................................- 1 -1.1汽車電子控制技術(shù)發(fā)展概況 ...........................................- 1 -1.2 ABS制動效果評價(jià) ...................................................- 2 -1.3 ABS工作原理 .......................................................- 3 -1.4 ABS應(yīng)用進(jìn)展 .......................................................- 4 -1.5 小結(jié) ...............................................................- 5 -2 ABS理論基礎(chǔ).........................................................- 6 -2.1制動過程中車輪的受力及運(yùn)動分析 .....................................- 6 -2.2 制動力系數(shù)與側(cè)向力系數(shù)特性曲線 .....................................- 9 -2.3 最佳滑移率范圍 ....................................................- 12 -2.4 小結(jié) ..............................................................- 12 -3 ABS構(gòu)造與工作原理..................................................- 13 -3.1 輪速傳感器 ........................................................- 13 -3.2 ABS執(zhí)行器 ........................................................- 14 -3.2.1執(zhí)行器的構(gòu)造....................................................- 15 -3.2.2執(zhí)行器的工作原理................................................- 16 -3.3 ABS ECU...........................................................- 19 -3.4 小結(jié) ..............................................................- 21 -4 ABS控制技術(shù)........................................................- 22 -4.1 ABS控制通道 ......................................................- 22 -4.2 ABS控制方式 ......................................................- 23 -4.3 ABS控制方法 ......................................................- 24 -4.3.1 邏輯門限值控制 .................................................- 24 -4.3.2 PID控制........................................................- 25 -4.3.3 模糊控制 .......................................................- 26 -4.4 ABS控制過程 ......................................................- 26 -- 2 -4.5 小結(jié) ..............................................................- 29 -5 典型 ABS介紹 .......................................................- 30 -6 討論與總結(jié) .........................................................- 32 -參考文獻(xiàn) .............................................................- 34 -致謝 .................................................................- 35 -山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 1 -1 概述1.1 汽車電子控制技術(shù)發(fā)展概況隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的不斷發(fā)展,以微型計(jì)算機(jī)和傳感器為基礎(chǔ)的機(jī)電一體化在汽車上獲得廣泛的應(yīng)用,汽車中傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)逐漸被基于微處理器和傳感器的機(jī)電一體化系統(tǒng)所代替,現(xiàn)代汽車已發(fā)展成機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)與信息科學(xué)緊密結(jié)合的高科技產(chǎn)品。汽車電子控制技術(shù)發(fā)展的特征之一是應(yīng)用范圍不斷拓寬。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前汽車上已經(jīng)使用和正在開發(fā)中的機(jī)電一體化系統(tǒng)達(dá)十種之多,按照應(yīng)用領(lǐng)域可以分為三方面:發(fā)動機(jī):汽油機(jī)燃油噴射控制系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)與變速器聯(lián)合控制系統(tǒng)、柴油機(jī)燃油噴射控制系統(tǒng)、柴油機(jī)啟動控制系統(tǒng)、泵噴嘴、廢氣再循環(huán)自動控制系統(tǒng)、共軌系統(tǒng)、電子控制消音器、增壓器自動控制系統(tǒng)、冷卻系自動控制系統(tǒng)。底盤:變速器自動控制系統(tǒng)、電子控制空氣懸架系統(tǒng)、無極變速自動控制系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)、離合器自動控制系統(tǒng)、驅(qū)動力防滑系統(tǒng)、電子控制力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車速自動控制系統(tǒng)、主動半主動懸架系統(tǒng)、汽車無人駕駛系統(tǒng)。其他:刮雨器自動控制、全自動空調(diào)、車窗開關(guān)自動控制、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)、安全氣囊。各種機(jī)電一體化系統(tǒng),特別是電子控制噴油系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)、驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)、電子控制懸架系統(tǒng)及自動導(dǎo)航系統(tǒng)等在汽車上的成功應(yīng)用,明顯地提高了汽車的經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性和舒適性,減少了汽車有害尾氣的排放,減低了汽車的環(huán)境噪聲污染。汽車電子控制技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)特征是汽車電子控制裝置占整車的成本逐年增加,即純機(jī)械部分所占的比重越來越少,而機(jī)電結(jié)合的電子控制裝置所占的比重越來越大。圖 1.1所示為從 1976年到 2000年電子控制裝置占整車成本變化趨勢圖,從圖中可以看出,汽車電子控制裝置所占的比重逐年增加,到2000年電子控制裝置占整車成本到 7%以上。這還不包括電子控制裝置中的液壓楊斌:汽車防抱死制動系統(tǒng) ABS研究- 2 -系統(tǒng)、電液控制閥、驅(qū)動油缸及各類傳感器等的成本,如果把這些輔助裝置的成本計(jì)算在內(nèi),則電子控制裝置占整車的成本比圖中所示的比例還要高一些。最新資料分析表明,汽車電子產(chǎn)品占現(xiàn)代轎車的成本已經(jīng)達(dá)到 30%。圖 1.1 電子控制裝置占整車成本1.2 ABS 制動效果評價(jià)汽車防抱死制動系統(tǒng)是汽車上應(yīng)用最為廣泛和成功的機(jī)電一體化系統(tǒng)之一,其英文名稱為 Antilock Braking System,簡稱 ABS,它是汽車上的一種主動安全裝置,用于防止汽車制動時(shí)車輪抱死,以獲得最佳效果。根據(jù)汽車制動動力學(xué)理論,汽車的制動效果主要用下列二個(gè)指標(biāo)評價(jià):(1)制動效果,即制動距離與制動減速度;(2)制動時(shí)汽車的方向穩(wěn)定性,即制動時(shí)汽車不發(fā)生跑偏、側(cè)滑以及失去轉(zhuǎn)向能力的性能。制動距離是指汽車以一定的速度行駛時(shí),從駕駛員開始操作制動控制裝置(踩制動踏板)到汽車完全停住為止所駛過的距離。制動距離與制動踏板力、路面附著條件、汽車載荷、汽車行駛初速度等因素有關(guān)。從力學(xué)的觀點(diǎn)來看,車輪與路面之間制動力的大小對制動距離的長短有著決定性的影響。制動時(shí),特別是緊急制動盡可能短,即車輪與路面之間的制動力盡可能大。制動時(shí)汽車的方向穩(wěn)定性是指汽車在制動過程中維持直線行駛或按預(yù)定彎道行駛的能力。制動時(shí)車輪自動向左或向右偏駛稱為制動跑偏。側(cè)滑是指制動時(shí)汽車的某一軸或兩軸發(fā)生橫向移動。前輪失去轉(zhuǎn)向能力是指彎道制動時(shí),汽車不在按原來彎道行駛,而是沿彎道切線方向駛出,或者在直線行駛制動時(shí),轉(zhuǎn)動方向盤后汽車仍然按直線方向行駛的現(xiàn)象。國內(nèi)外的統(tǒng)計(jì)分析表明,制動跑偏,側(cè)滑和失去轉(zhuǎn)向能力是造成交通事故的主要原因之一。造成制動跑偏、山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 3 -側(cè)滑和失去轉(zhuǎn)向能力的原因是汽車與路面之間的側(cè)向力太小。從維持汽車制動時(shí)方向穩(wěn)定性出發(fā),希望汽車與路面之間的側(cè)向力越大越好。有經(jīng)驗(yàn)的駕駛員有時(shí)采用所謂的“點(diǎn)剎” ,即先將制動踏板踩到底,稍微放松一下以后再踩到底,如此反復(fù)進(jìn)行,直到汽車停住為止。ABS 實(shí)際就是這種制動過程的自動控制系統(tǒng),它根據(jù)車輪的運(yùn)動狀態(tài)自動調(diào)節(jié)作用在制動盤或制動輪鼓上的制動力,防止制動輪抱死,使車輪與道路路面之間的制動力和側(cè)向力盡可能達(dá)到最大,從而減小制動距離,提高制動時(shí)汽車行駛方向穩(wěn)定性。1.3 ABS 工作原理汽車防抱死制動系統(tǒng)主要由輪速傳感器、電子控制單元(Electrical Control Unit,簡稱 ECU)和 ABS 執(zhí)行器等組成:.圖 1.2 ABS 示意圖1.輪速傳感器 2..電子控制單元 3.ABS 執(zhí)行器 4.ABS 信號燈其中,輪速傳感器安裝在汽車驅(qū)動輪上,連續(xù)不斷地測取車輪的輪速,并將這些信號傳遞給 ABS ECU,電子控制單元將檢測到的轉(zhuǎn)速信號處理后與預(yù)先存儲在電子控制單元中的參考值進(jìn)行比較,如果車輪的角減速度急劇增大,表明該車輪即將抱死,ABS ECU 指示執(zhí)行器降低該車輪制動輪缸的制動液壓,車輪開始轉(zhuǎn)動,當(dāng)傳感器的信號表明車輪又正常轉(zhuǎn)動時(shí),ABS ECU 又發(fā)出指令升高車輪制動輪缸的液壓,而執(zhí)行器則根據(jù)電子控制單元的指令“降低” 、 “增大”或“保持”各車輪制動輪缸的制動液壓,從而以脈沖形式(每秒 4—10次)進(jìn)行制動壓力的調(diào)節(jié),將車輪的滑移率始終控制在最佳滑移率范圍內(nèi),從而保證楊斌:汽車防抱死制動系統(tǒng) ABS研究- 4 -在制動過程中車輪與路面之間的地面制動力和側(cè)向力最大,縮短制動距離,最大限制地保證制動時(shí)車輪的穩(wěn)定性,提高安全性。1.4 ABS 應(yīng)用進(jìn)展最早的汽車防抱死制動系統(tǒng)可以追溯到英國 1932年發(fā)布的專利“制動時(shí)防止車輪壓緊轉(zhuǎn)動的安全裝置” 。隨后的 1936年,德國的 Bosch 公司將電器傳感器用于測量車輪的轉(zhuǎn)速,并用電動機(jī)對控制閥孔口的大小進(jìn)行控制,以調(diào)節(jié)制動壓力,該技術(shù)被認(rèn)為是 ABS 朝實(shí)用化方向邁出的最重要的一步,其原理一直延用至今。早期的 ABS 系統(tǒng)主要用在飛機(jī)、火車和掛車上,在汽車上的應(yīng)用盡管在20世紀(jì) 50 年代就已經(jīng)開始,但普及一直很緩慢,主要原因是當(dāng)時(shí)的 ABS 采用機(jī)械式調(diào)控裝置,難以滿足復(fù)雜工況的需求。進(jìn)入 20世紀(jì) 70 年代,隨著電子技術(shù)的進(jìn)步,數(shù)字電子技術(shù),大規(guī)模集成電路的發(fā)展和微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,ABS 的控制技術(shù)日趨成熟。 1978年德國的 Bosch 公司與 Mercedes-Benz 公司合作,將處理器引入到 ABS 的控制中,開發(fā)了 Mercedes-Benz/Bosc-ABS2B 型三通道防抱死制動系統(tǒng),并批量裝于奔馳小汽車上。此后,ABS 技術(shù)得到快速發(fā)展,發(fā)達(dá)國家汽車裝備 ABS 的數(shù)量逐步增加。據(jù)估計(jì),20 世紀(jì)初美國的汽車基本裝備了該系統(tǒng),全世界汽車 ABS 裝備的比率將達(dá)到 90%以上。為了改善交通安全狀況,各國還紛紛通過立法和采用其他行政措施促進(jìn)ABS 的應(yīng)用。1987 年前歐洲體共同頒布的法規(guī)規(guī)定,自 1989年起,歐洲體成員國汽車廠凡申請新車型許可證時(shí),所有新車必須裝備 ABS;同時(shí)規(guī)定:自1991年開始,歐洲體成員國凡 16t上的載重汽車也必須裝備 ABS,并禁止進(jìn)口未裝備 ABS 的汽車。日本從 1991年 10月起規(guī)定,對總質(zhì)量超過 13 t的牽引車和總質(zhì)量超過 10t的運(yùn)輸危險(xiǎn)品的拖車以及在高速公路上行駛的大客車均須裝備 ABS。美國 1994年 8月頒布的商用汽車 ABS 法規(guī)規(guī)定:截止到 1996年,全國新出廠的氣壓制動在貨車和氣壓制動公共汽車均應(yīng)安裝 ABS;采用液壓制動系統(tǒng)的整體式載貨車和公共汽車,規(guī)定在 1998年必須安裝 ABS。美國的保險(xiǎn)公司宣布,凡裝備 ABS 的汽車可以減收保險(xiǎn)費(fèi)。目前,汽車 ABS 仍需進(jìn)一步提高系統(tǒng)的技術(shù)性能,提高系統(tǒng)元件的可靠性,山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 5 -其發(fā)展趨勢為:(1)ABS/ASR 一體化 ASR 是驅(qū)動力防滑轉(zhuǎn)系統(tǒng)的英文縮寫,其英文全稱為 Anti-Slip Regulation。有時(shí)也稱為驅(qū)動力控制系統(tǒng),其英文全稱為 Traction Control System,簡稱為 TRC。ASR 也是典型的機(jī)電一體化控制系統(tǒng),其作用是在汽車的啟動和加速過程中,控制傳遞到驅(qū)動輪上的驅(qū)動力矩,防止車輪空轉(zhuǎn),從而使啟動和加速過程快速而穩(wěn)定,ABS 制造公司常將二者集成為一體,實(shí)現(xiàn)信息與資源的共享。(2)減小體積,降低重量 現(xiàn)代汽車裝備的輔助裝置越來越多,一方面汽車的重量隨之增加,能耗與運(yùn)行成本也相應(yīng)地增加;另一方面,可供這些裝置布置的空間受到限制,因此,減小 ABS 的體積,降低系統(tǒng)的總重量一直是ABS 的生產(chǎn)公司追求的目標(biāo)。(3)基于 CAN 總線的多控制集成網(wǎng)絡(luò)控制 由于汽車上采用的機(jī)電一體化控制裝置越來越多,每個(gè)系統(tǒng)都有自己的 ECU 和傳感器,裝置和信息不能共享。采用基于 CAN 總線的多控制系統(tǒng)集成網(wǎng)絡(luò)控制,將 ABS 與其他系統(tǒng)集成控制,可以節(jié)約成本,提高控制效率.1.5 小結(jié)機(jī)電一體化在汽車上的成功應(yīng)用,明顯地提高了汽車的經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性和舒適性,減少了汽車有害尾氣的排放,減低了汽車的環(huán)境噪聲污染。從 1932年發(fā)展至今的汽車防抱死制動系統(tǒng)是汽車上應(yīng)用最為廣泛和成功的機(jī)電一體化系統(tǒng)之一,其英文名稱為 Antilock Braking System,簡稱 ABS,它是汽車上的一種主動安全裝置,用于防止汽車制動時(shí)車輪抱死,以獲得最佳效果。該系統(tǒng)主要由輪速傳感器、電子控制單元(Electrical Control Unit,簡稱 ECU)和 ABS 執(zhí)行器等組成:其工作原理為,車輪輪速傳感器測取車輪的輪速,并將信號輸入控制器,控制器計(jì)算出車速、輪速、滑移率和車輪的減速度、加速度,并對這些信號進(jìn)行分析和判斷,根據(jù)分析和判斷的結(jié)果控制 ABS 執(zhí)行器的動作。而執(zhí)行器則根據(jù)電子控制單元的指令“降低” 、 “增大”或“保持”各車輪制動輪缸的制動液壓,進(jìn)行制動壓力的調(diào)節(jié),將車輪的滑移率始終控制在最佳滑移楊斌:汽車防抱死制動系統(tǒng) ABS研究- 6 -率范圍內(nèi),從而保證在制動過程中車輪與路面之間的地面制動力和側(cè)向力最大,縮短制動距離,最大限制地保證制動時(shí)車輪的穩(wěn)定性,提高安全性。在造成交通事故中,制動跑偏,側(cè)滑和失去轉(zhuǎn)向能力是主要原因之一。而造成制動跑偏、側(cè)滑和失去轉(zhuǎn)向能力的原因是汽車與路面之間的側(cè)向力太小。從維持汽車制動時(shí)方向穩(wěn)定性出發(fā),希望汽車與路面之間的側(cè)向力越大越好。ABS這種汽車防抱死裝置最大的優(yōu)點(diǎn)就是根據(jù)車輪的運(yùn)動狀態(tài)自動調(diào)節(jié)作用在制動盤或制動輪鼓上的制動力,防止制動輪抱死,使車輪與道路路面之間的制動力和側(cè)向力盡可能達(dá)到最大,從而減小制動距離,提高制動時(shí)汽車行駛方向穩(wěn)定性,而這一過程的完成不需要我們?nèi)藶榈倪M(jìn)行“點(diǎn)剎” 。2 ABS 理論基礎(chǔ) 2.1 制動過程中車輪的受力及運(yùn)動分析汽車的制動效果與制動過程中車輪的運(yùn)動狀態(tài)及車輪與路面之間的作用力密切相關(guān)。為了研究車輪的運(yùn)動及車輪和路面之間的作用力,建立如圖 2.1所示的輪胎坐標(biāo)系(為簡化起見,車輪的內(nèi)外傾角沒有參考) 。坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于輪胎與路面接觸(簡稱輪胎接地區(qū))的中心,x 軸位于地平面上,正向指向車輪的前進(jìn)方向;y 軸在地平面上且垂直于 x軸,正向指向車輪的左側(cè);z 軸與地面垂直,正方向向上。圖中車輪的滾動方向與車輪前進(jìn)方向之間的夾角 α 稱為側(cè)偏角。山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 7 -圖 2.1 輪胎坐標(biāo)系 [12]制動過程中路面對輪胎的作用力可分解為三個(gè)坐標(biāo)軸方向的分力:沿 x軸方向的分力為 Fx,即為地面制動力,又稱縱向力;沿 y 軸方向的分力為 Fy,稱之為側(cè)向力,或稱橫向力;研 z 軸方向的分力為 Fz,為路面對輪胎的法向反作用力。地面制動力和側(cè)動力實(shí)質(zhì)上是輪胎與路面之間的“摩擦力” ,與汽車輪胎上所受的法向反作用力 Fz 成正比,即Fx=fxFz Fy=fyFz 式中,比例系數(shù) fx 和 fy 分別為稱為制動力系數(shù)和側(cè)向力系數(shù)。在后面的分析中我們將會看到,制動力系數(shù)和側(cè)向力系數(shù)與車輪的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān),在制動過程中是動態(tài)變化的。制動過程中車輪的運(yùn)動狀態(tài)分為純滾動、純滑動和邊滾邊滑。如果汽車的行駛速度,即車輪中心的運(yùn)動速度與車輪滾動的圓周速度相同,則車輪在路面作純滾動;如果駕駛員通過制動控制裝置向制動輪施加的作用力足夠大,將制動輪抱死,此時(shí)汽車在自身慣性力的推動下繼續(xù)向前運(yùn)動,則車輪在路面上做純滑動;當(dāng)制動輪受到制動器制動力的作用而又沒有抱死時(shí),一方面,由于制動器制動力的作用,車輪滾動的圓周速度降低;另一方面,在汽車自身慣性力楊斌:汽車防抱死制動系統(tǒng) ABS研究- 8 -的作用下,汽車?yán)^續(xù)前運(yùn)動,且行駛速度大于車輪滾動的圓周速度,輪胎與路面之間產(chǎn)生的滑移,車輪處于邊滾邊滑的狀態(tài)。作用在制動輪上的制動器制動力越大,車輪滾動的成分越少,而滑動的成分越多。一般用制動滑移率來描述制動過程中的滑移程度,其定義為(圖 2.2):圖 2.2 制動滑移率 [12]S=(v-vr)/v Vr=rw式中 S----制動滑移速度V---汽車形式速度Vr---車輪圓周速度R----車輪動力半徑W---車輪角速度顯然,車輪做純滾動時(shí),車輪實(shí)際行駛速度與車輪滾動的圓周速度相等,即 v=vr,制動滑移率為 0;車輪做純滑動,即車輪抱死時(shí),車輪的圓周速度為零,即 vr=0,制動滑移率為 1;車輪既滾動又滑動時(shí),制動滑移率在 0-1之間??梢娀坡拭枋隽酥苿舆^程中車輪滑移的程度,滑移率越大,表面滑移越嚴(yán)重。以上討論的是汽車在直線路面上行駛的情形。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向或行駛在彎曲的道路上時(shí),由于慣性等因素的作用,車輪受到側(cè)向力的作用。此時(shí)車輪的滾動方向與汽車的行駛方向不一致,兩者之間的夾角稱為側(cè)偏角。有側(cè)偏角時(shí)的車山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 9 -輪滑移率定義如下(圖 2.3):圖 2.3 滑移率-制動力系數(shù)特性曲線 [12]絕對滑移率 S=(v-vr)/v 縱向滑移率 Sbx=(v-vrcosα)/v 側(cè)向滑移率 Sby=(vrsin α)/v 式中 α—側(cè)偏角2.2 制動力系數(shù)與側(cè)向力系數(shù)特性曲線制動過程中的地面制動力和轉(zhuǎn)向力都是通過車輪與道路接地面之間的摩擦產(chǎn)生的。汽車道路試驗(yàn)表明,輪胎的制動力與側(cè)向力,只有當(dāng)車輪滾動的圓周速度與車輪的行駛速度之間存在差異時(shí)才會產(chǎn)生。換言之,制動時(shí)輪胎與路面之間的制動力系數(shù)與滑移率有著密切的關(guān)系,這種函數(shù)關(guān)系通常用滑移率—制動力系數(shù)特性曲線來描述。楊斌:汽車防抱死制動系統(tǒng) ABS研究- 10 -圖 2.4 滑移率—制動力系數(shù)特性曲線 [12]圖 2.4給出的是測試得到的典型的滑移率—制動力系數(shù)特性曲線。在制動的初始階段,隨著滑移率的增加,制動力系數(shù)急劇增加,滑移率增大到最優(yōu)滑移率 Sm 時(shí),制動力系數(shù)達(dá)到最大值 fm。此時(shí)的制動力系數(shù) fm稱之為峰值附著系數(shù),一般出現(xiàn)在 S=0.15-0.2附近。此后,隨著滑移率的繼續(xù)增加,制動力系數(shù)逐漸減小,直至車輪完全抱死,滑移率為 1時(shí),制動力系數(shù)減小到一個(gè)穩(wěn)定值 fs,該值稱之為滑移附著系數(shù)。由圖 2.4可以看出 ,只有在曲線上峰值附著系數(shù)出現(xiàn)之前的各點(diǎn)(包括峰值附著系數(shù)點(diǎn)) (O-A 段)以及滑移率為 1的那一點(diǎn),制動過程是穩(wěn)定的。在不穩(wěn)定區(qū) AB 段,滑移率對制動力矩十分敏感,很快滑移到抱死狀態(tài)。圖 2.5所示為測試得到的側(cè)向力系數(shù)隨著側(cè)偏角變化曲線。由圖 2.2可知,當(dāng)側(cè)偏角不超過 5°時(shí),側(cè)向附著系數(shù)隨著側(cè)偏角的增大近似性地增大;當(dāng)側(cè)偏角范圍達(dá)到 5°-10°時(shí),側(cè)向力系數(shù)繼續(xù)增大并達(dá)到最大值;當(dāng)側(cè)偏角再增大時(shí),側(cè)向力系數(shù)反而有所下降。山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 11 -圖 2.5 側(cè)向力系數(shù)隨側(cè)偏角變化曲線 [12]輪胎的制動力系數(shù)與側(cè)向力系數(shù)反映了輪胎的附著性能,主要受路面種類(路面材料、有無冰雪等) 、路面狀況(干燥或潮濕) 、輪胎型號、輪胎槽紋形狀及深度、胎冠的橡膠成分、輪胎充氣壓力及汽車行駛速度等因素的影響。圖 2.6為試驗(yàn)測得的各種典型路面的制動力系數(shù)特性曲線。從圖 2.6中可以看出,路面種類及 lumina 狀況對制動力系數(shù)的的影響很大。其中干燥水泥路面的附著性能最好,峰值附著系數(shù)達(dá)到 1.13,而結(jié)冰路面的峰值附著系數(shù)僅為0.23。圖 2.6 路面狀態(tài)對制動力系數(shù)特性曲線的影響 [12]圖 2.7表示汽車行駛速度對制動力系數(shù)曲線的影響。在干燥的瀝青路面上,車速從 10km/h 變?yōu)?40km/h,特性曲線變化較小,表明在干燥的路面 汽車行駛速度對制動力系數(shù)的影響很小。而在潮濕的瀝青路面上,隨著車速的增加,制動力系數(shù)下降,對應(yīng)著峰值附著系數(shù) fm 和滑移附著系數(shù) fs 下降,尤其是滑移附著系數(shù)的下降更為顯著,導(dǎo)致車輪抱死狀態(tài)下的制動距離較最優(yōu)滑移率時(shí)的楊斌:汽車防抱死制動系統(tǒng) ABS研究- 12 -要長。圖 2.7 制動力系數(shù)特性特性曲線與車速的關(guān)系 [12]輪胎的側(cè)向附著性能除受側(cè)偏角的影響外,還與輪胎的滑移率有著密切的關(guān)系。圖 2.8中給出了滑移率為不同值(從 0-0.4)時(shí)的側(cè)向力系數(shù)特性曲線。由圖 2.8可知,隨著滑移率的增加,輪胎的側(cè)向附著性能降低。這一變化趨勢從圖 2.9中看得更清楚。圖 2.8 不同滑移率時(shí)側(cè)向力系數(shù)隨側(cè)偏角變化的曲線 [12]圖 2.9給出的是在不同側(cè)偏角條件下,側(cè)向力系數(shù)隨滑移率變化的規(guī)律。對給定的側(cè)偏角,在不制動的時(shí)候,輪胎的滑移率為零,這時(shí)輪胎的側(cè)向力系數(shù)最大。司機(jī)踩下制動踏板隨著制動力的加大,輪胎的滑移率增加,側(cè)向力系數(shù)逐漸減小。最后,當(dāng)輪胎的滑移率達(dá)到 1,即輪胎抱死時(shí),車輪的側(cè)向力系數(shù)幾乎為零。山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 13 -圖 2.9 不同側(cè)偏角時(shí)側(cè)向力系數(shù)隨滑移率變化曲線 [12]2.3 最佳滑移率范圍綜合縱向及側(cè)向附著系數(shù)與滑移率的特性曲線分析,可以得出如下結(jié)論:輪胎的附著性能與輪胎的滑移率密切相關(guān)?;坡时3衷?0.1-0.3之間時(shí),輪胎的縱向附著系數(shù)和側(cè)向附著系數(shù)都較大?;坡食鲞@個(gè)范圍后,特別是車輪抱死后,縱向附著系數(shù)下降,而側(cè)向附著系數(shù)將為零。這意味著制動距離加長,而且方向穩(wěn)定性降低。圖 2.10中給出的滑移率范圍 0.1-0.3稱之為最佳滑移率范圍。ABS 系統(tǒng)的作用,就是在制動時(shí),通過控制車輪的速度,將滑移率范圍控制在 0.1-0.3之間,從而縮短制動距離,提高車輪制動時(shí)的方向穩(wěn)定性。圖 2.10 最佳滑移率范圍 [12]2.4 小結(jié)我們知道汽車的制動效果與制動過程中車輪的運(yùn)動狀態(tài)及車輪與路面之間楊斌:汽車防抱死制動系統(tǒng) ABS研究- 14 -的作用力密切相關(guān)。通過對車輪運(yùn)動過程中車輪和路面之間的受力分析,得出制動力系數(shù)和側(cè)向力系數(shù)與車輪的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān),并在制動過程中是動態(tài)變化的。而輪胎的制動力系數(shù)與側(cè)向力系數(shù)反映了輪胎的附著性能,輪胎的附著性能與又輪胎的滑移率密切相關(guān)。當(dāng)滑移率保持在 0.1-0.3之間時(shí),輪胎的縱向附著系數(shù)和側(cè)向附著系數(shù)都較大?;坡食鲞@個(gè)范圍后,特別是車輪抱死后,縱向附著系數(shù)下降,而側(cè)向附著系數(shù)將為零。這意味著制動距離加長,而且方向穩(wěn)定性降低。 ABS 系統(tǒng)的作用,就是在制動時(shí),通過控制車輪的速度,將滑移率范圍控制在 0.1-0.3之間,從而縮短制動距離,獲得較高的附著利用率來提高車輪制動時(shí)的方向穩(wěn)定性。3 ABS 構(gòu)造與工作原理同其他機(jī)電一體化系統(tǒng)一樣,ABS 的硬件構(gòu)成除了機(jī)械系統(tǒng)本體(汽車的液壓制動系統(tǒng))以外,主要由傳感器、執(zhí)行器和控制器三部分組成。這里,傳感器主要指車輪輪速傳感器,其功能是檢測車輪轉(zhuǎn)速,并將信號輸入控制器;執(zhí)行器實(shí)際上是一個(gè)附加在普通液壓力調(diào)節(jié)裝置,其功能是自動調(diào)節(jié)制動輪缸的液壓;控制器即前述的 ABS ECU,其作用是接收車速、輪速和減速度等傳感器的信號,計(jì)算出車速、輪速、滑移率和車輪的減速度、加速度,并對這些信號進(jìn)行分析和判斷,根據(jù)分析和判斷的結(jié)果控制 ABS 執(zhí)行器的動作。3.1 輪速傳感器如圖 3.1所示,輪速傳感器主要由傳感器轉(zhuǎn)子與傳感頭兩部分組成。常見的傳感器轉(zhuǎn)子是一個(gè)帶齒的圓環(huán),由磁阻較小的鐵磁性材料制成,一般安裝在隨車輪一起轉(zhuǎn)動的部件上,如半軸、輪轂或制動盤等,與車輪同步轉(zhuǎn)動。傳感頭根據(jù)極軸形狀的不同可分為鑿式、菱式和柱式極軸輪速傳感頭等,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同:主要由永磁體磁芯、傳感線圈和極軸等組成。傳感頭直接安裝在車輪附近不隨車輪轉(zhuǎn)動的部件上,如半軸套管、轉(zhuǎn)向節(jié)、制動底板等,極軸端部與傳感器轉(zhuǎn)子的輪齒之間保持一定的間隙。輪速傳感器的主要工作原理如圖 3.2所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子的齒隙與傳感頭的極軸端部想對應(yīng)時(shí),極軸端部與齒圈之間的空氣隙最大,永磁體磁芯產(chǎn)生的磁力線山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 15 -就不容易通過齒圈,傳感線圈周圍的磁線就較弱;而當(dāng)轉(zhuǎn)子上的齒頂與傳感頭的極軸端部相對應(yīng)時(shí),極軸端部與齒圈之間的空氣隙最小,永磁體磁芯所產(chǎn)生的磁力線就容易通過齒圈,感應(yīng)線圈周圍的磁場就較強(qiáng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子隨同車輪轉(zhuǎn)動時(shí),轉(zhuǎn)子的齒頂和齒隙交替地與傳感頭極軸端部相對,傳感器感應(yīng)線圈周圍的磁場隨著發(fā)生強(qiáng)弱交替變化,在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生交變電壓。交變電壓的頻率與齒圈的齒數(shù)成正比。因此,輪速傳感頭輸出的交變電壓的頻率與相應(yīng)車輪的轉(zhuǎn)速成正比。通過計(jì)算感應(yīng)線圈感應(yīng)交變電壓的頻率即可確定車輪的轉(zhuǎn)速和角加速度。圖 3.1 輪速傳感器 [14]1.導(dǎo)線 2.永久磁鐵 3.殼體 4.線圈 5.極軸 6.轉(zhuǎn)子楊斌:汽車防抱死制動系統(tǒng) ABS研究- 16 -圖 3.2 輪速傳感器的工作原理 [14]1.轉(zhuǎn)子 2.極軸 3.感應(yīng)線圈 4.永磁體磁芯3.2 ABS 執(zhí)行器ABS執(zhí)行器又稱液壓調(diào)節(jié)器或制動壓力調(diào)節(jié)器,是在普通的液壓制動系統(tǒng)上加裝的液壓調(diào)節(jié)裝置,主要由調(diào)節(jié)制動液壓的電磁閥(又稱壓力控制閥) 、電動液壓泵和低壓儲液器等組成。ABS 執(zhí)行器通常集成為一個(gè)整體,安裝在制動主缸和制動輪缸之間。3.2.1 執(zhí)行器的構(gòu)造(1)電磁閥。電磁閥是 ABS 執(zhí)行器的核心部件,其作用是控制制動輪缸的進(jìn)油和出油。ABS 電磁閥主要有二位三通 、三位三通和二位二通幾種。早期的 ABS 執(zhí)行器有的采用二位三通或三位三通電磁閥,現(xiàn)代汽車防抱死制動系統(tǒng)采用二位二通電磁閥的居多,每個(gè)制動輪一般對應(yīng)兩個(gè)二位二通電磁閥,一個(gè)常開吸入電磁閥,簡稱進(jìn)油閥,控制制動主缸到制動輪缸的進(jìn)油,另一個(gè)常閉排出電磁閥,簡稱出油閥,控制從制動輪缸到電動液壓泵和低壓儲液器的出油。圖 3.3所示為 Bosch ABS5 型 ABS 二位二通進(jìn)油閥結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)電磁線11上沒有端電壓時(shí),閥芯 7的錐形頂部在彈簧 6預(yù)緊力的作用下脫離閥座 4,進(jìn)油口和出油口接通,進(jìn)油閥處于開啟狀態(tài),來自制動主缸的制動液經(jīng)進(jìn)油管濾清器 1進(jìn)入閥座 4內(nèi)的通道,并經(jīng)出油口進(jìn)入制動輪缸;當(dāng)向電磁線圈 11提供端電壓時(shí),電磁線圈對銜鐵 9產(chǎn)生電磁吸引力,閥芯在電磁吸引力的作用下克服彈簧張力向下移動,直至閥芯錐形頂部緊壓靠在錐形閥座上,進(jìn)油口和出油口的通道被斷開,制動液不能從制動輪缸進(jìn)入制動主缸,制動主缸中的制動液也不能流入制動輪缸。山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 17 -圖 3.3 二位二通進(jìn)油閥示意圖 [15] 圖 3.4 二位二通出油閥示意圖 [15]1.進(jìn)油管濾清器 2.密封圈 3.閥體 1. 閥座 2.O 形環(huán) 3.濾清器支撐體4.閥座 5.濾清器 6.彈簧 7.閥芯 4.濾清器 5.密封圈 6.閥芯 7.彈簧8.O 形環(huán) 9.銜鐵 10.密封圈 8.閥體 9.銜鐵 10.電磁線圈11.電磁線圈 12.線圈架 11.線圈架Bosch ABS 5型 ABS 二位二通出油閥結(jié)構(gòu)見圖 3.4與進(jìn)油閥一樣,出油閥采用的也是電磁工作原理,所不同的是電磁閥開啟和關(guān)閉的條件與進(jìn)油閥正好相反。當(dāng)電磁線圈 10不通點(diǎn)時(shí),閥芯 6的錐形頂部在彈簧 7預(yù)緊力的作用下緊壓靠在閥座 1上,進(jìn)油口和出油口的通道斷開,出油閥處于關(guān)閉狀態(tài);向電磁線圈施加端電壓后,電磁線圈對銜鐵 9產(chǎn)生電磁吸引力,閥芯在電磁吸引力的作用下克服彈簧張力向上移動,閥芯錐形頂部與閥座之間產(chǎn)生間隙,進(jìn)油口和出油口的通道被接通,出油閥處于開啟狀態(tài)。(2)低壓儲液器和電動液壓泵。低壓儲液器和電動液壓泵是執(zhí)行器的壓力降低裝置。當(dāng)出油閥開啟時(shí),從制動輪缸流出的制動液經(jīng)過低壓儲液器并由電動液壓泵泵回制動主缸中。電動液壓泵由電動機(jī)驅(qū)動,并根據(jù) ECU的指令運(yùn)轉(zhuǎn)和停止。3.2.2 執(zhí)行器的工作原理 ABS執(zhí)行器液壓制動系統(tǒng)的種類很多,但其工作原理大同小異,下面以Bosch ABS 5 為例分析 ABS 執(zhí)行器的工作原理。楊斌:汽車防抱死制動系統(tǒng) ABS研究- 18 -(1)常規(guī)制動時(shí)(ABS 不工作):常規(guī)制動過程中,ABS 不起作用,ECU 也不向電磁閥輸出電壓。因此,進(jìn)油閥 4保持開啟狀態(tài),出油閥 7保持關(guān)閉狀態(tài),來自制動主缸 2的制動液經(jīng)進(jìn)油閥進(jìn)入制動輪缸 6,在制動輪缸中建立制動壓力,實(shí)施汽車制動。此時(shí)電動液壓泵 10不工作,位于出油路中的單向閥 11防止制動液流到液壓泵中。放松制動踏板 1時(shí),車輪制動輪缸中的制動液一部分通過單向閥 5,另一部分經(jīng)進(jìn)油閥 4回流到制動主缸中。以上過程如圖 3.5所示。圖 3.5 常規(guī)制動時(shí),液壓制動系統(tǒng)工作原理圖 [15]1.制動踏板 2.制動主缸 3.注油容器 4.進(jìn)油閥 6.制動輪缸 7.出油閥 8.儲油罐 9.單向閥 10.電動液壓泵 11.單向閥(2)緊急制動時(shí)(ABS 工作):緊急制動時(shí),當(dāng)四個(gè)車輪中的任一車輪即將抱死時(shí),ABS 執(zhí)行器根據(jù)電子控制單元(ECU)傳送的信號控制該車輪上制動輪缸中的制動液壓,從而達(dá)到防止該車輪抱死的目的。“壓力降低”狀態(tài):當(dāng)車輪即將抱死時(shí),ECU 向進(jìn)油閥和出油閥電磁線圈施加 12V的端電壓,進(jìn)油閥關(guān)閉,出油閥打開,來自制動主缸的制動液不能流進(jìn)制動輪缸,制動輪缸中的制動液通過出油閥送至儲液罐 8中。如此作用的結(jié)果是車輪制動輪缸中的制動液壓下降,制動輪制動力減小,從而達(dá)到防止車輪抱死的目的。與此同時(shí),ECU 傳送信號給電動液壓泵,使之開始工作,將儲液罐中的制動液送至制動主缸中。制動管路壓力降低的速率是由“壓力降低”和“壓力保持”兩種狀態(tài)的交替進(jìn)行來調(diào)節(jié)的,以上過程如圖 3.6 所示。山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 19 -圖 3.6 壓力降低時(shí),液壓制動系統(tǒng)原理圖 [15]1.制動踏板 2.制動主缸 3.注油容器 4.進(jìn)油閥 6.制動輪缸 7.出油閥 8.儲油罐 9.單向閥 10.電動液壓泵 11.單向閥“壓力保持”狀態(tài):當(dāng)制動輪缸中的制動壓力降低或升高且輪速已達(dá)到預(yù)定值時(shí),ECU 給進(jìn)油閥電磁線圈提供 12V 的端電壓,給出油閥電磁線圈提供0V 的端電壓,進(jìn)油閥和除頭發(fā)都關(guān)閉,制動液在回路中不流動,制動輪缸中的制動壓力保持在該水平上。以上過程如圖 3-7 所示。圖 3.7 壓力保持時(shí),液壓制動系統(tǒng)原理圖 [15]1.制動踏板 2.制動主缸 3.注油容器 4.進(jìn)油閥 6.制動輪缸 7.出油閥 8.儲油罐 9.單向閥 10.電動液壓泵 11.單向閥“壓力升高”狀態(tài):當(dāng)車輪制動輪缸中的制動管路壓力需要升高以提供更大的制動力時(shí),ECU 將進(jìn)油閥和出油閥電磁線圈的端電壓均置為 0V,進(jìn)油閥楊斌:汽車防抱死制動系統(tǒng) ABS研究- 20 -打開,出油閥關(guān)閉,制動主缸中的制動液經(jīng)進(jìn)油閥流至制動輪缸中。如此作用的結(jié)果是制動輪缸中的液壓升高,同時(shí)產(chǎn)生的制動輪制動力也隨之升高。制動管路壓力升高的速率是由“壓力升高”和“壓力保持”兩種狀態(tài)的交替進(jìn)行來調(diào)節(jié)的。以上過程如圖 3.8 所示。圖 3.8 壓力升高時(shí),液壓制動系統(tǒng)原理圖 [15]1.制動踏板 2.制動主缸 3.注油容器 4.進(jìn)油閥 6.制動輪缸 7.出油閥 8.儲油罐 9.單向閥 10.電動液壓泵 11.單向閥3.3 ABS ECUABS ECU 的主要功能是接收輪速傳感器和其他傳感器輸入的信號,進(jìn)行放大,轉(zhuǎn)換,計(jì)算,比較和判斷,談后根據(jù)判斷的結(jié)果控制電磁閥的開關(guān)和電動液壓泵的運(yùn)轉(zhuǎn),以控制制動器制動壓力。ABS ECU(圖 3.9)是一個(gè)基于單片機(jī)的控制器,包括硬件和軟件兩部分。ECU 硬件由輸入處理電路,單片計(jì)算機(jī),輸出處理電路和安全保護(hù)電路組成,各組成部分集中安裝在一塊印刷電路板上,并封裝在金屬殼體內(nèi)。ABS ECU 軟件是根據(jù) ABS 控制邏輯編寫的控制程序,固存在單片計(jì)算機(jī)的只讀存儲器(ROM)中。山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 21 -圖 3.9 ABS 電子控制單元 ECU[15]1. 輸入處理電路 輸入 ABS ECU 的信號主要有:1 輪速傳感器信號;2點(diǎn)火開關(guān),制動開關(guān),液位開關(guān)等外部信號;3 輪速傳感器監(jiān)測信號的反饋信號;4 電磁閥繼電器,液壓泵驅(qū)動電器繼電器等工作電路的監(jiān)測信號等。按照輸入信號的形態(tài)可以將其分為三種類型:模擬信號,通斷二進(jìn)制數(shù)字信號和連續(xù)脈沖數(shù)字信號。對于輪速傳感器信號這樣的模擬信號,需要進(jìn)行低通濾波,整形,放大等預(yù)處理,并將處理過的信號通過 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成適合單片計(jì)算機(jī) CPU 處理的數(shù)字信號。對于點(diǎn)火開關(guān),制動開關(guān),液位開關(guān)這樣的通斷二進(jìn)制數(shù)字信號和電磁閥繼電器監(jiān)測信號等這樣的連續(xù)脈沖數(shù)字信號,盡管他們本身是數(shù)字信號,但由于各種各樣的原因洗腦的幅值不適合單片計(jì)算機(jī) CPU 直接進(jìn)行處理(CPU 的工作電壓為 5V) ,必須經(jīng)過輸入處理電路的處理,變成計(jì)算機(jī)能處理的數(shù)字信號形式后在輸入控制器的計(jì)算機(jī)中,進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理。2.單片機(jī) 單片機(jī)是 ABS ECU 的核心,也是 ABS 的核心。早期的 ABS ECU 采用 8位單片機(jī),目前采用 16位單片機(jī)的居多,也有的開始采用 32位單片機(jī)。單片機(jī)內(nèi)部的 CPU 將輸入的信號按一定的算法進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)計(jì)算的結(jié)楊斌:汽車防抱死制動系統(tǒng) ABS研究- 22 -果確定出相應(yīng)的控制命令,然后將控制信號通過數(shù)字端口 D0 輸出,經(jīng)過模擬電路的驅(qū)動功率放大就可以直接舉動電磁閥。ABS ECU 一般由兩個(gè)單片機(jī)組成,以保證系統(tǒng)工作安全可靠。兩個(gè)單片機(jī)接收同樣的輸入信號,在進(jìn)行運(yùn)算和處理的過程中,通過交互式通訊,對兩個(gè)單片機(jī)的結(jié)果進(jìn)行比較,如果處理結(jié)果不一致,單片機(jī)立即使 ABS 系統(tǒng)退出工作,防止系統(tǒng)發(fā)生故障后導(dǎo)致錯(cuò)誤控制。單片機(jī)不僅能檢測 ECU 內(nèi)部的工作過程,還能監(jiān)測系統(tǒng)中有關(guān)部件,如輪速傳感器,泵電動機(jī)工作電路,電磁閥繼電器工作電路等的工作狀況。當(dāng)監(jiān)測到這些電路工作不正常時(shí),也立即向安全保護(hù)電路輸出停止 ABS 系統(tǒng)工作的指令。3.輸出處理電路 輸出處理電路將單片機(jī)輸出的控制信號(如壓力增加,保持,減小) ,通過 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬控制信號,通過控制功率放大器向執(zhí)行器(電磁閥)提供控制電流或電壓,驅(qū)動執(zhí)行器工作。4.安全保護(hù)電路 安全保護(hù)電路由電源控制,故障記憶,繼電器驅(qū)動和ABS 警告燈驅(qū)動等電路組成。安全保護(hù)電路接收騎車電源的電壓信號,對電源電壓是否穩(wěn)定在規(guī)定的范圍內(nèi)進(jìn)行監(jiān)控,同時(shí)將 12V 或 14V 電源電壓變成ABS ECU 內(nèi)部需要的 5V 標(biāo)準(zhǔn)電壓。同時(shí)還對繼電器電路, ABS 警告燈電路進(jìn)行控制。當(dāng) ABS 出現(xiàn)故障時(shí),如電源電壓過低,輪速傳感器信號不正常及計(jì)算電路,電磁閥控制電路等有故障時(shí),能根據(jù)微處理器的指令,切斷有關(guān)繼電器的電源電路,使 ABS 停止工作,回復(fù)常規(guī)制動功能,起到失效保護(hù)作用。同時(shí),將儀表板上的 ABS 警告燈點(diǎn)亮,提醒駕駛員 ABS 系統(tǒng)出現(xiàn)故障,應(yīng)進(jìn)行檢修。并將故障存儲在存儲器內(nèi),以便進(jìn)行自診斷時(shí),將存儲的故障信息調(diào)出,供維修時(shí)使用。3.4 小結(jié)ABS除了機(jī)械系統(tǒng)本體(汽車的液壓制動系統(tǒng))以外,主要由傳感器、執(zhí)行器和控制器三部分組成。傳感器主要指車輪輪速傳感器,其功能是檢測車輪轉(zhuǎn)速,并將信號輸入控制器;執(zhí)行器實(shí)際上是一個(gè)附加在普通液壓力調(diào)節(jié)裝置,其功能是自動調(diào)節(jié)制動輪缸的液壓;控制器即前述的 ABS ECU,其作用是接收車速、輪速和減速度等傳感器的信號,計(jì)算出車速、輪速、滑移率和車輪的減山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 23 -速度、加速度,并對這些信號進(jìn)行分析和判斷,根據(jù)分析和判斷的結(jié)果控制ABS 執(zhí)行器的動作。汽車防抱死制動系統(tǒng)根據(jù)汽車的行駛狀態(tài)、車輪的轉(zhuǎn)動情況,在制動過程中自動調(diào)節(jié)施加在制動器上的壓力,把車輪滑移率控制在一狹小范圍內(nèi),不使車輪抱死,以保證汽車在各種行駛條件下制動時(shí)均能充分利用輪胎與路面間的縱向和側(cè)向附著力,提高汽車抗側(cè)滑的能力,縮短制動距離,有效提高行車安全性。裝備 ABS 的車輛可以在不同路況、天氣下降低事故發(fā)生率,它已是世界上普遍公認(rèn)的提高汽車安全性的有效措施之一。目前在國外,ABS 已作為汽車的標(biāo)準(zhǔn)裝備,國內(nèi)法規(guī)也強(qiáng)制要求重型貨車和大型客車必須安裝 ABS。電子控制單元(ECU: Electronic Control Unit)是 ABS 控制系統(tǒng)的核心部件,也是衡量 ABS 系統(tǒng)性及功能等級的主要部件,它的性能好壞直接影響到整套 ABS 系統(tǒng)的控制效果,由它來控制 ABS 的執(zhí)行部件-壓力調(diào)節(jié)器,以決定輸出制動氣室內(nèi)壓力的大小,進(jìn)而決定制動力矩的大小。無論制動系統(tǒng)其它部件性能如何完好,一旦控制核心 ECU 出現(xiàn)了問題,則 ABS 系統(tǒng)的防抱制動性能將不會起到應(yīng)有作用,有時(shí)甚至使制動效果惡化。因而在以后的 ABS 開發(fā)過程中ECU 應(yīng)做為重點(diǎn)來開發(fā),使 ABS 的性能能夠更好發(fā)揮利用。4 ABS 控制技術(shù)4.1 ABS 控制通道ABS 中能獨(dú)立進(jìn)行制動壓力調(diào)節(jié)的管路稱控制通道,按照控制通道的數(shù)目,ABS 可以分為四通道式,三通道式,雙通道式和單通道式(圖 4.1) 。楊斌:汽車防抱死制動系統(tǒng) ABS研究- 24 -圖 4.1 ABS 控制通道 [13](a)四通道式 (b)三通道式 (c)雙通道式 (d)單通道式1.轉(zhuǎn)速傳感器 2.壓力傳感器四通道式制造成本高,制動過程中容易產(chǎn)生橫擺力矩,ABS 采用這種布置方式的很少。雙通道式盡管制造成本低,但很難兼顧汽車對制動效能和方向穩(wěn)定性的要求,ABS 采用這種布置方式的也不多見。實(shí)際使用的 ABS 液壓系統(tǒng)以三通道式居多。三通道式的前輪有兩個(gè)獨(dú)立的控制通道,后輪則只有一個(gè)充分利用兩個(gè)全論的附著力,同時(shí)保證制動過程中的方向穩(wěn)定性。單通道式的控制通道一般不值在汽車的后橋上,其制造成本低,在一些輕型載貨車上有較廣泛的應(yīng)用。4.2 ABS 控制方式ABS 控制通道有獨(dú)立控制,低選擇控制,高選擇控制,修正的獨(dú)立控制和智能選擇控制幾種控制方式。(1)獨(dú)立控制獨(dú)立控制室指每個(gè)車輪都有其專用的控制通道,與其他車輪無關(guān),即一個(gè)輪速傳感器對應(yīng)一個(gè)壓力控制閥。獨(dú)立控制能使每個(gè)車輪的制動力系數(shù)利用率達(dá)到最大值,以獲得最佳制動效果。但對于不對稱路面,由于制動力系數(shù)不同,使左右輪產(chǎn)生的路面制動力不同,導(dǎo)致汽車產(chǎn)生附加的橫擺力矩,使汽車難以控制。因此,獨(dú)立控制系統(tǒng)的制動距離短,但操縱性和方向穩(wěn)定性不太好,多山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 25 -用于中重型載貨車的后軸。(2)低選擇控制 低選擇控制是指一個(gè)車橋上的兩個(gè)車輪由一跳通道控制,即兩個(gè)輪速傳感器對應(yīng)一個(gè)壓力控制閥。低選擇控制的制動壓力取決于先抱死的車輪,對于不對稱路面,即選擇制動力系數(shù)較低的一側(cè)車輪。低選擇控制使得左右車輪產(chǎn)生的制動力相同,減少或消除了橫擺和轉(zhuǎn)向力矩,提高了制動時(shí)的操縱穩(wěn)定性。但這種控制方式使得制動力系數(shù)較高的一側(cè)車輪的制動力系數(shù)得不到充分利用,使得制動距離加大。對于有著相同制動力系數(shù)的路面,地選擇控制和獨(dú)立控制的制動距離是相同的。(3)高選擇控制 高選擇控制也是一個(gè)車橋上的兩個(gè)車輪由一條通道控制,即兩個(gè)輪速傳感器對應(yīng)一個(gè)壓力控制閥。但其選擇其中制動力系數(shù)較高的一側(cè)車輪進(jìn)行控制,使制動力系數(shù)得到充分利用,制動距離短。對于制動力系數(shù)不對稱的路面,該控制方式會產(chǎn)生附加的橫擺力矩,降低制動時(shí)的方向穩(wěn)定性。(4)修正的獨(dú)立控制 修正的獨(dú)立控制和獨(dú)立控制一樣,每個(gè)輪速傳感器對應(yīng)一個(gè)壓力控制閥。具體控制方式是:對一個(gè)車橋上的左,右輪中制動力系數(shù)低的一側(cè)車輪用獨(dú)立控制,制動力系數(shù)高的另一側(cè)按一定的比例以低于最大制動力系數(shù)利用率進(jìn)行控制,或者使其控制壓力的建立時(shí)間退后一段。修正的獨(dú)立控制綜合了獨(dú)立控制和低選擇控制的優(yōu)點(diǎn),其壓力控制閥的特殊運(yùn)算法則使得左右車輪的制動壓力差控制在規(guī)定的范圍內(nèi),使橫擺力矩和轉(zhuǎn)向力矩限定在可以接受的水平內(nèi),保證有較好的操縱性和方向穩(wěn)定性,而制動距離與獨(dú)立控制相比只略有增加。修正的獨(dú)立控制 ABS常用于載重車的前軸。(5)智能選擇控制 智能選擇控制也是一個(gè)車橋上的兩個(gè)車輪由一條通道控制,即兩個(gè)輪速傳感器對應(yīng)一個(gè)壓力控制閥。在控制方式上將高,低選擇控制有機(jī)地結(jié)合起來。當(dāng) ABS起作用時(shí),智能選擇系統(tǒng)根據(jù)路面制動力系數(shù)和車輪運(yùn)動狀態(tài)選擇控制方式。在左,右輪制動力系數(shù)相同的路面,選擇系統(tǒng)趨向于低選擇控制。對于左,右輪制動力系數(shù)不同的路面,當(dāng)制動力低的一側(cè)其制動力系數(shù)相對較高時(shí),楊斌:汽車防抱死制動系統(tǒng) ABS研究- 26 -選擇系統(tǒng)也趨向于低選擇控制;而其制動力系數(shù)相對較低時(shí),選擇系統(tǒng)趨向于高選擇控制。4.3 ABS 控制方法4.3.1 邏輯門限值控制 這種控制方法是基于車輪角速度對制動力矩,制動力系數(shù)和滑移率的變化十分敏感,在制動過程中,車輪抱死總是出現(xiàn)在 dw/dt 相當(dāng)發(fā)的時(shí)刻,因此可以預(yù)選一個(gè)角減速度門限值-a,當(dāng)實(shí)際的角減速度超過此門限值是, ECU 發(fā)出指令,開始降低制動壓力使車輪得以加速旋轉(zhuǎn);再選一個(gè)角加速度低門限值+a1,當(dāng)車輪的角加速度達(dá)到此門限值時(shí),ECU 發(fā)出指令,使制動壓力保持不變;當(dāng)車輪的角加速度增大到高門限值+a2 時(shí),又開始增大制動壓力,車輪做減速運(yùn)動。所以可以采用一個(gè)輪速傳感器作為輸入信號,同時(shí)在 ECU 中設(shè)置合理的車輪角加,減速度門限值,實(shí)現(xiàn)防抱死制動的控制,這種方法稱為簡單邏輯門限值控制,其邏輯判定條件可以表示為dw/dt+a1 保壓,上一個(gè)是減壓過程;dw/dt>+a2 增壓,上一個(gè)是保壓過程。簡單邏輯門限值控制可以適應(yīng)不同的路面特性,但當(dāng)路面制動力系數(shù)發(fā)生突變時(shí),系統(tǒng)不能快適應(yīng)。此外,在初始和高速緊急制動情況下,有可能使防制動邏輯在后續(xù)的控制中失效,因此需要將角速度和滑移率這兩個(gè)門限結(jié)合起來,以識別不同的路況。目前,ABS 采用的基本上都是基于車輪加,減速度門限值及滑移率的控制方法。邏輯門限值控制具有控制簡單,計(jì)算量小,便于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。目前已經(jīng)在汽車上應(yīng)用的 ABS 產(chǎn)品幾乎無一例外地采用該方法。邏輯門限值控制的缺點(diǎn)在于控制系統(tǒng)中的各種門限及保壓時(shí)間都是通過反復(fù)試驗(yàn)得出,耗資巨大,產(chǎn)品開發(fā)周期長,而且從理論上講,在整個(gè)控制過程中車輪滑移率并不總是保持在最佳滑移率上,而是在它的移近波動,并未達(dá)到最佳的制動效果。4.3.2 PID 控制 為了進(jìn)一步提高 ABS 的性能,研究人員正在致力于基于滑移率的控制系統(tǒng)山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 27 -研究。直接用滑移率作為控制目標(biāo)容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制,從而提高 ABS 在制動過程中的平順性,并最大限度地發(fā)揮它的制動性能。實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制的最簡單算法是 PID(Proportional,Itegral and Derivative,即比例,幾份及微分控制,簡稱為 PID 控制)控制。圖 4.2為 ABS PID 控制的方框圖,從圖中可以看出,該方法將期望的滑移率 St 與實(shí)際滑移率 S 之差 es 定義為 PID 的輸入,由 PID 控制算法算出控制參數(shù)值(液壓制動系統(tǒng)的液壓或氣動制動系統(tǒng)的氣壓 P)反饋給制動系統(tǒng),構(gòu)成典型的反饋控制。PID 控制的難點(diǎn)在于 PID 參數(shù)的整定,一般結(jié)合具體的汽車用試湊的方法確定,只要 PID 參數(shù)選擇適當(dāng),就會得到較好的控制效果。圖 4.2 ABS 的 PID 控制 [13]4.3.3 模糊控制 模糊控制也是目前研究人員研究比較多的 ABS 控制方法之一。模糊控制通過模糊邏輯和近似推理方法,把人的經(jīng)驗(yàn)形式化,模糊化,使之成為計(jì)算機(jī)可以接受的控制模型。模糊控制是基于經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的控制,與系統(tǒng)的模型無關(guān),有很好的魯棒性和控制規(guī)則靈活性,控制規(guī)則符合人的思維規(guī)律,該控制方法是今后的發(fā)展方向。防抱死制動系統(tǒng) ABS 的模糊控制方框圖見圖 4.3其控制過程是:制動時(shí)由制動踏板輸出一個(gè)階躍輸入,而輸入給制動系統(tǒng)一個(gè)制動壓力設(shè)定值 Pt(液壓制動系統(tǒng)的液壓或氣壓制動系統(tǒng)的氣壓) ,進(jìn)入求和模塊。另一個(gè)進(jìn)入求和模塊的是來自模糊控制器的輸出變量 P,求和后輸出給私服系統(tǒng)的是實(shí)際給定系統(tǒng)的目標(biāo)壓力值 Pe,通過限值模塊,輸入給制動系統(tǒng)(液壓制動系統(tǒng)或氣動伺服閥系統(tǒng)) ,求得系統(tǒng)的動態(tài)制動力矩,它輸入給車輛模糊控制器模塊,實(shí)際滑移率 S 與期望滑移率 St 構(gòu)成誤差 es,由模糊控制算法算出控制壓力值 P 反饋給 制動系統(tǒng)。楊斌:汽車防抱死制動系統(tǒng) ABS研究- 28 -圖 4.3 ABS 的模糊控制 [13]4.4 ABS 控制過程如前所述,ABS 的控制方法很多,但實(shí)際使用的 ABS 主要采用邏輯門限值控制法,控制參數(shù)有:車輪角減(加)速度,車輪圓周減(加)速度,制動滑移率,汽車參考速度和汽車減速度等。下面以車輪圓周減(加)速度控制為例,詳細(xì)討論 ABS 的控制過程。圖 4.4 所示為 ABS 控制過程中汽車行駛速度 v,車輪圓周加速度 a,制動輪缸制動壓力 P 和電磁閥開關(guān)脈沖信號 mv 的變化曲線。圖中-a,+a1 和+a2 為車輪圓周減,加速度的三個(gè)門限值,-a 為圓周減速度門限值, +a1 和+a2 分別為圓周加速度低門限和高門限值。tFi 為濾波滯后時(shí)間,指車輪的圓周減速度達(dá)到門限值-a 到 ABS ECU 開始響應(yīng)時(shí)的時(shí)間差,一般取為 20-50ms,目的是使ABS 對車輪運(yùn)動狀態(tài)的變化不產(chǎn)生過敏的響應(yīng)。tVe 為響應(yīng)滯后時(shí)間,指從傳感器采集數(shù)據(jù)開始到電磁閥開關(guān)動作完成所需要的時(shí)間,包括輪速傳感器采集一次車輪角速度信號所需要的時(shí)間,ECU 對采集到的信號進(jìn)行處理所需要的時(shí)間,電磁閥開啟或關(guān)閉所需要的時(shí)間等,總計(jì)為 10-15ms。山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 29 -圖 4.4 ABS 控制過程圖 [15]設(shè)汽車開始行駛在高制動力系數(shù)路面,其對應(yīng)的滑移率一制動力系數(shù)特性曲線如圖 4.5中的曲線 1所示。緊急制動開始后,輪胎
收藏
編號:148125
類型:共享資源
大?。?span id="mzebxcnn0" class="font-tahoma">582.63KB
格式:RAR
上傳時(shí)間:2017-10-26
45
積分
- 關(guān) 鍵 詞:
-
汽車
抱死
制動
系統(tǒng)
abs
研究
鉆研
- 資源描述:
-
824 汽車防抱死制動系統(tǒng)ABS研究,汽車,抱死,制動,系統(tǒng),abs,研究,鉆研
展開閱讀全文
- 溫馨提示:
1: 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
2: 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
3.本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
5. 裝配圖網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時(shí)也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
裝配圖網(wǎng)所有資源均是用戶自行上傳分享,僅供網(wǎng)友學(xué)習(xí)交流,未經(jīng)上傳用戶書面授權(quán),請勿作他用。