【正文】 ABS 開發(fā)人員的必備資料之一。另外 ,他們在基于 MAT2LAB 仿真環(huán)境實現(xiàn)防抱死控制邏輯、基于 VB 開發(fā)環(huán)境進(jìn)行車輛操縱仿真和車輛動力學(xué)控制的模擬研究等方面也頗有研究。 重慶聚能公司產(chǎn)品包括汽車、摩托車系列 JN111FB 氣制動電子式單通道、JN144FB 氣制動電子式四通道和 JN244FB 液壓電子式四通道等類型 ABS 裝置及其相關(guān)零部件 30 多個品種 ,其 ABS 產(chǎn)品已通過國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢測中心和國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢測中心的認(rèn)定 ,獲得國家實用新技術(shù)專利 ,并正式被列為國家火炬項目計劃。 西安博華公司主要產(chǎn)品是適用于大中型客車和貨車的氣壓四通道 ABS 和適用中型面包車的液壓三通道 ABS 及其相關(guān)零部件。其中 BH1203 FB 型 ABS 和BH1101 FB 型 ABS 已通過陜西省科委科技成果鑒定和陜西省機(jī)械工業(yè)局新產(chǎn)品鑒定 ,認(rèn)為該項技術(shù)已達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。 山東重汽集團(tuán)引進(jìn)國際先 進(jìn)技術(shù)進(jìn)行的研究也已取得了一些進(jìn)展。 重慶公路研究所研制的適用于中型汽車的氣制動 FKX ACI 型 ABS 裝置已通過國家級技術(shù)鑒定 ,但各種制動情況的適應(yīng)性還有待提高。 清華大學(xué)研制的適用于中型客車的氣制動 ABS 由于資源價格和性能上的優(yōu)勢 ,陶瓷材料的應(yīng)用將迅速擴(kuò)展 。金剛石和 CBN 超硬材料的應(yīng)用將進(jìn)一步擴(kuò)大 。新刀具材料的研制周期會越來越短 ,新品種新牌號的推出也將越來越快。人們所希望的既有高速鋼、硬質(zhì)合金的強(qiáng)度和韌性 ,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現(xiàn)。 7 第二章：防抱死制動 系統(tǒng)基本原理 制動時汽車的運(yùn)動 制動時汽車受力分析 汽車在制動的過程中主要受到地面給汽車的作用力、風(fēng)的阻力和自身重力的作用。地面對汽車的作用力又分為 :作用在車輪上垂直于地面的支承力和作用在車輪上平行于地面的力。汽車在直線行駛并受橫向外界干擾力作用和汽車轉(zhuǎn)彎時所受到地面給汽車的力如圖 21 所示。其中 Fx 為地面作用在每個車輪上的地面制動力，他的大小決定于路面的縱向附著系數(shù)和車輪所受的載荷。所有車輪上所受地面制動力的總和作為地面給汽車的總的地面制動力，他是使汽車在制動時減 速并停止的主要作用 力。 Fy 為地面作用在每個車輪上的側(cè)滑摩擦力，側(cè)滑摩擦力的大小取決于側(cè)向附著系數(shù)和車輪所受的載荷，當(dāng)車輪抱死時，側(cè)滑摩擦力將變得很小，幾乎為零。汽車直線制動時，若受到橫向干擾力的作用，如橫向風(fēng)力或路面不平，汽車將產(chǎn)生側(cè)滑摩擦力來保持汽車的直線行駛方向，如圖 21（ a） 圖 21 汽車直線和轉(zhuǎn)彎制動時的平面受力簡圖 所示。若汽車在轉(zhuǎn)彎時制動或在制動時轉(zhuǎn)彎，也將產(chǎn)生側(cè)滑摩擦力使汽車能夠轉(zhuǎn)向，如圖 21 (b)所示。地面制動力決定制動距離的長短，側(cè)滑摩擦力則決定了汽車制動時的方向穩(wěn)定性。這里將作用在前輪上的側(cè)滑 摩擦力稱為轉(zhuǎn)彎力，將作用在后輪上的側(cè)滑摩擦力稱為側(cè)向力。轉(zhuǎn)彎力和汽車的方向操縱性有關(guān)，它保證了汽車能夠按照駕駛員的意愿轉(zhuǎn)向 。側(cè)向力和汽車的方向穩(wěn)定性有關(guān)，它保證了汽車的行進(jìn)方向。轉(zhuǎn)彎力越大，汽車的方向操縱性越好 。側(cè)向力越大，汽車的方向穩(wěn)定性越好。 8 如上所述，施加適當(dāng)?shù)闹苿樱軌蛴行У厥蛊囃Ｏ?。制動?qiáng)度過大，是汽車發(fā)生各種危險運(yùn)動狀況的主要原因。因此，汽車行駛時，要根據(jù)冰路、雪路、砂石路、壞路、水濕路、干路、直路、彎曲路等道路條件，根據(jù)汽車速度、方向轉(zhuǎn)角等行駛條件進(jìn)行制動操作，必須時常注意不能讓車輪完全抱死 。 車輪抱死時汽車運(yùn)動情況 車輪抱死時汽車所受到的側(cè)滑摩擦力將會變的很小，這將使汽車制動時保持方向操縱性和方向穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)彎力和側(cè)向力變的很小，使汽車在制動時出現(xiàn)一些危險的運(yùn)動情況。對 ABS 系統(tǒng)來說，就是要防止這些危險情況的出現(xiàn)。下面從汽車在一種路面上直線和轉(zhuǎn)彎制動兩方面簡單討論一下當(dāng)車輪抱死時汽車的運(yùn)動情況。 （ 1）汽車在一種路面上直線運(yùn)動制動車輪抱死時可能出現(xiàn)的運(yùn)動情況如圖22 所示。圖 22 (a)為只有前輪抱死時，由于前輪的轉(zhuǎn)彎力基本為零，無法進(jìn)行正常的轉(zhuǎn)向操作。為制動時前輪全部抱死而后輪 不抱死汽車的運(yùn)動情況示意，當(dāng)前輪抱死時轉(zhuǎn)彎力為零，駕駛員無法控制汽車的方向使汽車轉(zhuǎn)向來避讓前方的障礙物，這時由于汽車后輪不抱死，所以汽車仍具有側(cè)向力來維持方向穩(wěn)定性。圖 22 (b)為只有后輪抱死時，后輪的側(cè)向力接近于零，汽車仍具有方向操縱性，但會因后輪抱死而失去方向穩(wěn)定性使汽車側(cè)滑。汽車不能保持原來的行駛方向，由于離心力和前輪轉(zhuǎn)向力的作用，汽車將一面旋轉(zhuǎn)一面沿曲線行駛 (這種運(yùn)動叫外旋轉(zhuǎn) )。圖 22 (c)為前后車輪全部抱死時時轉(zhuǎn)彎力和側(cè)向力都為零，這種狀態(tài)很不穩(wěn)定，路面不均勻、左右輪地面制動力不相等時，即 使對汽車施加很小的偏轉(zhuǎn)力矩，汽車就會產(chǎn)生不規(guī)則運(yùn)動而處于危險狀態(tài)，在不規(guī)則旋轉(zhuǎn)的過程中將制動釋放，汽車就會沿著瞬時行駛方向急速駛出，這也是很危險的。 （ 2）汽車在一種路面上轉(zhuǎn)彎制動車輪抱死時可能出現(xiàn)的運(yùn)動情況如圖 23所示。所有這些運(yùn)動情況若在制動時出現(xiàn)，都是極其危險的。 從上面對出現(xiàn)這些危險運(yùn)動情況的簡單分析可以看出，制動時車輪抱死導(dǎo)致汽車出現(xiàn)各種危險運(yùn)動情況，實質(zhì)上是汽車因失去相應(yīng)的維持本身方向穩(wěn)定性方向操縱性的側(cè)滑摩擦力而使汽車出現(xiàn)這些運(yùn)動情況，即車輪抱死導(dǎo)致汽車的側(cè)滑摩擦力為零。車輪的抱死程度和汽 車的地面制動力及汽車的側(cè)滑摩擦力之間存在一定的關(guān)系， ABS 之所以能防止汽車制動時出現(xiàn)危險的運(yùn)動情況，就是根據(jù)這個關(guān)系來調(diào)整車輪的運(yùn)動狀態(tài)，以避免側(cè)滑摩擦力為零。 9 圖 22 汽車直線制動車輪抱死時的運(yùn)動情況 圖 23 汽車轉(zhuǎn)彎制動車輪抱死時的運(yùn)動情況 10 滑移率定義 通常 ,汽車在制動過程中存在著兩種阻力 :一種阻力是制動器摩擦片與制動鼓或制動盤之間產(chǎn)生的摩擦阻力 ,這種阻力稱為制動系統(tǒng)的阻力 ,由于它提供制動時的制動力 ,因此也稱為制動系制動力 。另一種阻力是輪胎與道路表面之間產(chǎn)生的摩擦阻力 ,也稱為地面 制動力。地面對輪胎切向反作用力的極限值稱為輪胎 道路附著力 ,大小等于地面對輪胎的法向反作用力與輪胎 道路附著系數(shù)的乘積。如果制動系制動力小于輪胎 道路附著力 ,則汽車制動時會保持穩(wěn)定狀態(tài) ,反之 ,如果制動系制動力大于輪胎 道路附著力 ,則汽車制動時會出現(xiàn)車輪抱死和滑移。 地面制動力受地面附著系數(shù)的制約。當(dāng)制動器產(chǎn)生的制動系制動力增大到一定值 (大于附著力 )時 ,汽車輪胎將在地面上出現(xiàn)滑移。汽車的實際車速與車輪滾動的圓周速度之間的差異稱為車輪的滑移率。 滑移率 S的定義式為 : 1VV rS ? ??? ? ? （ 21） 式中 :S — 滑移率 。 Vt — 汽車的理論速度 (車輪中心的速度 ) 。 ω — 汽車車輪的角速度 。 r — 汽車車輪的滾動半徑。 由上式可知 :當(dāng)車輪中心的速度 (即汽車的實際車速 ) Vt 等于車輪的角速度ω 和車輪滾動半徑 r 乘積時 ,滑移率為零 ( S = 0) ,車輪為純滾動 。當(dāng) ω = 0時 ,S = 100 % ,車輪完全抱死而作純滑動 。當(dāng) 0 S 100 %時 ,車輪既滾動又滑動。 滑移 率與附著系數(shù)的關(guān)系 圖 24 給出車輪與路面縱向附著系數(shù)和橫向附著系數(shù)隨滑移率變化的典型曲線。當(dāng)輪胎純滾動時 ,縱向附著系數(shù)為零 。當(dāng)滑移率為 15 %～ 30 %時 ,縱向附著數(shù)達(dá)到峰值 。當(dāng)滑移率繼續(xù)增大 ,縱向附著系數(shù)持續(xù)下降 ,直到車輪抱死 ( S = 100 %) ,縱向附著系數(shù)降到一個較低值。另外 ,隨著滑移率增大 ,橫向附著系數(shù)急劇下降 ,當(dāng)車輪抱死時 ,橫向附著系數(shù)幾乎為零。從圖 1 可以看出 ,如果能將車輪滑移率控制在 15 %～ 30 %的范圍內(nèi) ,則既可以使縱向附著系數(shù)接近峰值 ,同時又可以兼顧到較大的側(cè)向附著系數(shù)。這樣 ,汽車就能獲得最佳的制動效能和方向穩(wěn)定 11 性。 ABS 即是基于這一原理而研制的。 圖 24 滑移率與附著系數(shù)關(guān)系 實驗證明，道路的附著系數(shù)受車輪結(jié)構(gòu)、材料，道路表面形狀、材料有關(guān)，不同性質(zhì)道路其附著系數(shù)變化很大。圖 縱向附著系數(shù)之間的關(guān)系。 圖 25 不同路面上縱向、側(cè)向附著系數(shù)與滑移率關(guān)系曲線 12 由圖 25可以看出，各種路面上的變化的總體趨勢是一致的?；坡屎涂v向附著系數(shù)之間的關(guān)系曲線隨路面類型的不同，出現(xiàn)峰值的滑移率的取值也會不一樣，并且對應(yīng)不同路面 類型的滑移率 縱向附著系數(shù)曲線在峰值附著系數(shù)后曲線下降的速度也不相同，在干燥的路面上下降的快些，在濕滑的路面上略微有些下降。一般干燥潔凈的平整水泥、瀝青路面縱向峰值附著系數(shù)高達(dá) ，而冰雪路面的縱向峰值附著系數(shù)低至 。如果這種差別隨路面類型的不同變化比較明顯，則在設(shè)計 ABS系統(tǒng)控制方法時，就必須考慮到隨路面類型的不同而采取不同的控制目標(biāo)和策略。若汽車在同一種類型路面上制動時的初速度不一樣，車輪的縱向附著系數(shù)和滑移率之間的關(guān)系曲線也會略有不同，制動時的車速越高，車輪的縱向附著系數(shù)越低。 但在同一路面上以不同制動初速度制動時車輪的附著系數(shù) 滑移率關(guān)系曲線不會有太大變化。 總之，對于在一種路面上制動的汽車，車輪附著系數(shù)和滑移率之間的非線性特性是決定汽車制動性能的主要因素。實際上，汽車的制動過程就是車輪和路面之間的一種非線性變化過程，即車輪附著系數(shù)隨車輪運(yùn)動狀態(tài)非線性變化的過程，所以說汽車的制動過程是一種非線性的制動過程。制動時汽車通過制動系統(tǒng)改變車輪的運(yùn)動狀態(tài)，從而改變車輪的滑移率，形成整個非線性的制動過程。 如圖 26： 制動時車輪受力分析 （ 1）地面制動力 （ FB） 如圖 12 所示是汽車在良好的路面上制動時，車輪的受力情況。圖中忽略了滾動阻力矩和減速時的 慣性力、慣性力矩。 當(dāng)汽車使用制動器制動時，由于制動鼓（盤）與制動蹄摩擦片之間的摩擦作用，形成了摩擦力 Ｍ μ ，此力矩與車輪轉(zhuǎn)動方向相反。車輪在Ｍμ的作用下給在面一個向前的作用力，與此同時地面給車輪一個與行駛方向相反的切向反作用力 Ｆ B，這個力就是地面制動力，它是迫使汽車減速或停車的外力。 提示：地面制動力的大小取決于制動器制動力的大小和輪胎與地面之間的附著力。 13 圖 26 制 動時車輪受力分析 Ｍ μ — 制動中的摩擦力矩； Ｖ F— 汽車瞬時速度； Ｆ B— 地面制動力； Ｇ —車輪垂直載荷； Ｇ Z— 地面對車輪的反作用力； Υ車輪的滾動半徑； Ｖ R— 車輪的圓周速度； Ｆ S— 側(cè)向力； ω — 車輪的角速度； α — 側(cè)偏角 （ 2）制動器制動力 由于地面制動力是由地面提供的外力，若將汽車架離地面，地面制動力就不存在了。這時阻止車輪轉(zhuǎn)動的是制動器摩擦力矩 Ｍ μ 。將制動器的摩擦力矩Ｍ μ轉(zhuǎn)化為車輪周緣的一個切向力，并將其稱為制動器制動力Ｆ μ 。 提示：制動器制動力是由制動器的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的，并與制動踏板力成正比。 （ 3）地面制動力、 制動器制動力和輪胎與道路附著力的關(guān)系 如圖 27 所示為不考慮制動過程中附著系數(shù)值變化的地面制動力、制動器制動力以及輪胎與道路附著力三者的關(guān)系。在制動過程中，車輪的運(yùn)動只有減速滾動和抱死滑移兩種狀態(tài)。當(dāng)駕駛員踩制動踏板的力較小，制動摩擦力矩較小時，車輪只作減速滾動，并且隨著摩擦力矩的增加，制動器制動力和地面制動力也隨之增長，且在車輪未抱死前地面制動力始終等于制動器的制動力。此時，制動器的制動力可全部轉(zhuǎn)化為地面制動力。但地面制動力不可能超過輪胎與道路的附著力。 當(dāng)制動系壓力（制動踏板力）增大到某一值，地面 制動力達(dá)到輪胎與道路的附著力值，即地面制動力達(dá)到最大值。此時，車輪即開始抱死不轉(zhuǎn)而出現(xiàn)拖滑的現(xiàn)象。當(dāng)再加大制動系壓力時，制動器制動力隨著制動器摩擦力矩的增長仍 14 按直線關(guān)系繼續(xù)上升，但是，地面制動力已達(dá)到輪胎與地面的附著力值，因此地面制動力不再隨制動器制動力的增加而增加。 要想獲得好的制動效果，必須同時具備兩個條件，即汽車具有足夠的制動器制動力，同時又要有附著系數(shù)較高的路面提供足夠的地面制動力。 提示：影響附著系數(shù)的因素很多，如路面的狀況、輪胎的花紋、車輛的行駛速度、輪胎與路面的運(yùn)動狀態(tài)等。在諸因素中，車輪相對 于路面的運(yùn)動狀態(tài)對附著力有