【正文】 平穩(wěn)地行駛，產(chǎn)生噪聲和掙動(dòng)。 ABS 利用電腦控制車輪制動(dòng)力， 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 可以充分發(fā)揮制動(dòng)器的效能，提高制動(dòng)減速度和縮短制動(dòng)距離，并能有效地提高車輛制 動(dòng)的穩(wěn)定性，防止車輛側(cè)滑和甩尾，減少車禍?zhǔn)鹿实陌l(fā)生，因此被認(rèn)為是當(dāng)前提高汽車行駛安全性的有效措施。事實(shí)上，車輪抱死會(huì)造成輪胎小平面磨損，輪胎面損耗會(huì)不均勻，使輪胎磨損消耗費(fèi)增加，嚴(yán)重時(shí)將無(wú)法繼續(xù)使用。汽車生產(chǎn)廠家的研究數(shù)據(jù)表明，裝有 ABS 的車輛，可使因車論側(cè)滑引起的事故比例下降 8%左右。輸入傳感器通常包括死個(gè)車輪的輪速信號(hào)、剎車信號(hào)，個(gè)別車型還有 減 速度信號(hào)、手剎車或車油面信號(hào)。制動(dòng)力過(guò)大，將使車輪抱死，汽車方向失去控制后，若是彎道就有可能從路邊滑出或闖入對(duì)面車道，即使不是彎道也無(wú)法躲避障礙物，產(chǎn)生這些危險(xiǎn)狀況的原因在于汽車的車輪在制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生抱死現(xiàn)象，此時(shí)，車輪相對(duì)于路面的運(yùn)動(dòng)不再是滾動(dòng)，而是滑動(dòng)，路面作用在輪胎上的側(cè)滑摩擦力和縱向制動(dòng)力變得很小，路面越滑，車輪越容易。從理論上實(shí)現(xiàn)了 ABS的控制功能，完成了設(shè)計(jì)要求。 本文以轎車為研究對(duì)象，展開對(duì)汽 車 ABS 的研究。主要完成了以下的工作： 通過(guò)對(duì)單個(gè)車輪時(shí)的受力分析確定了影響車輪附著系數(shù)的主要因素； 通過(guò)比較電磁感應(yīng)式輪速傳感器和霍爾效應(yīng)傳感器的性能優(yōu)缺點(diǎn)，采用并設(shè)計(jì)了霍爾效應(yīng)式輪速傳感器； 通過(guò)對(duì)控制結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)了以 INTEL公司生產(chǎn)的 80C196KC單片機(jī)為核心的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，包括信號(hào)輸入電路、控制輸出電路、驅(qū)動(dòng)電路等硬件部分； 經(jīng)比較各種控制方案，確定了“邏輯門限制法”作為控制方案，并選用加速度和滑移率的組合作為控制參數(shù)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)汽車制動(dòng)理論和制動(dòng)裝置有了較為深入的了解，擴(kuò)大了自己的知識(shí)面，自己解決問題的能力也得到了提高。 總之，汽車制動(dòng)時(shí)車輪如果抱死將產(chǎn) 生以下不良影響： 方向失去控制，出現(xiàn)側(cè)滑、甩尾，甚至翻車；制動(dòng)效率下降，延長(zhǎng)了制動(dòng)距離；輪胎過(guò)度磨損，產(chǎn)生 “ 小平面 ” ，甚至爆胎。 ABS 的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是增加了汽 車制動(dòng)時(shí)候的穩(wěn)定性。 ABS 的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能縮短制動(dòng)距離。因此，裝有 ABS 具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和安全保障。目前 ABS 已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外中高級(jí)轎和客車上得到了廣泛使用。 1908 年英國(guó)工程師 J. E. Francis 提出了 “ 鐵路車輛車輪抱死滑動(dòng)控制器 ” 理論， 但卻無(wú)法將它實(shí)用化。 精于汽車電子系統(tǒng)的德國(guó)公司 Bosch（博世）研發(fā) ABS 系統(tǒng)的起源要追溯到1936 年，當(dāng)年 Bosch 申請(qǐng) “ 機(jī)動(dòng)車輛防止剎車抱死裝置 ” 的專利。 1973 年 Bosch 公司購(gòu)得 50％的 Teldix GmbH 公司股權(quán)及 ABS 領(lǐng)域的研發(fā)成果， 1975 年 AEG、 Teldix 與 Bosch 達(dá)成協(xié)議，將 ABS 系統(tǒng)的開發(fā)計(jì)劃完全委托 Bosch公司整合執(zhí)行。從 1978到 1980年底， Bosch公司總共才售出 24000套 ABS系統(tǒng)。到了 1985 年代中期，全球新出廠車輛安裝 ABS 系統(tǒng)的比例首次超過(guò) 1％，通用車廠也決定把 ABS 列為旗下主力雪佛蘭車系的標(biāo)準(zhǔn)配備。 全電制動(dòng)控制系統(tǒng) BBW (BrakeByWire)是未來(lái)制動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。 （ 2） 防滑控制系統(tǒng)防滑控制系統(tǒng) ASR (Acceleration Slip Regulation)或稱 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 為牽引力控制系統(tǒng) TCS(Traction Control System)是驅(qū)動(dòng)時(shí)防止車輪打滑，使車輪獲得最大限度的驅(qū)動(dòng)力，并具有行駛穩(wěn)定性，減少輪胎磨損和發(fā)動(dòng)機(jī)的功耗，增加有效的驅(qū)動(dòng)牽引力。 （ 3） 電子控制制動(dòng)系統(tǒng)由于 ass 在功能方面存在許多缺陷，如氣壓系統(tǒng)的滯后，主車與接車制動(dòng)相容性問題等。 （ 4） 車輛動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)車輛動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng) VDC (Vehicle Dynamics Control)是在 ABS 的基礎(chǔ)上通過(guò)測(cè)量方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度和側(cè)向加速度對(duì)車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行控制。車輛動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)目的是改善車輛操縱的穩(wěn)定性，它可 以在車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)處于危險(xiǎn)狀態(tài)下自動(dòng)進(jìn)行控制。目前多使用 CAN控制器局域網(wǎng)絡(luò) (Controller Area Network)用于汽車內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室有宋健等多名博導(dǎo)、教授 ,有很強(qiáng)的科技實(shí)力 ,他們還配套有一批先進(jìn)的儀器設(shè)備 ,如汽車力學(xué)參數(shù)綜合試驗(yàn)臺(tái)、汽車彈射式碰撞試驗(yàn)臺(tái)及翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)、模擬人及標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)、 Kodak 高速圖像運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)、電液振動(dòng)臺(tái)、直流電力測(cè)功機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)排 放分析儀、發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)開發(fā)裝置及工況模擬器、計(jì)算機(jī)工作站及 ADAMS、 IDEAS 軟件、非接觸式速度儀、噪聲測(cè)試系統(tǒng)、轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)、電動(dòng)車蓄電池試驗(yàn)臺(tái)、電機(jī)及其控制系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)等。還可以通過(guò)輪缸等效壓力函數(shù)計(jì)算防抱死制動(dòng)時(shí)的滑移率。 重慶聚能公司產(chǎn)品包括汽車、摩托車系列 JN111FB 氣制動(dòng)電子式單通道、JN144FB 氣制動(dòng)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(gè)品種 ,其 ABS 產(chǎn)品已通過(guò)國(guó)家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心和國(guó)家客車質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心的認(rèn)定 ,獲得國(guó)家實(shí)用新技術(shù)專利 ,并正式被列為國(guó)家火炬項(xiàng)目計(jì)劃。 重慶公路研究所研制的適用于中型汽車的氣制動(dòng) FKX ACI 型 ABS 裝置已通過(guò)國(guó)家級(jí)技術(shù)鑒定 ,但各種制動(dòng)情況的 適應(yīng)性還有待提高。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)。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(shí)所受到地面給汽車的力如圖 21所示。汽車直線制動(dòng)時(shí)，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(lái)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(dòng)時(shí)的平面受力簡(jiǎn)圖 所示。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 。 如上所述，施加適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)，能夠有效地使汽車停下。對(duì) ABS 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，就是要防止這些危險(xiǎn)情況的出現(xiàn)。為制動(dòng)時(shí)前 輪全部抱死而后輪不抱死汽車的運(yùn)動(dòng)情況示意，當(dāng)前輪抱死時(shí)轉(zhuǎn)彎力為零，駕駛員無(wú)法控制汽車的方向使汽車轉(zhuǎn)向來(lái)避讓前方的障礙物，這時(shí)由于汽車后輪不抱死，所以汽車仍具有側(cè)向力來(lái)維持方向穩(wěn)定性。 （ 2） 汽車在一種路面上轉(zhuǎn)彎制動(dòng)車輪抱死時(shí)可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)情況如圖 23所示。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè) 圖 22 汽車直線制動(dòng)車輪抱死時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況 圖 23 汽車轉(zhuǎn)彎制動(dòng)車輪抱死時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁(yè) 通常 ,汽車在制動(dòng)過(guò)程中存在著兩種阻力 :一種阻力是制動(dòng)器摩擦片與制 動(dòng) 鼓或制動(dòng)盤之間產(chǎn)生的摩擦阻力 ,這種阻力稱為制動(dòng)系統(tǒng)的阻力 ,由于它提供制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力 ,因此也稱為制動(dòng)系制動(dòng)力 。 地面制動(dòng)力受地面附著系數(shù)的制約。 Vt — 汽車的理論速度 (車輪中心的速度 ) 。當(dāng) ω = 0 時(shí) ,S = 100 % ,車輪完全抱死而作純滑動(dòng) 。當(dāng)滑移率為 15 %～ 30 %時(shí) ,縱向附著數(shù)達(dá)到峰值 。這樣 ,汽車就能獲得最佳的制動(dòng)效能和方向穩(wěn)定性。 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 由圖 25可以看出，各種路面上的變化的總體趨勢(shì)是一致的。若汽車在同一種類型路面上制動(dòng)時(shí)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(huì)略有不同，制動(dòng)時(shí)的車速越高，車輪的縱 向附著系數(shù)越低。制動(dòng)時(shí)汽車通過(guò)制動(dòng)系統(tǒng)改變車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而改變車輪的滑移率，形成整個(gè)非線性的制動(dòng)過(guò)程。 采用防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的必要性 汽車直線行駛過(guò)程中，突然緊急制動(dòng)，汽車車輪一下子抱死，汽車仍然向前行滑，輪胎和地面之間發(fā)出嚇人的磨擦聲，汽車最后終于停了下來(lái)。當(dāng)輪胎的滑移率在 8%~25%時(shí)，輪胎和她面的摩擦力 (附著力 )最大。由于車輪抱死，汽車的側(cè)向附著力變成了零，汽車輪胎出現(xiàn)側(cè)向滑動(dòng)，汽車喪夫了控制方向的能力，這是十分危險(xiǎn)的。最后，當(dāng)輪胎的滑移率達(dá)到 100%時(shí)，輪胎抱死。上述各種狀態(tài)是極其危險(xiǎn)的。在摩擦系數(shù)小的光滑路面上，司機(jī)在制動(dòng)時(shí)都很小心，唯恐使車輪抱死，但仍很難做到，原因是司機(jī)不知道車輪什么時(shí)候抱死?？墒且坏┯錾暇o急狀態(tài)，大多數(shù)人都是一腳踏死制動(dòng)踏板，使輪胎抱死為此。當(dāng)不再有可能抱死車輪時(shí)，再恢復(fù)正常壓力。這種對(duì)制動(dòng)液壓力的改變過(guò)程實(shí)際上就是 ABS 系統(tǒng)控制方法實(shí)施的過(guò)程。此時(shí) ABS 系統(tǒng)不對(duì)制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行干預(yù)，所以制動(dòng)油壓迅速增加，車輪減速度也增大。這種控制方法的關(guān)鍵在于對(duì)車輪加、減速度門限值的設(shè)定，合適的門限值可以使車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制在比較理想的范圍內(nèi)。制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置主要由調(diào)壓電磁閥總成、電動(dòng)泵總成和儲(chǔ)液器等組成一個(gè)獨(dú)立的整體，通過(guò)制動(dòng)管路與制動(dòng)主缸和各制動(dòng)輪缸相連，制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置受電子控制裝置的控制，對(duì)各制動(dòng)輪缸的制動(dòng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，當(dāng) ECU 判定右前 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 22 頁(yè) 輪趨于抱死時(shí)， ECU 就使控制右前輪制動(dòng)壓力的進(jìn)液電磁閥通電，使右前進(jìn)液電磁閥轉(zhuǎn)入關(guān)閉狀態(tài)，制動(dòng)主缸輸出的制動(dòng)液不再進(jìn)入右前制動(dòng)輪缸，此時(shí)，右前出液電磁閥仍未通電而處于關(guān)閉狀態(tài)，右前制動(dòng)輪缸中的制動(dòng)液也不會(huì)流出，右前制動(dòng)輪缸的制動(dòng)壓力就保持一定，而其它未趨于抱死車輪的制動(dòng)壓力仍會(huì)隨制動(dòng)輪缸的制動(dòng)主缸輸出壓力的增大而增大，如果在右前制動(dòng)輪缸的制動(dòng)壓力保持一定時(shí)， ECU 判定右前輪仍然趨于抱死， ECU 又使右前出液電磁閥也通電 而轉(zhuǎn)入開啟狀態(tài)，右前制動(dòng)輪缸中的部分制動(dòng)液就會(huì)經(jīng)過(guò) 處于開啟狀態(tài)的出液電磁閥流回儲(chǔ)液器，使右前制動(dòng)輪缸的制動(dòng)壓力迅速減小，右前輪的抱死趨勢(shì)將開始消除，隨著右前輪的抱死趨勢(shì)己經(jīng)完全消除時(shí)， ECU 就使右前進(jìn)液電磁閥和出液電磁閥都斷電，使進(jìn)液電磁閥轉(zhuǎn)入開啟狀態(tài)，使出液電磁閥轉(zhuǎn)入關(guān)閉狀態(tài)同時(shí)也使電動(dòng)泵通電運(yùn)轉(zhuǎn)，向制動(dòng)輪缸送制動(dòng)液，由制動(dòng)主缸輸出的制動(dòng)液和電動(dòng)泵通電運(yùn)轉(zhuǎn)，向制動(dòng)輪缸泵送制動(dòng)液，由制動(dòng)主缸輸出的制動(dòng)液和電動(dòng)泵通電運(yùn)轉(zhuǎn)，向制動(dòng)輪缸泵送制動(dòng)液，由制動(dòng)主缸輸出的制動(dòng)液和電動(dòng)泵泵送的制動(dòng)液都經(jīng)過(guò)處于開啟狀態(tài)的右前進(jìn)液電磁閥進(jìn)入右前制動(dòng)輪缸，使右前制動(dòng)輪缸的制動(dòng)壓 力迅速增大，右前輪又開始減速轉(zhuǎn)動(dòng)。如果對(duì)某車輪的制動(dòng)壓力可以進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)，稱這種控制方式為獨(dú)立控制；如果對(duì)兩個(gè) (或兩以上 )車輪的制動(dòng)壓力一同進(jìn)行調(diào)節(jié)，則稱這種控制方式為一同控制。 圖 31(a,b) 為了對(duì)四個(gè)車輪的制動(dòng)壓力進(jìn)行獨(dú)立控制，在每個(gè)車輪上各安裝一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器，并在通往各制動(dòng)輪缸的制動(dòng)管路中各設(shè)置一個(gè)制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)分裝置 (通道 )。 (2)三通道 ABS 四輪 ABS 大多為三通道系統(tǒng)，而三通道系統(tǒng)都是對(duì)兩前輪的制動(dòng)壓力進(jìn)行單獨(dú)控制，對(duì)兩后輪的制動(dòng)壓力按低選原則一同控制，其布置形式見圖 31(c)、 (d)、(e)。對(duì)前輪制動(dòng)壓力進(jìn)行獨(dú)立控制，可充分利用兩前輪的附著力對(duì)汽車進(jìn)行制動(dòng)，有利于縮短制動(dòng)距離，并且汽車的方向穩(wěn)定性卻得到很大改善。 對(duì)于后輪驅(qū)動(dòng)的汽車，可以在兩前輪和傳動(dòng)系中各安裝一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器。 對(duì)于采用此控制方式的前輪驅(qū)動(dòng)汽車，如果在緊急制動(dòng)時(shí)離合器沒有及時(shí)分離，前輪在制動(dòng)壓力較小時(shí)就趨于抱死，而此時(shí)后輪的制動(dòng)力還遠(yuǎn)未 達(dá)到其附著力的水平，汽車的制動(dòng)力會(huì)顯著減小。 圖 31(h) 單通道 ABS 一般對(duì)兩后輪按低選原則一同控制，其主要作用是提高汽車制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性。 ． 2 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的基本組成 ABS 系統(tǒng)主要由傳感器、 電子控制單元 (ECU)和電磁閥三部分組成，其系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)組成圖如圖 32 所示。傳感器的作用是為 ECU 提供車輪的運(yùn)動(dòng)情況， ECU是 ABS 系統(tǒng)的控制中心， ECU 中固化的程序?qū)嶋H上是 ABS 的控制方 法，而液壓控制單元是 ABS 控制方法的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電子控制單元原理圖如圖33所示。 圖 33 原理結(jié)構(gòu)框圖 80C196KC 最小系統(tǒng) 汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其核心部分是電子控制單元。同時(shí)輸出的信號(hào)中還包括報(bào)警指示等。早期的汽車控制系統(tǒng)采用八位單片機(jī)，目前已過(guò)渡到十六位，有些系統(tǒng)如發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)已開發(fā)采用 32 位 CPU。 （ 2） 內(nèi)外部存貯器 同樣的 CPU 類型其內(nèi)、外部數(shù)據(jù)與程序存貯器也是多樣的，所以電子控制單元要根據(jù)需要選擇不同的內(nèi)、外部存貯器，同時(shí)編程時(shí)要提高內(nèi)存利用率，多用通用的變量，少定義專用的變量，以節(jié)省內(nèi)存。 （ 3） 輸入、輸出端口資源 輸入輸出端口要充分的利用，如果使用不足則浪費(fèi)了資源，外部總線 8 位單片機(jī) u0 資源太少，無(wú)法用于 ass 系統(tǒng)，外部總線 16 位基本能滿足 ABS 系統(tǒng)的要求。在 ABS的主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件編制中，就充分利用了其內(nèi)部的通用寄存器。變換檢測(cè)器在 HSI MODE 寄存器控制下，可檢測(cè)四種事件變化的方式，并把各輸入端的狀態(tài)寄存在 HSI_STATUS 寄存器中 。 HSI_ MODE 寄存器控制變換檢測(cè)器檢測(cè)事件的方式。當(dāng)由輪速傳感器送入的信號(hào)經(jīng)輸入級(jí)電路處理后，作為脈沖信號(hào)輸入時(shí)， T2就能對(duì)其進(jìn)行記數(shù)，在中斷服務(wù)程序中讀取記數(shù)寄存器的值，便能測(cè)出車輪轉(zhuǎn)速。因此，采用這種方式能夠做到對(duì)四輪信號(hào)的同步測(cè)速。當(dāng)跳變檢測(cè)器 檢測(cè)到一個(gè)硬件中斷時(shí)，則置位中斷登記寄存器 INT_ PEND 中