【正文】 平穩(wěn)地行駛，產(chǎn)生噪聲和掙動。 ABS 利用電腦控制車輪制動力， 本科生畢業(yè)設(shè)計 第 7 頁 可以充分發(fā)揮制動器的效能，提高制動減速度和縮短制動距離，并能有效地提高車輛制 動的穩(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。事實上，車輪抱死會造成輪胎小平面磨損，輪胎面損耗會不均勻，使輪胎磨損消耗費增加，嚴(yán)重時將無法繼續(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車輪的輪速信號、剎車信號，個別車型還有 減 速度信號、手剎車或車油面信號。制動力過大，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面車道，即使不是彎道也無法躲避障礙物，產(chǎn)生這些危險狀況的原因在于汽車的車輪在制動過程中產(chǎn)生抱死現(xiàn)象，此時，車輪相對于路面的運動不再是滾動，而是滑動，路面作用在輪胎上的側(cè)滑摩擦力和縱向制動力變得很小，路面越滑，車輪越容易。從理論上實現(xiàn)了 ABS的控制功能，完成了設(shè)計要求。 本文以轎車為研究對象，展開對汽 車 ABS 的研究。主要完成了以下的工作： 通過對單個車輪時的受力分析確定了影響車輪附著系數(shù)的主要因素； 通過比較電磁感應(yīng)式輪速傳感器和霍爾效應(yīng)傳感器的性能優(yōu)缺點，采用并設(shè)計了霍爾效應(yīng)式輪速傳感器； 通過對控制結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計了以 INTEL公司生產(chǎn)的 80C196KC單片機為核心的實時控制系統(tǒng)，包括信號輸入電路、控制輸出電路、驅(qū)動電路等硬件部分； 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)計過程中對汽車制動理論和制動裝置有了較為深入的了解，擴大了自己的知識面，自己解決問題的能力也得到了提高。 總之，汽車制動時車輪如果抱死將產(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；制動效率下降，延長了制動距離；輪胎過度磨損，產(chǎn)生 “ 小平面 ” ，甚至爆胎。 ABS 的第一個優(yōu)點是增加了汽 車制動時候的穩(wěn)定性。 ABS 的第二個優(yōu)點是能縮短制動距離。因此，裝有 ABS 具有一定的經(jīng)濟效益和安全保障。目前 ABS 已經(jīng)在國內(nèi)外中高級轎和客車上得到了廣泛使用。 1908 年英國工程師 J. E. Francis 提出了 “ 鐵路車輛車輪抱死滑動控制器 ” 理論， 但卻無法將它實用化。 精于汽車電子系統(tǒng)的德國公司 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 “ 機動車輛防止剎車抱死裝置 ” 的專利。 1973 年 Bosch 公司購得 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 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。 全電制動控制系統(tǒng) BBW (BrakeByWire)是未來制動控制系統(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 第 9 頁 為牽引力控制系統(tǒng) TCS(Traction Control System)是驅(qū)動時防止車輪打滑，使車輪獲得最大限度的驅(qū)動力，并具有行駛穩(wěn)定性，減少輪胎磨損和發(fā)動機的功耗，增加有效的驅(qū)動牽引力。 （ 3） 電子控制制動系統(tǒng)由于 ass 在功能方面存在許多缺陷，如氣壓系統(tǒng)的滯后，主車與接車制動相容性問題等。 （ 4） 車輛動力學(xué)控制系統(tǒng)車輛動力學(xué)控制系統(tǒng) VDC (Vehicle Dynamics Control)是在 ABS 的基礎(chǔ)上通過測量方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度和側(cè)向加速度對車輛的運動狀態(tài)進行控制。車輛動力學(xué)控制系統(tǒng)目的是改善車輛操縱的穩(wěn)定性，它可 以在車輛運動狀態(tài)處于危險狀態(tài)下自動進行控制。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)能國家重點實驗室有宋健等多名博導(dǎo)、教授 ,有很強的科技實力 ,他們還配套有一批先進的儀器設(shè)備 ,如汽車力學(xué)參數(shù)綜合試驗臺、汽車彈射式碰撞試驗臺及翻轉(zhuǎn)試驗臺、模擬人及標(biāo)定試驗臺、 Kodak 高速圖像運動分析系統(tǒng)、電液振動臺、直流電力測功機、發(fā)動機排 放分析儀、發(fā)動機電控系統(tǒng)開發(fā)裝置及工況模擬器、計算機工作站及 ADAMS、 IDEAS 軟件、非接觸式速度儀、噪聲測試系統(tǒng)、轉(zhuǎn)鼓試驗臺、電動車蓄電池試驗臺、電機及其控制系統(tǒng)試驗臺等。還可以通過輪缸等效壓力函數(shù)計算防抱死制動時的滑移率。 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。 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。人們所希望的既有高速鋼、硬質(zhì)合金的強度和韌性 ,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)彎時所受到地面給汽車的力如圖 21所示。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。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)闹苿樱軌蛴行У厥蛊囃Ｏ?。?ABS 系統(tǒng)來說，就是要防止這些危險情況的出現(xiàn)。為制動時前 輪全部抱死而后輪不抱死汽車的運動情況示意，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。 （ 2） 汽車在一種路面上轉(zhuǎn)彎制動車輪抱死時可能出現(xiàn)的運動情況如圖 23所示。 本科生畢業(yè)設(shè)計 第 14 頁 圖 22 汽車直線制動車輪抱死時的運動情況 圖 23 汽車轉(zhuǎn)彎制動車輪抱死時的運動情況 本科生畢業(yè)設(shè)計 第 15 頁 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 。 地面制動力受地面附著系數(shù)的制約。 Vt — 汽車的理論速度 (車輪中心的速度 ) 。當(dāng) ω = 0 時 ,S = 100 % ,車輪完全抱死而作純滑動 。當(dāng)滑移率為 15 %～ 30 %時 ,縱向附著數(shù)達(dá)到峰值 。這樣 ,汽車就能獲得最佳的制動效能和方向穩(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是一致的。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。制動時汽車通過制動系統(tǒng)改變車輪的運動狀態(tài)，從而改變車輪的滑移率，形成整個非線性的制動過程。 采用防抱死制動系統(tǒng)的必要性 汽車直線行駛過程中，突然緊急制動，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。當(dāng)輪胎的滑移率在 8%~25%時，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，汽車喪夫了控制方向的能力，這是十分危險的。最后，當(dāng)輪胎的滑移率達(dá)到 100%時，輪胎抱死。上述各種狀態(tài)是極其危險的。在摩擦系數(shù)小的光滑路面上，司機在制動時都很小心，唯恐使車輪抱死，但仍很難做到，原因是司機不知道車輪什么時候抱死?？墒且坏┯錾暇o急狀態(tài)，大多數(shù)人都是一腳踏死制動踏板，使輪胎抱死為此。當(dāng)不再有可能抱死車輪時，再恢復(fù)正常壓力。這種對制動液壓力的改變過程實際上就是 ABS 系統(tǒng)控制方法實施的過程。此時 ABS 系統(tǒng)不對制動過程進行干預(yù)，所以制動油壓迅速增加，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動狀態(tài)控制在比較理想的范圍內(nèi)。制動壓力調(diào)節(jié)裝置主要由調(diào)壓電磁閥總成、電動泵總成和儲液器等組成一個獨立的整體，通過制動管路與制動主缸和各制動輪缸相連，制動壓力調(diào)節(jié)裝置受電子控制裝置的控制，對各制動輪缸的制動壓力進行調(diào)節(jié)。例如，當(dāng) ECU 判定右前 本科生畢業(yè)設(shè)計 第 22 頁 輪趨于抱死時， ECU 就使控制右前輪制動壓力的進液電磁閥通電，使右前進液電磁閥轉(zhuǎn)入關(guān)閉狀態(tài)，制動主缸輸出的制動液不再進入右前制動輪缸，此時，右前出液電磁閥仍未通電而處于關(guān)閉狀態(tài)，右前制動輪缸中的制動液也不會流出，右前制動輪缸的制動壓力就保持一定，而其它未趨于抱死車輪的制動壓力仍會隨制動輪缸的制動主缸輸出壓力的增大而增大，如果在右前制動輪缸的制動壓力保持一定時， 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)，右前制動輪缸中的部分制動液就會經(jīng)過 處于開啟狀態(tài)的出液電磁閥流回儲液器，使右前制動輪缸的制動壓力迅速減小，右前輪的抱死趨勢將開始消除，隨著右前輪的抱死趨勢己經(jīng)完全消除時， ECU 就使右前進液電磁閥和出液電磁閥都斷電，使進液電磁閥轉(zhuǎn)入開啟狀態(tài)，使出液電磁閥轉(zhuǎn)入關(guān)閉狀態(tài)同時也使電動泵通電運轉(zhuǎn)，向制動輪缸送制動液，由制動主缸輸出的制動液和電動泵通電運轉(zhuǎn)，向制動輪缸泵送制動液，由制動主缸輸出的制動液和電動泵通電運轉(zhuǎn)，向制動輪缸泵送制動液，由制動主缸輸出的制動液和電動泵泵送的制動液都經(jīng)過處于開啟狀態(tài)的右前進液電磁閥進入右前制動輪缸，使右前制動輪缸的制動壓 力迅速增大，右前輪又開始減速轉(zhuǎn)動。如果對某車輪的制動壓力可以進行單獨調(diào)節(jié)，稱這種控制方式為獨立控制；如果對兩個 (或兩以上 )車輪的制動壓力一同進行調(diào)節(jié)，則稱這種控制方式為一同控制。 圖 31(a,b) 為了對四個車輪的制動壓力進行獨立控制，在每個車輪上各安裝一個轉(zhuǎn)速傳感器，并在通往各制動輪缸的制動管路中各設(shè)置一個制動壓力調(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)都是對兩前輪的制動壓力進行單獨控制，對兩后輪的制動壓力按低選原則一同控制，其布置形式見圖 31(c)、 (d)、(e)。對前輪制動壓力進行獨立控制，可充分利用兩前輪的附著力對汽車進行制動，有利于縮短制動距離，并且汽車的方向穩(wěn)定性卻得到很大改善。 對于后輪驅(qū)動的汽車，可以在兩前輪和傳動系中各安裝一個轉(zhuǎn)速傳感器。 對于采用此控制方式的前輪驅(qū)動汽車，如果在緊急制動時離合器沒有及時分離，前輪在制動壓力較小時就趨于抱死，而此時后輪的制動力還遠(yuǎn)未 達(dá)到其附著力的水平，汽車的制動力會顯著減小。 圖 31(h) 單通道 ABS 一般對兩后輪按低選原則一同控制，其主要作用是提高汽車制動時的方向穩(wěn)定性。 ． 2 防抱死制動系統(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 提供車輪的運動情況， 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) 汽車防抱死制動系統(tǒng)是一個典型的計算機控制系統(tǒng)，其核心部分是電子控制單元。同時輸出的信號中還包括報警指示等。早期的汽車控制系統(tǒng)采用八位單片機，目前已過渡到十六位，有些系統(tǒng)如發(fā)動機管理系統(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，同時編程時要提高內(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了資源，外部總線 8 位單片機 u0 資源太少，無法用于 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。變換檢測器在 HSI MODE 寄存器控制下，可檢測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器檢測事件的方式。當(dāng)由輪速傳感器送入的信號經(jīng)輸入級電路處理后，作為脈沖信號輸入時， T2就能對其進行記數(shù)，在中斷服務(wù)程序中讀取記數(shù)寄存器的值，便能測出車輪轉(zhuǎn)速。因此，采用這種方式能夠做到對四輪信號的同步測速。當(dāng)跳變檢測器 檢測到一個硬件中斷時，則置位中斷登記寄存器 INT_ PEND 中