【正文】 點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以郭孔輝院士為代表的研究人員致力于汽車操縱穩(wěn)定性、汽車操縱動(dòng)力學(xué)、汽車輪胎模型、汽車輪胎穩(wěn)態(tài)和非 穩(wěn)態(tài)側(cè)偏特性的研究 ,在輪胎力學(xué)模型、汽車操縱穩(wěn)定性以及人 車閉環(huán)操縱運(yùn)動(dòng)仿真等方面的研究成果均達(dá)到世界先進(jìn)水平。從事 ABS 研制工作的單位和企業(yè)很多 ,諸如東風(fēng)汽車公司、重慶公路研究所、西安公路學(xué)院、清華大學(xué)、吉林大學(xué)、北京理工大學(xué)、上海汽車制動(dòng)有限公司和山東重汽集團(tuán)等。 （ 5）控制系統(tǒng)總線技術(shù)隨著汽車技術(shù)科技含量的不斷增加，必然造成龐大的布線系統(tǒng)。同時(shí)由輪速、橫擺角速度和側(cè)向加速度傳感器測(cè)出車輛的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。最重要的特點(diǎn)是各個(gè)車輪上制動(dòng)力可以獨(dú)立控制。制動(dòng)部分是當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪 (后輪 )在低附著系數(shù)路面工作時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)力過大，則產(chǎn)生打滑，當(dāng) ASR 制動(dòng)部分工作時(shí)，通過傳感器將非驅(qū)動(dòng)輪及驅(qū)動(dòng)輪的輪速信號(hào)采集到控制器 中，控制器根據(jù)輪速信號(hào)計(jì)算出驅(qū)動(dòng)車輪滑移率及車輪減、加速度，當(dāng)滑移率或減、加速度超過某一設(shè)定閥值時(shí)，則控制器打開開關(guān)閥，氣壓由儲(chǔ)氣筒直接進(jìn)入 制動(dòng)氣室進(jìn)行制動(dòng)，由于三通單向閥的作用氣壓只能進(jìn)入打滑驅(qū)動(dòng)輪的制動(dòng)氣 室，在低附著系數(shù)路面上制動(dòng)時(shí)，輪速 對(duì)壓力十分敏感，壓力稍稍過大，車輪就會(huì)抱死。但是，它還有不少問題需要解決，如驅(qū)動(dòng)能源問題，控制系統(tǒng)失效處理，抗干擾處理等?；诨坡实目刂扑惴ㄈ菀讓?shí)現(xiàn) 4 連續(xù)控制，且有十分明確的理論加以指導(dǎo)，但目前制約其發(fā)展的瓶頸主要是實(shí)現(xiàn)的成本問題。受到市場(chǎng)上的正面響應(yīng)， Bosch 開始 TCS 循跡控制系統(tǒng)的研發(fā)計(jì)劃。兩家德國(guó)車廠奔馳與寶馬于 1978 年底決定將 ABS 2 這項(xiàng)高科技系統(tǒng)裝 置在 S級(jí)及 7 系列車款上。因?yàn)橥度氲馁Y金過于龐大， ABS 初期的應(yīng)用僅限于鐵路車輛或航空器。在 1941 年出版的《汽車科技手冊(cè)》中寫到： “ 到現(xiàn)在為止，任何通過機(jī)械裝置防止車輪抱死危險(xiǎn)的嘗試皆尚未成功，當(dāng)這項(xiàng)裝置成功的那一天，即是交通安全史上的一個(gè)重要里程碑 ” ，可惜該書的作者恐怕沒想到這一天竟還要再等 30年之久。鐵路機(jī)車在制動(dòng)時(shí)如果制動(dòng)強(qiáng)度過大，車輪就會(huì)很容易抱死在平 滑的軌道上滑行。 ABS 的使用與普通制動(dòng)系統(tǒng)的使用幾乎沒有區(qū)別，緊急制動(dòng)時(shí)只有把腳用力踏在制動(dòng)踏板上， ABS 就會(huì)根據(jù)情況進(jìn)入工作狀態(tài)，即使 雨雪路滑， ABS 也會(huì)使制動(dòng)狀態(tài)保持在最佳點(diǎn)。 ABS 的第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是改善了輪胎的磨損狀況，防止爆胎。 ABS 可以防止四個(gè)輪子制動(dòng)時(shí)被完全抱死，提高了汽車行駛的穩(wěn)定性。 現(xiàn)代轎車的 ABS 由輸入傳感器、控制電腦 、輸出調(diào)制器及連接線等組成。 凡駕駛過汽車的人都有這樣的經(jīng)歷：在積水的柏油路上或在冰雪路面緊急制動(dòng)時(shí)，汽車輕者會(huì)發(fā)生側(cè)滑，嚴(yán)重時(shí)會(huì)掉頭、甩尾，甚至產(chǎn)生劇烈旋轉(zhuǎn)。制動(dòng)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(duì)面車道，即使不是彎道也無法躲避障礙物，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。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)。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。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) 2 將無法繼續(xù)使用。 ABS 利用電腦控制車輪制動(dòng)力，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。由于車輪和軌道的摩擦，就會(huì)在車輪外圓上磨 出一些小平面，小平面產(chǎn)生后，車輪就不能平穩(wěn)地行駛，產(chǎn)生噪聲和掙動(dòng)。 當(dāng)時(shí)開發(fā)剎車防抱死裝置的技術(shù)瓶頸是什么？首先該裝置需要一套系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎速度變化量并立即通過液壓系統(tǒng)調(diào)整剎車壓力大小，在那個(gè)沒有集成電路與計(jì)算機(jī)的年代，沒有任何機(jī)械裝置能夠達(dá)成如此敏捷的反應(yīng)！等到 ABS系統(tǒng)的誕生露出一線曙光時(shí)，已經(jīng)是半導(dǎo)體技術(shù)有了初步規(guī)模的 1960 年代早期。 Teldix GmbH 公司從 1970 年和奔馳車廠合作開發(fā)出第一具用于道路車輛的原型機(jī) —— ABS 1， 該系統(tǒng)已具備量產(chǎn) 3 基礎(chǔ)，但可靠性不足，而且控制單元內(nèi)的組件超過 1000 個(gè)，不但成 本過高也很容易發(fā)生故障。 在誕生的前 3年中， ABS 系統(tǒng)都苦于成本過于高昂而無法開拓市場(chǎng)。1983 年推出的 ABS 2S 系統(tǒng)重量由 公斤減輕到 ，控制組件也減少到70個(gè)。隨著體積更小、價(jià)格更便宜、可靠性更高的車速傳感器的出現(xiàn)， ABS系統(tǒng)中增加車速傳感器成為可能，確定車輪滑移率將變得準(zhǔn)確而快速。目前電制動(dòng)系統(tǒng)首先用在混合動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)車輛上，采用液壓制動(dòng)和電制動(dòng)兩種制動(dòng)系統(tǒng)。為此利用 ABS 電磁閥對(duì)制動(dòng)壓力進(jìn)行精細(xì)的調(diào)節(jié)，即用小步長(zhǎng)增壓或減壓，以達(dá)到最佳的車輪滑移的效果 既可以得到最大驅(qū)動(dòng)力，也可保持行駛的穩(wěn)定性。控制強(qiáng)度則由司機(jī)踏板位移信號(hào)的大小來決 定，由壓力調(diào)節(jié)閥、氣壓傳感器及控制器構(gòu)成閉環(huán)的連續(xù)壓力控制，這樣可以在外環(huán)形成一個(gè)控制回路，來實(shí)現(xiàn)各種控制功能，如制動(dòng)力分布控制、減速控制、牽引車與掛車處禍合力控制等。名義狀態(tài) 與實(shí)際狀態(tài)的差值即為控制的狀態(tài)變量，控制的目的就是使這種差值達(dá)到最小，實(shí)現(xiàn)的方法則是利用車輪滑移率特性。因此，需要采用總線結(jié)構(gòu)將各個(gè)系統(tǒng)聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和資源信息實(shí)時(shí)共享，并可以減少傳感器數(shù)量，從而降低整車成本，朝著系統(tǒng)集成化的方向發(fā)展。具有代表性的有以下幾個(gè)。 華南理工交通學(xué)院汽車系以吳浩佳教授為代表從事汽車安全與電子技術(shù)及汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的研究 ,在 ABS 技術(shù)方面有獨(dú)到之處 ,能夠建立制動(dòng)壓力函數(shù) , 6 通過車輪地面制動(dòng)力和整車動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算出汽車制動(dòng)的平均減速度和車速 。另外 ,他們?cè)诨?MAT2LAB 仿真環(huán)境實(shí)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(dòng)力學(xué)控制的模擬研究等方面也頗有研究。 山東重汽集團(tuán)引進(jìn)國(guó)際先 進(jìn)技術(shù)進(jìn)行的研究也已取得了一些進(jìn)展。新刀具材料的研制周期會(huì)越來越短 ,新品種新牌號(hào)的推出也將越來越快。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 。 8 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)來說，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(shí)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(dòng)車輪抱死時(shí)可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)情況如圖 23所示。 9 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 10 滑移率定義 通常 ,汽車在制動(dòng)過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 11 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 12 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)過程。車輪在Ｍμ的作用下給在面一個(gè)向前的作用力，與此同時(shí)地面給車輪一個(gè)與行駛方向相反的切向反作用力 Ｆ B，這個(gè)力就是地面制動(dòng)力，它是迫使汽車減速或停車的外力。將制動(dòng)器的摩擦力矩Ｍ μ轉(zhuǎn)化為車輪周緣的一個(gè)切向力，并將其稱為制動(dòng)器制動(dòng)力Ｆ μ 。當(dāng)駕駛員踩制動(dòng)踏板的力較小，制動(dòng)摩擦力矩較小時(shí)，車輪只作減速滾動(dòng)，并且隨著摩擦力矩的增加，制動(dòng)器制動(dòng)力和地面制動(dòng)力也隨之增長(zhǎng)，且在車輪未抱死前地面制動(dòng)力始終等于制動(dòng)器的制動(dòng)力。此時(shí)，車輪即開始抱死不轉(zhuǎn)而出現(xiàn)拖滑的現(xiàn)象。在諸因素中，車輪相對(duì) 于路面的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)附著力有著重要的影響，特別是在濕路面上其影響更為明顯。然后再測(cè)量一下制動(dòng)距離，看一看該車制動(dòng)效果好不好。 當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，如果汽車緊急制動(dòng)的話，和直線行駛一樣會(huì)出現(xiàn)車輪抱死現(xiàn)象。司機(jī)踏動(dòng)制動(dòng)踏板，隨著制動(dòng)力的加大，輪胎的滑移率增加，側(cè)向附著力逐漸減速小。在車輪抱死之后，方向盤己經(jīng)不起作用了，汽車陷入了不能控制方向的困境，只有前輪抱死的汽車沿著直線前進(jìn)最后停車，只有后輪抱死的汽車發(fā)生旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象最后停車，如果前后輪都抱死的話，汽車一邊轉(zhuǎn)一邊沿直線前進(jìn)最后停車。為了達(dá)到上述目的，要求司機(jī)在操作時(shí)應(yīng)十分精心，即踏動(dòng)制動(dòng)踏板使車輪抱死，然后在輪胎抱死的一瞬間放松制動(dòng)踏板，輪胎一旦開始轉(zhuǎn)動(dòng)再踏動(dòng)制動(dòng)踏板使車輪抱死，如此 15 反復(fù)操作。當(dāng)然技術(shù)熟練的司機(jī)在某種程度上能根據(jù)各種條件合理地操作制動(dòng) ，如采用點(diǎn)制動(dòng)。 ABS 系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用到每個(gè)車輪制動(dòng)缸的制動(dòng)液壓力，以防止無論任何時(shí)由于制動(dòng)過猛而可能引起的車輪抱死。 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)基本工作原理 ABS 系統(tǒng)是通過在制動(dòng)時(shí)按一定規(guī)律不斷改變制動(dòng)液壓力使車輪不產(chǎn)生抱死狀態(tài)的。汽車開始制動(dòng)時(shí)，駕駛員踩下制動(dòng)踏板，制動(dòng)管路中油壓由零開始上升，制動(dòng)器使車輪上產(chǎn)生制動(dòng)力矩，同時(shí)產(chǎn)生地面制動(dòng)力使汽車和車輪都開始減速。 ABS 通過這樣的控制過程可以使車輪的速度控制在一定的范圍內(nèi)而不產(chǎn)生抱死。 在 ABS 中，每個(gè)車輪上各安置一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器，將各車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入電子控制裝置 ECU. ECU 根據(jù)各車輪轉(zhuǎn)傳感器輸入的信 號(hào)對(duì)各個(gè)車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和判定并形成相應(yīng)的控制指令。在制動(dòng)過程中，電子控制裝置根據(jù)車輪轉(zhuǎn)速傳感器輸入的車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)判定有車輪趨于抱死時(shí)， ABS 就進(jìn)入防抱死制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)過程。 18 第三章：汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理 3． 1 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的布置形式與組成 3． 1． 1 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的布置形式 ABS 系統(tǒng)中，能夠獨(dú)立進(jìn)行制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)的制動(dòng)管路稱為控制通道。 (1)四通道 ABS 對(duì)應(yīng)于雙制動(dòng)管路的 H 型 (前后 )或 X 型 (對(duì)角 )兩種布 置形式，四通道 ABS也有兩種布置形式，見圖 31(a,b)。因此， ABS 通常不對(duì)四個(gè)車輪進(jìn)行獨(dú)立的制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)。 汽車緊急制動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)生很大的軸荷轉(zhuǎn)移 (前軸荷增加，后軸荷減小 )，使得前輪的附著力比后輪的附著力大很多 (前置前驅(qū)動(dòng)汽車的前輪附著力約占汽車總附著力的 70%— 80%)。兩前輪可以根據(jù)附著條件進(jìn)行高 選和低選轉(zhuǎn)換，兩后輪則按低選原則一同控制。 圖 31 （ f）（ g） 圖 31(g)所示的雙通道 ABS 多用于制動(dòng)管路對(duì)角布置的汽車上，兩前輪獨(dú)立控制，制動(dòng)液通過比例閥 (P 閥 )按一定比例減壓后傳給對(duì)角后輪。 (4)單通道 ABS 所有單通道 ABS都是在前后布置的雙管路制動(dòng)系統(tǒng)的后制動(dòng)管路中設(shè)置一個(gè)制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置，對(duì)于后輪驅(qū)動(dòng)的汽車只需在傳動(dòng)系中安裝一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器，如圖 31(h)。 但由于單通道 ABS 能夠顯著地提高汽車制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性，又具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，因此在輕型貨車上得到廣泛應(yīng)用。液壓控制單元接收到信號(hào)后對(duì)車輪分泵的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。定性的來說，就是當(dāng)車輪的滑移率不在控制范圍之內(nèi)時(shí)， ECU就輸出一個(gè) 控制信號(hào)，命令電磁閥打開或閉合，從而調(diào)節(jié)制動(dòng)輪缸壓力，使輪速上升或下降，將汽車車輪滑移率控制在一定范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)汽車的安全、可靠制動(dòng)。 ABS 就是在汽車制動(dòng)過程中不斷檢測(cè)車輪速度的變化，按一定的控制方法，