【正文】 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 ,他們在基于 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。地面對(duì)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。 Fy 為地面作用在每個(gè)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(shí)，側(cè)滑摩擦力將變得很小，幾乎為零。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。側(cè)向力越大，汽車的方向穩(wěn)定性越好。 車輪抱死時(shí)汽車運(yùn)動(dòng)情況 車輪抱死時(shí)汽車所受到的側(cè)滑摩擦力將會(huì)變 的很小，這將使汽車制動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)出現(xiàn)一些危險(xiǎn)的運(yùn)動(dòng)情況。圖 22 a 為只有前輪抱死時(shí)，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。圖 22 c 為前后車輪全部抱死時(shí)時(shí)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(dòng)力不相等時(shí)，即使對(duì)汽車施加很小的偏轉(zhuǎn)力矩，汽車就會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則運(yùn)動(dòng)而處于危險(xiǎn)狀態(tài)，在不規(guī)則旋轉(zhuǎn) 的過程中將制動(dòng)釋放，汽車就會(huì)沿著瞬時(shí)行駛方向急速駛出，這也是很危險(xiǎn)的。車輪的抱死程度和汽車的地面制動(dòng)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(dòng)時(shí) 出現(xiàn)危險(xiǎn)的運(yùn)動(dòng)情況，就是根據(jù)這個(gè)關(guān)系來調(diào)整車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以避免側(cè)滑摩擦力為零。如果制動(dòng)系制動(dòng)力小于輪胎 道路附著力 ,則汽車制動(dòng)時(shí)會(huì)保持穩(wěn)定狀態(tài) ,反之 ,如果制動(dòng)系制動(dòng)力大于輪胎 道路附著力 ,則汽車制動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)車輪抱死和滑移。 滑移率 S 的定義式為 : 式中 :S ―滑移率 。 由上式可知 :當(dāng)車輪中心的速 度 即汽車的實(shí)際車速 Vt 等于車輪的角速度ω和車輪滾動(dòng)半徑 r 乘積時(shí) ,滑移率為零 S 0 ,車輪為純滾動(dòng) 。當(dāng)輪胎純滾動(dòng)時(shí) ,縱向附著系數(shù)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(shí)又可以兼顧到較大的側(cè)向附著系數(shù)。圖 給出了不同類型路面上滑移率 縱向附著系數(shù)之間的關(guān)系。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(jì) ABS 系統(tǒng)控制方法時(shí)，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。實(shí)際上，汽車的制動(dòng)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(dòng)狀態(tài)非線性變化的過程，所以說汽車的制動(dòng)過程是一種非線性的制動(dòng) 過程。則有 制動(dòng)時(shí)制動(dòng)力遠(yuǎn)大于空氣阻力和滾動(dòng)阻力，分別為右側(cè)前后輪制動(dòng)力，汽車初速為，質(zhì)量為 m 重力 G ，質(zhì)心 c 到前后軸距離 ,，軸距 L,輪距 B,質(zhì)心高 ,汽車制動(dòng)減速為 前軸 載荷 后軸載荷 制動(dòng)時(shí)附加轉(zhuǎn)向力矩 從式 24 可知，調(diào)節(jié)制動(dòng)壓力可以使車輪角減速度產(chǎn)生變化 :從式 210 計(jì)算制動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)車速 V，可計(jì)算各車輪滑移率，從式 27 28 及各軸載荷可以判斷道路附著系數(shù)，并進(jìn)行調(diào)節(jié)，故知 ABS可以用 dW/dt 角加速度 或滑移率 S，或滑移率與角加速度聯(lián)合作為控制參數(shù)。然后再測量一下制動(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。 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。 3 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 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)過程中不斷檢測車輪速度的變化，按一定的控制方法，通過電磁閥調(diào)節(jié)制動(dòng)輪缸壓力，以獲得最高的縱向附著系數(shù)，使車輪始終處于較好的制動(dòng)狀態(tài)。單片機(jī)內(nèi)部的微處理芯片將輸入的各個(gè)輪速信號(hào)按一定的算法進(jìn)行計(jì)算，如計(jì)算車輛參考速度和車輪角減速度，根據(jù)這些值的大小確定出相應(yīng)的控制命令，即壓力增加、壓 力減小及壓力保持，然后將控制信號(hào)通過數(shù)字輸出端口輸出，經(jīng)過模擬電路的驅(qū)動(dòng)功率放大就可以直接驅(qū)動(dòng)電磁閥，進(jìn)而控制制動(dòng)壓力。 由于單片機(jī)體積小，重量輕，高可靠性，價(jià)格低廉，使用方便，因此十分適用于開發(fā)汽車電子系統(tǒng)。 （ 1） CPU 的運(yùn)算速度 CPU 的時(shí)間一般消耗在數(shù)學(xué)運(yùn)算過程中，特別是 32 位的浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算，計(jì)算時(shí)間成倍的增加，一般情況下應(yīng)避免 采用浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算，因?yàn)?ABS 系統(tǒng)要求計(jì)算頻率非常高，一般 5 毫秒到 10 毫秒之間， CPU 要完成各種計(jì)算，例如加減速度、參考滑移率等，這種計(jì)算都是實(shí)時(shí)完成的。它真正符合了單片機(jī)的小型、簡單、可靠、廉價(jià)的設(shè)計(jì)初衷。 8OC196KC 的內(nèi)部 EPROM/ROM 為 8K 字節(jié)，內(nèi)部 RAM 為 232 字節(jié)，都可作為通用寄存器使用，加上 24 字節(jié)專用寄存器，相當(dāng)于有 256 字節(jié)內(nèi)部寄 存器。 高速輸入 HSI 部件 HSI 有四個(gè)輸入端 。這樣，對(duì) HSI_ STATUS 和 HSIJIME 寄存器的訪問就能讀取事件變化狀態(tài)和發(fā)生時(shí)刻。定時(shí)器 2 與 HSO 單元配合使用，作為事件觸發(fā)的。每兩位組成一個(gè)方式控制字 HSI_ STATUS 寄存器表示 , 的四個(gè)輸入端的 狀態(tài)，每兩位表示一個(gè)輸入端： 低位 1: 事件出現(xiàn)過； 0: 沒出現(xiàn) 高位 1: 從 HISTIME 讀取的事件，此時(shí)的輸入端為高電平 0: 從 HISIME 讀取的事件，此時(shí)的輸入端為低電平 通常，對(duì)脈沖信號(hào)的記數(shù)就利用了檢測 HSI_ STATUSZH狀態(tài)變化次數(shù)的辦法。HSI 用定時(shí)器 T1 作事件記錄變化的時(shí)間基準(zhǔn)源，把各個(gè)輸入端的變化時(shí)刻記錄在 FIFO 中。因?yàn)? ABS作為一種實(shí)時(shí)控制，而整個(gè)制動(dòng)過程在短短的幾秒鐘內(nèi)必須完成，因此它對(duì)時(shí)間要求非常高 。 3. 2. 1 CPU 簡介 本文中單片機(jī)選用了 MCS%系列產(chǎn)品中的 80C196KCo 80C196 高性能 16 位單片機(jī)是 Intel 公司繼 80%之后推出的一系列高性能 CHMOS16 位單片機(jī)，它特別適合要求很高的實(shí)時(shí)控制場合，目前，已成 功地應(yīng)用于汽車上，諸如點(diǎn)火，燃料等控制 [[52, 53, 55] CHMOS 芯片耗電少，除正常工作外還可工作于 2 種節(jié)電方式 :待機(jī)方式和掉電方式，進(jìn)一步減少了芯片的功耗 .MC196 家族中的全部成員都享用一套指令系統(tǒng)，有一個(gè)共同的 CPU 組織結(jié)構(gòu)。目前 ABS 系統(tǒng)的程序容量一般在8K32K 之間，內(nèi)存數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器在 256 個(gè)字節(jié)以上。目前防抱死系統(tǒng)采用較多的單片機(jī)是摩托羅拉 Motorola 、英特爾 Intel 、德州儀器 TI 公司及西門子 Siemens 16 位單片機(jī)。 就目前而言，實(shí)現(xiàn)汽車的控制系統(tǒng)一般采用單片計(jì)算機(jī)，在開發(fā)階段也有采用通用 CPU 的，采用 CPU 在于可以利用 CPU 強(qiáng)大的軟、硬件資源以及網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法、高效的編程手段以及高速的運(yùn)算速度。它一方面負(fù)責(zé)將傳感器信號(hào) AID 轉(zhuǎn)換或?qū)?shù)字輸入信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中去進(jìn)行分析處理，另一方面要將控制命令通過 D/A 轉(zhuǎn)換或數(shù)字輸出去驅(qū)動(dòng)作動(dòng) 系統(tǒng)，而電子控制單元內(nèi)部 CPU 通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)各種控制算法，所以電子控制單元是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，它的實(shí)現(xiàn)取決于所選取的計(jì)算機(jī)的類型。 電磁閥是防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行部件，在沒有控制信號(hào)的情況下，該制動(dòng)系統(tǒng)相當(dāng)于常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)，直接輸出最大制動(dòng)壓力 。 32（ a） ABS 系統(tǒng)的組成（分置式） 前輪速度傳感器 制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置 ABS 電控單元 ABS 警告燈 后輪速度傳感器 停車燈開關(guān) 制動(dòng)主缸 比例分配閥 制動(dòng)輪缸 蓄電池 1點(diǎn)火開關(guān) 32（ b）系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖 圖 32 ABS 系統(tǒng)的組成 輪速傳感器是汽車輪速的檢測元件，它能產(chǎn)生頻率與車輪速度成正比的近似正弦電信號(hào)， ABS 控制單元根據(jù)處理后的信號(hào)計(jì)算車輪速度。傳感器一般安裝在車輪上以測量車輪的轉(zhuǎn)速，傳感器一般為磁電感應(yīng)式。在附著系數(shù)分離的路面上進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，兩后輪的制動(dòng)力都被限制在處于低附著系數(shù)路面上的后輪的附著力水平，制動(dòng)距離會(huì)有所增加。而對(duì)于采用此控制方式的后輪驅(qū)動(dòng)汽車，如果將比例閥調(diào)整到正常制動(dòng)情況下前輪趨于抱死時(shí)，后輪的制動(dòng)力接近其附著力，則緊急制動(dòng)時(shí)由于離合器往往難以及時(shí)分離，導(dǎo)致后輪抱死，使汽車喪失方向穩(wěn)定性。當(dāng)在附著系數(shù)分離的路面上進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，兩前輪的制動(dòng)力相差很大，為保持汽車的行駛方向，駕駛員會(huì)通過轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤使前輪偏轉(zhuǎn)，以求用轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生的橫向力與不平衡的制動(dòng)力相抗衡，保持汽車行駛方向的穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)就 是為三通道 ABS。 圖 31 c 、 d 、 e 圖 c 所示的按對(duì)角布置的雙管路制動(dòng)系統(tǒng)中，雖然在通往四個(gè)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，但兩個(gè)后制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)分裝置卻是由電子控制裝置一同控制的，實(shí)際上仍是三通道 ABS。 由于四通道 ABS 可以最大程度地利用每個(gè)車輪的附著力進(jìn)行制動(dòng)，因此汽車的 制動(dòng)效能最好。在兩個(gè)車輪的制動(dòng)壓力進(jìn)行一同控制時(shí)，如果以保證附著力較大的車輪不發(fā)生制動(dòng)抱死為原則進(jìn)行制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)，稱這種控制方式為按高選原則一同控制；如果以保證附著力較小的車輪不發(fā)生制動(dòng)抱死為原則進(jìn)行制動(dòng)壓 力調(diào)節(jié)，則稱這種控制方式為按低選原則一同控制。 ABS 通過使趨于抱死車輪的制動(dòng)壓力循環(huán)往復(fù)地經(jīng)歷保持一減小一增大過程，而將趨于抱死車輪的滑移率控制在峰值附著系數(shù)滑移率的上范圍內(nèi)，直至汽車速度減小到很低或者制動(dòng)主缸的輸出壓力不再使車輪趨于抱死時(shí)為止，制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)循環(huán)的頻率可達(dá) 320Hz。 圖 27 基于車輪加減速度邏輯門限值控制方法的 ABS 系統(tǒng)油壓控制循環(huán)圖 ABS 的工作過程可以分為常規(guī)制動(dòng)、制動(dòng)壓力保持、制動(dòng)壓力減小和制動(dòng)壓力增大等階段。但顯然門限值的確定需要大量的試驗(yàn) 來確定。當(dāng)車輪減速度的值達(dá)到規(guī)定的門限值 a 時(shí)，產(chǎn)生減壓信號(hào)，圖 27 中 1 點(diǎn)所示， ABS 系統(tǒng)開始工作，降低制動(dòng)油壓。下面以基于車輪加減速度邏輯門限值的控制方法對(duì)直線單一路面的制動(dòng)過程的控制為例，簡單說明 ABS 的基本工作原理。使滑移率控制在一定范圍之內(nèi)。 上述司機(jī)做不到的許多事，利用傳感器就能辦到。除此之