【文章內(nèi)容簡介】 圖 ABS 基本組成部分框圖 汽車的制動系統(tǒng)隨車型的不同而不同，同樣 ABS 系統(tǒng)也因車而異。因此 ABS 的類型較多但基本都由由中央控制器、壓力調(diào)節(jié)器 (電磁閥 )、輪速傳感器、警示燈以及一些控制繼電器組成。車輪轉(zhuǎn)速 傳感器一般為電磁感應(yīng)式，通常安置在被控車輪上。電磁閥既可以設(shè)置在制動總泵至制動分泵的制動管路中形成分離結(jié)構(gòu)，也可與制動總泵合為一體形成整體結(jié)構(gòu)，對制動壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。電子控制器是防抱死制動系統(tǒng)的控制中樞，它主要接收車輪轉(zhuǎn)速傳感器和制動燈開關(guān)等輸入的信號，對制動過程中被控車輪的運動狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)需要對壓力調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，使壓力調(diào)節(jié)器對被控車輪的制動壓力進(jìn)行保持、減小和增大等調(diào)節(jié)，并根據(jù)車輪轉(zhuǎn)速傳感器反饋的信號修正 車輪 中央控制器 電 磁 閥 主制動缸 制動踏板 警示燈 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 9 控制指令。電子控制器還具有對防抱死制動系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測的功能。 ABS 報警燈安置在儀表板上， 由電子控制器控制其亮滅，指示防抱死制動系統(tǒng)的工作狀態(tài)。 傳統(tǒng)的汽車制動系統(tǒng)的功能是使行駛的汽車車輪受制動力矩的作用而減速停止的安全裝置。在絕大多數(shù)情況下汽車設(shè)計的制動缸制動力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于路面摩擦力，這使得全制動必定會導(dǎo)致車輪抱死。在緊急制動情況下，當(dāng)駕駛員腳踩踏板使制動壓力過大時，輪速傳感器能夠迅速探測到車輪有抱死的傾向，并控制器控制壓力調(diào)節(jié)器動作以減小制動壓力，隨之車輪輪速恢復(fù)；當(dāng)車輪輪速恢復(fù)且地面附著力有減少趨勢時，控制器又控制壓力調(diào)節(jié)器動作增加制動壓力。這樣反復(fù)動作，使車輪一直處于最佳的制動狀態(tài)，最有效 地利用地面附著力，得到最佳的制動距離和制動穩(wěn)定性。并且可以防止制動過程中后輪抱死導(dǎo)致的車輛側(cè)滑甩尾，防止前輪抱死喪失的轉(zhuǎn)向能力，提高汽車躲避車輛前方障礙物的操縱性和彎道制動時的軌跡保持能力，大大提高制動過程的方向穩(wěn)定性。同時汽車制動效能得到提高，制動距離一般要比不安裝 ABS 系統(tǒng)的同類型車輛要短。 車輪轉(zhuǎn)速傳感器 車輪轉(zhuǎn)速傳感器是汽車 ABS 系統(tǒng)中主要的信號傳感器，其作用是對車輪的運動狀態(tài)進(jìn)行檢測，獲得車輪轉(zhuǎn)速信號。目前用于 ABS 系統(tǒng)的輪速傳感器主要有磁電式輪速傳感器和霍爾式輪速傳感器兩種類型。磁電式 傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將物體轉(zhuǎn)動速度轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電勢來測量車輪速度的。在電控防抱制動系統(tǒng)中使用的傳感器，多數(shù)為磁電式輪速傳感器。它結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但存在以下缺點： 1) 輸出信號的大小隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，若車速過慢，其輸出信號過低而使得系統(tǒng)認(rèn)為車輛速度為零； 2) 頻率響應(yīng)低，當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時傳感器易出現(xiàn)錯誤信號，加重軟件濾波難度； 3) 抗電磁波干擾能力差，尤其是車速較慢，輸出信號幅值較小時。 近年來出現(xiàn)的霍爾式車輪速度傳感器克服了磁電式輪速傳感器的上述缺點，并且具有下列優(yōu)點： 1) 輸出信號幅值不變。在 工作電壓為 12V 時，輸出幅值保持 不變，車速再慢甚至到零，幅值都不變； 2) 頻率響應(yīng)高 (可達(dá) 20kHz)，用于 ABS 系統(tǒng)中可檢測 1000km/h 的信號，故可滿足使用要求； 3) 抗電磁干擾能力強(qiáng)。由于輸出信號在整個輪速范圍內(nèi)不變，且幅值較高，所以抗電磁能力很強(qiáng)。 目前霍爾式輪速傳感器越來越廣泛地應(yīng)用在 ABS 系統(tǒng)中。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 10 電子控制單元 (ECU) ABS 的電子控制單元 (Electronic Control Unit)，常用 ECU 表示，也為稱中央控制器。它的主要作用是接收輪速傳感器等輸入信 號，實時計算出輪速、參考車速、車輪減速度、滑移率等控制參數(shù)，并進(jìn)行判斷、輸出控制指令，控制電磁閥進(jìn)行制動調(diào)節(jié)。另外還應(yīng)具備故障監(jiān)測等功能，如有故障時會使 ABS 停止工作并將 ABS 警示燈點亮。 制動壓力調(diào)節(jié)器 制動壓力調(diào)節(jié)器是 ABS 中的主要執(zhí)行器。目前常用的制動壓力調(diào)節(jié)器為電磁閥，其作用是接受 ABS 電子控制單元的指令，對制動管路進(jìn)行通、斷等動作，調(diào)節(jié)制動系的壓力，使之增大、保持或減小，實現(xiàn)制動壓力控制功能。 由于 ABS 是在原來傳統(tǒng)制動系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加一套控制裝置形成的，因此 ABS 也是建立在傳統(tǒng)的常規(guī)制動 過程的基礎(chǔ)上進(jìn)行工作的。在制動過程中，若車輪沒有抱死趨勢，其制動過程與常規(guī)制動過程完全相同。只有車輪趨于抱死時， ABS 才會對趨于抱死的車輪的制動壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。通常，只有在汽車速度達(dá)到一定速度 (如 8km/h)后，ABS 系統(tǒng)才會對制動過程中趨于抱死的車輪的制動壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)汽車速度降到一定程度時，由于車速很低，車輪制動抱死對汽車制動性能的不利影響很小，為了使汽車盡快制動停車， ABS 就會自動終止防抱死制動壓 .力調(diào)節(jié)，其車輪仍可能被制動抱死。在制動過程中，如果常規(guī)制動系統(tǒng)發(fā)生故障， ABS 會隨之失去控制作用。若只是 ABS發(fā)生故障、常規(guī)制動系統(tǒng)正常時，汽車制動過程仍像常規(guī)制動過程一樣照常進(jìn)行，只是失去防抱死控制作用?，F(xiàn)代 ABS 一般都能對系統(tǒng)的工作情況進(jìn)行監(jiān)測，具有失效保護(hù)和自診斷功能，一旦發(fā)現(xiàn)影響 ABS 正常工作的故障時，將自動關(guān)掉 ABS，恢復(fù)常規(guī)制動，并將 ABS 警示燈點亮，向駕駛員發(fā)出警示信號，提醒駕駛員及時進(jìn)行修理。 ABS 系統(tǒng)的工作原理 (1) 普通制動（ ABS 不工作狀態(tài)） 在制動力較小、車輪未出現(xiàn)滑移或車速較低時， ABS 處于不工作狀態(tài)，即 ABS 得 ECU 無指令給液壓調(diào)節(jié)器的電磁線圈，閥體在回位彈簧力的作用 下打開 A 孔、關(guān)閉 B 孔，來自主缸的制動液通過 A 孔、 B 孔進(jìn)入輪缸，產(chǎn)生制動效果；解除制動時，輪缸的制動液經(jīng) B 孔、 A 孔及單向閥流回主缸。此時，電動泵的電動機(jī)也是處于不工作狀態(tài)。 (2) 緊急制動（ ABS 工作） 1）減壓狀態(tài) 當(dāng)車輪要抱死時， ABS 的 ECU 發(fā)出控制指令，給液壓調(diào)節(jié)器的電磁線圈提供較大的電流，電磁線圈產(chǎn)生強(qiáng)磁吸力吸引閥體，閥體克服回位彈簧力將 A孔關(guān)閉，切斷了主缸的進(jìn)液通路。同時打開 C 孔，輪缸內(nèi)的制動液從 B 孔經(jīng) C 孔進(jìn)入儲液器。由于輪缸制動液經(jīng)上述回路返回主缸而使壓力下降，防止車輪抱死。至于液壓降低的程 度，由 ABS 的 ECU 根據(jù)車輪速度傳感器的信號進(jìn)行控制。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 11 1— 主缸 2— ABS ECU 3— 蓄電池 4— 儲液器 5,8,9— 單向閥 6— 電動泵驅(qū)動電機(jī) 7— 電動泵 10— A 孔 11— 回位彈簧 12— C 孔 13— 車速傳感器 14— 輪缸 15— B 孔 圖 汽車 ABS 工作原理示意圖 2）保持狀態(tài) 輪缸減壓后，如果車輪處于最佳滑移率的范圍之內(nèi)， ABS 的 ECU會根據(jù)傳感器的信號發(fā)出相應(yīng)指令，使液壓調(diào)節(jié)器的電磁線圈通較小的電流，使閥體保持在中間位置，此時正好關(guān)閉 A 孔和 C 孔，使輪缸處于 保持壓力狀態(tài)。 3）增壓狀態(tài) 當(dāng)車輪制動器制動力不足時，通過車輪速度傳感器檢測信號， ABS的 ECU 便停止向液壓調(diào)節(jié)器的電磁線圈供電，閥體在彈簧力作用下回位打開 A 孔，關(guān)閉 C 孔，主管路中的高壓制動液便可通過 A 孔、 B 孔到達(dá)輪缸，使其輪缸液壓升高，從而加大制動力。 車輪的滑移率與附著系數(shù)的關(guān)系 車輛的制動過程可以描述為以下幾個部分：首先由駕駛員踩踏制動踏板啟動制動缸：制動缸提供制動力矩并施加到車輪上；車輪因制動力而減速；輪胎與地面相互作用而產(chǎn)生的地面附著力使車輛減速。這一過程中，制動力矩與地面附著力構(gòu)成 動力學(xué)系統(tǒng)。我們定義車輪與地面間滑移率為： vRS ???1 （ ） 式中： S—滑移率 ； v—車輛速度 ； ?—車輪角速度 ； R—車輪半徑 。 我們稱輪胎與地面間的摩擦系數(shù)為附著系數(shù)，為車輪滑移率的函數(shù)．考慮到車輛的轉(zhuǎn)向制動，可以將車輪受力分為橫向力和縱向力，相應(yīng)的附著系數(shù)也可分解為橫向黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 12 附著系數(shù)和縱向附著系數(shù)，如圖 所示?？梢苑治鰴M向摩擦系數(shù)和縱向摩擦系數(shù)與車輪滑移率之間的關(guān)系，得到輪胎特性曲線。 圖 車輪橫向、縱向力 很顯然，當(dāng)滑移率為零時，由定義知， 圖 車輪橫向、縱向力車輪處于滾動狀態(tài)，車速等于輪速，制動力為零。隨著制動力不斷增大，滑移率達(dá)到 100％時車輪抱死。對大多數(shù)情況而言，車輪滑移率在某個特定值下有最大的附著系數(shù)。某些特殊路面如沙石路面及未壓實的新雪路面，在車輪抱死時 其前方堆積物的增加造成阻力，使附著系數(shù)增大。制動的目的之一是得到最短的制動距離，很顯然使車輛滑移率維持在峰值附著系數(shù)處就可以得到最大的地面附著力，也就有最短的制動距離。同時在峰值附著系數(shù)處的橫向力也較大，對維持車輛的制動穩(wěn)定性十分有利。在實際制動過程中駕駛員是很難做到這一點的，并且應(yīng)急制動情況下駕駛員更無精力去顧及這種最佳的操縱，而 ABS 系統(tǒng)恰恰是為了實現(xiàn)這一目的。峰值附著系數(shù)對應(yīng)的最佳滑移率隨輪胎特性路面的情況而變化，一般其值的變化范圍在 5％ — 30％之間。 在制動過程中，輪胎經(jīng)常會受到側(cè)向力而發(fā)生側(cè)偏和側(cè) 滑現(xiàn)象，如制動時要避免障礙物、轉(zhuǎn)彎制動、在分離附著系數(shù)路面制動等。從制動穩(wěn)定性的角度來說，在轉(zhuǎn)彎制動的情況下，前輪先抱死時，車輛受到的橫向力減小，車輪失去轉(zhuǎn)向能力，車輛將沿軌跡的切線方向甩出，使車輛失控。當(dāng)后輪先抱死時，車輛將產(chǎn)生較大的橫擺力矩，加劇過轉(zhuǎn)向特性，最后也將導(dǎo)致車輛的失穩(wěn)。 制動過程中的加減速度 對正在旋轉(zhuǎn)的車輪施加制動，隨著制動壓力的升高，在車輪旋轉(zhuǎn)的相反方向上將產(chǎn)生制動力矩，輪速減小并產(chǎn)生滑移。制動完全解除時，制動力矩消失，車輪從滑移狀態(tài)恢復(fù)到滾動狀態(tài)。即車輪速度逐步增加到汽車速度 ，在這個過程中車輪的加減角速度處于不斷變化的過程中。一般講，制動強(qiáng)度越大，車輪減速度越大；在滑動狀態(tài)下，解除制動越快車輪加速度越大。 制動過程中的載荷轉(zhuǎn)移 汽車重量是靠各個車輪來支撐的。在輪胎和路面的接觸面上有一個垂直方向的作用力，這個力叫做輪胎載荷。輪胎載荷隨著車輛制動力和轉(zhuǎn)彎時的離心力而變化。 輪速方向 車速方向 輪上橫向力方向 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 13 直線制動時，汽車制動時根據(jù)總制動力的大小做減速運動。制動時所產(chǎn)生的地面制動力等于車輪載荷與附著系數(shù)之積。制動時所產(chǎn)生的慣性力與總制動力大小相等、方向相反、指向行駛方向，并作用在汽車質(zhì)心上。這兩個力將使汽 車產(chǎn)生一個前傾力偶距，使前輪載荷增加 bG? ，后輪載荷減少 bG? ．假定附著系數(shù)為 b? ，車重 G、軸距L、質(zhì)心高度 gh ，則： LGhG gbb 2??? () 可知，質(zhì)心越高、軸距越短，載荷轉(zhuǎn)移的幅度越大。 汽車轉(zhuǎn)彎制動時，汽車的離心力為 12 )( ?grGv ，作用在汽車的質(zhì)心上。側(cè)傾力偶矩產(chǎn)生后，使外側(cè)輪胎載荷增加 CG? ，內(nèi)側(cè)輪胎減少 CG? ．假定輪距為 C，離心力所產(chǎn)生的力偶距對每個車輪平均分配 ， 則： grCGhvG gC 22?? () 上述這種車輪載荷的變化叫做動載荷轉(zhuǎn)移，由于載荷的轉(zhuǎn)移，汽車轉(zhuǎn)彎使前外車輪的制動力最大，后內(nèi)車輪的制動力最小。 ABS 系統(tǒng)的控制方法 汽車 ABS 系統(tǒng)的工作環(huán)境十分惡劣，要求系統(tǒng)本身抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。車輪在緊急制動中的抱死過程很快，約為 ，要求 ABS 系統(tǒng)實時監(jiān)控能力強(qiáng)，控制過程迅速，大部分系統(tǒng)的循環(huán)都要求毫秒量級。以上特點對研究可行的 ABS 控制算法有很大的限制，復(fù)雜的算法很難實現(xiàn)。如果采用高級的硬件設(shè)備，則系統(tǒng)硬件成本太高，無法滿足要求。傳統(tǒng)的 ABS 控制方 法是基于經(jīng)驗式的邏輯門限方法，每裝配一種新的車型都需要通過大量的道路試驗來確定經(jīng)驗參數(shù)。產(chǎn)品的發(fā)展往往經(jīng)歷了漫長的歷史。由于這些因素，汽車電子學(xué)的實用化進(jìn)展并不是像人們預(yù)料的那樣快速。 隨著硬件設(shè)備性能飛速提高，在 ABS 算法領(lǐng)域也出現(xiàn)了基于現(xiàn)代控制理論的方法，較為典型的有滑模變結(jié)構(gòu)控制方法。它是一種非線性控制策略，是根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)偏離滑模面的程度來變更控制器結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)按照滑模面規(guī)定規(guī)律運行的一種控制方法。在 ABS 過程中，車輪滑移率的變化也是一個非線性過程，為了達(dá)到控制滑移率的目的，可以用滑模變結(jié)構(gòu)理論進(jìn)行控 制，具體控制方法可參閱文獻(xiàn)。 另一類方法是智能控制的方法，比較典型的方法是模糊控制方法。模糊控制是基于經(jīng)驗規(guī)則又可以結(jié)合數(shù)學(xué)過程的新型控制方法，它與系統(tǒng)的模型無關(guān)，不需要建立控制過程精確的數(shù)學(xué)模型，而是完全憑人的經(jīng)驗，將語言變量代替數(shù)字變量進(jìn)行自動控制。 ABS 系統(tǒng)利用模糊邏輯可通過制動時車輛運動特征與路面特性間的關(guān)系估計路黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 14 面特征，根據(jù)滑移率和滑移率誤差的變化，確定防抱系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)器的壓力調(diào)節(jié)值。這種方法具有很好的魯棒性和控制規(guī)則的靈活性，但調(diào)試設(shè)定參數(shù)比較困難，對設(shè)計人員經(jīng)驗依賴性很大。具體方法可參閱文獻(xiàn)。 雖然近年在 ABS 控