【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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)。 本文主要講述以 80C196KC 單片機(jī)為核心，完成了信號(hào)輸入回路、輸出驅(qū)動(dòng)回路、電源部分及故障診斷等硬件電路設(shè)計(jì) ，對(duì)輪速傳感器、電磁閥等的故障檢測(cè)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 2．防 抱死制動(dòng)系統(tǒng)基本原理 制動(dòng)時(shí)汽車(chē)的運(yùn)動(dòng) 制動(dòng)時(shí)汽車(chē)受力分析 汽車(chē)在制動(dòng)的過(guò)程中主要受到地面給汽車(chē)的作用力、風(fēng)的阻力和自身重力的作用。地面對(duì)汽車(chē)的作用力又分為 :作用在車(chē)輪上垂直于地面的支承力和作用在車(chē)輪上平行于地面的力。汽車(chē)在直線(xiàn)行駛并受橫向外界干擾力作用和汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)所受到地面給汽車(chē)的力如圖 21所示。其中 Fx為地面作用在每個(gè)車(chē)輪上的地面制動(dòng)力，他的大小決定于路面的縱向附著系數(shù)和車(chē)輪所受的載荷。所有車(chē)輪上所受地面制動(dòng)力的總和作為地面給汽車(chē)的總的地面制動(dòng)力，他是使汽車(chē)在制動(dòng)時(shí)減 速 并停止的主要作用力。 Fy 為地面作用在每個(gè)車(chē)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(chē)輪所受的載荷，當(dāng)車(chē)輪抱死時(shí)，側(cè)滑摩擦力將變得很小，幾乎為零。汽車(chē)直線(xiàn)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(chē)將產(chǎn)生側(cè)滑摩擦力來(lái)保持汽車(chē)的直線(xiàn)行駛方向，如圖 21（ a） 圖 21 汽車(chē)直線(xiàn)和轉(zhuǎn)彎制動(dòng)時(shí)的平面受力簡(jiǎn)圖 所示。若汽車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)制動(dòng)或在制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)彎，也將產(chǎn)生側(cè)滑摩擦力使汽車(chē)能夠轉(zhuǎn)向，如圖 21 (b)所示。地面制動(dòng)力決定制動(dòng)距離的長(zhǎng)短，側(cè)滑摩擦力則決定了汽車(chē)制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性。這里將作 用在前輪上的側(cè)滑摩擦力稱(chēng)為轉(zhuǎn)彎力，將作用在后輪上的側(cè)滑摩擦力稱(chēng)為側(cè)向力。轉(zhuǎn)彎力和汽車(chē)的方向操縱性有關(guān)，它保證了汽車(chē)能夠按照駕駛員的意愿轉(zhuǎn)向 。側(cè)向力和汽車(chē)的方向穩(wěn)定性有關(guān)，它保證了汽車(chē)的行進(jìn)方向。轉(zhuǎn)彎力越大，汽車(chē)的方向操縱性越好 。側(cè)向力越大，汽車(chē)的方向穩(wěn)定性越好。 如上所述，施加適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)，能夠有效地使汽車(chē)停下。制動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大，是汽車(chē)發(fā)生各種危險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)狀況的主要原因。因此，汽車(chē)行駛時(shí)，要根據(jù)冰路、雪路、 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè) 砂石路、壞路、水濕路、干路、直路、彎曲路等道路條件，根據(jù)汽車(chē)速度、方向轉(zhuǎn)角等行駛條件進(jìn)行制動(dòng)操作，必須時(shí)常注意不 能讓車(chē)輪完全抱死。 車(chē)輪抱死時(shí)汽車(chē)運(yùn)動(dòng)情況 車(chē)輪抱死時(shí)汽車(chē)所受到的側(cè)滑摩擦力將會(huì)變的很小，這將使汽車(chē)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(chē)在制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)一些危險(xiǎn)的運(yùn)動(dòng)情況。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)。下面從汽車(chē)在一種路面上直線(xiàn)和轉(zhuǎn)彎制動(dòng)兩方面簡(jiǎn)單討論一下當(dāng)車(chē)輪抱死時(shí)汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)情況。 （ 1） 汽車(chē)在一種路面上直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)制動(dòng)車(chē)輪抱死時(shí)可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)情況如圖22所示。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(wú)法進(jìn)行正常的轉(zhuǎn)向操作。為制動(dòng)時(shí)前 輪全部抱死而后輪不抱死汽車(chē)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(chē)的方向使汽車(chē)轉(zhuǎn)向來(lái)避讓前方的障礙物，這時(shí)由于汽車(chē)后輪不抱死，所以汽車(chē)仍具有側(cè)向力來(lái)維持方向穩(wěn)定性。圖22 (b)為只有后輪抱死時(shí)，后輪的側(cè)向力接近于零，汽車(chē)仍具有方向操縱性，但會(huì)因后輪抱死而失去方向穩(wěn)定性使汽車(chē)側(cè)滑。汽車(chē)不能保持原來(lái)的行駛方向，由于離心力和前輪轉(zhuǎn)向力的作用，汽車(chē)將一面旋轉(zhuǎn)一面沿曲線(xiàn)行駛 (這種運(yùn)動(dòng)叫外旋轉(zhuǎn) )。圖 22 (c)為前后車(chē)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(chē)施加很小的偏轉(zhuǎn)力矩，汽車(chē)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(guò)程中將制動(dòng)釋放，汽車(chē)就會(huì)沿著瞬時(shí)行駛方向急速駛出，這也是很危險(xiǎn)的。 （ 2） 汽車(chē)在一種路面上轉(zhuǎn)彎制動(dòng)車(chē)輪抱死時(shí)可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)情況如圖 23所示。所有這些運(yùn)動(dòng)情況若在制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)，都是極其危險(xiǎn)的 。 從上面對(duì)出現(xiàn)這些危險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)情況的簡(jiǎn)單分析可以看出，制動(dòng)時(shí)車(chē)輪抱死導(dǎo)致汽車(chē)出現(xiàn)各種危險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)情況，實(shí)質(zhì)上是汽車(chē)因失去相應(yīng)的維持本身方向穩(wěn)定性方向操縱性的側(cè)滑摩擦力而使汽車(chē)出現(xiàn)這些運(yùn)動(dòng)情況，即車(chē)輪抱死導(dǎo)致汽車(chē)的側(cè)滑摩擦力為零。車(chē) 輪的抱死程度和汽車(chē)的地面制動(dòng)力及汽車(chē)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(chē)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(lái)調(diào)整車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以避免側(cè)滑摩擦力為零。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè) 圖 22 汽車(chē)直線(xiàn)制動(dòng)車(chē)輪抱死時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況 圖 23 汽車(chē)轉(zhuǎn)彎制動(dòng)車(chē)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(chē)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(pán)之間產(chǎn)生的摩擦阻力 ,這種阻力稱(chēng)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(chēng)為制動(dòng)系制動(dòng)力 。另一種阻力是輪胎與道路表面之間產(chǎn)生的摩擦 阻力 ,也稱(chēng)為地面制動(dòng)力。地面對(duì)輪胎切向反作用力的極限值稱(chēng)為輪胎 道路附著力 ,大小等于地面對(duì)輪胎的法向反作用力與輪胎 道路附著系數(shù)的乘積。如果制動(dòng)系制動(dòng)力小于輪胎 道路附著力 ,則汽車(chē)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(chē)制動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)車(chē)輪抱死和滑移。 地面制動(dòng)力受地面附著系數(shù)的制約。當(dāng)制動(dòng)器產(chǎn)生的制動(dòng)系制動(dòng)力增大到一定值 (大于附著力 )時(shí) ,汽車(chē)輪胎將在地面上出現(xiàn)滑移。汽車(chē)的實(shí)際車(chē)速與車(chē)輪滾動(dòng)的圓周速度之間的差異稱(chēng)為車(chē)輪的滑移率。 滑移率 S的定義式為 : 1VV rS ? ??? ? ? （ 23） 式中 :S — 滑移率 。 Vt — 汽車(chē)的理論速度 (車(chē)輪中心的速度 ) 。 ω — 汽車(chē)車(chē)輪的角速度 。 r — 汽車(chē)車(chē)輪的滾動(dòng)半徑。 由上式可知 :當(dāng)車(chē)輪中心的速度 (即汽車(chē)的實(shí)際車(chē)速 ) Vt 等于車(chē)輪的角速度 ω和車(chē)輪滾動(dòng)半徑 r 乘積時(shí) ,滑移率為零 ( S = 0) ,車(chē)輪為純滾動(dòng) 。當(dāng) ω = 0 時(shí) ,S = 100 % ,車(chē)輪完全抱死而作純滑動(dòng) 。當(dāng) 0 S 100 %時(shí) ,車(chē)輪既滾動(dòng)又滑動(dòng) 。 滑移率與附著系數(shù)的關(guān)系 圖 24 給出車(chē)輪與路面縱向附著系數(shù)和橫向附著系數(shù)隨滑移率變化的典型曲線(xiàn)。當(dāng)輪胎純滾動(dòng)時(shí) ,縱向附著系數(shù)為零 。當(dāng)滑移率為 15 %～ 30 %時(shí) ,縱向附著數(shù)達(dá)到峰值 。當(dāng)滑移率繼續(xù)增大 ,縱向附著系數(shù)持續(xù)下降 ,直到車(chē)輪抱死 ( S = 100 %) ,縱向附著系數(shù)降到一個(gè)較低值。另外 ,隨著滑移率增大 ,橫向附著系數(shù)急劇下降 ,當(dāng)車(chē)輪抱死時(shí) ,橫向附著系數(shù)幾乎為零。從圖 1 可以看出 ,如果能將車(chē)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)。這樣 ,汽車(chē)就能獲得最佳的制動(dòng)效能和方向穩(wěn)定性。 ABS 即是基于這一原理而研制的。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè) 圖 24 滑移率與附著系數(shù)關(guān)系 實(shí)驗(yàn)證明，道路的附著系數(shù)受車(chē)輪結(jié)構(gòu)、材料，道路表面形狀、材料有關(guān)，不同性質(zhì)道路其附著系數(shù)變化很大。圖 縱向附著系數(shù)之間的關(guān)系。 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(xiàn) 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?；坡屎涂v向附著系數(shù)之間的關(guān)系曲線(xiàn)隨路面類(lèi)型的不同，出現(xiàn)峰值的滑移率的取值也會(huì)不一樣， 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁(yè) 并且對(duì)應(yīng)不同路面類(lèi)型的滑移率 縱向附著系數(shù)曲線(xiàn)在峰值附著系數(shù)后曲線(xiàn)下降的速度也不相同，在干燥的路面上下降的快些，在濕滑的路面上略微有些下降。一般干燥潔凈的平整水泥、瀝青路面縱向峰值附著系數(shù)高達(dá) ，而冰雪路面的縱向峰值附著系數(shù)低至 。如果這種差別隨路面類(lèi)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(lèi)型的不同而采取不同的控制目標(biāo)和策略。若汽車(chē)在同一種類(lèi)型路面上制動(dòng)時(shí)的初速度不一樣，車(chē)輪的縱向附著系數(shù)和滑移率之間的關(guān)系曲線(xiàn)也會(huì)略有不同，制動(dòng)時(shí)的車(chē)速越高，車(chē)輪的縱 向附著系數(shù)越低。但在同一路面上以不同制動(dòng)初速度制動(dòng)時(shí)車(chē)輪的附著系數(shù) 滑移率關(guān)系曲線(xiàn)不會(huì)有太大變化。 總之，對(duì)于在一種路面上制動(dòng)的汽車(chē)，車(chē)輪附著系數(shù)和滑移率之間的非線(xiàn)性特性是決定汽車(chē)制動(dòng)性能的主要因素。實(shí)際上，汽車(chē)的制動(dòng)過(guò)程就是車(chē)輪和路面之間的一種非線(xiàn)性變化過(guò)程，即車(chē)輪附著系數(shù)隨車(chē)輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)非線(xiàn)性變化的過(guò)程，所以說(shuō)汽車(chē)的制動(dòng)過(guò)程是一種非線(xiàn)性的制動(dòng)過(guò)程。制動(dòng)時(shí)汽車(chē)通過(guò)制動(dòng)系統(tǒng)改變車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而改變車(chē)輪的滑移率，形成整個(gè)非線(xiàn)性的制動(dòng)過(guò)程。 制動(dòng)時(shí)車(chē)輪運(yùn)動(dòng)方程 制動(dòng)過(guò)程單輪受力如圖 26所示。 圖 26 制動(dòng)過(guò)程車(chē)輪受力簡(jiǎn)圖 制動(dòng)車(chē)輪軸荷與支撐力 N平衡，該輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J，半徑 r:，軸心平移速度 V，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度 ? ，制動(dòng)器制動(dòng)力矩 M，通常與車(chē)輪制動(dòng)壓力成正比系數(shù) K, 則有地面制動(dòng)力bF ，緊急制動(dòng)不計(jì)滑動(dòng)阻力。則有 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18 頁(yè) 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(chē)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h(yuǎn)g,汽車(chē)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(chē)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(chē)速 V，可計(jì)算各車(chē)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)。 采用防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的必要性 汽車(chē)直線(xiàn)行駛過(guò)程中，突然緊急制動(dòng)，汽車(chē)車(chē)輪一下子抱死，汽車(chē)仍然向前行滑，輪胎和地面之間發(fā)出嚇人的磨擦聲，汽車(chē)最后終于停了下來(lái)。在日常生活中，大家都可能遇到過(guò)這種現(xiàn)象。如果汽車(chē)發(fā)生交通事故，交通警察來(lái)了之后首先總是檢查一下汽車(chē)制動(dòng)痕跡 ，判斷司機(jī)在事故中是否采取了制動(dòng)措施。然后再測(cè)量一下制動(dòng)距離，看一看該車(chē)制動(dòng)效果好不好。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。如果輪胎的滑移率過(guò)大的話(huà)，附著力反而要降低。如果司機(jī)能控制輪胎的滑移率，使其在制動(dòng)期間始終處于 8%^25%范圍之內(nèi)，汽車(chē)將在更短的制動(dòng)距離內(nèi)停車(chē)。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁(yè) 當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)，如果汽車(chē)緊急制動(dòng)的話(huà)，和直線(xiàn)行駛一樣會(huì)出現(xiàn)車(chē)輪抱死現(xiàn)象。由于車(chē)輪抱死，汽車(chē)的側(cè)向附著力變成了零，汽車(chē)輪胎出現(xiàn)側(cè)向滑動(dòng)，汽車(chē)喪夫了控制方向的能力，這是十分危險(xiǎn)的。汽車(chē)的側(cè)向附著力和制動(dòng)力之間的關(guān)系十分緊密。在不制動(dòng)的時(shí)候，輪胎前后方向的滑動(dòng)為零，這時(shí)車(chē)輪側(cè)向附著力最大。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。最后，當(dāng)輪胎的滑移率達(dá)到 100%時(shí)，輪胎抱死。這樣汽車(chē)的側(cè)向附著力幾乎等于零。此時(shí)汽車(chē)正在轉(zhuǎn)彎中，輪胎開(kāi)始出現(xiàn)側(cè)向滑動(dòng)。在車(chē)輪抱死之后，方向盤(pán)己經(jīng)不起作用了，汽車(chē)陷入了不能控制方向的困境，只有前輪抱死的汽車(chē)沿著直線(xiàn)前進(jìn)最后停車(chē)，只有后輪抱死的汽車(chē)發(fā)生旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象最后停車(chē)，如果前后輪都抱死的話(huà)，汽車(chē)一邊轉(zhuǎn)一邊沿直線(xiàn)前進(jìn)最后停車(chē)。上述各種狀態(tài)是極其危險(xiǎn)的。為了避免 發(fā)生這些現(xiàn)象，司機(jī)在踏動(dòng)制動(dòng)板時(shí)，必須謹(jǐn)慎從事。 在制動(dòng)過(guò)程中，如果始終能使輪胎的滑移率處于 8%～ 25%范圍之內(nèi)的話(huà)，汽車(chē)將在最短的制動(dòng)距離內(nèi)停車(chē)并具有良好的控制方向的能力。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(chē)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(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)再踏動(dòng)制動(dòng)踏板使車(chē)輪抱死，如此反復(fù)操作。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(chē)輪抱死，但仍很難做到，原因是司機(jī)不知道車(chē)輪什么時(shí)候抱死。除此之外，汽車(chē)行駛 的許多條件也都在變化之中，如道路的路面狀況 時(shí)時(shí)刻刻都在變化，輪胎著地狀 態(tài)也每時(shí)每刻各不一樣，前后輪胎的載荷分配更是如此。要完成上述制動(dòng)要求確實(shí)難上加難。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)?？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。 上述司機(jī)做不到的許多事，利用傳感器就能辦到。將傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、判斷、變成執(zhí)行機(jī)構(gòu)所必需的信息，這部分工作對(duì)于電腦來(lái)說(shuō)是很簡(jiǎn)單的，按照 電腦的指令執(zhí)行操作，這在機(jī)械結(jié)構(gòu)上也不會(huì)有什么大問(wèn)題。 ABS 系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用到每個(gè)車(chē)輪制動(dòng)缸的制動(dòng)液壓力，以防止無(wú)論任何 時(shí)由于制動(dòng)過(guò)猛而可能引起的車(chē)輪抱死。當(dāng)不再有可能抱死車(chē)輪時(shí)，再恢復(fù)正常壓力。使滑移率控制在一定范圍之內(nèi)。這樣不但提高了車(chē)輛行駛的穩(wěn)定性，增強(qiáng)了車(chē)輛方向的可控性，而且縮短了制動(dòng)距離。 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)基本工作原理 ABS 系統(tǒng)是通過(guò)在制動(dòng)時(shí)按一定規(guī)律不斷改變制動(dòng)液壓力使車(chē)輪不產(chǎn)生抱死狀態(tài)的。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。下面以基于車(chē)輪加減速度邏輯門(mén)限值的控制方法對(duì)直線(xiàn)單一路面的制動(dòng)過(guò)程的控制為例，簡(jiǎn)單說(shuō)明 ABS的基本工作原理。 ABS 系統(tǒng)在制動(dòng)時(shí)對(duì)制動(dòng)油 壓的控制過(guò)程如圖 27 所示。