【文章內(nèi)容簡介】 在 1941 年出版的《汽車科技手冊》中寫到：“到現(xiàn)在為止，任何通過機械裝置防止車輪抱死危險的嘗試皆尚未成功，當這項裝置成功的那一天，即是交通安全史上的一個重要里程碑”，可惜該書的作者恐怕沒想到這一天竟 還要再等30 年之久。當時開發(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)實時監(jiān)測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，在那個沒有集成電路與計算機的年代，沒有任何機械裝置能夠達成如此敏捷的反應(yīng)！等到ABS 系統(tǒng)的誕生露出一線曙光時，已經(jīng)是半導(dǎo)體技術(shù)有了初步規(guī)模的 1960 年代早期。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，當年 Bosch 申請“機動車輛防止剎車抱死裝置”的專利。 1964 年（也是集成電路誕生的一年） Bosch 公司再度開始 ABS 的研發(fā)計劃， 最后有了“通過電子裝置控制來防止車輪抱死是可行的”結(jié)論，這是 ABS（ Antilock Braking System）名詞在歷史上第一次出現(xiàn)！世界上第一具 ABS 原型機于 1966 年出現(xiàn)，向世人證明“縮短剎車距離”并非不可能完成的任務(wù)。因為投入的資金過于龐大，ABS 初期的應(yīng)用僅限于鐵路車輛或航空器。 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―― ABS 1， 該系統(tǒng)已具備量產(chǎn)基礎(chǔ)，但可靠性不足，而且控制單元內(nèi)的組件超過 1000 個，不但成本過高也很容易發(fā)生故障。 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?！?ABS 2”在 3 年的努力后誕生！有別于 ABS 1采用模擬式電子組件， ABS 2 系統(tǒng)完全以數(shù)字式組件進行設(shè)計，不但控制單元內(nèi)組件數(shù)目從 1000 個銳減到 140 個，而且有造價降低、可靠性大幅提升與運算速度明顯加快的三大優(yōu)勢。兩家德國車廠奔馳與寶馬于 1978 年底決定將 ABS 2這項高科技系統(tǒng)裝置在 S 級及 7 系列車款上。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。從 1978 到 1980 年底， Bosch 公司總共才售出24000套 ABS系統(tǒng)。所幸第二年即成長到 76000套。受到市場上的正面響應(yīng)， Bosch開始 TCS 循跡控制系統(tǒng)的研發(fā)計劃。 1983 年推出的 ABS 2S 系統(tǒng)，控制組件也減少到 70 個。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準配備。 圖 11 BOSCH 防抱死制動系統(tǒng) （ 1） ABS 本身控制技術(shù)的提高現(xiàn)代制動防抱死裝置多是電子計算機控制，這也 反映了現(xiàn)代汽車制動系向電子化方向發(fā)展?；诨坡实目刂扑惴ㄈ菀讓崿F(xiàn)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)展的瓶頸主要是實現(xiàn)的成本問題。隨著體積更小、價格更便宜、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確而快速。 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。它不同于傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)，其傳遞的是電，而不是液壓油或壓縮空氣，可以省略許多管路和傳感器，縮短制動反應(yīng)時間，維護簡單，易于改進，為未來的車輛智能控制提供 條件。但是，它還有不少問題需要解決，如驅(qū)動能源問題，控制系統(tǒng)失效處理，抗干擾處理等。目前電制動系統(tǒng)首先用在混合動力制動系統(tǒng)車輛上，采用液壓制動和電制動兩種制動系統(tǒng)。 （ 2）防滑控制系統(tǒng)防滑控制系統(tǒng) ASR Acceleration Slip Regulation 或稱為牽引力控制系統(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。防滑控制系統(tǒng)包括兩部分 :制動防滑與發(fā)動機牽引力控制。制 動部分是當驅(qū)動輪 后輪 在低附著系數(shù)路面工作時，由于驅(qū)動力過大，則產(chǎn)生打滑，當 ASR 制動部分工作時，通過傳感器將非驅(qū)動輪及驅(qū)動輪的輪速信號采集到控制器 中，控制器根據(jù)輪速信號計算出驅(qū)動車輪滑移率及車輪減、加速度，當滑移率或減、加速度超過某一設(shè)定閥值時，則控制器打開開關(guān)閥，氣壓由儲氣筒直接進入 制動氣室進行制動，由于三通單向閥的作用氣壓只能進入打滑驅(qū)動輪的制動氣 室，在低附著系數(shù)路面上制動時，輪速對壓力十分敏感，壓力稍稍過大，車輪就會抱死。為此利用 ABS 電磁閥對制動壓力進行精細的調(diào)節(jié)，即用小步長增壓或減壓， 以達到最佳的車輪滑移的效果 既可以得到最大驅(qū)動力，也可保持行駛的穩(wěn)定性。 （ 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。為改善這些，出現(xiàn)了電子制動控制系統(tǒng)EBS Electronics Break System 它是將氣壓傳動改為電線傳動，縮短了制動響應(yīng)時間。最重要的特點是各個車輪上制動力可以獨立控制?？刂茝姸葎t由司機踏板位移信號的大小來決定，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)形成一個控制回路，來實現(xiàn)各種控制功能， 如制動力分布控制、減速控制、牽引車與掛車處禍合力控制等。 （）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。 VDC 系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)向角、油門、制動壓力，通過觀測器決定出車輛應(yīng)具有的名義運動狀態(tài)。同時由輪速、橫擺角速度和側(cè)向加速度傳感器測出車輛的實際運動狀態(tài)。名義狀態(tài)與實際狀態(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到最小，實現(xiàn)的方法則是利用車輪滑移率特性。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。其主要作用就是通過控制車輛的橫向運動狀態(tài)，使車輛處于穩(wěn)定的運動狀態(tài)，使人能夠更容易地操縱車輛。 （）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)。因此，需要采用總線結(jié)構(gòu)將各個系統(tǒng)聯(lián)系起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和資源信息實時共享，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。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。 我國 ABS 的研究開始于 80 年代初。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)、上海汽車制動有限公司和山東重汽集團等。具有代表性的有以下幾個。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。該實驗室針對 ABS 做了多方面的研究 ,其中 ,在 ABS 控制量、輪速信號抗干擾處理、輪速信號異點剔除、防抱死電磁閥動作響應(yīng)研究等方面的研究處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。 吉林大學(xué)汽車動態(tài)模擬國家重點實驗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 動仿真等方面的研究成果均達到世界先進水平。 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)計計算的研究 ,在 ABS 技術(shù)方面有獨到之處 ,能夠建立制動壓力函數(shù) ,通過車輪地面制動力和整車動力學(xué)方程計算出汽車制動的平均減速度和車速 。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。另外 ,在滑移率和附著系數(shù)之間的關(guān)系、汽車整車技術(shù)條件和試驗方法方面也有獨到見解。 濟南程軍電子科技公司以 ABS 專家程軍為代表的濟南程軍電子科技公司對ABS 控制算法研究頗深 ,著有《汽車防抱死制動系統(tǒng)的理論與 實踐》等專著幾本 ,專門講述 ABS 控制算法 ,是國內(nèi) ABS 開發(fā)人員的必備資料之一。另外 ,他們在基于 MAT2LAB 仿真環(huán)境實現(xiàn)防抱死控制邏輯、基于 VB 開發(fā)環(huán)境進行車輛操縱仿真和車輛動力學(xué)控制的模擬研究等方面也頗有研究。 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。 西安博華公司主要產(chǎn)品是適用于大中型客車和貨車的氣壓四通道 ABS 和適用中型面包車的液壓三通道 ABS 及其相關(guān)零部件。其中 BH1203 FB 型 ABS 和BH1101 FB 型 ABS 已通過陜西省科委科技成果鑒定和陜西省機械工業(yè)局新產(chǎn)品鑒定 ,認為該項技術(shù)已達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。 山東重汽集團引進國際先進技術(shù)進行的研究也已取得了一些進展。 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。 清華大 學(xué)研制的適用于中型客車的氣制動 ABS 由于資源價格和性能上的優(yōu)勢 ,陶瓷材料的應(yīng)用將迅速擴展 。金剛石和 CBN 超硬材料的應(yīng)用將進一步擴大 。新刀具材料的研制周期會越來越短 ,新品種新牌號的推出也將越來越快。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)。 本文主要講述以單片機為核心，完成了信號輸入回路、輸出驅(qū)動回路、電源部分及故障診斷等硬件電路設(shè)計，對輪速傳感器、電磁閥等的故障檢測電路進行了設(shè)計。 2．防抱死制動系統(tǒng)基本原理 制動時汽車的運動 制動時汽 車受力分析 汽車在制動的過程中主要受到地面給汽車的作用力、風(fēng)的阻力和自身重力的作用。地面對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。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。其中為地面作用在每個車輪上的地面制動力，他的大小決定于路面的縱向附著系數(shù)和車輪所受的載荷。所有車輪上所受地面制動力的總和作為地面給汽車的總的地面制動力，他是使汽車在制動時減 速并停止的主要作用力。 Fy 為地面作用在每個車輪上的側(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，當車輪抱死時，側(cè)滑摩擦力將變得很小，幾乎為零。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。若汽車在轉(zhuǎn)彎時制動或在制動時轉(zhuǎn)彎，也將產(chǎn)生側(cè)滑摩擦力使汽車能夠轉(zhuǎn)向，如圖 21 b 所示。地面制動力決定制動距離的長短，側(cè)滑摩擦力則決定了汽車制動時的方向穩(wěn)定性。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。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 。側(cè)向力和汽車的方向穩(wěn)定性有關(guān)，它保證了汽車的行進方向。轉(zhuǎn)彎力越大，汽車的方向操縱性越好 。側(cè)向力越大，汽車的方向穩(wěn)定性越好。 如上所述，施加適當?shù)闹苿?，能夠有效地使汽車停下。制動強度過大，是汽車發(fā)生各種危險運動狀況的主要原因。因此，汽車行駛時，要根據(jù)冰路、雪路、砂石路、壞路、水濕路、干路、直路、彎曲路等道路條件，根據(jù)汽車速度、方向轉(zhuǎn)角等行駛條件進行制動操作，必須時常注意不能讓車輪完全抱死。 車輪抱死時汽車運動情況 車輪抱死時汽車所受到的側(cè)滑摩擦力將會變 的很小，這將使汽車制動時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，使汽車在制動時出現(xiàn)一些危險的運動情況。對 ABS 系統(tǒng)來說，就是要防止這些危險情況的出現(xiàn)。下面從汽車在一種路面上直線和轉(zhuǎn)彎制動兩方面簡單討論一下當車輪抱死時汽車的運動情況。 （ 1）汽車在一種路面上直線運動制動車輪抱死時可能出現(xiàn)的運動情況如圖22 所示。圖 22 a 為只有前輪抱死時，由于前輪的轉(zhuǎn)彎力基本為零，無法進行正常的轉(zhuǎn)向操作。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。圖 22 b 為只有后輪抱死時，后輪的側(cè)向力接近于零，汽車仍具有方向操縱性，但會因后輪抱死而失去方向穩(wěn)定性使汽車側(cè)滑。汽車不能保持原來的行駛方向，由于離心力和前輪轉(zhuǎn)向力的作用，汽車將一面旋轉(zhuǎn)一面沿曲線行駛 這種運動叫外旋轉(zhuǎn) 。圖 22 c 為前后車輪全部抱死時時轉(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