【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 是實(shí)現(xiàn)的成本問(wèn)題。隨著體積更小、價(jià)格更便宜、可靠性更高的車(chē)速傳感器的出現(xiàn)， ABS 系統(tǒng)中增加車(chē)速傳感器成為可能，確定車(chē)輪滑移率將變得準(zhǔn)確而快速。全電制動(dòng)控制系統(tǒng) BBW (BrakeByWire)是未來(lái)制動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。它不同于傳統(tǒng)的制動(dòng)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(dòng)反應(yīng)時(shí)間，維護(hù)簡(jiǎn)單，易于改進(jìn)，為未來(lái)的車(chē)輛智能控制提供條件。但是，它還有不少問(wèn)題需要解決，如驅(qū)動(dòng)能源問(wèn)題，控制系統(tǒng)失效處理，抗干擾處理等。 防滑控制系統(tǒng) 防滑控制系統(tǒng) ASR (Acceleration Slip Regulation)或稱(chēng)為牽引力控制系統(tǒng) TCS(Traction Control System)是 在 驅(qū)動(dòng)時(shí)防止車(chē)輪打滑，使車(chē)輪獲得最大 限度的驅(qū)動(dòng)力，并具有行駛穩(wěn)定性，減少輪胎磨損和發(fā)動(dòng)機(jī)的功耗，增加有效的驅(qū)動(dòng)牽引力。防滑控制系統(tǒng)包括兩部分 :制動(dòng)防滑與發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力控制。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(guò)大，則產(chǎn)生打滑，當(dāng) ASR 制動(dòng)部分工作時(shí)，通過(guò)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(chē)輪滑移率及車(chē)輪減、加速度，當(dāng)滑移率或減、加速度超過(guò)某一設(shè)定閥值時(shí)，則控制器打開(kāi)開(kāi)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 4 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(guò)大，車(chē)輪就會(huì)抱死。 電子控制制動(dòng)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(chē)與接車(chē)制動(dòng)相容性問(wèn)題等。為改善這些，出現(xiàn)了電子制動(dòng)控制系統(tǒng) EBS (Electronics Break System)它是將氣壓傳動(dòng)改為電線傳動(dòng)，縮短了制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間。最重要的特點(diǎn)是各個(gè)車(chē)輪上制動(dòng)力可以獨(dú)立控制。控制強(qiáng)度則由司機(jī)踏板位移信號(hào)的大小來(lái)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(lái)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(chē)與掛車(chē)處合力控制等。 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng) 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng) VDC(Vehicle Dynamics Control)是在 ABS 的基礎(chǔ)上通過(guò)測(cè)量方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、橫擺角速度和側(cè)向加速度對(duì)車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行控制。 VDC 系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)向角、油門(mén)、制動(dòng)壓力，通過(guò)觀測(cè)器決定出車(chē)輛應(yīng)具有的名義運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。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(chē)輛的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。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(chē)輪滑移率特性。車(chē)輛動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)目的是改善車(chē)輛操縱的穩(wěn)定性，它可以在車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)處于危險(xiǎn)狀態(tài)下自動(dòng)進(jìn)行控制。其主要作用就是通過(guò)控制車(chē)輛的橫向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使車(chē)輛處于穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使人能夠更容易地操縱車(chē)輛。 ABS/ASR 與自動(dòng)巡航系統(tǒng) (ACC)集成 自動(dòng)巡航控制系統(tǒng) (ACC)的目的是在巡航行駛時(shí)自動(dòng)把車(chē)速限制在一個(gè)設(shè)定的速度，并且能夠根據(jù)前方車(chē)輛的行駛善，自動(dòng)施加制動(dòng)或加速使其保持在一定的安全距離內(nèi)行駛。在遇到障礙物時(shí)，可以自動(dòng)施加制動(dòng)，把車(chē)速調(diào)整到安全范圍內(nèi)。由于 ABS/ASR 和ACC 都要用到相同的輪速 采集系統(tǒng)，制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置以及發(fā)動(dòng)機(jī)輸出力矩調(diào)節(jié)裝置，因此 ABS/ASR/ACC 集成化系統(tǒng)，不僅可以大大降低成本，而且可以提高汽車(chē)的整體安全性能 控制系統(tǒng)總線技術(shù) 隨著汽車(chē)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(gè)系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)，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(chē)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(chē)內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。 國(guó)內(nèi) ABS 系統(tǒng)研究的理論狀態(tài)和具有代表的 ABS 產(chǎn)品公司 我國(guó) ABS 的研究始于 20 世紀(jì) 80 年代初，隨著我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展及汽車(chē)保有量和車(chē)速的不斷提高，行車(chē)安全問(wèn)題變得越來(lái)越突出。 ABS 系統(tǒng)的研究在我國(guó)成為熱門(mén)課題，許多髙校、科研單位和生產(chǎn)廠家正在加快研究攻關(guān)和技術(shù)引進(jìn)步伐。國(guó)內(nèi)研制 ABS 5 的單位主要有東風(fēng)汽車(chē)公司、交通部重慶公路研究所、重慶宏安 ABS 有限公司、陜西興平 514 廠、西安公路學(xué)院、清華大學(xué)、西安艾韋機(jī)電科技公司等單位和部門(mén)。東風(fēng)公司從80 年 代初就開(kāi)始研究旭 3，是較早研究 ABS 的廠家之一，現(xiàn)研究工 作的主要目標(biāo)是對(duì)國(guó) 外的產(chǎn)品進(jìn)行消化吸收。重慶公路研究所相繼開(kāi)發(fā)出了兩代 ABS 產(chǎn)品，第一代 ABS 的ECU 采用了 280 芯片。第二代 ABS 產(chǎn)品為 FKXACI 型，該裝置的 ECU 中的 CPU 微處理器采用了美國(guó) INTEL 公司的 MCS96 系列 8098 單片機(jī)。我國(guó)前己著手制定有關(guān)車(chē)輛安全性方面的法規(guī)，并決定首先在重型汽車(chē)和大客車(chē)上安裝 ABS 系統(tǒng)。 清華大學(xué)和浙江亞太等承擔(dān)的汽車(chē)液壓防抱死制動(dòng)系統(tǒng) (ABS)“九五”國(guó)家科技攻關(guān)課題，在 ABS 控制理論與方法、電子控制單元、液壓控制單元、開(kāi)發(fā)裝置和匹配方法等關(guān)鍵技術(shù)方面均取得 了重大成果。采用的耗散功率理論，避免了傳統(tǒng)的邏輯門(mén)限值研究方法的局限性，取得了理論上的突破，研發(fā) ABS 成功且進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化、批量生產(chǎn)階段。其試樣在南京 IVECO 輕型客車(chē)上匹配使用全面達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) (GB126761999)和歐洲法規(guī)EECR13 的要求。這對(duì)振興我國(guó)汽車(chē)工業(yè)與汽車(chē)零部件業(yè)具有劃時(shí)代意義，標(biāo)志著我國(guó)汽車(chē)液壓 ABS 國(guó)產(chǎn)化已邁出堅(jiān)實(shí)的一步。國(guó)內(nèi)液壓 ABS 技術(shù)含量與國(guó)外雖有一定的差距，但在政府的大力支持和國(guó)內(nèi)豐富的人力資源配合下，相信國(guó)內(nèi)可以在較短的時(shí)間內(nèi)在ABS 技術(shù)某些領(lǐng)域達(dá)到國(guó)際水平。 本 文主要研究任務(wù) 根據(jù)速騰汽車(chē)的主要技術(shù)參數(shù)，給出了相應(yīng)的 ABS 設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了初步試驗(yàn)，理論和試驗(yàn)結(jié)果都表明，此設(shè)計(jì)方案能夠?qū)⑵?chē)在制動(dòng)時(shí)車(chē)輪的滑移率限制在一定范圍之內(nèi)，避免車(chē)輪抱死，滿足了控制耍求 。 第二章首先給出了汽車(chē)防抱死系統(tǒng)工作原理，分析了 ABS 制動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)、附著系數(shù)與滑移率的關(guān)系曲線 。通過(guò)本章對(duì) ABS 制動(dòng)系統(tǒng)主耍組成部分的原理和模型進(jìn)行的研究，對(duì) ABS 的工作原理有一個(gè)初步的了解 。 第三章對(duì)防抱死制動(dòng)系統(tǒng) ABS的電子控制單元 ECU的硬件電路和故障診斷電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。對(duì)所選用的器件和電路進(jìn)行了分析 。實(shí)踐表明，控制電路能夠滿足 ABS 的實(shí)時(shí)性控制要求，故障診斷電路能夠準(zhǔn)確的檢 測(cè) 出元器件故障，為維修 人員提供便利。 第四 章對(duì) 基于角加減速度和滑移率門(mén)限值 控制策略進(jìn)行了深入研究， 該方案能夠滿足設(shè)計(jì)精度，并且成本較低。 給出了控制系統(tǒng)流程圖，并在模擬試驗(yàn)臺(tái)上 進(jìn)行試驗(yàn)。 第五章對(duì)研究工作進(jìn)行總結(jié)，展望未來(lái) ABS 系統(tǒng)的發(fā)展方向。 6 第 2 章 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)基本原理 ABS 系統(tǒng)能夠通過(guò)控制制動(dòng)過(guò)程中車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使車(chē)輪不產(chǎn)生抱死，保證汽車(chē)制動(dòng)時(shí)處于最佳的制動(dòng)狀態(tài)，即保持方向穩(wěn)定性、方向操縱性和縮短制動(dòng)距離。所以 要 對(duì)ABS 系統(tǒng)進(jìn)行研究，就必須先了解汽車(chē)制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)特性 。 汽車(chē)制動(dòng)時(shí)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 。汽車(chē)在直線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， 其 大小 取 決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)的直線行駛方向，如圖 21(a)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。 行 駛 方 向F xF y慣 性 力( a ) 直 線 行 駛橫 向 干 擾 力( b ) 轉(zhuǎn) 彎 行 駛慣 性 力離 心 力F yF x 圖 21 汽車(chē)直線和轉(zhuǎn)彎制動(dòng)時(shí)的平面受力簡(jiǎn)圖 汽車(chē) 單 車(chē)輪 在良好的硬路面上制動(dòng)時(shí)受力狀況如圖 (22)所示。圖中 T181。是制動(dòng)器制動(dòng) 7 盤(pán)與制動(dòng)鉗之間的摩擦力矩； Fxb是輪胎與地面之間作用的地面制動(dòng)力； G是汽車(chē)車(chē)體作用于車(chē)輪的垂直載荷； Ft是車(chē)軸作用于車(chē)輪的推力； N是地面對(duì)車(chē)輪的法向反作用力； ν是車(chē)體速度； ω是車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度； r是車(chē)輪半徑。 ων GF trNT μF μ F x b 圖 22 單個(gè)車(chē)輪在制動(dòng) 時(shí)的受力分析 若定義制動(dòng)器制動(dòng)力 F181。為作用于車(chē)輪周緣上克服制動(dòng)器摩擦力矩 T181。所需要的力，則： rTF ??? (21) 制動(dòng)器制動(dòng)力僅由制動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定，其大小取決于制動(dòng)器的形式、結(jié)構(gòu)尺寸、制動(dòng)器摩擦副的摩擦系數(shù)以及車(chē)輪半徑。通常制動(dòng)器制動(dòng)力與制動(dòng)踏板力，即制動(dòng)系的液壓或氣壓成正比。 真正直接使汽車(chē)減速停止的外力是路面作用于車(chē)輪輪胎上的路面制動(dòng)力，路 面制動(dòng)力取決于制動(dòng)器制動(dòng)力及車(chē)輪輪胎與路面間的摩擦力。輪胎與路面間的最大摩擦力稱(chēng)為路面附著力 F? 。 ?? GF ? (22) 式 中 ? – –車(chē)輪輪胎與路面之間的摩擦系數(shù)，通常稱(chēng)為附著系數(shù)。 制動(dòng)器制動(dòng)力是生成路面制動(dòng)力的源泉，路面制動(dòng)力的大小，首先取決于制動(dòng)器制動(dòng)力，只 有足夠的制動(dòng)器制動(dòng)力才能產(chǎn)生足夠的路面制動(dòng)力。但是，路面制動(dòng)力的最大值受車(chē)輪與路面間的摩擦力的限制，不可能大于路面附著力。路面制動(dòng)力 、 制動(dòng)器制動(dòng)力及路面附著力的關(guān)系如 圖 (23)所示。 從 圖 中 可見(jiàn)，當(dāng)制動(dòng)管路壓力 P或制動(dòng)踏板力 Fp較小，未達(dá)到某一極限值時(shí)，制動(dòng)器摩擦力矩不大，路面與輪胎間的摩擦力 (路面制動(dòng)力 )足以克服制動(dòng)器摩擦力矩而使車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)路面制動(dòng)力的值與制動(dòng)器制動(dòng)力的值相等，且隨制動(dòng)踏板力的增長(zhǎng)成正比地增長(zhǎng)。當(dāng)制動(dòng)系管路壓力 P上升到某一足夠大的值時(shí)，路面制動(dòng)力達(dá)到路面最大附著力，汽車(chē)車(chē)輪即抱死停轉(zhuǎn) 而出現(xiàn)拖滑現(xiàn)象，且路面制 動(dòng)力 路面附著力之間的關(guān)系動(dòng)力不再增加，但制動(dòng)器制動(dòng)力隨著制動(dòng)踏板力或制動(dòng)系統(tǒng)壓力的增加而繼續(xù)增大。 8 由此可知 ，汽車(chē)的地面制動(dòng)力首先取決于制動(dòng)器制動(dòng)力，但同時(shí)又受地面附著條件的限制。 只有當(dāng)汽車(chē)具有足夠的制動(dòng)器制動(dòng)力，同時(shí)又能提供高的附著力時(shí)，才能獲得足夠的路面制動(dòng)力 ，保證較高的制動(dòng)效果 。 圖 23 路面制動(dòng)力、制動(dòng)器制動(dòng)力及路面附著力之間的關(guān)系 滑移率定義 如果制動(dòng)系制動(dòng)力小于輪胎一道路附著力，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)力大于輪胎一道路附著力，則汽 車(chē)制動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)車(chē)輪抱死和滑移。 由于地面制動(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。 滑移速度 (實(shí)際車(chē)速與車(chē)輪滾動(dòng)的圓周速度之間的差值 )與 實(shí)際車(chē)速的比值，即滑移率。 滑移率 S的定義式為 : VrVVVS ?? ???? 1 (23) 式中 S– –滑移率 ； Vω– –汽車(chē)的理論速度 或 車(chē)輪中心的速度 (m/s)； ω– –汽車(chē)車(chē)輪的角速度 (rad/s)； r– –汽車(chē)車(chē)輪的滾動(dòng)半徑 (m)。 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) 0S100%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。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 9 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 中 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