【正文】 督檢測中心的認(rèn)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。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(rèn)為該項技術(shù)已達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。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。金剛石和CBN 超硬材料的應(yīng)用將進一步擴大。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)。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。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。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。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。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。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。轉(zhuǎn)彎力越大，汽車的方向操縱性越好。如上所述，施加適當(dāng)?shù)闹苿?，能夠有效地使汽車停下。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。對ABS系統(tǒng)來說，就是要防止這些危險情況的出現(xiàn)。（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。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(dāng)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。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))。（2）汽車在一種路面上轉(zhuǎn)彎制動車輪抱死時可能出現(xiàn)的運動情況如圖 23所示。從上面對出現(xiàn)這些危險運動情況的簡單分析可以看出，制動時車輪抱死導(dǎo)致汽車出現(xiàn)各種危險運動情況，實質(zhì)上是汽車因失去相應(yīng)的維持本身方向穩(wěn)定性方向操縱性的側(cè)滑摩擦力而使汽車出現(xiàn)這些運動情況，即車輪抱死導(dǎo)致汽車的側(cè)滑摩擦力為零。圖22 汽車直線制動車輪抱死時的運動情況圖23 汽車轉(zhuǎn)彎制動車輪抱死時的運動情況通常,汽車在制動過程中存在著兩種阻力:一種阻力是制動器摩擦片與制動鼓或制動盤之間產(chǎn)生的摩擦阻力,這種阻力稱為制動系統(tǒng)的阻力,由于它提供制動時的制動力,因此也稱為制動系制動力。地面對輪胎切向反作用力的極限值稱為輪胎 道路附著力,大小等于地面對輪胎的法向反作用力與輪胎 道路附著系數(shù)的乘積。地面制動力受地面附著系數(shù)的制約。汽車的實際車速與車輪滾動的圓周速度之間的差異稱為車輪的滑移率。Vt —汽車的理論速度(車輪中心的速度) 。r —汽車車輪的滾動半徑。當(dāng)ω = 0時,S = 100 % ,車輪完全抱死而作純滑動。 滑移率與附著系數(shù)的關(guān)系圖24 給出車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)滑移率為15 %～30 %時,縱向附著數(shù)達到峰值。另外,隨著滑移率增大,橫向附著系數(shù)急劇下降,當(dāng)車輪抱死時,橫向附著系數(shù)幾乎為零。這樣,汽車就能獲得最佳的制動效能和方向穩(wěn)定性。圖24 滑移率與附著系數(shù)關(guān)系實驗證明，道路的附著系數(shù)受車輪結(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?；坡屎涂v向附著系數(shù)之間的關(guān)系曲線隨路面類型的不同，出現(xiàn)峰值的滑移率的取值也會不一樣，并且對應(yīng)不同路面類型的滑移率縱向附著系數(shù)曲線在峰值附著系數(shù)后曲線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。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ABS系統(tǒng)控制方法時，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。但在同一路面上以不同制動初速度制動時車輪的附著系數(shù)滑移率關(guān)系曲線不會有太大變化。實際上，汽車的制動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)隨車輪運動狀態(tài)非線性變化的過程，所以說汽車的制動過程是一種非線性的制動過程。 制動時車輪運動方程制動過程單輪受力如圖26所示。則有Mr=Jdωdt=MμFbr=KpFbr24Fb=Fφs25制動時制動力遠大于空氣阻力和滾動阻力，F(xiàn)b1r，F(xiàn)b2r，分別為右側(cè)前后輪制動力，汽車初速為V0，質(zhì)量為m(重力G)，質(zhì)心c到前后軸距離l1,l2，軸距L,輪距B,質(zhì)心高hg,汽車制動減速為 mdvdt=Fb1l+Fb2r+Fb2l+Fb2r26前軸載荷 N1=Gl2L+dVdthgLg27后軸載荷 N2=Gl1LdVdthgLg28制動時附加轉(zhuǎn)向力矩Ms=Fb1l+Fb2lFb1r+Fb2rB=Fb1lFb1r+Fb2lFb2r29V=v0+0tdVdtdt210 從式(24)可知，調(diào)節(jié)制動壓力可以使車輪角減速度產(chǎn)生變化:從式(210)計算制動時的瞬時車速V，可計算各車輪滑移率，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)。在日常生活中，大家都可能遇到過這種現(xiàn)象。然后再測量一下制動距離，看一看該車制動效果好不好。如果輪胎的滑移率過大的話，附著力反而要降低。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時，如果汽車緊急制動的話，和直線行駛一樣會出現(xiàn)車輪抱死現(xiàn)象。汽車的側(cè)向附著力和制動力之間的關(guān)系十分緊密。司機踏動制動踏板，隨著制動力的加大，輪胎的滑移率增加，側(cè)向附著力逐漸減速小。這樣汽車的側(cè)向附著力幾乎等于零。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)一邊沿直線前進最后停車。為了避免發(fā)生這些現(xiàn)象，司機在踏動制動板時，必須謹(jǐn)慎從事。為了達到上述目的，要求司機在操作時應(yīng)十分精心，即踏動制動踏板使車輪抱死，然后在輪胎抱死的一瞬間放松制動踏板，輪胎一旦開始轉(zhuǎn)動再踏動制動踏板使車輪抱死，如此反復(fù)操作。除此之外，汽車行駛 的許多條件也都在變化之中，如道路的路面狀況時時刻刻都在變化，輪胎著地狀 態(tài)也每時每刻各不一樣，前后輪胎的載荷分配更是如此。當(dāng)然技術(shù)熟練的司機在某種程度上能根據(jù)各種條件合理地操作制動，如采用點制動。上述司機做不到的許多事，利用傳感器就能辦到。ABS系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用到每個車輪制動缸的制動液壓力，以防止無論任何時由于制動過猛而可能引起的車輪抱死。使滑移率控制在一定范圍之內(nèi)。 防抱死制動系統(tǒng)基本工作原理 ABS系統(tǒng)是通過在制動時按一定規(guī)律不斷改變制動液壓力使車輪不產(chǎn)生抱死狀態(tài)的。下面以基于車輪加減速度邏輯門限值的控制方法對直線單一路面的制動過程的控制為例，簡單說明ABS的基本工作原理。汽車開始制動時，駕駛員踩下制動踏板，制動管路中油壓由零開始上升，制動器使車輪上產(chǎn)生制動力矩，同時產(chǎn)生地面制動力使汽車和車輪都開始減速。當(dāng)車輪減速度的值達到規(guī)定的門限值a時，產(chǎn)生減壓信號，圖27中1點所示，ABS系統(tǒng)開始工作，降低制動油壓。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。但顯然門限值的確定需要大量的試驗來確定。 在ABS中，每個車輪上各安置一個轉(zhuǎn)速傳感器，將各車輪轉(zhuǎn)速信號輸入電子控制裝置ECU. ECU根據(jù)各車輪轉(zhuǎn)傳感器輸入的信號對各個車輪的運動狀態(tài)進行監(jiān)測和判定并形成相應(yīng)的控制指令。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、制動壓力保持、制動壓力減小和制動壓力增大等階段。在制動過程中，電子控制裝置根據(jù)車輪轉(zhuǎn)速傳感器輸入的車輪轉(zhuǎn)速信號判定有車輪趨于抱死時，ABS就進入防抱死制動壓力調(diào)節(jié)過程。ABS通過使趨于抱死車輪的制動壓力循環(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主缸的輸出壓力不再使車輪趨于抱死時為止，制動壓力調(diào)節(jié)循環(huán)的頻率可達 320Hz。3 防抱死制動系統(tǒng)硬件設(shè)計3．1 防抱死制動系統(tǒng)的布置形式與組成3．1．1 防抱死制動系統(tǒng)的布置形式ABS系統(tǒng)中，能夠獨立進行制動壓力調(diào)節(jié)的制動管路稱為控制通道。在兩個車輪的制動壓力進行一同控制時，如果以保證附著力較大的車輪不發(fā)生制動抱死為原則進行制動壓力調(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)生制動抱死為原則進行制動壓力調(diào)節(jié)，則稱這種控制方式為按低選原則一同控制。(1)四通道ABS 對應(yīng)于雙制動管路的H型(前后)或X型(對角)兩種布置形式，四通道ABS也有兩種布置形式，見圖31(a,b)。由于四通道ABS可以最大程度地利用每個車輪的附著力進行制動，因此汽車的制動效能最好。因此，ABS通常不對四個車輪進行獨立的制動壓力調(diào)節(jié)。圖31(c)、(d)、(e)圖(c)所示的按對角布置的雙管路制動系統(tǒng)中，雖然在通往四個制動輪缸的制動管路中各設(shè)置一個制動壓力調(diào)節(jié)分裝置，但兩個后制動壓力調(diào)節(jié)分裝置卻是由電子控制裝置一同控制的，實際上仍是三通道ABS。 汽車緊急制動時，會發(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)動汽車的前輪附著力約占汽車總附著力的70%—80%)。本設(shè)計就是為三通道ABS。兩前輪可以根據(jù)附著條件進行高選和低選轉(zhuǎn)換，兩后輪則按低選原則一同控制。當(dāng)在附著系數(shù)分離的路面上進行緊急制動時，兩前輪的制動力相差很大，為保持汽車的行駛方向，駕駛員會通過轉(zhuǎn)動轉(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力相抗衡，保持汽車行駛方向的穩(wěn)定性。圖 31 （f）（g）圖31(g)所示的雙通道ABS多用于制動管路對角布置的汽車上，兩前輪獨立控制，制動液通過比例閥(P閥)按一定比例減壓后傳給對角后輪。而對于采用此控制方式的后輪驅(qū)動汽車，如果將比例閥調(diào)整到正常制動情況下前輪趨于抱死時，后輪的制動力接近其附著力，則緊急制動時由于離合器往往難以及時分離，導(dǎo)致后輪抱死，使汽車喪失方向穩(wěn)定性。(4)單通道ABS 所有單通道ABS都是在前后布置的雙管路制動系統(tǒng)的后制動管路中設(shè)置一個制動壓力調(diào)節(jié)裝置，對于后輪驅(qū)動的汽車只需在傳動系中安裝一個轉(zhuǎn)速傳感器，如圖31(h)。在附著系數(shù)分離的路面上進行制動時，兩后輪的制動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，制動距離會有所增加。但由于單通道ABS能夠顯著地提高汽車制動時的方向穩(wěn)定性，又具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點，因此在輕型貨車上得到廣泛應(yīng)用。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。液壓控制單元接收到信號后對車輪分泵的壓力進行調(diào)節(jié)。 32（a） ABS系統(tǒng)的組成（分置式）前輪速度傳感器 制動壓力調(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) 制動主缸 比例分配閥 制動輪缸 蓄電池 1點火開關(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，ABS控制單元根據(jù)處理后的信號計算車輪速度。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，ECU就輸出一個控制信號，命令電磁閥打開或閉合，從而調(diào)節(jié)制動輪缸壓力，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)，實現(xiàn)汽車的安全、可靠制動。電磁閥是防抱死制動系統(tǒng)的執(zhí)行部件，在沒有控制信號的情況下，該制動系統(tǒng)相當(dāng)于常規(guī)制動系統(tǒng)，直接輸出最大制動壓力。ABS就是在汽車制動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狀態(tài)。它一方面負(fù)責(zé)將傳感器信號AID轉(zhuǎn)換或?qū)?shù)字輸入信號采集到計算機的內(nèi)存中去進行分析處理，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)動作動系統(tǒng)，而電子控制單元內(nèi)部CPU通過軟件編程來實現(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，它的實現(xiàn)取決于所選取的計算機的類型。單片機內(nèi)部的微處理芯片將輸入的各個輪速信號按一定的算法進行計算，如計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，然后將控制信號通過數(shù)字輸出端口輸出，經(jīng)過模擬電路的驅(qū)動功率放大就可以直接驅(qū)動電磁閥，進而控制制動壓力。就目前而言，實現(xiàn)汽車的控制系統(tǒng)一般采用單片計算機，在開發(fā)階段也有采用通用CPU的，采用CPU在于可以利用CPU強大的軟、硬件資源以及網(wǎng)絡(luò)功能實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法、高效的編程手段以及高速的運算速度。由于單片機體積小，重量輕，高可靠性，價格低廉，使用方便，因此十分適用于開發(fā)汽車電子系統(tǒng)。目前防抱死系統(tǒng)采用較多的單片機是摩托羅拉 (Motorola)、英特爾 (Intel)、德州儀器 (TI)公司及西門子 (Siemens) 16位單片機。（1）CPU的運算速度CPU的時間一般消耗在數(shù)學(xué)運算過程中，特別是32位的浮點數(shù)計算，計算時間成倍的增加，一般情況下應(yīng)避免采用浮點數(shù)計算，因為ABS系統(tǒng)要求計算頻率非常高，一般5毫秒到10毫秒之間，CPU要完成