【正文】 專利,并正式被列為國(guó)家火炬項(xiàng)目計(jì)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(jī)械工業(yè)局新產(chǎn)品鑒定,認(rèn)為該項(xiàng)技術(shù)已達(dá)到國(guó)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(dòng)FKX ACI 型ABS 裝置已通過國(guó)家級(jí)技術(shù)鑒定,但各種制動(dòng)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(jìn)一步擴(kuò)大。人們所希望的既有高速鋼、硬質(zhì)合金的強(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)。2．防抱死制動(dòng)系統(tǒng)基本原理 制動(dòng)時(shí)汽車的運(yùn)動(dòng) 制動(dòng)時(shí)汽車受力分析汽車在制動(dòng)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(shí)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(dòng)力的總和作為地面給汽車的總的地面制動(dòng)力，他是使汽車在制動(dòng)時(shí)減速并停止的主要作用力。汽車直線制動(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(dòng)時(shí)的平面受力簡(jiǎn)圖所示。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制動(dòng)時(shí)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?dòng)，能夠有效地使汽車停下。因此，汽車行駛時(shí)，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(jìn)行制動(dòng)操作，必須時(shí)常注意不能讓車輪完全抱死。對(duì)ABS系統(tǒng)來說，就是要防止這些危險(xiǎn)情況的出現(xiàn)。（1）汽車在一種路面上直線運(yùn)動(dòng)制動(dòng)車輪抱死時(shí)可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)情況如圖22所示。為制動(dòng)時(shí)前輪全部抱死而后輪不抱死汽車的運(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(shí)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(yùn)動(dòng)叫外旋轉(zhuǎn))。（2）汽車在一種路面上轉(zhuǎn)彎制動(dòng)車輪抱死時(shí)可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)情況如圖 23所示。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)車輪抱死導(dǎo)致汽車出現(xiàn)各種危險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)情況，實(shí)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(yùn)動(dòng)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(dòng)車輪抱死時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況圖23 汽車轉(zhuǎn)彎制動(dòng)車輪抱死時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況通常,汽車在制動(dòng)過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)盤之間產(chǎn)生的摩擦阻力,這種阻力稱為制動(dòng)系統(tǒng)的阻力,由于它提供制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力,因此也稱為制動(dòng)系制動(dòng)力。地面對(duì)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(duì)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(dòng)力受地面附著系數(shù)的制約。汽車的實(shí)際車速與車輪滾動(dòng)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(dòng)半徑。當(dāng)ω = 0時(shí),S = 100 % ,車輪完全抱死而作純滑動(dòng)。 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(shí),縱向附著數(shù)達(dá)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(shí),橫向附著系數(shù)幾乎為零。這樣,汽車就能獲得最佳的制動(dòng)效能和方向穩(wěn)定性。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(huì)不一樣，并且對(duì)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(jì)ABS系統(tǒng)控制方法時(shí)，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(dòng)初速度制動(dòng)時(shí)車輪的附著系數(shù)滑移率關(guān)系曲線不會(huì)有太大變化。實(shí)際上，汽車的制動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)非線性變化的過程，所以說汽車的制動(dòng)過程是一種非線性的制動(dòng)過程。 制動(dòng)時(shí)車輪運(yùn)動(dòng)方程制動(dòng)過程單輪受力如圖26所示。則有Mr=Jdωdt=MμFbr=KpFbr24Fb=Fφs25制動(dòng)時(shí)制動(dòng)力遠(yuǎn)大于空氣阻力和滾動(dòng)阻力，F(xiàn)b1r，F(xiàn)b2r，分別為右側(cè)前后輪制動(dòng)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h(yuǎn)g,汽車制動(dòng)減速為 mdvdt=Fb1l+Fb2r+Fb2l+Fb2r26前軸載荷 N1=Gl2L+dVdthgLg27后軸載荷 N2=Gl1LdVdthgLg28制動(dòng)時(shí)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(dòng)壓力可以使車輪角減速度產(chǎn)生變化:從式(210)計(jì)算制動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)車速V，可計(jì)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(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)。在日常生活中，大家都可能遇到過這種現(xiàn)象。然后再測(cè)量一下制動(dòng)距離，看一看該車制動(dòng)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(shí)，如果汽車緊急制動(dòng)的話，和直線行駛一樣會(huì)出現(xiàn)車輪抱死現(xiàn)象。汽車的側(cè)向附著力和制動(dòng)力之間的關(guān)系十分緊密。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。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(jìn)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(jìn)最后停車。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。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，輪胎一旦開始轉(zhuǎn)動(dòng)再踏動(dòng)制動(dòng)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(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。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)。上述司機(jī)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(gè)車輪制動(dòng)缸的制動(dòng)液壓力，以防止無論任何時(shí)由于制動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)基本工作原理 ABS系統(tǒng)是通過在制動(dòng)時(shí)按一定規(guī)律不斷改變制動(dòng)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(duì)直線單一路面的制動(dòng)過程的控制為例，簡(jiǎn)單說明ABS的基本工作原理。汽車開始制動(dòng)時(shí)，駕駛員踩下制動(dòng)踏板，制動(dòng)管路中油壓由零開始上升，制動(dòng)器使車輪上產(chǎn)生制動(dòng)力矩，同時(shí)產(chǎn)生地面制動(dòng)力使汽車和車輪都開始減速。當(dāng)車輪減速度的值達(dá)到規(guī)定的門限值a時(shí)，產(chǎn)生減壓信號(hào)，圖27中1點(diǎn)所示，ABS系統(tǒng)開始工作，降低制動(dòng)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(yàn)來確定。 在ABS中，每個(gè)車輪上各安置一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器，將各車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)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(hào)對(duì)各個(gè)車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(dòng)、制動(dòng)壓力保持、制動(dòng)壓力減小和制動(dòng)壓力增大等階段。在制動(dòng)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(hào)判定有車輪趨于抱死時(shí)，ABS就進(jìn)入防抱死制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)過程。ABS通過使趨于抱死車輪的制動(dòng)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(dòng)主缸的輸出壓力不再使車輪趨于抱死時(shí)為止，制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)循環(huán)的頻率可達(dá) 320Hz。3 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3．1 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的布置形式與組成3．1．1 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的布置形式ABS系統(tǒng)中，能夠獨(dú)立進(jìn)行制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)的制動(dòng)管路稱為控制通道。在兩個(gè)車輪的制動(dòng)壓力進(jìn)行一同控制時(shí)，如果以保證附著力較大的車輪不發(fā)生制動(dòng)抱死為原則進(jìn)行制動(dòng)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(dòng)抱死為原則進(jìn)行制動(dòng)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(duì)應(yīng)于雙制動(dòng)管路的H型(前后)或X型(對(duì)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(gè)車輪的附著力進(jìn)行制動(dòng)，因此汽車的制動(dòng)效能最好。因此，ABS通常不對(duì)四個(gè)車輪進(jìn)行獨(dú)立的制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)。圖31(c)、(d)、(e)圖(c)所示的按對(duì)角布置的雙管路制動(dòng)系統(tǒng)中，雖然在通往四個(gè)制動(dòng)輪缸的制動(dòng)管路中各設(shè)置一個(gè)制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)分裝置，但兩個(gè)后制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)分裝置卻是由電子控制裝置一同控制的，實(shí)際上仍是三通道ABS。 汽車緊急制動(dòng)時(shí)，會(huì)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(dòng)汽車的前輪附著力約占汽車總附著力的70%—80%)。本設(shè)計(jì)就是為三通道ABS。兩前輪可以根據(jù)附著條件進(jìn)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(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，兩前輪的制動(dòng)力相差很大，為保持汽車的行駛方向，駕駛員會(huì)通過轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)管路對(duì)角布置的汽車上，兩前輪獨(dú)立控制，制動(dòng)液通過比例閥(P閥)按一定比例減壓后傳給對(duì)角后輪。而對(duì)于采用此控制方式的后輪驅(qū)動(dòng)汽車，如果將比例閥調(diào)整到正常制動(dòng)情況下前輪趨于抱死時(shí)，后輪的制動(dòng)力接近其附著力，則緊急制動(dòng)時(shí)由于離合器往往難以及時(shí)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(dòng)系統(tǒng)的后制動(dòng)管路中設(shè)置一個(gè)制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置，對(duì)于后輪驅(qū)動(dòng)的汽車只需在傳動(dòng)系中安裝一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器，如圖31(h)。在附著系數(shù)分離的路面上進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，兩后輪的制動(dòng)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(dòng)距離會(huì)有所增加。但由于單通道ABS能夠顯著地提高汽車制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性，又具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，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(cè)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(hào)后對(duì)車輪分泵的壓力進(jìn)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(dòng)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(dòng)主缸 比例分配閥 制動(dòng)輪缸 蓄電池 1點(diǎn)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(cè)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(hào)，ABS控制單元根據(jù)處理后的信號(hào)計(jì)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(shí)，ECU就輸出一個(gè)控制信號(hào)，命令電磁閥打開或閉合，從而調(diào)節(jié)制動(dòng)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(shí)現(xiàn)汽車的安全、可靠制動(dòng)。電磁閥是防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行部件，在沒有控制信號(hào)的情況下，該制動(dòng)系統(tǒng)相當(dāng)于常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)，直接輸出最大制動(dòng)壓力。ABS就是在汽車制動(dòng)過程中不斷檢測(cè)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(dòng)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(dòng)狀態(tài)。它一方面負(fù)責(zé)將傳感器信號(hào)AID轉(zhuǎn)換或?qū)?shù)字輸入信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中去進(jìn)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(dòng)作動(dòng)系統(tǒng)，而電子控制單元內(nèi)部CPU通過軟件編程來實(shí)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(shí)現(xiàn)取決于所選取的計(jì)算機(jī)的類型。單片機(jī)內(nèi)部的微處理芯片將輸入的各個(gè)輪速信號(hào)按一定的算法進(jìn)行計(jì)算，如計(jì)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(hào)通過數(shù)字輸出端口輸出，經(jīng)過模擬電路的驅(qū)動(dòng)功率放大就可以直接驅(qū)動(dòng)電磁閥，進(jìn)而控制制動(dòng)壓力。就目前而言，實(shí)現(xiàn)汽車的控制系統(tǒng)一般采用單片計(jì)算機(jī)，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(qiáng)大的軟、硬件資源以及網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法、高效的編程手段以及高速的運(yùn)算速度。由于單片機(jī)體積小，重量輕，高可靠性，價(jià)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(jī)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(jī)。（1）CPU的運(yùn)算速度CPU的時(shí)間一般消耗在數(shù)學(xué)運(yùn)算過程中，特別是32位的浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算，計(jì)算時(shí)間成倍的增加，一般情況下應(yīng)避免采用浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算，因?yàn)锳BS系統(tǒng)要求計(jì)算頻率非常高，一般5毫秒到10毫秒之間，CPU要完成各種計(jì)算，例如加減速度、參考滑移率等