【正文】 上的制動力是不一樣的，如果汽車的前輪抱死，駕駛員就無法控制汽車的行駛方向，這是非常危險(xiǎn)的；倘若汽車的后輪先抱死，則會出現(xiàn)側(cè)滑、甩尾，甚至使汽車整個(gè)掉頭等嚴(yán)重事故。汽車生產(chǎn)廠家的研究數(shù)據(jù)表明，裝有 ABS 的車輛，可使因車論側(cè)滑引起的事故比例下降 8%左右。這是因?yàn)樵谕瑯泳o急制動的情況下，ABS 可以將滑移率（汽車華東距離與行駛的比）控制在 20%左右，即可獲得最大的縱向制動力的 結(jié)果。事實(shí)上，車輪抱死會造成輪胎小平面磨損，輪胎面損耗會不均勻，使輪胎磨損消耗費(fèi)增加，嚴(yán)重時(shí)將無法繼續(xù)使用。 另外， ABS 使用方便，工作可靠。 ABS 利用電腦控制車輪制動力， 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁 可以充分發(fā)揮制動器的效能，提高制動減速度和縮短制動距離，并能有效地提高車輛制 動的穩(wěn)定性，防止車輛側(cè)滑和甩尾，減少車禍?zhǔn)鹿实陌l(fā)生，因此被認(rèn)為是當(dāng)前提高汽車行駛安全性的有效措施。 防抱死制動系統(tǒng)的發(fā)展歷史 ABS 裝置最早應(yīng)用在飛機(jī)和火車上，而在汽車上的應(yīng)用比較晚。由于車輪和軌道的摩擦，就會在車輪外圓上磨出一些小平面，小平面產(chǎn)生后，車輪就不能平穩(wěn)地行駛，產(chǎn)生噪聲和掙動。接下來的 30年中，包括Karl Wessel的 “ 剎車力控制器 ” 、 Werner Mhl的 “ 液壓剎車安全裝置 ” 與 Richard Trappe 的 “ 車輪抱死防止器 ” 等嘗試都宣告失敗。 當(dāng)時(shí)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(shí)時(shí)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(gè)沒有集成電路 與計(jì)算機(jī)的年代，沒有任何機(jī)械裝置能夠達(dá)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(shí)，已經(jīng)是半導(dǎo)體技術(shù)有了初步規(guī)模的 1960 年代早期。 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(jì)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(jī)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)。 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(jī) —— 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(gè)，不但成本過高也很容易發(fā)生 故障 。 “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(jìn)行設(shè)計(jì)，不但控制單元內(nèi)組件數(shù)目從 1000 個(gè)銳減到 140 個(gè)，而且有造價(jià)降低、可靠性大幅提升與運(yùn)算速度明顯加快的三大優(yōu)勢。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁 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。所幸第二年即成長到 76000套。 1983 年推出的 ABS 2S 系統(tǒng)重量由 公斤減輕到 公斤，控制組件也減少到 70 個(gè)。 圖 11 BOSCH防抱死制動系統(tǒng) 防抱死制動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 （ 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(jì)算機(jī)控制，這也反映了現(xiàn)代汽車制動系向電子化方向發(fā)展。隨著體積更小、價(jià)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(zhǔn)確而快速。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(shí)間，維護(hù)簡單，易于改進(jìn)，為未來的車輛智能控制提供條件。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)。防滑控制系統(tǒng)包括兩部分 :制動防滑與發(fā)動機(jī)牽引力控制。為此利用 ABS 電磁閥對制動壓力進(jìn)行精細(xì)的調(diào)節(jié)，即用小步長增壓或減壓，以達(dá)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。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(shí)間。控制強(qiáng)度則由司機(jī)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(gè)控制回路，來實(shí)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。 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(yùn)動狀態(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)的方法則是利用車輪滑移率特性。其主要作用就是通過控制車輛的橫向運(yùn)動狀態(tài)，使車輛處于穩(wěn)定的運(yùn)動狀態(tài)，使人能夠更容易地操縱車輛。因此，需要采用總線結(jié)構(gòu)將各個(gè)系統(tǒng)聯(lián)系起來，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，從而降低整車成本，朝著系統(tǒng)集成化的方向發(fā)展。 國內(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 ABS 的研究開始于 80 年代初。具有代表性的有以下幾個(gè)。該實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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。 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(jì)計(jì)算的研究 ,在 ABS 技術(shù)方面有獨(dú)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(jì)算出汽車制動的平均減速度和車速 。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(yàn)方法方面也有獨(dú)到見解。另外 ,他們在基于MAT2LAB 仿真環(huán)境實(shí)現(xiàn)防抱死控制邏輯、基于 VB 開發(fā)環(huán)境進(jìn)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。 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。 山東重汽集團(tuán)引進(jìn)國際先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行的研究也已取得了一些進(jìn)展。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁 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(jià)格和性能上的優(yōu)勢 ,陶瓷材料的應(yīng)用將迅速擴(kuò)展 。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。 本文主要講述以 80C196KC 單片機(jī)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(jì) ，對輪速傳感器、電磁閥等的故障檢測電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。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。其中 Fx為地面作用在每個(gè)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。 Fy 為地面作用在每個(gè)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(dāng)車輪抱死時(shí)，側(cè)滑摩擦力將變得很小，幾乎為零。若汽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)制動或在制動時(shí)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。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。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(jìn)方向。側(cè)向力越大，汽車的方向穩(wěn)定性越好。制動強(qiáng)度過大，是汽車發(fā)生各種危險(xiǎn)運(yùn)動狀況的主要原因。 車輪抱死時(shí)汽車運(yùn)動情況 車輪抱死時(shí)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(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，使汽車在制動時(shí)出現(xiàn)一些危險(xiǎn)的運(yùn)動情況。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(dāng)車輪抱死時(shí)汽車的運(yùn)動情況。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，無法進(jìn)行正常的轉(zhuǎn)向操作。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。圖 22 (c)為前后車輪全部抱死時(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 動力不相等時(shí)，即使對汽車施加很小的偏轉(zhuǎn)力矩，汽車就會產(chǎn)生不規(guī)則運(yùn)動而處于危險(xiǎn)狀態(tài)，在不規(guī)則旋轉(zhuǎn)的過程中將制動釋放，汽車就會沿著瞬時(shí)行駛方向急速駛出，這也是很危險(xiǎn)的。所有這些運(yùn)動情況若在制動時(shí)出現(xiàn)，都是極其危險(xiǎn)的 。車 輪的抱死程度和汽車的地面制動力及汽車的側(cè)滑摩擦力之間存在一定的關(guān)系， ABS 之所以能防止汽車制動時(shí)出現(xiàn)危險(xiǎn)的運(yùn)動情況，就是根據(jù)這個(gè)關(guān)系來調(diào)整車輪的運(yùn)動狀態(tài)，以避免側(cè)滑摩擦力為零。另一種阻力是輪胎與道路表面之間產(chǎn)生的摩擦 阻力 ,也稱為地面制動力。如果制動系制動力小于輪胎 道路附著力 ,則汽車制動時(shí)會保持穩(wěn)定狀態(tài) ,反之 ,如果制動系制動力大于輪胎 道路附著力 ,則汽車制動時(shí)會出現(xiàn)車輪抱死和滑移。當(dāng)制動器產(chǎn)生的制動系制動力增大到一定值 (大于附著力 )時(shí) ,汽車輪胎將在地面上出現(xiàn)滑移。 滑移率 S的定義式為 : 1VV rS ? ??? ? ? （ 23） 式中 :S — 滑移率 。 ω — 汽車車輪的角速度 。 由上式可知 :當(dāng)車輪中心的速度 (即汽車的實(shí)際車速 ) Vt 等于車輪的角速度 ω和車輪滾動半徑 r 乘積時(shí) ,滑移率為零 ( S = 0) ,車輪為純滾動 。當(dāng) 0 S 100 %時(shí) ,車輪既滾動又滑動 。當(dāng)輪胎純滾動時(shí) ,縱向附著系數(shù)為零 。當(dāng)滑移率繼續(xù)增大 ,縱向附著系數(shù)持續(xù)下降 ,直到車輪抱死 ( S = 100 %) ,縱向附著系數(shù)降到一個(gè)較低值。從圖 1 可以看出 ,如果能將車輪滑移率控制在 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)。 ABS 即是基于這一原理而研制的。圖 縱向附著系數(shù)之間的關(guān)系。滑移率和縱向附著系數(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， 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁 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(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初速度制動時(shí)車輪的附著系數(shù) 滑移率關(guān)系曲線不會有太大變化。實(shí)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(yùn)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(shí)車輪運(yùn)動方程 制動過程單輪受力如圖 26所示。則有 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18 頁 制動時(shí)制動力遠(yuǎn)大于空氣阻力和滾動阻力， ， ，分別為右側(cè)前后輪制動力，汽車初速為 ，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,汽車制動減速為 前軸載荷 后軸載荷 制動時(shí)附加轉(zhuǎn)向力矩 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(jì)算制動時(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。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁 當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，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(jī)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(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)在踏動制動板時(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(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，如采用點(diǎn)制動。 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)車輪制動缸的制動液壓力，以防止無論任何 時(shí)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(shí)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(shí)，駕 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 20 頁 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(shí)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(dá)到規(guī)定的門限值 a 時(shí)，產(chǎn)生減壓信號，圖 27 中 1 點(diǎn)所示， ABS 系統(tǒng)開始工作，降低制動油壓。