【正文】 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(jìn)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。綜上所述，施加適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)，能夠有效地使汽車停下。制動(dòng)強(qiáng)度過大，是汽車發(fā)生各種危險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)狀況的主要原因。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。 制動(dòng)時(shí)車輪運(yùn)動(dòng)方程制動(dòng)過程單輪受力如圖 32 所示。圖 32 制動(dòng)過程車輪受力簡圖制動(dòng)車輪軸荷與支撐力 N 平衡，該輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J，半徑 r:，軸心平移速度 V，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度 ，制動(dòng)器制動(dòng)力矩 M。 ，通常與車輪制動(dòng)壓力成正比系數(shù) K, 則有地面制動(dòng)力?Fb緊急制動(dòng)不計(jì)滑動(dòng)阻力。則有制動(dòng)時(shí)制動(dòng)力遠(yuǎn)大于空氣阻力和滾動(dòng)阻力， ， ，分別為右側(cè)前后輪制動(dòng)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 hg,汽車制動(dòng)減速為 前軸載荷 后軸載荷 制動(dòng)時(shí)附加轉(zhuǎn)向力矩從式(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)。 車輪抱死時(shí)汽車運(yùn)動(dòng)情況車輪抱死時(shí)汽車所受到的側(cè)滑摩擦力將會(huì)變的很小，這將使汽車制動(dòng)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(dòng)時(shí)出現(xiàn)一些危險(xiǎn)的運(yùn)動(dòng)情況。對 ABS 系統(tǒng)來說，就是要防止這些危險(xiǎn)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(dòng)兩方面簡單討論一下當(dāng)車輪抱死時(shí)汽車的運(yùn)動(dòng)情況。（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 33 所示。圖 33 (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。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。圖 33 (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(huì)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(yùn)動(dòng)叫外旋轉(zhuǎn))。圖 33 (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(dòng)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(huì)產(chǎn)生不規(guī)則運(yùn)動(dòng)而處于危險(xiǎn)狀態(tài)，在不規(guī)則旋轉(zhuǎn)的過程中將制動(dòng)釋放，汽車就會(huì)沿著瞬時(shí)行駛方向急速駛出，這也是很危險(xiǎn)的。圖 33 汽車直線制動(dòng)車輪抱死時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況（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 34 所示。所有這些運(yùn)動(dòng)情況若在制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)，都是極其危險(xiǎn)的。從上面對出現(xiàn)這些危險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)情況的簡單分析可以看出，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。車輪的抱死程度和汽車的地面制動(dòng)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(dòng)時(shí)出現(xiàn)危險(xiǎn)的運(yùn)動(dòng)情況，就是根據(jù)這個(gè)關(guān)系來調(diào)整車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以避免側(cè)滑摩擦力為零。圖 34 汽車轉(zhuǎn)彎制動(dòng)車輪抱死時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況 滑移率定義　 汽車在制動(dòng)過程中，車輪可能相對于路面發(fā)生滑移，滑移成分在車輪縱向運(yùn)動(dòng)中所占的比例可由滑移率來表征。定義滑移率為 s：　　　　式中: v 為車身速度，ω 為車輪角速度，r 為車輪半徑。在不同的滑移率時(shí)，附著力系數(shù)也不同。試驗(yàn)表明，縱向和側(cè)向附著力系數(shù)與滑移率關(guān)系如圖 35 所示。防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理就是將車輪的滑移率控制在最佳滑移率 sc 附近，以獲得較高的縱向和側(cè)向附著系數(shù)從而減小制動(dòng)距離以及保證汽車制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性。 滑移率與附著系數(shù)的關(guān)系圖 36 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)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。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。如圖 35 所示：圖 35 附著系數(shù)和滑移率關(guān)系圖 36 滑移率與附著系數(shù)關(guān)系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)。這樣，汽車就能獲得最佳的制動(dòng)效能和方向穩(wěn)定性。ABS 即是基于這一原理而研制的。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。圖 37給出了不同類型路面上滑移率縱向附著系數(shù)之間的關(guān)系。圖 37 不同路面上縱向、側(cè)向附著系數(shù)與滑移率關(guān)系曲線由圖 37 可以看出，各種路面上的變化的總體趨勢是一致的?；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。一般干燥潔凈的平整水泥、瀝青路面縱向峰值附著系數(shù)高達(dá) ～，而冰雪路面的縱向峰值附著系數(shù)低至 ～。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。若汽車在同一種類型路面上制動(dòng)時(shí)的初速度不一樣，車輪的縱向附著系數(shù)和滑移率之間的關(guān)系曲線也會(huì)略有不同，制動(dòng)時(shí)的車速越高，車輪的縱向附著系數(shù)越低。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?？傊?，對于在一種路面上制動(dòng)的汽車，車輪附著系數(shù)和滑移率之間的非線性特性是決定汽車制動(dòng)性能的主要因素。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)汽車通過制動(dòng)系統(tǒng)改變車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而改變車輪的滑移率，形成整個(gè)非線性的制動(dòng)過程。第四章 ABS 控制算法研究ABS 是汽車防抱制動(dòng)系統(tǒng)的英文縮寫。 它是一種加裝于汽車原有制動(dòng)系統(tǒng)中的主動(dòng)安全裝置, 能夠自動(dòng)防止由于制動(dòng)壓力過大而導(dǎo)致的車輪抱死，從而保證了車輛在制動(dòng)過程中的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向的可操作性。 同時(shí)能夠較為充分地利用輪胎與路面之間的摩擦力, 縮短制動(dòng)距離。 主要由輪速傳感器含齒圈和傳感器、電子控制單元、電磁調(diào)節(jié)閥、線束及警示燈等部件組成。 經(jīng)科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，汽車在制動(dòng)過程中，如果車輪完全抱死，車輪與路面之間的摩擦力會(huì)大大降低；從而引發(fā)甩尾、側(cè)滑、方向失控等險(xiǎn)情若能在制動(dòng)過程中，將車輪轉(zhuǎn)速車輪角速度與車輪滾動(dòng)半徑的乘積保持在車速一的范圍內(nèi)，車輪與路面之間的摩擦?xí)_(dá)到最佳狀態(tài)， 能同時(shí)保障車體的穩(wěn)定及轉(zhuǎn)向能力。工程學(xué)上，一般用滑移率來描述車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。也就是說，在傳動(dòng)過程中， 如果將車輪滑移率維持在 λop 附近見圖 41，就能夠使車輛的穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向的可操作性及剎車距離等因素最優(yōu)化。那么，應(yīng)以哪些參數(shù)作為控制目標(biāo)才能使控制得效能最佳事實(shí)上，有不同的方法都可以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。 但是每種方法將以不同的規(guī)律逼近期望的點(diǎn)。為了了解各種方法的特點(diǎn)，下面先分析現(xiàn)今車輛上普遍采用的邏輯控制算法，為分析和了解其他算法提供必要的基礎(chǔ)。圖 41 車輪制動(dòng)滑移曲線 簡單邏輯控制算法設(shè)路面條件是一定的，則無論車輪的滑移率在任何范圍內(nèi)變化，其路面附著系數(shù)都不會(huì)超過某一給定的值，也就是作用在四個(gè)車輪上的總的制動(dòng)力必滿足不等式 Fb≤μ maxmg； (1)汽車制動(dòng)時(shí)的最大減速度也必然滿足條件 a≤μ maxg；(a0) (2)當(dāng)車輪的角速度超過極限條件ωrda (3)此時(shí)，表明制動(dòng)力已經(jīng)超出路面所提供的最大附著力，車輪可能出現(xiàn)抱死傾向。基于上述分析，最簡單的控制邏輯可確定為ωa/rd (4)當(dāng)上述 4 條件成立，表明車輪可能出現(xiàn)抱死的傾向，于是制動(dòng)缸減壓，反之制動(dòng)缸增壓，這就是最簡單的防抱死制動(dòng)控制方案，它的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程如右圖 42 所示。圖 42 以車輪負(fù)加速度作為門限的防抱死制動(dòng)過程在制動(dòng)剛開始時(shí)，采用快速升壓，車輪角減速度超出了固定的門限值a 開始減壓，至負(fù)加速度進(jìn)人門限值a 內(nèi)結(jié)束。 隨后以慢速升壓到車輪減速度再次超出a 門限值，以此周期性地重復(fù)，直至汽車完全制動(dòng)。僅以減速度一作為門限值的邏輯控制，車輪的滑移率變化較大，也不能適應(yīng)路面附著系數(shù)的變化。分析上面從減壓到增壓轉(zhuǎn)變的過程可以得出，車輪的減速度由門限值a 之外進(jìn)人到門限值之內(nèi)，并逐漸由減速變?yōu)榧铀佟Ｔ谶@一轉(zhuǎn)變過程中，車輪的角減速度必然經(jīng)過等于零的點(diǎn)，減速度為零的點(diǎn)即為制動(dòng)力矩與路面所能提供的制動(dòng)力產(chǎn)生反驅(qū)力矩的平衡點(diǎn)。 可見，只要車輪的加速度大于零即路面所能提供制動(dòng)力對車輪中心之矩大于所施加的制動(dòng)力矩就可避免抱死的傾向。于是又可取一個(gè)適當(dāng)大的正數(shù)+a(a，+a 僅表示車輪加、減速度, 他們的值可以是不同的)作為車輪加速度的門限，構(gòu)成雙門限的邏輯控制，經(jīng)組合可得到三個(gè)常用的邏輯判定條件。 按邏輯條件式 5 實(shí)現(xiàn)防抱死制動(dòng)的調(diào)解過程如圖 43 所示。雙門限控制邏輯可以適應(yīng)不同的路面特性，一般可消除車輪抱死現(xiàn)象。但當(dāng)路面附著系數(shù)出現(xiàn)躍變時(shí)，就不能快速適應(yīng)，故對快速變化的路面跟蹤性能較差。圖 43 以車輪正負(fù)加速度作為門限的防抱死制動(dòng)過程 以車輪加、減速度和滑移率結(jié)合的邏輯控制為了適應(yīng)路面特性的變化，必須通過相應(yīng)的邏輯條件識別出這些變化，再對控制邏輯作相應(yīng)的修改，使車輛在不同運(yùn)行環(huán)境下都能取得最佳的效果。為此引人了車輪的滑移率作為輔助的門限值，與車輪負(fù)加速度組合成雙邏輯控制算法。確定滑移率要用到車體速度?，F(xiàn)今汽車上一般不采用直接測量的方法獲得實(shí)際速度，而是采用間接的方法由車輪的角速度和負(fù)加速度構(gòu)造車輛的參考速度，其構(gòu)造方法如圖。 在初始制動(dòng)過程中， 當(dāng)車輪的負(fù)加速度小于a 時(shí)，把此時(shí)對應(yīng)的車輪速度作為初始參考速度Vreo， 以后以減加速度 are(通常取汽車在一般路面制動(dòng)時(shí)能達(dá)到的減速度 )計(jì)算參考速度，如下圖公式 ：圖 44 參考速度的構(gòu)造由于車輪的角速度是已知的，當(dāng)參考速度估算出來以后，則車輪的參考滑移率為在減壓階段，車輪在路面制動(dòng)力的作用下反驅(qū)增速。當(dāng)車輪的速度大于參考速度后，則說明此時(shí)的車速不會(huì)低于當(dāng)前的輪速，于是應(yīng)把參考速度設(shè)定為當(dāng)前的輪速，使參考速度得到修正。在第一個(gè)循環(huán)以后，減速度 are 可根據(jù)路況重新設(shè)定，以適應(yīng)不同的路況并提高估算精度。 大附著系數(shù)路面上的制動(dòng)控制圖 45 是引人車輪的加速度門限值+a, 是典型的大附著系數(shù)路面防抱死制動(dòng)的調(diào)節(jié)過程。在制動(dòng)開始階段輪缸壓力快速上升, 車輪負(fù)加速度很快超出門限值a, 電磁閥從升壓切換到保壓狀態(tài), 同時(shí)由式 6 和式 7 估算出參考車速和滑移率為入 1 的門限曲線。圖 45 大附著系數(shù)路面制動(dòng)調(diào)節(jié)過程在保壓階段，輪速繼續(xù)下降，當(dāng)輪速降至低于入 1 的門限值時(shí)，電磁閥由保壓切換到減壓狀態(tài)。在減壓過程中，輪速過一段時(shí)間開始回升, 當(dāng)車輪的負(fù)加速度進(jìn)人a 門限又開始保壓。若在規(guī)定的保壓時(shí)間內(nèi)，車輪的加速度不能超過+a 門限，則屬于低附著系數(shù)路面的情況。反之, 若超過+a 門限則繼續(xù)保壓。為了適應(yīng)附著系數(shù)不同的路況，如附著系數(shù)較大的情況，又設(shè)定了識別高附著系數(shù)路面的第二門限值+A。在繼續(xù)保壓過程中可能出現(xiàn)兩種情況, 一是車輪的加速度沒超過第二門限+A 就回到+a 門限內(nèi)，二是角加速度超過了第二門限值+A。對于前者， 屬于一般附著系數(shù)路面。對后者則屬大附著系數(shù)路面( 或是已躍變到大附著系數(shù)路面)， 則要對輪缸進(jìn)行一次增壓，直至車輪的加速度低于+A 門限，再保壓至低于 +a 門限?？梢?, 兩種情形都是低于+a 門限進(jìn)人穩(wěn)定區(qū)。在隨后的升壓過程中， 一般采用比初始升壓慢的多的上升梯度，開關(guān)閥以增壓州深壓方式不斷切換相當(dāng)于調(diào)制脈寬控制，直至車輪負(fù)加速度再次低于a 門限此后以周期重復(fù)。 小附著系數(shù)路面的制動(dòng)控制圖 46 是在小附著系數(shù)路面的調(diào)節(jié)過程，在初始的 1，2 調(diào)節(jié)階段和大附著系數(shù)的路面相同。 階段 3 首先有一段定時(shí)保壓階段, 由于給定的時(shí)間內(nèi)車輪的加速度達(dá)不到+a 門限，于是可以判定此時(shí)是屬于小附著系數(shù)路面的情形，控制邏輯產(chǎn)生一個(gè)小的減壓一保壓脈沖，使車輪慢慢升速，然后再比較車輪加速度是否到門限, 如低于此門限值再次產(chǎn)生減壓曰一保壓脈沖，車輪繼續(xù)升速直至超過+a 門限。到此 3 階段結(jié)束，并轉(zhuǎn)人第 4 階段— 保壓階段。當(dāng)車輪加速度再次低于+a 門限時(shí)，保壓階段 4 結(jié)束。 階段 5 是以圖 46 小附著系數(shù)路面動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程增壓一保壓(脈沖方式)