汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的控制方法仿真研究

摘 要 為了能夠準(zhǔn)確的了解制動(dòng)防抱死系統(tǒng)的性能，常常使用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來進(jìn)行研究，本設(shè)計(jì)采用 Matlab/Simulink 模擬汽車在直線制動(dòng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì) ABS 系統(tǒng)的控制規(guī)律進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。它與常規(guī)的試驗(yàn)分析相比，具有分析速度快、精度高、周期短、節(jié)省大量的人力物力的優(yōu)點(diǎn)。 ABS 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)模型的建立，是計(jì)算機(jī)與生產(chǎn)實(shí)際相融合的產(chǎn)物。模型的建立，可以代替危險(xiǎn)性試驗(yàn)，提高安全性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)可以方便快捷的得到試驗(yàn)所得到的結(jié)果，以此完善設(shè)計(jì)開發(fā)中的產(chǎn)品性能，為 ABS 系統(tǒng)的研制與開發(fā)提供一條有效的方法。 本設(shè) 計(jì)簡單介紹了制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，通過建立普通制動(dòng)系統(tǒng)和 ABS 防抱死系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，提出了基于路面附著系數(shù)的 ABS 控制算法，并根據(jù)數(shù)學(xué)模型，利用Matlab/Simulink 軟件建立普通制動(dòng)系統(tǒng)和 ABS 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的仿真模塊， 分析普通制動(dòng)系統(tǒng)和裝有防抱死制動(dòng)系統(tǒng) (ABS)車輛制動(dòng)過程中各參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律 。通過對(duì)比仿真結(jié)果可知 ABS防抱死制動(dòng)系統(tǒng)不僅能夠達(dá)到防止車輪在制動(dòng)過程時(shí)抱死的目的，還能準(zhǔn)確控制車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此證明本次設(shè)計(jì) 對(duì) ABS 制動(dòng)過程的仿真分析是有效的。 關(guān)鍵詞 ： 制動(dòng)；防抱死制動(dòng)系統(tǒng)；仿真； Matlab/Simulink Abstract In order to accurately understand the anti-lock braking system performance, often using computer simulation technology to conduct research. This design uses Matlab / Simulink simulation of the car braking in a straight line movement, the ABS system of control of a computer simulation. Compared with the common experimental analysis,it has fsater analsing speed, higher precision, shorter period, etc. besides, it saves much labor and material resources. The establishment of antilock brake systems is the result of the combination of computer and actual production. Model of antilock brake systems can take place of the dangerous experiments,improve the safety and save much money. At the same time, it helps get the result as soon as possible. So that the function of the product can be made better. in a word, it provides an effective method to the reserch and development of the antilock braking system. The project briefly introduces the principles of the braking system .It gets antilock braking system controlling algorithm according to the establishment of ordinary braking system and methematical antilock braking system. On the basis of methematical model, it uses Matlab/Simulink software to eatablish a simulate template of an ordinary braking system and an antilock braking system to analyses the motional changing regularity of kinds of parameters of vehicle which installed with ordinary braking system and the vehicle with antilock braking system. When the results are compared, we get to know that antilock braking system can not only prevent the wheels form been braken while braking, but also controll the moving condition of them. So that this design of the braking processs simulation analysis is effective. Key words： brake； antilock braking system； simulation； Matlab/Simulink V 目 錄 摘 要 . I ABSTRACT . II 目 錄 . V 1 緒論 . 1 1.1 課題研究的意義 . 1 1.2 研究內(nèi)容 . 1 2 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)概述 . 2 2.1 汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng) ABS 的功能 . 2 2.2ABS 制動(dòng)系統(tǒng)研究的理論狀態(tài) . 2 3 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)基本原理 . 4 3.1 制動(dòng)時(shí)汽車的運(yùn)動(dòng) . 4 3.2 滑移率定義 . 6 3.3 滑移率與附著系數(shù)的關(guān)系 . 7 3.4 制動(dòng)時(shí)車輪的受力分析 . 8 3.5 采用防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的必要性 . 10 3.6 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)基本工作原理 . 11 3.7 ABS 控制技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀 . 12 4 基于 MATLAB 軟件的仿真分析 . 15 4.1 計(jì)算機(jī)仿真 . 15 4.1.1 計(jì)算機(jī)仿真的分類 . 15 4.1.2 Matlab 及 Simulink 的簡要介紹 . 15 4.2 制動(dòng)方程建立 . 18 4.2.1 盤式制動(dòng)器制動(dòng)力矩的計(jì)算 . 18 4.2.2 車輪模型的動(dòng)力學(xué)方程 . 20 4.3 在 MATLAB 中建立無 ABS 制動(dòng)的模型 . 24 4.4 在 MATLAB 中建立汽車 ABS 制動(dòng)模型 . 26 4.4.1 開關(guān)控制的 ABS 系統(tǒng)仿真 . 26 4.4.2P I D 控制的 ABS 系統(tǒng)仿真 . 28 4.4.3 門限控制 ABS 的系統(tǒng)仿真 . 30 4.5 MATLAB 仿真的參數(shù)及結(jié)果 . 31 4.5.1 仿真參數(shù) . 31 4.5.2 無 ABS 的仿真結(jié)果 . 32 4.5.3 開關(guān)控制 ABS 的仿真結(jié)果 . 34 4.5.4 PID 控制 ABS 的仿真結(jié)果 . 36 4.6 不同情況下的組合分析 . 38 5 總結(jié) 與展望 . 41 總結(jié) . 41 展望 . 41 致 謝 . 42 參考文獻(xiàn) . 43 附錄 . 44 汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的控制方法仿真研究 1 1 緒論 1.1 課題研究的意義 對(duì)車輛的制動(dòng)過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)的分析研究 ,可以分析出車輛的性 能 ,幫助車輛的設(shè)計(jì) ,采用實(shí)驗(yàn)的方法雖然可以獲準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。但成本大 ,周期長 ,盲目性大。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展為車輛制動(dòng)過程的研究提供了一個(gè)有效手段。通過對(duì)車輛制動(dòng)過程全工況動(dòng)態(tài)仿真 ,可仿真實(shí)際情況中影響車輛制動(dòng)過程主要因素 ,為進(jìn)一步優(yōu)化車輛的制動(dòng)系統(tǒng)、縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期提供有利的工具。 1.2 研究內(nèi)容 對(duì)汽車制動(dòng) 過程進(jìn)行 受力分析，建立 單輪 車輛制動(dòng)過程的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型 ，通過對(duì)車輛制動(dòng)過程全工況動(dòng)態(tài)仿真， 來模擬分析 實(shí)際情況中 汽車制動(dòng)性能與各相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系 ， 分析制動(dòng)過程的特點(diǎn)，得出相關(guān)結(jié)論和對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行處理 ，模擬出配備防抱死制動(dòng)系統(tǒng)，簡稱 ABS 的汽車動(dòng)態(tài)制動(dòng)過程。 比較分析影響制動(dòng)過程的因數(shù)： 1.有 ABS與無 ABS 兩種情況下的比較 2.有 ABS 不同控制方法程比較 根據(jù)以上二種情況對(duì)汽車剎車制動(dòng)過程進(jìn)行仿真，比較各種不同情況下汽車的制動(dòng)距離，滑移率，車速輪速的關(guān)系得出結(jié)論。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)概述 2.1 汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng) ABS 的功能 ABS是根據(jù)不同 的轉(zhuǎn)差率輪胎附著力性能的地面 控制制動(dòng)力的汽車制動(dòng)系統(tǒng)。汽車制動(dòng)的過程中 ,它可以防止車輪制動(dòng)鎖發(fā)生 ,并充分利 用地面附著系數(shù)和增益高的地面制動(dòng)力 ， 減少汽車制動(dòng)距離 ， 并能保持汽車制動(dòng)器在處理。這項(xiàng)技術(shù)在提高車輛安全 ， 減少交通事故損失和提高汽車運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)發(fā)揮了積極作用 ， 是一種最重要的安全技術(shù)在汽車行業(yè) 。 ABS 防抱死制動(dòng)裝置就是為了防止缺陷的發(fā)生而研制的裝置，它有 包括下面 幾點(diǎn)好處： 1.增加制動(dòng)穩(wěn)定性 2.防止方向失控、側(cè)滑和甩尾 3.提高制動(dòng)效率，縮短制動(dòng)距離（松軟的沙石路面除外） 4.減少輪胎磨損，防止爆胎。 現(xiàn)代轎車的 ABS 由輸入傳感器、控制電腦、輸出調(diào)制器及連接線等組成。輸入傳感器通常包括 四 個(gè)車輪的輪速信號(hào)、剎車信號(hào)， 個(gè)別車型還有減速度信號(hào)、手剎車或車油面信號(hào)。 第一個(gè)優(yōu)勢(shì)是提高 ABS汽 車制動(dòng)穩(wěn)定性。汽車制動(dòng) ,剎車力的四個(gè)輪子是不一樣的 ,如果汽車前輪鎖 ,汽車司機(jī)將無法控制行駛方向 ,這是非常危險(xiǎn)的 ,如果汽車的后輪鎖 ,第一張幻燈片 ,搖擺的尾巴就會(huì)出現(xiàn) ,甚至使汽車整個(gè)把嚴(yán)重的事故。 ABS能防止四個(gè)輪子是完全鎖當(dāng)制動(dòng) ,提高汽車的穩(wěn)定性。汽車制造商的研究數(shù)據(jù)表明 ,車輛配備 ABS,會(huì)使車輪側(cè)滑事故下降了約 8%。 ABS第二個(gè)優(yōu)勢(shì) 是 ,可以縮短制動(dòng)距離。這是由于緊急制動(dòng)在同等條件下 ,ABS滑移率會(huì)(汽車滑動(dòng)距離、傳動(dòng)比 )控制 在 20%左右 ,可以獲得結(jié)果的最大縱向制動(dòng)力。 第三利用 ABS是改善磨損條件的輪胎 ， 以防止井噴。事實(shí)上 ， 方向盤鎖會(huì)導(dǎo)致小輪胎磨損 ,輪胎胎面損失將不均勻 ， 使輪胎消耗費(fèi)用的增加 ， 嚴(yán)重時(shí)將無法繼續(xù)使用。因此 ,配有 ABS具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和安全 。 此外 ， ABS 使用 方便 ,工作可靠。使用 ABS 和普通制動(dòng)系統(tǒng)使用幾乎沒有差異 ， 緊急剎車時(shí) ,只有腳踩剎車踏板硬、 ABS 將進(jìn)入工作狀態(tài)根據(jù)情況 ， 即使雪和濕滑的道路、 ABS將保持制動(dòng)狀態(tài)最佳。 ABS 通過計(jì)算機(jī)控制車輪制動(dòng)力 ， 可以充分發(fā)揮效率的制動(dòng)和改善制動(dòng)減速和縮短制動(dòng)距離 ， 能有效地 提高車輛制動(dòng)的穩(wěn)定性 ， 防止車輛側(cè)滑和旋轉(zhuǎn) ， 減少交通事故發(fā)生的數(shù)量 ， 因此被認(rèn)為是最有效的措施 ,提高汽車的安全性。高級(jí)汽車的 ABS已經(jīng)和公交已經(jīng)在國內(nèi)外廣泛使用。 2.2ABS 制動(dòng) 系統(tǒng)研究的理論狀態(tài) 研究 ABS 在中國 從 80 年代初開始。單位和企業(yè)從事的工作是開發(fā)了很多 ABS,如東風(fēng)汽車公司、重慶高速公路研究所、大學(xué)西安市公路、清華大學(xué)、吉林大學(xué)、北京理工大學(xué)、上海汽車制動(dòng)器有限公司和山東中國重汽集團(tuán)等。典型的有以下幾個(gè)。清華大學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等汽車安全與節(jié)能宋健幾個(gè)博士生導(dǎo)師、教授 ,擁有強(qiáng)大的技術(shù)力量 ,他們也有一 批先進(jìn)的儀器和設(shè)備的配套 ,如汽車力學(xué)參數(shù)綜合試驗(yàn)臺(tái) ,彈射式?jīng)_擊試驗(yàn)床和滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái) ,模擬和校準(zhǔn)試驗(yàn)臺(tái) ,柯達(dá)高速圖像運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)、電液振動(dòng)臺(tái) ,直流電力測(cè)功機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)排放分析儀、工況的發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)開發(fā)和仿真、計(jì)算機(jī)工作站和亞當(dāng)斯 ,軟件思想 ,非接觸式速度計(jì)、噪聲測(cè)試系統(tǒng)、轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)、電動(dòng)汽車電池測(cè)試 ,電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)及其控制系統(tǒng)等。汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的控制方法仿真研究 3 實(shí)驗(yàn)室研究 ABS 制造各種各樣的 ,其中 ,ABS 控制量 ,不同的輪速信號(hào)抗干擾處理 ,輪速信號(hào)響應(yīng)的研究指出 ,防抱死制動(dòng)電磁閥動(dòng)作的研究在國內(nèi)的領(lǐng)先地位 車動(dòng)態(tài)模擬國家 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的吉林大學(xué)為代表 的四個(gè)院士 ,研究人員致力于汽車操縱穩(wěn)定性、汽車輪胎、汽車操縱動(dòng)力學(xué)模型、汽車輪胎穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)特性研究 ,在輪胎力學(xué)模型中 ,車輛操縱穩(wěn)定性和人 -車閉環(huán)控制仿真運(yùn)動(dòng)的結(jié)果已達(dá)到世界先進(jìn)水平 。 中國南方學(xué)院技術(shù)學(xué)院的交 通為代表的吳教授豪佳女士從事汽車安全與電子技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算的研究 ,在一個(gè)獨(dú)特的特性是 ABS技術(shù) ,建立制動(dòng)壓力函數(shù) ,通過地面輪制動(dòng)力和車輛動(dòng)力學(xué)方程來計(jì)算平均汽車制動(dòng)減速 ,車的速度 ,還可以通過計(jì)算輪缸等效應(yīng)力函數(shù)的防抱死制動(dòng)滑移率時(shí)。此外 ,在滑移率之間的關(guān)系和粘附系數(shù)、車輛技術(shù)條件和試驗(yàn) 方法有獨(dú)特的見解。 濟(jì)南程軍電子科技 公司為代表的 ABS專家程軍、濟(jì)南程軍電子科技公司的 ABS控制算法研究 ,作者理論與實(shí)踐的汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng) (如幾本書，特別是在 ABS控制算法，是國內(nèi) ABS開發(fā)者的一個(gè)必要的信息。此外 ,他們都是基于仿真環(huán)境 MAT2LAB防抱死控制邏輯 ,基于 VB開發(fā)環(huán)境對(duì)車輛處理的仿真研究 ,仿真車輛動(dòng)力學(xué)控制方面進(jìn)行了研究。 重慶形狀的產(chǎn)品包 括汽車、摩托車系列 JN111FB空氣制動(dòng)電子單通道 ,JN144FB空氣制動(dòng)電子四通道和 JN244FB液壓電子設(shè)備如類型的 ABS及其相關(guān)零部件 30多 個(gè)品種 ,ABS產(chǎn)品已通過國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心和認(rèn)定的國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心、國家實(shí)用新型技術(shù)專利 ,并正式列入國家火炬計(jì)劃項(xiàng)目。西安市 BoHua公司主要產(chǎn)品適用于大中型客車及卡車的四通道氣壓 ABS和適用介質(zhì)貨車液壓三通道 ABS及其相關(guān)組件。包括 BH1203 - FB型 ABS和 BH1101 - FB型 ABS通過了科技成果鑒定陜西省科學(xué)技術(shù)委員會(huì)和機(jī)械行業(yè)新產(chǎn)品鑒定的陜西省 ,認(rèn)為該技術(shù)已達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平 。 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。 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。 清華大學(xué)開發(fā)的適 用于介質(zhì)客車空氣制動(dòng) ABS由于資源價(jià)格和性能優(yōu)勢(shì) ,應(yīng)用陶瓷材料將迅速擴(kuò)大 ,應(yīng)用金剛石、立方氮化硼超硬材料將進(jìn)一步擴(kuò)大 ,新的刀具材料的交貨時(shí)間會(huì)越來越短 ,品種新品牌的推出將越來越快。人們希望兩高速鋼 ,硬質(zhì)合金強(qiáng)度和韌性 ,硬度和耐磨性的超硬材料的新的刀具材料是完全可能的 。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 3 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)基本原理 3.1 制動(dòng)時(shí)汽車的運(yùn)動(dòng) 3.1.1 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。地面對(duì)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。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3.1 所示。其中 Fx 為地面作用在每個(gè)車輪上的地面制動(dòng)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。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。 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。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 3.1（ a）所示。 圖 3.1 汽車直線和轉(zhuǎn)彎制動(dòng)時(shí)的平面受力簡圖 若汽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)制動(dòng)或在制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)彎，也將產(chǎn)生側(cè)滑摩擦力使汽車能夠轉(zhuǎn)向，如圖 3.1 (b)所示。地面制動(dòng)力決定制動(dòng)距離的長短，側(cè)滑摩擦力則決定了汽車制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性。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。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。 正如上面提到的 ,應(yīng)用適當(dāng)?shù)闹苿?dòng) ,可以有效地把車停下來。制動(dòng)強(qiáng)度太大 ,是汽車的主要原因有各種危險(xiǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因此 ,汽車 ,根據(jù)冰雪路、壞路、水、濕路 ,干路 ,直路 ,彎曲的道路 ,道路狀況 ,如根據(jù)車輛的速度和方向角的駕駛條件操作 ,必須剎車 ,注意不要讓車輪鎖 。 3.1.2 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。汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的控制方法仿真研究 5 對(duì) 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 3.2 所示。圖 3.2 (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 3.2 (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 3.2 (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(duì)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 。 （ 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 3.3 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。 圖 3.2 汽車直線制動(dòng)車輪抱死時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 圖 3.3 汽車轉(zhuǎn)彎制動(dòng)車輪抱死時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況 3.2 滑移率定義 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 ； 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(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。如果制動(dòng)系制動(dòng)力小于輪胎 - 道路附著力 ，則汽車制動(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 - 道路附著力 ， 則汽車制動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)車輪抱死和滑移。 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) ,汽車輪胎將在地面上出現(xiàn)滑移。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。 滑移率 S的定義式為 : tttb VrwV VVS 10 （ 3.1） 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 式中 : Sb 滑移率 ； Vt 汽車的理論速度 (車輪中心的速度 ) ； 汽車車輪的角速度 ； r 汽車車輪的滾動(dòng)半徑。 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 和車輪滾動(dòng)半徑 r 乘積時(shí) ,滑移率為零 ( Sb = 0) ,車輪為純滾動(dòng) ；當(dāng) = 0時(shí) ,Sb = 100 % ,車輪完全抱死而作純滑動(dòng) ；當(dāng) 0 Sb 100 %時(shí) ,車輪既滾動(dòng)又滑動(dòng)。 汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的控制方法仿真研究 7 3.3 滑移率與附著系數(shù)的關(guān)系 圖 3.4 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 ( Sb = 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。從圖可以看出 ,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)。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。 圖 3.4 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。圖 3.5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。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 圖 3.5 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 3.5可以看出，各種路面上的變化的總體趨勢(shì)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(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。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) 0.8-0.9，而冰雪路面的縱向峰值附著系數(shù)低至 0.1-0.2。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。 簡而言之 ,制動(dòng)在路上 車 ,車輪附著系數(shù)和滑移率之間的非線性特性是主要因素，汽車制動(dòng)性能。事實(shí)上，汽車制動(dòng)過程是一個(gè)非線性變化過程和路面之間輪，輪附著系數(shù)與車輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的非線性過程，所以，汽車的制動(dòng)過程是一種非線性制動(dòng)過程。制動(dòng)時(shí)汽車的制動(dòng)系統(tǒng)通過改變車輪的運(yùn)動(dòng) ,改變車輪的滑移率 ,形成整個(gè)制動(dòng)過程的非線性。 3.4 制動(dòng)時(shí)車輪的受力分析 汽車在行駛過程中能夠?qū)嵤┲苿?dòng)過程的本質(zhì)原因 是由于與輪胎接觸的路面給相應(yīng)車輪提供了路面制動(dòng)力。路面制動(dòng)力是使汽車制動(dòng)并進(jìn)行減速行駛的外力。但是路面制動(dòng)力取決于兩個(gè)摩擦副的摩擦力：一個(gè)是制動(dòng)器內(nèi)制動(dòng)器摩擦片與制動(dòng)盤或者制動(dòng)蹄與制動(dòng)鼓之間的摩擦力 制動(dòng)器制動(dòng)力；另一個(gè)是輪胎與路面間的摩擦力 附著力（路面制動(dòng)力）。 汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的控制方法仿真研究 9 圖 3.6(a) 制動(dòng)時(shí)車輪受力情況 圖 2.6(a)為車輪在制動(dòng)時(shí)的受力情況示意圖，路面制動(dòng)力可由下式確定： xbMFr （ 3.2） 式中 : xbF 路面制動(dòng)力， N ； M 制動(dòng)器摩擦力矩 , Nm 。 上式成立的先決條件是路面制動(dòng)力不超過路面間的附著力。 制動(dòng)器制動(dòng)力相當(dāng)于將汽車架離地面，并踩住制動(dòng)踏板，在輪胎周緣沿切線方向推動(dòng)車輪直至它能轉(zhuǎn)動(dòng)所需的力，可由下式確定： rMF （ 3.3） 式中 : F 制動(dòng)器制動(dòng)力， N 。 當(dāng)制動(dòng)踏板力較小，制動(dòng)器摩擦力矩不大時(shí)，路面與輪胎之間的摩擦力 路面制動(dòng)力足以克服制動(dòng)器摩擦力矩而使車輪滾動(dòng)。顯然，車輪滾動(dòng)時(shí)的路面制動(dòng)力就等于制動(dòng)器制動(dòng)力，且隨踏板力的增長而增長，如圖 3.6(b)所示。但路面制動(dòng)力是滑動(dòng)摩擦的約束反力，它的值不可能超過附著力，即： 圖 3.6(b) 路面制動(dòng)力，制動(dòng)器制動(dòng)力，以及附著力的關(guān)系 WFFxb (3.4) xbFmax= F （ 3.5） 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 式中 : F 路面附著力， N； W 車輪上的垂直載荷， N； 路面附著力系數(shù)。 圖 3.6(b)路面制動(dòng)力，制動(dòng)器制動(dòng)力，以及附著力的關(guān)系 當(dāng)路面制動(dòng)力達(dá)到附著力時(shí)，車輪即將抱死不轉(zhuǎn)而出現(xiàn)純滑移現(xiàn)象。此時(shí)，如果繼續(xù)增大制動(dòng)器踏板力（或制動(dòng)管路壓力），制動(dòng)器制動(dòng)力將由于制動(dòng)器摩擦力矩的增大而繼續(xù)增長。但是，若作用在車輪上的垂直載荷為常數(shù)，路面制動(dòng)力達(dá)到附著力之后就不再增加。 由此可見，汽車的路面制動(dòng) 力首先取決于制動(dòng)器制動(dòng)力，但同時(shí)又受到路面附著力系數(shù)的限制，所以只有汽車具有足夠的制動(dòng)器制動(dòng)力，同時(shí)路面又能提供足夠高的附著力時(shí)，才能獲得足夠高的路面制動(dòng)力，足夠大的制動(dòng)減速度和較小的制動(dòng)距離。 提示：影響附著系數(shù)的因素很多，如路面的狀況、輪胎的花紋、車輛的行駛速度、輪胎與路面的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等。在諸因素中，車輪相對(duì)于路面的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)附著力有著重要的影響，特別是在濕路面上其影響更為明顯。 3.5 采用防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的必要性 汽車運(yùn)行在一條直線，緊急 制動(dòng)突然 ,汽車輪鎖和汽車線往前滑 ,還發(fā)出嚇人的輪胎與地面之 間的摩擦，車子終于停了。在日常生活中，每個(gè)人都可能會(huì)遇到這種現(xiàn)象。如果發(fā)生車禍，交通警察是在第一個(gè)痕跡總是檢查汽車制動(dòng)器 ,確定司機(jī)在事故中制動(dòng)而采取了措施。然后測(cè)量制動(dòng)距離 ,看看車輛制動(dòng)效果好。當(dāng)輪胎滑移率為 8% 8%，輪胎和她的臉摩擦 (附著力 )是最大的。如果輪胎滑移率太大 ,附著力減少相反。如果司機(jī)可以控制輪胎滑移率 ,所以它總是制動(dòng)時(shí) 8% - 25%范圍內(nèi) ,汽車將停車在較短的制動(dòng)距離。 當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向 ,如果車輛緊急制動(dòng) ,以及直線驅(qū)動(dòng)輪鎖將會(huì)出現(xiàn)的現(xiàn)象。因?yàn)檩嗘i、汽車汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的控制方法仿真研究 11 側(cè)向附著力變成零 ,汽車輪胎側(cè)向滑動(dòng) ,汽車 能夠控制方向的深度 ,這是非常危險(xiǎn)的。車輛橫向附著力和制動(dòng)力之間的關(guān)系非常密切。當(dāng)沒有剎車前、后輪胎的滑動(dòng)方向是零 ,那么車輪側(cè)向附著力是最大的。司機(jī)一步動(dòng)態(tài)制動(dòng)踏板 ,隨著增加制動(dòng)力、輪胎滑移率增加 ,小橫向附著力逐漸慢下來。最后 ,當(dāng)輪胎滑移率為 100%,輪胎鎖。這汽車側(cè)向附著力幾乎等于零。 ,把汽車 ,輪胎側(cè)滑開始出現(xiàn)。在方向盤鎖、方向盤已經(jīng)不能工作 ,陷入這場困境的我們無法控制汽車的方向 ,前輪鎖車只有最后停車沿著直線 ,只有后輪鎖車終于停止旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象 ,如果前輪和后輪鎖、汽車側(cè)邊緣直接的最后一站。的各種狀態(tài)是極其危險(xiǎn)的 。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)。可是一旦遇上緊急狀態(tài)，大多數(shù)人都是一腳踏死制動(dòng)踏板，使輪胎抱死為此。 司機(jī)不能做許多事 情 ,傳感器將能夠這樣做。傳感器數(shù)據(jù)排序、判斷 ,到執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需信息，這部分的工作電腦 ,它非常簡單 ,根據(jù)指令執(zhí)行的計(jì)算機(jī)操作，它也不會(huì)有什么大問題在機(jī)械結(jié)構(gòu)。 ABS系統(tǒng)調(diào)整到每個(gè)車輪制動(dòng)缸，制動(dòng)液壓力，以防止任何造成剎車過猛可能當(dāng)車輪鎖。當(dāng)不再有可能鎖車輪 ,然后回到正常的壓力。滑移率控制在一定的范圍內(nèi)。這樣不但提高車輛交通的穩(wěn)定性，提高車輛方向 控制 ,縮短制動(dòng)距離 。 3.6 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)基本工作原理 ABS 系統(tǒng)是通過不 斷變化的根據(jù)某些規(guī)則當(dāng)制動(dòng)壓力的制動(dòng)液不會(huì)產(chǎn)生車輪鎖狀態(tài)。這一變化過程的制動(dòng)液壓力實(shí)際上是 ABS 系統(tǒng)實(shí)施的過程控制方法。下面基于車輪加減速度邏輯門限控制方法來控制直線制動(dòng)過程的單個(gè)道路為例 ， 簡單 ， 基本工作原理 。 在汽車制動(dòng) ,如果 車輪鎖滑 ,橫向附著力車輪和路面之間將完全消失。如果只有前輪轉(zhuǎn)向輪制動(dòng)鎖滑車輪滾滾 ,車輛將失去動(dòng)力。如果只有后制動(dòng)擁抱死亡滑動(dòng)和前輪軋、甚至小橫向干擾力 ,也將有一個(gè)邊車 (spin)現(xiàn)象。這些都是容易導(dǎo)致嚴(yán)重的 交通事故。汽車制動(dòng)時(shí)，因此，不希望鎖車輪制動(dòng)滑動(dòng)，但希望這個(gè)車輪制動(dòng)器到邊邊滑動(dòng)狀態(tài)。 圖 3.7 ABS的工作區(qū)域 通過實(shí)驗(yàn) ,當(dāng)汽車 車輪滑移率為 15% 15%,最大的附著系數(shù)之間的輪胎和路面。因此，為了充分發(fā)揮這種潛在輪胎與路面間的附著能力 ,ABS系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)速度控制車輪中心和切無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 線速度，保持滑動(dòng)率在 15% 20%之間這個(gè)特性。 ABS工作領(lǐng)域的現(xiàn)代汽車 ABS ABS工作區(qū)域如圖所示在制動(dòng)過程中 ,控制單元 (ECU)在 10到 12次 /秒的頻率控制制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器 ” 增壓壓力保持 一個(gè)救援 “ 制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)回路 ,實(shí)現(xiàn)車輛在制動(dòng)和車輪滑移率控制在縱向附著系數(shù)路面附近之間最大