汽車防抱死系統.docx

1.汽車防抱死制動系統概述 1.1 防抱死制動系統的產生 當汽車以較高的車速在表面潮濕或有冰雪的路面上緊急制動時，很可能會出現這樣一些危險的情況：車尾在制動的過程中偏離行進的方向，嚴重的時候會出現汽車旋轉掉頭，汽車失去方向穩(wěn)定性，這種現象稱為側滑；另一種情況是在制動過程中駕駛員控制不了汽車的行駛方向，即汽車失去方向可操縱性，若在彎道制動，汽車會沿路邊滑出或闖入對面車道，即便是直線制動，也會因為失去對方向的控制而無法避讓對面的障礙物。產生這些危險狀況的原因在于汽車的車輪在制動過程中產生抱死現象，此時，車輪相對于路面的運動不再是滾動，而是滑動，路面作用在輪胎上的側滑摩擦力和縱向制動力變得很小，路面越滑，車輪越容易出現抱死現象；同時汽車制動的初速度越高，車輪抱死所產生的危險性也越大。這將導致汽車可能會出現下面三種情況： 1) 制動距離變長 2) 方向穩(wěn)定性變差，出現側滑現象，嚴重時出現旋轉掉頭 3) 方向操縱性喪失，駕駛員不能控制汽車的行駛方向 防抱死制動系統ABS（Anti-lock Braking System） 是一種主動安全裝置，它在制動過程中根據 “車輛一路面”狀況，采用電子控制方式自動調節(jié)車輪的制動力矩來達到防止車輪抱死的目的。即在汽車制動時使車輪的縱向處于附著系數的峰值，同時使其側向也保持著較高的附著系數，防止車輪抱死滑拖，提高制動過程中的方向穩(wěn)定性、轉向控制能力和縮短制動距離，使制動更為安全有效。隨著汽車行駛速度的提高、道路行車密度的增大、以及人們對汽車行駛安全性的要求越來越高，汽車行駛的安全性當然是最應受到關注的問題。 影響汽車安全性的因素很多，諸如汽車的制動性、操縱性、行駛的穩(wěn)定性、 抵御外界影響（碰撞、 擦掛等）的能力等都影響汽車的安全性。統計資料顯示，在道路交通事故中，大約10%的事故是由于車輛在制動瞬間偏離預定軌道或甩尾造成的.因此完善制動性能是減少交通事故的重要措施。 汽車行駛時能在短距離內停車且維持行駛方向穩(wěn)定性和在下長坡時能維持一定車速的能力稱為汽車的制動性。汽車的制動性還應包括汽車能在一定坡度的坡道上長時間停車不動的性能。 汽車的制動性主要由下列三個方面來評價： ) 制動效能 在一定車速行駛時，采取制動措施后能使車停下的距離稱為制動效能。距離越短，越有利于避免交通事故的發(fā)生。它是制動性最基本的評價指標。 ) 制動時汽車的方向穩(wěn)定性它是汽車制動時，維持原有的行駛方向，不發(fā)生跑偏，側滑的性能。汽車制動過程中，不能失去方向穩(wěn)定性和轉向控制能力 。 ) 制動效能的恒定性汽車在連續(xù)多次制動或涉水后仍具備必要的制動功能的能力，即抗衰退性?？顾ネ诵允侵钙囋诜敝毓ぷ鳁l件下制動時（如下長坡時長時間連續(xù)制動），制動器溫度升高后，其制動效能的保持程度。它是設計制動器及選材中必須認真考慮的一個重要問題。 以上三項指標中，前兩項指標采用 ABS裝置后，其性能都會有明顯的改善和提高，對避免交通事故的發(fā)生能起到很好的作用，因此 ABS是汽車上十分重要的主動安全裝置。 ABS與常規(guī)制動系統相比，有以下優(yōu)點：1)改善制動效能。這是因為在同樣緊急制動情況下，ABS系統可以將滑移率控制在20%左右，充分利用縱向峰值附著系數和較大的側向附著系數，使車輪和地面間產生最大的地面制動力，縮短了制動距離。 2) 改善汽車制動時的方向穩(wěn)定性。汽車制動時，四個輪子的制動力是不一樣的。 如果汽車的前輪抱死滑拖，駕駛員就無法控制汽車的行駛方向，汽車就失去了轉向操縱能力，只能按慣性力的方向運行，無法避開行人和障礙物：若后輪先抱死，則會出現側滑、甩尾，甚至使汽車整個調頭等嚴重事故。 3)改善汽車制動時的橫向穩(wěn)定性。如果車輪抱死，橫向附著系數（也稱側向附著系數）就非常小，汽車極易側滑。ABS把滑移率控制在8%25%之間，橫向附著系數較大，有足夠的抵抗橫向干擾的能力。 4) 改善車輪的磨損狀況。汽車車輪抱死滑拖會造成輪胎局部杯型磨損，輪胎面磨損也會不均勻，使輪胎磨損消耗增加。經測定，汽車在緊急制動時，車輪抱死所造成的輪胎累加磨損費，己超過一套防抱死制動系統的造價，縮短輪胎的使用壽命，ABS系統可以防止這種情況出現。 5)減輕駕駛員的勞動強度，減少駕駛員緊張情緒，提高了乘客的乘坐舒適性和安全性。 6)使用方便，工作可靠，維修簡便。制動時只要把腳踏在制動踏板上，ABS系統就會根據情況自動進入工作狀態(tài)，如遇雨雪路滑，駕駛員也沒有必要用一連串的點剎車方式進行制動，ABS系統會使制動狀態(tài)保持在最佳點。如果發(fā)現系統有故障，就會自動恢復為常規(guī)制動狀態(tài)。 1.2 防抱死制動系統的發(fā)展歷史 ABS發(fā)展至今，其發(fā)展史大致可劃分為三個階段。20世紀30年代至50年代，這一時期是 ABS誕生和初步發(fā)展的時期。 制動防抱死系統最初不是用在汽車上，而是首先用在鐵路機車上，以防止火車車輪制動抱死后在鋼軌上滑行使制動距離延長，同時造成局部摩擦，致使車輪、鋼軌早期損壞和車輪不能平穩(wěn)旋轉而產生噪聲和振動。隨后又應用于飛機上，以防止飛機著陸后制動跑偏、 甩尾和輪胎劇烈磨損，縮短滑行距離。在30年代機械式防抱死制動系統就開始在飛機上獲得應用。由于飛機對制動時的方向穩(wěn)定性要求高，而 ABS的價格占飛機總價格比例較小，機場的場面條件簡單，尾部機輪可以精確測量機速，從而可獲得正確的滑移率，實現精確控制等一系列有利條件，使 ABS在飛機上的應用取得成功，普及率很快上升，并很快成為飛機上的標準裝備。 汽車上使用 ABS始于20世紀50年代，福特汽車公司首先將它裝配在汽車上，這開創(chuàng)了汽車使用 ABS的先河。1969年，林肯大陸牌III型汽車安裝了由凱。海斯研制成功的奧托一林納防抱死裝置。裝在后輪上的傳感器能發(fā)送訊號到雜物箱后面的計算機，當傳感器向計算機發(fā)出制動器將要抱死訊號時，計算機便控制制動管路上的真空操縱閥，以降低后制動器的油壓。 裝用 ABS的轎車在光滑路面制動時確實提高了其穩(wěn)定性，但在不好路面上制動，其制動距離較一般制動系的汽車長，加上ABS的體積、質量大，價格高，銷路很有限。 制動廠家終于在70代中期停止了ABS汽車的生產。由于科學技術的發(fā)展，歐洲隨后研制成由數字計算機組成的較為現代型的 ABS。數字計算機不易受干擾，速度快，可以把降低增加制動液壓循環(huán)的次數增加到每秒十余次。其速度完全可以與數字計算機處理數據的速度相匹配。這種較為現代的ABS體積小、質量輕、動作更快、更準確。 波許公司在 20世紀 60年代初就開始ABS的開發(fā)工作，于 1978年正式生產出ABS型汽車防抱死制動系統，以后相繼開發(fā)出將汽車防抱死制動系統與驅動力自動調節(jié)裝置有機結合的ABSASR系統。該公司于 1975年研制出部分集成模擬信號處理的第一代 ABS產品，以后又相繼研制出全數字化和高度集成化的ABS產品，并將微機控制用于制動系統中。德國的坦威斯公司 （TEVES）于1984 年首次推出了整體式 ABS 坦威斯MK11 ，該系統將防抱死制動壓力調節(jié)裝置與制動主缸和液壓制動助力器組合為一個整體，而在該系統出現以前，所有的ABS都是將制動壓力調節(jié)裝置作為一個單獨的整體，附加在常規(guī)的制動系統中，即采用的都是分離式結構。 20世紀30-50年代，西方國家研制出純機械式的ABS并少量裝備于汽車。到了60年代，模擬電子技術在 ABS上開始使用，但因成本太高，可靠性也不穩(wěn)定，未能在汽車上廣泛使用。70年代后期出現了數字式電子控制的ABS，從而揭開了現代ABS大發(fā)展的序幕。通過數字化和集成化，使ABS的組件數目大大減少，降低了成本，提高了可靠性，歐、美、日的汽車公司逐步在汽車上裝備了ABS。進入70年代后，隨著電子技術的進步，數字電子技術、大規(guī)模集成電路的發(fā)展和微機的運用，電子控制式ABS日趨成熟，成本不斷降低，并且體積小、質量輕、控制精度高，其安全效能十分顯著，普遍受到人們的歡迎和認可，為其迅速普及創(chuàng)造了條件。20世紀80年代ABS向著提高效能成本比的方向發(fā)展，是汽車ABS研制生產應用迅速發(fā)展的階段，加之法規(guī)的推動作用，ABS已成為汽車上標準裝備或選擇裝備。 1.3 防抱死制動系統的發(fā)展趨勢 1) ABS本身控制技術的提高。 現代制動防抱死裝置多是電子計算機控制，這也反映了現代汽車制動系向電子化方向發(fā)展。 基于滑移率的控制算法容易實現連續(xù)控制，且有十分明確的理論加以指導，但目前制約其發(fā)展的瓶頸主要是實現的成本問題。 隨著體積更小、價格更便宜、可靠性更高的車速傳感器的出現，ABS 系統中增加車速傳感器成為可能，確定車輪滑移率將變得準確而快速。 全電制動控制系統BBW(Brake-By-Wire)是未來制動控制系統的發(fā)展方向之一。它不同于傳統的制動系統，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，縮短制動反應時間，維護簡單，易于改進，為未來的車輛智能控制提供條件。但是，它還有不少問題需要解決，如驅動能源問題，控制系統失效處理，抗干擾處理等。目前電制動系統首先用在混合動力制動系統車輛上，采用液壓制動和電制動兩種制動系統。 2) 防滑控制系統 防滑控制系統ASR(Acceleration Slip Regulation)或稱為牽引力控制系統TCS(Traction Contro System)是驅動時防止車輪打滑，使車輪獲得最大限度的驅動力，并具有行駛穩(wěn)定性，減少輪胎磨損和發(fā)動機的功耗，增加有效的驅動牽引力。防滑控制系統包括兩部分：制動防滑與發(fā)動機牽引力控制。制動部分是當驅動輪（后輪）在低附著系數路面工作時，由于驅動力過大，則產生打滑，當ASR制動部分工作時，通過傳感器將非驅動輪及驅動輪的輪速信號采集到控制器中，控制器根據輪速信號計算出驅動車輪滑移率及車輪減、加速度，當滑移率或減、加速度超過某一設定閥值時，則控制器打開開關閥，氣壓由儲氣筒直接進入制動氣室進行制動，由于三通單向閥的作用氣壓只能進入打滑驅動輪的制動氣室，在低附著系數路面上制動時，輪速對壓力十分敏感，壓力稍稍過大，車輪就會抱死。為此利用ABS電磁閥對制動壓力進行精細的調節(jié)，即用小步長增壓或減壓，以達到最佳的車輪滑移的效果既可以得到最大驅動力，也可保持行駛的穩(wěn)定性。 3) 電子控制制動系統 由于ASS在功能方面存在許多缺陷,如氣壓系統的滯后，主車與接車制動相容性問題等。為改善這些,出現了電子制動控制系統EBS(Electronics Break System)它是將氣壓傳動改為電線傳動，縮短了制動響應時間。最重要的特點是各個車輪上制動力可以獨立控制。 控制強度則由司機踏板位移信號的大小來決定，由壓力調節(jié)閥、氣壓傳感器及控制器構成閉環(huán)的連續(xù)壓力控制，這樣可以在外環(huán)形成一個控制回路，來實現各種控制功能，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。 4) 車輛動力學控制系統 車輛動力學控制系統VDC(Vehicle Dynamics Control)是在ABS的基礎上通過測量方向盤轉角、橫擺角速度和側向加速度對車輛的運動狀態(tài)進行控制。VDC系統根據轉向角、油門、制動壓力，通過觀測器決定出車輛應具有的名義運動狀態(tài)。同時由輪速、橫擺角速度和側向加速度傳感器測出車輛的實際運動狀態(tài)。名義狀態(tài)與實際狀態(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到最小，實現的方法則是利用車輪滑移率特性。車輛動力學控制系統目的是改善車輛操縱的穩(wěn)定性，它可以在車輛運動狀態(tài)處于危險狀態(tài)下自動進行控制。其主要作用就是通過控制車輛的橫向運動狀態(tài)，使車輛處于穩(wěn)定的運動狀態(tài)，使人能夠更容易地操縱車輛。 5) 控制系統總線技術 隨著汽車技術科技含量的不斷增加，必然造成龐大的布線系統。因此，需要采用總線結構將各個系統聯系起來，實現數據和資源信息實時共享，并可以減少傳感器數量，從而降低整車成本，朝著系統集成化的方向發(fā)展。 目前多使用 CAN控制器局域網絡 （Controller Area Network)用于汽車內部測量與執(zhí)行部件之間的數據通信協議。 1.4 國內防抱死制動系統的研究和應用概況 我國ABS的研究始于20世紀80年代初，現剛剛進入產品試制和裝車試驗階段。 隨著我國市場經濟的不斷發(fā)展及汽車保有量和車速的不斷提高，行車安全問題變得越來越突出。ABS系統的研究在我國成為熱門課題，許多高校、科研單位和生產廠家正在加快研究攻關和技術引進步伐。國內研制ABS的單位主要有東風汽車公司、交通部重慶公路研究所、重慶宏安ABS有限公司、陜西興平514廠、西安公路學院、清華大學、西安艾韋機電科技公司等單位和部門。 東風公司從80年代初就開始研究ABS，是較早研究ABS的廠家之一，現研究工作的主要目標是對國外的產品進行消化吸收。 重慶公路研究所相繼開發(fā)出了兩代 ABS產品，第一代 ABS的ECU采用了80芯片。 第二代ABS產品為 FKX-ACI型，該裝置的ECU中的CPU微處理器采用了美國工NTEL公司的MCS96系列8098單片機。我國目前己著手制定有關車輛安全性方面的法規(guī)，并決定首先在重型汽車和大客車上安裝ABS系統。 從 1998年起，國產的奧迪、桑塔納和富康等轎車，己普遍裝上了ABS 2.防抱死制動系統基本原理 ABS系統能夠通過控制制動過程中車輪的運動狀態(tài)，使車輪不產生抱死，保證汽車制動時處于最佳的制動狀態(tài)，即保持方向穩(wěn)定性、方向操縱性和縮短制動距離。所以，要對ABS系統進行研究，就必須先了解汽車制動時的制動特性。2.1 制動時汽車的運動 2.1.1 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、風的阻力和自身重力的作用。 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。汽車在直線行駛并受橫向外界干擾力作用和汽車轉彎時所受到地面給汽車的力如圖2-1所示。其中 ：為地面作用在每個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和車輪所受的載荷。 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，它是使汽車在制動時減速并停止的主要作用力。 為地面作用在每個車輪上的側滑摩擦力，側滑摩擦力的大小取決于側向附著系數和車輪所受的載荷，當車輪抱死時，側滑摩擦力將變得很小，幾乎為零。汽車直線制動時，若受到橫向干擾力的作用，如橫向風力或路面不平，汽車將產生側滑摩擦力來保持汽車的直線行駛方向，如圖2-1(a) 所示。 若汽車在轉彎時制動或在制動時轉彎，也將產生側滑摩擦力使汽車能夠轉向。 圖2-1汽車直線和轉彎制動時的平面受力簡圖如圖2-1（）所示。 地面制動力決定制動距離的長短，側滑摩擦力則決定了汽車制動時的方向穩(wěn)定性。 這里將作用在前輪上的側滑摩擦力稱為轉彎力， 將作用在后輪上的側滑摩擦力稱為側向力。 轉彎力和汽車的方向操縱性有關， 它保證了汽車能夠按照駕駛員的意愿轉向；側向力和汽車的方向穩(wěn)定性有關， 它保證了汽車的行進方向。轉彎力越大，汽車的方向操縱性越好；側向力越大，汽車的方向穩(wěn)定性越好。 如上所述，施加適當的制動，能夠有效地使汽車停下。制動強度過大，是汽車發(fā)生各種危險運動狀況的主要原因。因此，汽車行駛時，要根據冰路、雪路、砂石路、壞路、 水濕路 干路、直路、彎曲路等道路條件，根據汽車速度、方向轉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。 2.1.2 車輪抱死時汽車運動情況 車輪抱死時汽車所受到的側滑摩擦力將會變的很小，這將使汽車制動時保持方向操縱性和方向穩(wěn)定性的轉彎力和側向力變的很小，使汽車在制動時出現一些危險的運動情況。對ABS系統來說，就是要防止這些危險情況的出現。下面從汽車在一種路面上直線和轉彎制動兩方面簡單討論一下當車輪抱死時汽車的運動情況。 )汽車在一種路面上直線運動制動車輪抱死時可能出現的運動情況如圖2-2所示。 圖2-2（a）為只有前輪抱死時，由于前輪的轉彎力基本為零，無法進行正常的轉向操作。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，當前輪抱死時轉彎力為零，駕駛員無法控制汽車的方向使汽車轉向來避讓前方的障礙物，這時由于汽車后輪不抱死，所以汽車仍具有側向力來維持方向穩(wěn)定性。 圖2-2（b） 為只有后輪抱死時，后輪的側向力接近于零，汽車仍具有方向操縱性，但會因后輪抱死而失去方向穩(wěn)定性使汽車側滑。 汽車不能保持原來的行駛方向，由于離心力和前輪轉向力的作用，汽車將一面旋轉一面沿曲線行駛（這種運動叫外旋轉）。 圖2-2（c）為前后車輪全部抱死時時轉彎力和側向力都為零，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，即使對汽車施加很小的偏轉力矩，汽車就會產生不規(guī)則運動而處于危險狀態(tài)，在不規(guī)則旋轉的過程中將制動釋放，汽車就會沿著瞬時行駛方向急速駛出，這也是很危險的。 圖2-2 汽車直線制動車輪抱死時的運動情況2 )汽車在一種路面上轉彎制動車輪抱死時可能出現的運動情況如圖 2-3 所示。 所有這些運動情況若在制動時出現，都是極其危險的。圖2-3 汽車轉彎制動車輪抱死時的運動情況 從上面對出現這些危險運動情況的簡單分析可以看出，制動時車輪抱死導致汽車出現各種危險運動情況，實質上是汽車因失去相應的維持本身方向穩(wěn)定性方向操縱性的側滑摩擦力而使汽車出現這些運動情況，即車輪抱死導致汽車的側滑摩擦力為零。車輪的抱死程度和汽車的地面制動力及汽車的側滑摩擦力之間存在一定的關系，ABS之所以能防止汽車制動時出現危險的運動情況，就是根據這個關系來調整車輪的運動狀態(tài)，以避免側滑摩擦力為零。 2.2 滑移率和路面附著系數的關系 制動時道路作用于車輪上的縱向附著力就等于汽車制動力。道路給予汽車轉向輪的側向附著力就是使汽車轉向的側向力。 定義縱向附著力為F，側向附著力，車輪的垂直載荷，則縱向附著系數和側向附著系數可以用下式表示： （21） （22）汽車在制動的過程中出現車輪抱死時，車輪的運動狀態(tài)并不是從旋轉狀態(tài)突然進入到相對于汽車停止的抱死狀態(tài)，即車輪從旋轉狀態(tài)進入抱死狀態(tài)要經歷一個過渡過程。 在此過渡過程中，車輪相對于汽車的轉速慢慢降低，直至為零時車輪抱死。若以車輪抱死時的抱死程度為最大，則在過渡過程時車輪的抱死程度就較小，在不對車輪進行制動時，車輪抱死的程度為最小。車輪滑移程度用滑移率表示： （23） ： 車輪中心的速度，單位 ； ： 車輪制動時轉速，單位 弧度； ： 沒有地面制動力時的車輪滾動半徑，單位 ： 這里，車輪中心的速度即為車速。顯然，滑移率的取值范圍為 當不對車輪進行制動時，車輪隨汽車的運動而滾動，由車輪輪速計算出的車輪中心速度汽車速度心速度和汽車的速度大小相等，滑移率為。若對車輪施加制動，車輪的旋轉將減速， 這時由輪速計算的車輪中心速度比車速小，使汽車開始拖動車輪使車輪中心的速度和汽車速度一樣，造成車輪相對路面產生滑動，車輪既做滾動又做滑動，滑移率介于和之間。當制動增強時，車輪的轉速逐漸變小，最終為零，這時汽車拖帶車輪相對于路面做純滑動，滑移率為1?？梢姡坡誓軌蚨勘硎拒囕啽赖某潭?。 車輪滑移率和車輪的縱向及側向附著系數之間有如圖2-4所示的關系。 顯然它們之間的關系是一種非線性關系。 圖2-4 滑移率與附著系數的關系 滑移率為零時，縱向附著系數為零，側向附著系數為最大?；坡试龃髸r，車輪與地面之間開始出現滑動，縱向附著系數近似呈線性增長，同時側向附著系數減小。當滑移率繼續(xù)增大時，縱向附著系數在滑移率S為20%左右時達到峰值后開始迅速減小。 達到峰值時的縱向附著系數稱為峰值附著系數，側向附著系數繼續(xù)減小。車輪抱死時，滑移率為最大，縱向附著系數降至某一數值后不再變化，側向附著系數在車輪抱死時幾乎為零。實質上車輪通過輪胎的胎面與地面接觸，輪胎是彈性體，有很強的非線性，車輪滑移率和附著系數之間的非線性是輪胎的非線性及輪胎與地面之間接觸的非線性所造成的。 由于制動時地面作用在車輪上的地面制動力、和側滑摩擦力與車輪的附著系數之間存在式（2-1）、（2-2）所示的線性關系，所以在制動過程中汽車所受到的地面制動力和側滑摩擦力，與車輪的滑移率之間也存在同樣的非線性關系。并且，從圖2-4中縱向附著系數與車輪滑移率之間的關系還可以得出制動時車輪由轉動到抱死的過程中，地面制動力、將會在車輪的運動狀態(tài)處于滑移率在20%左右的區(qū)域時，達到一個最大值，車輪抱死時，地面制動力反而會減小，減小的程度示路面種類的不同而不同。所以，制動時車輪抱死不僅影響到汽車制動的方向穩(wěn)定性和方向操作性，還通過地面制動力的變化影響到汽車的制動距離。 如果能在制動時把車輪的運動狀態(tài)控制在車輪滑移率S為20%左右，即在圖2-4中的帶狀區(qū)域內，既能獲得最大的縱向附著系數又能獲得較高的側向附著系數，使得汽車具有最大的地面制動力和較大的側滑摩擦力。 這樣能夠在保證汽車的方向穩(wěn)定性和操作性的前提下使汽車有更短的制動距離。這就是ABS系統的基本控制目標。 實驗證明，道路的附著系數受車輪結構、材料，道路表面形狀、材料有關，不同性質道路其附著系數變化很大。 圖2-5給出了不同類型路面上滑移率一縱向附著系數之間的關系。 圖2-5 不同路面上滑移率和縱向附著系數關系由圖2-5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向附著系數之間的關系曲線隨路面類型的不同，出現峰值的滑移率的取值也會不一樣，并且對應不同路面類型的滑移率一縱向附著系數曲線在峰值附著系數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高達0.8-0.9，而冰雪路面的縱向峰值附著系數低至0.1-0.2。如果這種差別隨路面類型的不同變化比較明顯，則在設計ABS系統控制方法時，就必須考慮到隨路面類型的不同而采取不同的控制目標和策略。 若汽車在同一種類型路面上制動時的初速度不一樣，車輪的縱向附著系數和滑移率之間的關系曲線也會略有不同，制動時的車速越高，車輪的縱向附著系數越低。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一滑移率關系曲線不會有太大變化。 總之，對于在一種路面上制動的汽車，車輪附著系數和滑移率之間的非線性特性是決定汽車制動性能的主要因素。 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。制動時汽車通過制動系統改變車輪的運動狀態(tài)，從而改變車輪的滑移率，形成整個非線性的制動過程。 2.3 制動時車輪運動方程 制動過程單輪受力如圖2-6所示。 圖2-6 制動過程單輪受力簡圖 制動車輪軸荷與支撐力平衡，該輪轉動慣量，半徑r：軸心平移速度V轉動角速度，制動器制動力矩 Mu， 通常與車輪制動壓力成正比，系數K， 則有（2-4） （2-5）制動時制動力遠大于空氣阻力和滾動阻力， 分別為右側前后輪制， 汽車初速為V，質量為（重力G），質心到前后軸距離I1 I2 ,軸距，B質心高hg， 汽車制動減速度為 （2-6） 前軸載荷 （2-7）后軸載荷 （2-8） 制動時附加轉向力矩 MS（Fb1t +F）-（F1r+Fr）B=（F1t -F1r）+（Fb2t-Fr）B（2-9） （2-10）從式 （-）可知，調節(jié)制動壓力可以使車輪角減速度產生變化：從式（2-10）計算制動時的瞬時車速V，可計算各車輪滑移率，從式 （2-7）（2-8）及各軸載荷可以判斷道路附著系數，并進行調節(jié)，故知ABS可以用w/（角加速度）或滑移率S，或滑移率與角加速度聯合作為控制參數。 2.4 采用防抱死制動系統的必要性 汽車直線行駛過程中，突然緊急制動，汽車車輪一下子抱死，汽車仍然向前，輪胎和地面之間發(fā)出嚇人的磨擦聲，汽車最后終于停了下來。 在日常生活中，大家都可能遇到過這種現象。 如果汽車發(fā)生交通事故，交通警察來了之后首先總是檢查一下汽車制動痕跡，判斷司機在事故中是否采取了制動措施。然后再測量一下制動距離，看一看該車制動效果好不好。當輪胎的滑移率在 8%-25%時，輪胎和她面的摩擦力（附著力）最大。 如果輪胎的滑移率過大的話，附著力反而要降低。如果司機能控制輪胎的滑移率，使其在制動期間始終處于8%-25% 范圍之內，汽車將在更短的制動距離內停車。 當汽車轉向時，如果汽車緊急制動的話，和直線行駛一樣會出現車輪抱死現象。 由于車輪抱死,汽車的側向附著力變成了零，汽車輪胎出現側向滑動，汽車喪夫了控制方向的能力,這是十分危險的。汽車的側向附著力和制動力之間的關系十分緊密。在不制動的時候，輪胎前后方向的滑動為零，這時車輪側向附著力最大。司機踏動制動踏板，隨著制動力的加大，輪胎的滑移率增加，側向附著力逐漸減速小。最后，當輪胎的滑移率達到 100%時，輪胎抱死。這樣汽車的側向附著力幾乎等于零。此時汽車正在轉彎中，輪胎開始出現側向滑動。在車輪抱死之后，方向盤己經不起作用了，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)生旋轉現象最后停車，如果前后輪都抱死的話，汽車一邊轉一邊沿直線前進最后停車。上述各種狀態(tài)是極其危險的。為了避免發(fā)生這些現象，司機在踏動制動板時，必須謹慎從事。在制動過程中，如果始終能使輪胎的滑移率處于 8%-25%范圍之內的話，汽車將在最短的制動距離內停車并具有良好的控制方向的能力。為了達到上述目的，要求司機在操作時應十分精心，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，輪胎一旦開始轉動再踏動制動踏板使車輪抱死，如此反復操作。 在摩擦系數小的光滑路面上，司機在制動時都很小心，唯恐使車輪抱死，但仍很難做到，原因是司機不知道車輪什么時候抱死。 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。 要完成上述制動要求確實難上加難。 當然技術熟練的司機在某種程度上能根據各種條件合理地操作制動，如采用點制動?？墒且坏┯錾暇o急狀態(tài)，大多數人都是一腳踏死制動踏板，使輪胎抱死為此。上述司機做不到的許多事，利用傳感器就能辦到。將傳感器的數據進行整理、判斷、變成執(zhí)行機構所必需的信息，這部分工作對于電腦來說是很簡單的，按照電腦的指令執(zhí)行操作，這在機械結構上也不會有什么大問題。ABS系統調節(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。 當不再有可能抱死車輪時，再恢復正常壓力。使滑移率控制在一定范圍之內。 這樣不但提高了車輛行駛的穩(wěn)定性，增強了車輛方向的可控性，而且縮短了制動距離。 2.5 防抱死制動系統的類型 2.5.1按控制方式分類 1）單參數控制（ABS） 它以控制車輪的角減速度為對象，控制車輪的制動力，實現防抱死制 動，其結構主要由輪速傳感器、控制器(電腦)及電磁閥組成。2）雙參數控制（ABS） 雙參數控制的ABS，由車速傳感器(測速雷達)、輪速傳感器、控制裝置(電腦)和執(zhí)行機構組成。 其工作原理是車速傳感器和輪速傳感器，分別將車速和輪速信號輸入電腦，由電腦計算出實際滑移率，并與理想滑移率15%20%作比較，再通過電磁閥增減制動器的制動力。2.5.2控制通道 對能夠獨立進行制動壓力調節(jié)的制動管路稱為控制通道。獨立控制是指某個車輪的制動壓力占用一個控制通道可以單獨進行調節(jié)；一同控制是指兩個車輪的制動壓力是一同進行調節(jié)的。高選原則一同控制是指保證附著力較大的車輪不發(fā)生制動抱死或驅動防滑為原則進行制動壓力調節(jié)；反之，稱為低選原則一同控制。按控制通道數分可以分為：四通道ABS系統、三通道ABS系統、雙通道ABS系統與單通道ABS系統。 1）四通道ABS系統（如圖2-7-1）圖2-7-1 四通道四傳感器ABS(a)雙制動管路前后布置(b)雙制動管路對角布置組成：四個輪速傳感器，在通往四個車輪制動分泵的管路中，各設一個制動壓力調節(jié)分裝置，分別對各個車輪進行獨立控制。優(yōu)點：附著系數利用率高，制動時可以最大限度地利用每個車輪的最大附著力。適用：汽車左右兩側車輪附著系數相近的路面，不僅可以獲得良好的方向穩(wěn)定性和方向操縱能力，而且可以得到最短的制動距離。缺點：如果汽車左右輪附著力相差較大，如：行駛在附著系數對分的路面上或汽車兩側垂直載荷相差較大時，制動時兩個車輪的地面制動力就相差較大，因此會產生橫擺力矩，使車身向制動力較大的一側跑偏，不能保持汽車按預定方向行駛，會影響汽車的方向穩(wěn)定性，一般駕駛員修正有些困難。結論：在具有驅動防滑轉(ASR)功能時采用四通道式。 2）三通道ABS系統（如圖2-7-2）結構：四個輪速傳感器或三個輪速傳感器。一般三通道ABS是對兩前輪進行獨立控制，兩后輪按低選原則進行一同控制，也稱它為混合控制。圖2-7-2-(a)所示適用前輪驅動汽車及按對角布置的雙管路制動系統。該系統中雖然在通往四個車輪制動分泵(輪缸)的制動管路中，各設置一制動壓力調節(jié)分裝置，但兩個后輪制動壓力調節(jié)分裝置卻是由電子控制器按低選原則一同控制的，因此，實際上仍然是三通道ABS。圖2-7-2 三通道ABS(a)三通道四傳感器ABS（對角布置）(b)三通道四傳感器ABS（前后布置）(c)三通道三傳感器ABS圖2-7-2-(b)(c)所示適用后輪驅動汽車及按前后布置的雙管路制動系統。在通往兩后輪制動分泵(輪缸)的制動總管路中，只設置一個制動壓力調節(jié)分裝置，以便對兩后輪制動分泵的制動壓力進行一同控制。由于三通道ABS對兩后輪進行一同控制，對于后輪驅動的汽車，也可以在傳動系統中(如主減速器或變速器中)只設置一個輪速傳感器，感測兩后輪的平均轉速，實現近似低選原則的一同控制。兩后輪按低選原則進行一同控制時，可以保證汽車在各種條件下左右兩后輪的制動力相等，即使兩側車輪的附著力相差較大，兩個車輪的制動力都限制在附著力較小的水平，使兩個后輪的制動力始終保持平衡，保證汽車在各種條件下制動時都具有良好的方向穩(wěn)定性。但也可能出現附著系數大的一側后輪的附著力不能充分利用的問題，使汽車的總制動力有所減小。應該看到，在緊急制動時，由于發(fā)生軸荷前移，在汽車的總制動力中，后輪的制動力所占的比重較小，尤其是小轎車，使前輪的附著力比后輪的附著力大得多，通常后輪制動力只占總制動力的30左右，因此，后輪附著力未能充分利用的損失對汽車的總制動力影響不大。對兩前輪進行獨立控制，主要考慮到小轎車，特別是前輪驅動的汽車，前輪的制動力在汽車總制動中所占的比例較大(可達70左右)，可以充分利用兩前輪的附著力。一方面使汽車獲得盡可能大的總制動力，利于縮短制動距離，另一方面更重要的能在制動中使兩前輪始終保持較大的橫向附著力，使汽車保持良好轉向控制能力。盡管兩前輪獨立控制可能導致兩前輪制動力不平衡，但由于兩前輪制動力不平衡對汽車行駛方向穩(wěn)定性影響相對較小，而且可以通過駕駛員的轉向操縱對由此造成的影響進行修正。因此，三通道ABS在小轎車上被普遍采用。 3）雙通道ABS系統（如圖2-5-3）圖2-7-3 雙通道ABS(a)二通道三傳感器ABS(b)二通道四傳感器ABS(c)二通道二傳感器ABS(d)二通道二傳感器ABS（a）圖中，前輪附著力相差較大時，高選。（d）圖中，在后制動管路中設置比例閥或低選擇閥。雙通道式：難以在方向穩(wěn)定性、轉向操縱性和制動距離各方面得到兼顧，目前采用很少。（4）單通道ABS系統（如圖2-7-4）圖2-7-4 一通道一傳感器ABS由于前輪無控制，故易抱死，轉向操縱性差，制動距離較長。2.6 防抱死制動系統 2.6.1基本工作原理 ABS系統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生抱死狀態(tài)的。這種對制動液壓力的改變過程實際上就是ABS系統控制方法實施的過程。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。 ABS系統在制動時對制動油壓的控制過程如圖 2-7所示。 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，制動器使車輪上產生制動力矩，同時產生地面制動力使汽車和車輪都開始減速。此時 ABS系統不對制動過程進行干預，所以制動油壓迅速增加，車輪減速度也增大。當車輪減速度的值達到規(guī)定的門限值-時，產生減壓信號，圖2-7中1點所示，ABS系統開始工作，降低制動油壓。由于液壓制動系統的慣性，車輪減速度仍然下降一段時間，然后開始減小并小于門限值-時，圖 2-7中2點，產生保壓信號，ABS保持制動油壓不變，車輪由減速狀態(tài)進入加速狀態(tài)，車輪速度開始回升并靠近車速，當車輪加速度值達到設定的門限值時，圖2-7中3點，產生升壓信號，ABS使制動油壓上升，車輪加速度在上升一段時間后開始減小，車輪由加速狀態(tài)又進入減速狀態(tài)，并再次進入另一個控制循環(huán)。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而不產生抱死。這種控制方法的關鍵在于對車輪加、 減速度門限值的設定，合適的門限值可以使車輪的運動狀態(tài)控制在比較理想的范圍內。 但顯然門限值的確定需要大量的試驗來確定。 除了設定車輪加減速度門限值之外，還可以根據控制質量和路面類型的不同設定不同的門限值來提高控制的質量，如參考滑移率門限值等。 在ABS中，每個車輪上各安置一個轉速傳感器，將各車輪轉速信號輸入電子控制裝置 ECU. ECU根據各車輪轉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的控制指令。制動壓力調節(jié)裝置主要由調壓電磁閥總成、電動泵總成和儲液器等組成一個獨立的整體，通過制動管路與制動主缸和各制動輪缸相連，制動壓力調節(jié)裝置受電子控制裝置的控制，對各制動輪缸的制動壓力進行調節(jié)。 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。在常規(guī)制動階段，ABS并不介入制動壓力控制，調壓電磁閥總成中的各進液電磁閥均不通電而處于開啟狀態(tài)，各出液壓電磁閥均不通電而處于關閉狀態(tài)，電動泵也不通電運轉，制動主缸至各制動輪缸的制動管路均處于溝通狀態(tài)，而各制動輪缸至儲液器的制動管路均處于封閉狀態(tài)，各制動輪缸的制動壓力將隨制動主缸的輸出壓力而變化，此時的制動過程與常規(guī)制動系統的制動過程完全相同。 在制動過程中，電子控制裝置根據車輪轉速傳感器輸入的車輪轉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節(jié)過程。 例如，當ECU判定右前輪趨于抱死時，ECU就使控制右前輪制動壓力的進液電磁閥通電，使右前進液電磁閥轉入關閉狀態(tài)，制動主缸輸出的制動液不再進入右前制動輪缸，此時，右前出液電磁閥仍未通電而處于關閉狀態(tài)，右前制動輪缸中的制動液也不會流出，右前制動輪缸的制動壓力就保持一定，而其它未趨于抱死車輪的制動壓力仍會隨制動輪缸的制動主缸輸出壓力的增大而增大，如果在右前制動輪缸的制動壓力保持一定時，ECU右前輪仍然趨于抱死，ECU右前出液電磁閥也通電。而轉入開啟狀態(tài)，右前制動輪缸中的部分制動液就會經過處于開啟狀態(tài)的出液電磁閥流回儲液器，使右前制動輪缸的制動壓力迅速減小，右前輪的抱死趨勢將開始消除，隨著右前輪的抱死趨勢己經完全消除時，ECU就使右前進液電磁閥和出液電磁閥都斷電，使進液電磁閥轉入開啟狀態(tài)，使出液電磁閥轉入關閉狀態(tài)，同時也使電動泵通電運轉，向制動輪缸送制動液，由制動主缸輸出的制動液和電動泵通電運轉，向制動輪缸泵送制動液，由制動主缸輸出的制動液和電動泵通電運轉，向制動輪缸泵送制動液，由制動主缸輸出的制動液和電動泵泵送的制動液都經過處于開啟狀態(tài)的右前進液電磁閥進入右前制動輪缸，使右前制動輪缸的制動壓力迅速增大，右前輪又開始減速轉動。ABS 通過使趨于抱死車輪的制動壓力循環(huán)往復地經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滑移率的上范圍內，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，制動壓力調節(jié)循環(huán)的頻率可達 3-20Hz在該ABS中對應于每一個制動輪缸各有一對進液和出液電磁閥，可由ECU分別進行控制，因此，各制動輪缸的制動壓力能夠被獨立地調節(jié)，從而使四個車輪都不發(fā)生制動抱死現象。 圖2-8 基于車輪加減速度邏輯門限值控制方法的ABS系統油壓控制循環(huán)圖2.6.2系統工作過程 制動壓力調節(jié)裝置 （簡稱液壓調節(jié)器）主要由8個2位2通調壓電磁閥、1個雙聯式電動液壓柱塞泵、2個儲液室、2個低壓儲能室、1個電動液壓泵和幾個單向閥等組成。電動液壓泵轉速傳感器產生的轉速信號輸入ECU，供ECU動液壓泵的運轉情況。 液壓調節(jié)閥通過管路與制動主缸和各制動輪缸相連。液壓調節(jié)器工作原理如圖2-8示。 圖2-9 液壓調節(jié)器工作原理圖1一低壓儲能器： 2液壓柱塞泵； 3一電動機： 4嘴業(yè)動土缸儲液室；5制動主缸： 6一儲液室； 7一進液電磁閥 （常開）； 8一出液電磁閥 （常閉） （1）常規(guī)制動過程 制動系統在常規(guī)制動過程中 （未出現防抱死現象），調節(jié)器中的各個2位2通調壓電磁閥不通電。其中,個進液電磁閥處于流通狀態(tài)，4個出液電磁閥處于斷流狀態(tài)，同時，電動液壓泵也不通電運轉。 此時，自制動主缸輸出的制動液可以通過各進液電磁閥直接進入各制動輪缸，各制動輪缸的制動壓力將隨制動主缸的制動壓力而變化，即平時汽車進行的常規(guī)制動。 （2）防抱死制動過程： 在制動過程中，如果電子控制單元（ECU）根據車輪輪速傳感器輸入的車輪轉速信號判定是否有車輪趨于制動抱死傾向。 需要調節(jié)制動輪缸的壓力時，ECU就使該制動輪缸相對應的進液電磁閥或出液電磁閥通電換位，并自動按以下情況分別進行判斷、處理：建壓過程制動時，通過真空助力器與制動主缸建立制動壓力。所有電磁閥均不通電，制動壓力進入各車輪制動器，車輪轉速迅速降低 （此時同常規(guī)制動）， 直到電子控制單元(ECU)通過計算得知車輪有抱死傾向為止。 保壓過程當ECU通過轉速傳感器得到信號識別出車輪有抱死傾向時，ECU發(fā)出控制信號關閉相應車輪的進液電磁閥，并讓出液電磁閥繼續(xù)保持關閉狀態(tài)，該制動輪缸中的制動液壓被封閉而使制動壓力保持一定。 減壓過程如果在保壓階段車輪仍有抱死傾向，則 ABS系統進入降壓階段。 此時ECU發(fā)出控制指令使該制動輪缸相應的進液電磁閥和出液電磁閥都通電換位 （進液電磁閥處于斷流，出液電磁閥處于導通），該制動輪缸中的部分制動液就會通過出液電磁閥流入低壓儲能室，使制動輪缸的制動壓力隨之減小。 與此同時液壓泵也開始工作，把低壓儲能室的制動液重新泵回制動主缸以補償制動踏板行程損失，此時制動踏板出現抖動 （有抬升或反彈感），車輪抱死程度降低，輪速上升。 此過程結束液壓泵隨之掉電停止運行。 增壓過程為了達到最佳制動效果，當車輪轉速達到一定值后（與設定的門限值比較）ECU再次發(fā)出控制指令使該制動輪缸相應的進液電磁閥和出液電磁閥都斷電，使進液電磁閥處于通流狀態(tài)，出液電磁閥處于斷流狀態(tài)，制動主缸輸出的制動液就會通過進液電磁閥進入制動輪缸，該制動輪缸的制動壓力隨之增大，輪速再次被制動而下降。 通過保壓、降壓、增壓為一個循環(huán)，通常 ABS系統的壓力調節(jié)頻率為2-4個/秒循環(huán)。 在ABS工作期間，ECU根據個車輪轉速傳感器反饋車輪轉速信號，可以獨立地對四個制動輪缸的制動壓力進行減小、保持和增大循環(huán)調節(jié)，將各車輪制動效果控制在最佳狀態(tài)。 （3）解除制動過程： 當解除制動時，制動踏板松開，制動主缸內的制動壓力為零。 此時出液電磁閥再次通電處于通流狀態(tài)，低壓儲能室的制動液經出液電磁閥返回制動主缸，低壓儲能室排空，為下一次工作做好準備。 3.電控防抱死制動系統（ABS）的基本組成與工作原理3.1 ABS的基本組成ABS是在普通制動系統的基礎上，加裝ABS ECU、傳感器、執(zhí)行器等裝置而形成的制動系統，其基本構成如圖3-1所示。其結構形式和控制方法因車而異。圖3-1 制動防抱死系統（ABS）的基本組成3.2傳感器1）輪速傳感器（1）作用：檢測車輪運動狀態(tài)，獲得車輪轉速信號，并將車輪的減速度（或加速度）信號送給ECU。典型輪速傳感器外形與基本結構如圖3-2。（2）安裝：一般在車輪處，但也有設置在主減速器或變速器中。圖3-2 輪速傳感器的外形與基本結構(a)輪速傳感器外形(b)輪速傳感器的基本結構2）車速傳感器 作用：檢測車速，給ECU提供車速信號，用于滑移率控制方式。3）減速度傳感器作用：在汽車制動時，獲得汽車減速度信號。因為汽車在高附著系數路面上制動時，汽車減速度大，在低附著系數路面上制動時，汽車減速度小，因而該信號送入ECU后，可以對路面進行區(qū)別，判斷路面附著系數高低情況。當判定汽車行駛在雪地、結冰路等易打滑的路面上時，采取相應控制措施，以提高制動性能。多用于四輪驅動控制系統3.3電子控制單元（ECU）接收輪速、車速信號、發(fā)動機轉速信號、制動信號、液位等信號，分析判定車輪制動狀態(tài)，需要時發(fā)出調節(jié)指令，并具有報警、記憶、存儲、自診斷和保護功能。ECU控制原理如圖3-3所示。圖3-3 ABS控制電腦原理圖3.4執(zhí)行器1）油泵及儲能器作用：產生控制油壓，使制動壓力調節(jié)裝置工作。2）制動壓力調節(jié)器制動壓力調節(jié)器是ABS系統中最主要的執(zhí)行器，一般都設在制動總泵(主缸)與車輪制動分泵(輪缸)之間。(1)作用:根據ECU的控制指令，自動調節(jié)制動分泵(輪缸)的制動壓力。(2)分類根據動力來源分可以分為：氣壓式與液壓式。氣壓式：主要用在大型客車和載重汽車上。液壓式：主要用在小轎車和一些輕型載重汽車上。根據結