汽車制動ABS控制技術分析中期報告.doc

河 北 工 業(yè) 大 學畢業(yè)設計(論文)中期報告學生姓名： 學 號： 學院： 機械工程學院 專業(yè)： 車輛工程 設計(論文)題目： 汽車制動ABS控制技術分析 指導教師： 石維佳 查找資料，了解ABS制動系統(tǒng)的基礎原理和工作原理ABS制動系統(tǒng)的基礎原理：制動時車輪的受力情況車輪在制動時受力分析汽車行駛速度；地面制動力；車輪垂直載荷；b動器摩擦力矩；地面對車輪的法向反作用圖中滾動阻力偶矩和減速時的慣性力、慣性力矩均忽略不計。Mb車輪制動器中的摩擦力矩，單位為N.m，為地面制動力，F(xiàn)為車軸對車輪的推力，F(xiàn)為地面對車輪的法向反作用力，W為車輪的垂直載荷，其單位均為N，r為車輪半徑，單位為m。當制動踏板力較小時，由于力矩平衡顯然有： 地面制動力是使汽車制動而減速行駛的外力，但是地面制動力取決于兩個摩擦副的摩擦力：一個是制動器內(nèi)制動摩擦片與制動鼓或制動盤間的摩擦力；一個是輪胎與地面間的摩擦力，即附著力。在輪胎周緣克制制動器摩擦力所需的力稱為制動器制動力。相當于把汽車架離地面，踩住制動踏板，在輪胎周緣沿切線方向推動車輪直至它能轉動所需的力。制動器制動力F可由下式確定： 地面制動力、制動器制動力和附著力的關系圖2.2.2 制動過程中地面制動力、制動器制動力以及附著力之間的關系F制動器制動力；附著力；地面制動力 路面附著系數(shù)與滑移率的關系車輪接地面在縱向和側向產(chǎn)生附著能力，兩者不盡相同 觀察汽車制動過程，可以看出輪胎留在地面上的印痕從車輪滾動到抱死拖滑是一個漸變的過程。隨著制動強度的增加，車輪滾動的成分越來越小，而滑動成分越來越大?；坡示褪怯脕砗饬恐苿舆^程中滑動成分多少的。典型附著系數(shù)一滑移率曲線由該曲線可看出，在制動過程尚未開始時，即s=o時，縱向附著系數(shù)0，側向附著系數(shù)最大。制動過程開始以后，縱向附著系數(shù)隨著滑移率s的增加而迅速上升，當增加到臨界滑移率S時(約為10%-30%)，達到峰值附著系數(shù)，該段曲線為穩(wěn)定區(qū)域?；坡蕇再繼續(xù)上升，進入不穩(wěn)定區(qū)域，縱向附著系數(shù)逐漸下降，S =100%時的附著系數(shù)稱為滑動附著系數(shù)。實際上根據(jù)試驗求附著系數(shù)一滑移率曲線時，、S超過S后車輪立即抱死，采集S100%區(qū)間的數(shù)據(jù)很困難。而側向附著系數(shù)則隨著滑移率的增加一直減小，s =100%時接近于零。此時車輪完全抱死，輪胎與路面之間的側向附著力接近于零，車輪將完全喪失抵抗外界側向力的能力。此時若車輪上存在外界側向力的作用(如汽車重力的分力、路面不平度產(chǎn)生的側向力、側向風等)，車輪將會在路面上發(fā)生側滑，這是一種極其危險的工況。由圖2-13還可以看出，當車輪的滑移率處于臨界滑移率附近時，側向附著系數(shù)約為最大側向附著系數(shù)的50-70%。若將車輪的滑移率控制在這一范圍內(nèi)，車輪的縱向附著系數(shù)最大，側向附著系數(shù)亦較大。最大的縱向附著系數(shù)可使汽車獲得制動和驅動所需的縱向附著力最大，而較大的側向附著系數(shù)可使汽車獲得轉向或防止側滑所需的側向附著力。應用建立單論車輛模型制動過程動態(tài)仿真模型。（這個是照著別人的教程做的。建立車輛的整車運動模型、輪胎模型、自動器模型及控制器模型，模擬不同路面情況,對的制動過程進行仿真，并對仿真結果進行分析，探討不同路面對制動過程的影響。）1 車輛的運動模型車輛的整車運動模型可以采用牛頓力學建立各個剛體的運動學方程,然后根據(jù)具體的用途不同,確定模型的繁簡程度。目前常用的車輛整車運動模型主要有四輪車輛模型、雙輪車輛型和單輪車輛模型3 種。四輪模型主要用于描述復雜的動力學性能場合,如橫向動力學控制模擬等。雙輪模型主要描述車輛的直線驅動場合,如考慮車輛加、減速對車輛動力學模擬和控制的影響分析。單輪模型主要描述制動性能,用于基于模型控制系統(tǒng)的分析和設計等。本文以單輪車輛運動模型來構建仿真系統(tǒng)。單輪車輛模型不考慮車輛側傾的影響,忽略輪胎的滾動阻力、車輛的空氣阻力等。模型的示意圖如圖所示。MbuMRFsN其數(shù)學描述如下:車輛運動方程Mu = - Fs. (1)車輪運動方程I = Fs R - Mb . (2) 車輪縱向摩擦力Fs = N. (3)式中: M 為車輛質量( t ) , u 為車速(m/ s) , Fs 為車輪摩擦力(N) , I 為車輪轉動慣量( kgm2 ) ,為車輪角速度( rad/ s) , R 為車輪滾動半徑(m) , Mb 為制動器制動力矩(Nm) ,為車輪與地面附著系數(shù), N為車輪對地面法向反力(N) 。2制動器模型制動器模型用于在計算過程中給出各個車輪制動器在一定輸入條件下所輸出的制動力矩。先建立氣壓系統(tǒng)的壓力模型, 然后再建立制動器的力矩-壓力模型(即Mb - p 模型) 。關于氣壓系統(tǒng)壓力p 與制動力矩Mb 的轉換特性,可以通過兩種途徑獲得:一種是通過試驗來測定;一種是通過計算制動蹄效率系數(shù)的方法來計算。本文采用前一種方法?？梢缘玫角昂筝喌闹苿恿貫镸b前= K1 p , (4)Mb后= K2 p. (5)式中: K1 、K2 為制動器制動因數(shù)。3 輪胎模型地面作用力是通過輪胎作用于汽車上的, 輪胎的力學特性決定了汽車的動態(tài)特性,因此,它是整車動力學中非常重要的一部分。影響輪胎力特性的因素很多,如側偏角、垂直載荷、地面摩擦系數(shù)以及輪胎的滑動率等。國內(nèi)外對此進行了較深入的研究,建立了經(jīng)驗、半經(jīng)驗或理論模型。本文參照有關資料,考慮主要的影響因素,建立了相對精確而又簡化的輪胎- 路面動力學模型。將輪胎沿地面的附著力分為縱向和側向兩部分,有R = x Fn . (6)F = yFn . (7)附著系數(shù)與滑動率的關系一般為非線性的, 將其分段線性化, 見圖下圖 。同樣將側向附圖xbgOSt1.0縱向附著系數(shù)01.0s側向附著系數(shù)x對于縱向附著系數(shù),其計算公式為對于側向附著系數(shù),其計算公式為y = s (1 - S ) . (9)式中: S t 為最佳滑動率,g 為滑動率為100 %時的附著系數(shù),b 為峰值附著系數(shù),s 為滑動率為0 時的附著系數(shù)。1. 4 控制器模型防抱死制動系統(tǒng)仿真分析的控制器模型就是選擇合適的控制方法和確定合適的控制策略。這里選擇的控制方法是邏輯門限控制法。邏輯門限控制法的比較量一般有以下幾個:車輪的角速度、角減速度和角減速度的變化率、角減速度與角速度的比值 / 以及參考滑動率等。通過選擇不同的比較量,就可以得到不同的預選、復選條件。所謂預選條件( P 條件) 就是當滿足這個條件時車輪有抱死的傾向,應降低制動壓力以增加車輪轉速;而復選條件(R 條件) 則為滿足此條件時車輪避免了抱死的傾向,制動壓力會再次升高。本研究選P1R3 邏輯作為模擬計算中的數(shù)學模型。對于P1R3 這種控制邏輯,其壓力變化的條件為升壓:1) A 快速2) - a - a 快速、只在第一循環(huán)出現(xiàn)保壓:1)1 只在第一循環(huán)中出現(xiàn)2) - a a 降壓之后3) a A降壓:1) - a2) a 在等待時間之后3)1 只在第一循環(huán)中出現(xiàn)2 MATLAB/ SIMUL IN K 動態(tài)模型仿真2. 1 SIMUL IN K仿真模型SIMUL IN K是MATLAB 中的一種新型的圖形建模工具,即可用于動力學模擬也適用于控制系統(tǒng)的設計。應用SIMUL IN K 對車輛制動動態(tài)進行模擬的優(yōu)點在于:控制系統(tǒng)和制動力學系統(tǒng)有機的溶于一體,同時用圖形易于表達控制系統(tǒng)的信號流向和邏輯開關控制。在仿真模型中,制動系統(tǒng)模型采用簡化一階模型來表征它的動態(tài)特性,輸入為制動踏板產(chǎn)生的相應氣壓,通過制動氣室模型和制動器模型轉化為制動力矩,輸入到車輛模型中,輸出為車輛的運動狀態(tài)量,如車速、輪速等。再將運動狀態(tài)量輸入到輪胎模型中,計算得到滑動率和車輪的角加速度等,通過控制器模型對結果進行調節(jié)控制,保持最佳的滑動率,以獲得最佳的制動效能和方向穩(wěn)定性。圖4 為用SIMUL IN K 編寫的制動系統(tǒng)仿真程序。在此系統(tǒng)中,可根據(jù)踏板的輸入仿真出制動力矩,然后輸入到輪胎模型中,計算出滑動率等參數(shù)。圖4 制動系統(tǒng)仿真程序圖5 為輪胎模型的仿真程序。將制動系統(tǒng)的仿真程序的輸出作為輪胎模型的一個輸入,然后再與車輛車速等運動參數(shù)合成后,通過滑動率的公式計算出滑動率,與控制策略相比較,輸入到計算輪胎力的S 函數(shù)中,求出此附著條件下輪胎理想的制動力矩,然后通過PID 控制器對制動力進行調節(jié),以獲得車輛的最佳制動效能和穩(wěn)定性。ABS基本工作原理是：汽車在制動過程中，車輪轉速傳感器不斷把各個車輪的轉速信號及時輸送給ABS電子控制單元（ECU），ECU根據(jù)設定的控制邏輯對四個轉速傳感器輸入的信號進行處理，計算汽車的參考車速、各車輪速度及減速度，確定各車輪的滑移率。通過ECU發(fā)出指令控制液壓控制單元，調節(jié)車輪制動輪缸中的制動壓力。如果某個車輪的滑移率超過設定值，就發(fā)出指令控制液壓控制單元，使該車輪制動輪缸中的制動壓力減?。蝗绻硞€車輪的滑移率還沒有達到設定值，ECU就控制液壓單元，使該車輪的制動壓力增大；如果某個這輪的滑移率接近于設定值時ECU就控制液壓控制單元，使該車輪的制動壓力保持一定。從而使各個車輪的滑移率保持在理想的范圍之內(nèi)，防止四個車輪完全抱死。ABS電控制防抱死制動系統(tǒng)的組成及控制過程電子控制器（ECU）執(zhí)行器（制動壓力調節(jié)器）警示燈制動總泵制動分泵車輪轉速傳感器ABS防抱死制動系統(tǒng)簡圖（1）常規(guī)液壓制動系統(tǒng)：制動總泵、連接油管、制動分泵、車輪制動器等。（2）輪速傳感器：第個車輪均設有一個輪速傳感器，檢測各個車輪的轉速。（3）電子控制單元ECU：處理輪速傳感器的信號，然后由此計算出車速，判斷輪胎和道路情況，控制執(zhí)行器給每個車輪提供最佳制動力。（4）ABS執(zhí)行器：ABS執(zhí)行器根據(jù)來自ECU的指令工作，減小或增大制動的液壓力，或者視需要而保持制動液壓力不變，以控制輪胎的最佳滑移率（1030），避免車輪被抱死。（5）故障指示燈：位地儀表的故障指示燈，打開點火開關時，ECU自檢ABS系統(tǒng)時點亮，若系統(tǒng)正常故障指示燈熄滅。行車過程中點亮表明系統(tǒng)存在故障。ABS防抱死制動系統(tǒng)的組成圖ABS防抱死制動系統(tǒng)的工作過程： 在常規(guī)制動階段，ABS并不介入制動壓力控制，車輪的制動力由駕駛員踩制動踏板的力度決定。同時ECU利用各個輪速傳感器檢測各個車輪的轉速，然后由此計算出車速，判斷輪胎和道路情況，當監(jiān)測到某個車輪的輪速減速過大，滑移率過大時，車輪趨于抱死時，ABS就進入防抱制動壓力調節(jié)過程。 ECU控制執(zhí)行器調節(jié)此車輪的制動力，以控制輪胎的最佳滑移率（10%30%），避免車輪被抱死。 踩下制動踏板時，ABS不斷循環(huán)保壓降壓升壓過程，從而便將車輪滑移率控制在設定閾值范圍內(nèi)，防止車輪抱死滑移。ABS保壓降壓升壓循環(huán)過程每秒一般進行34次。當制動液從制動總泵流入制動分泵時，制動踏板下沉；當制動液從制動分泵和儲液器泵回制動總泵時，制動踏板上升，因此制動踏板振動作用在腳掌上會有抖動感覺。ABS通過使趨于抱死車輪的制動壓力循環(huán)往復而將趨于防抱車輪的滑動率控制，控制輪胎的最佳滑移率范圍內(nèi)，直至汽車速度減小至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。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(xiàn)象。 ABS系統(tǒng)的布置形式ABS系統(tǒng)中，能夠獨立進行制動壓力調節(jié)的制動管路稱為控制通道。如果對某車輪的制動壓力可以進行單獨調節(jié)，稱這種控制方式為獨立控制；如果對兩個(或兩以上)車輪的制動壓力一同進行調節(jié)，則稱這種控制方式為一同控制。在兩個車輪的制動壓力進行一同控制時，如果以保證附著力較大的車輪不發(fā)生制動抱死為原則進行制動壓力調節(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)生制動抱死為原則進行制動壓力調節(jié)，則稱這種控制方式為按低選原則一同控制。按照控制通道數(shù)目的不同，ABS系統(tǒng)分為四通道、三通道、雙通道和單通道四種形式，而其布置形式卻多種多樣。(1)四通道ABS 對應于雙制動管路的H型(前后)或X型(對角)兩種布置形式，四通道ABS也有兩種布置形式，見圖2.4.1。圖2.4.1 雙制動管路的H型(a)及X型(b)兩種布置形式為了對四個車輪的制動壓力進行獨立控制，在每個車輪上各安裝一個轉速傳感器，并在通往各制動輪缸的制動管路中各設置一個制動壓力調節(jié)分裝置(通道)。由于四通道ABS可以最大程度地利用每個車輪的附著力進行制動，因此汽車的制動效能最好。但在附著系數(shù)分離(兩側車輪的附著系數(shù)不相等)的路面上制動時，由于同一軸上的制動力不相等，使得汽車產(chǎn)生較大的偏轉力矩而產(chǎn)生制動跑偏。因此，ABS通常不對四個車輪進行獨立的制動壓力調節(jié)。(2)三通道ABS 四輪ABS大多為三通道系統(tǒng)，而三通道系統(tǒng)都是對兩前輪的制動壓力進行單獨控制，對兩后輪的制動壓力按低選原則一同控制，其布置形式見圖2.4.2(c)、(d)、(e)。圖2.4.2 三通道ABS系統(tǒng)圖(c)所示的按對角布置的雙管路制動系統(tǒng)中，雖然在通往四個制動輪缸的制動管路中各設置一個制動壓力調節(jié)分裝置，但兩個后制動壓力調節(jié)分裝置卻是由電子控制裝置一同控制的，實際上仍是三通道ABS。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可以在變速器或主減速器中只設置一個轉速傳感器來檢測兩后輪的平均轉速。 汽車緊急制動時，會發(fā)生很大的軸荷轉移(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(前置前驅動汽車的前輪附著力約占汽車總附著力的7080%)。對前輪制動壓力進行獨立控制，可充分利用兩前輪的附著力對汽車進行制動，有利于縮短制動距離，并且汽車的方向穩(wěn)定性卻得到很大改善。(3)雙通道ABS 圖2.4.3(f)所示的雙通道ABS在按前后布置的雙管路制動系統(tǒng)的前后制動管路中各設置一個制動壓力調節(jié)分裝置，分別對兩前輪和兩后輪進行一同控制。兩前輪可以根據(jù)附著條件進行高選和低選轉換，兩后輪則按低選原則一同控制。對于后輪驅動的汽車，可以在兩前輪和傳動系中各安裝一個轉速傳感器。當在附著系數(shù)分離的路面上進行緊急制動時，兩前輪的制動力相差很大，為保持汽車的行駛方向，駕駛員會通過轉動轉向盤使前輪偏轉，以求用轉向輪產(chǎn)生的橫向力與不平衡的制動力相抗衡，保持汽車行駛方向的穩(wěn)定性。但是在兩前輪從附著系數(shù)分離路面駛入附著系數(shù)均勻路面的瞬間，以前處于低附著系數(shù)路面而抱死的前輪的制動力因附著力突然增大而增大，由于駕駛員無法在瞬間將轉向輪回正，轉向輪上仍然存在的橫向力將會使汽車向轉向輪偏轉方向行駛，這在高速行駛時是一種無法控制的危險狀態(tài)。圖2.4.3 雙通道ABS系統(tǒng)圖2.4.3(g)所示的雙通道ABS多用于制動管路對角布置的汽車上，兩前輪獨立控制，制動液通過比例閥(P閥)按一定比例減壓后傳給對角后輪。對于采用此控制方式的前輪驅動汽車，如果在緊急制動時離合器沒有及時分離，前輪在制動壓力較小時就趨于抱死，而此時后輪的制動力還遠未達到其附著力的水平，汽車的制動力會顯著