引言加工作原理+制動距離1+缸壓+軸力

1、1. 引言1.1課題研究的背景汽車防抱死制動系統(tǒng)（anti-lock braking system)簡稱ABS是國家十五規(guī)劃中重點發(fā)展的汽車電子產品，它主要的作用就是在汽車緊急制動時，防止車輪抱死，提高汽車制動的穩(wěn)定性和方向的可控性，縮短制動距離，延長輪胎的使用壽命國內研究ABS雖然起步晚較晚，也取得了一定的成果。比如在ABS的氣壓方面，國內企業(yè)已經取得了一定的發(fā)展規(guī)模。而液壓ABS，由于技術難度大，國外技術封鎖嚴密，國內企業(yè)暫時還不能獨立的生產，但在液壓ABS方面我們也在不斷努力的做自主研究，力圖突破國外跨國公司的技術壁壘，而卻也取得了一定的新的進展和突破。如清華大學和浙江亞太等承擔的汽車液

2、壓防抱死制動系統(tǒng)（ABS)“九五”國家科技攻關課題，在ABS控制理論與方法、電子控制單元、液壓控制單元、開發(fā)裝置和匹配方法等關鍵技術方面均取得了重大成果。采用的耗散功理論，避免了傳統(tǒng)的邏輯門限值得研究方法的局限性，取得了理論上的突破，研發(fā)ABS成功進入產業(yè)化，批量生產階段。其式樣在南京IVECO輕型客車上匹配使用全面達到了國家標準（GB12676-1999)和歐洲法規(guī)EECR13的要求。這對振興我國汽車工業(yè)與汽車零部件業(yè)具有劃時代的意義，這標志著我國汽車液壓ABS國產化已經邁出了堅實的一步。國內液壓ABS技術含量與國外雖有一定的差距，但在政府的大力支持和國內豐富的人力資源配合下，相信國內可以再

3、較短的時間內在ABS技術某些領域趕超國際水平。在國外，進入90年代后，ABS不斷發(fā)展成熟，控制精度，控制功能不斷完善?，F在發(fā)達國家已廣泛使用ABS技術，ABS裝置已成為汽車的必要裝備。北美和西歐的各類客車和輕型貨車ABS的裝備率已達90%以上，轎車的ABS裝備率在60%左右，運送危險品的貨車ABS裝備為100%。ABS裝置制造商主要有：德國博世公司（BOSCH),歐、美、日、韓國采用最多：美國德科公司（DELCO),美國通用及韓國大宇汽車采用：美國本迪克斯公司（BENELX),美國克萊斯勒汽車使用：還有德國載維斯公司（TEVES)、德國瓦布科（WABCO)、美國凱爾西海斯公司（KELSEYHA

4、YES)等，這些公司的ABS產品都在廣泛的應用，而且還不斷地發(fā)展、更新和換代。1.2課題研究的意義一方面：傳統(tǒng)的制動控制系統(tǒng)主要的控制特點是能均勻地分配油液壓力，當制動踏板踏下時，制動主缸就將等量的油液送回到每個制動器的制動輪缸中，并通過一個比率閥使前后平衡，而ABS或其他制動干預系統(tǒng)則根據每個制動器的需要對油液壓力進行調節(jié)，目前ABS系統(tǒng)已經發(fā)展成為一個成熟的產品，并在各種車輛上得到了廣泛的應用，但是這些產品基本都是基于車輪加、減速門限及參考滑移率的方法設計的，方法雖然簡單實用，但是其調試起來比較困難，不同的車輛需要不同的匹配技術，在許多不同的道路上加以驗證。制動控制系統(tǒng)的重要問題在于控制的

5、穩(wěn)定性，即系統(tǒng)的魯棒性（robustness),應保證在各種情況下制動系統(tǒng)的控制作用不消失，防抱死系統(tǒng)要求更高的可靠行，否則會導致人身傷亡及車輛損壞。因此，發(fā)展魯棒性的ABS系統(tǒng)成為關鍵所在。現在，多種魯棒性系統(tǒng)都應用到了ABS的控制邏輯中來，除了傳統(tǒng)的邏輯門限方法外，增益調度PID控制、變結構控制和模糊結構控制是常用的魯棒控制系統(tǒng)，是目前所采用的以滑移率為目標的連續(xù)控制系統(tǒng)。模糊控制法師基于經驗規(guī)則的控制，與系統(tǒng)的模型無關具有很好的魯棒性和控制規(guī)則的靈活性，但是調整控制參數比較困難，尚無理論計算公式，基本上是靠試湊的方法，然而對大多數基于目標值的控制而言，控制有一定的規(guī)律。車輪的驅動打滑與制

6、動防抱死是很類似的問題，在汽車啟動或加速時，因驅動力過大而使驅動輪高速旋轉，超過摩擦極限而引起打滑，此時，車輪同樣不具有足夠的側力來維持保持車輛的穩(wěn)定，車輪切向力也減小，影響加速性能，由此看出，防止車輪打滑與抱死都是要控制汽車的滑移率，所以在ABS的基礎上發(fā)展了驅動防滑系統(tǒng)（ASR),ASR是ABS的邏輯和功能擴展，ABS在增加了ASR的功能后，主要的變化是在電子控制單元中增加了驅動防滑邏輯系統(tǒng)，來檢測驅動輪的轉速，ASR大多借用了ABS的硬件，兩者共存一體，發(fā)展為ABS/ASR系統(tǒng)。另一方面：目前幾乎所有的的文件、論文、雜志、報刊等，關于汽車防抱死制動系統(tǒng)的研究，不外乎兩種情況。一：對ABS

7、進行全面的分析解說，包括物理、化學、數學、計算機等。二：對ABS中涉及物理的某一方面進行詳細的解說。為了讓讀者更好地了解ABS所涉及的物理知識，本文將從多方面進行有關汽車防抱死制動系統(tǒng)中的物理應用分析。2.汽車防抱死制動系統(tǒng)作的工作原理2.1理想的制動系統(tǒng)汽車的實際車速與車輪滾動的圓周速度之間的差異稱作車輪的滑移率?；坡实亩x式為式中：-車輪中心的速度 -車輪的角速度 r-車輪的滾動半徑滑移率（%）圖1 附著系數隨滑移率變化曲線不制動時，車輪作純滾動，這時候滑移率;當車輪抱死時，滑移率。輪胎與路面的附著系數在制動過程中實際上是個變量，如圖1所示為橫向和縱向的附著系數隨著滑移率的變化曲線。從圖

8、1中我們可以看出滑移率時，縱向的附著系數較小，地面制動力也不是最大，所以制動距離不是最短，而且此時的側向附著系數基本為零，能承受的側向力為零。汽車此時很容易發(fā)生甩尾、掉頭、以及失去前輪轉向能力等危險現象。理想的制動系統(tǒng)應能防止車輪被抱死，能自動保持滑移率在之間內工作，能夠利用最大的附著系數來獲得最大的地面制動力和最短的制動距離。同時還要有較高的側向附著系數，可以承受較大的側向力而不導致側滑，并可以保持汽車方向的制動能力，具有良好的制動方向穩(wěn)定性。2.2 ABS系統(tǒng)的工作過程ABS主要由傳感器、ECU和執(zhí)行器三部分組成，其功能見圖1。汽車在制動過程，如果出現抱死會造成很嚴重的后果。為了避免這種情

9、況的發(fā)生，我們可以 盡量把滑移率控制在之間。因為這時候車輪與路面間的縱向附著系數最大，可以獲得最大的地面制動力，能最大地縮短制動距離。同時車輪與地面間橫向附著系數也較大，使汽車在制動時能夠較好地保持方向的穩(wěn)定性和轉向控制力。汽車在制動過程中，ABS自動調節(jié)車輪制動力，將滑移率控制在之間，防止車輪抱死，以獲得最佳的制動性能。ECU接受輪速傳感器等輸入信號，分析判斷后輸出控制命令，控制制動壓力調節(jié)器來進行壓力的調節(jié)，實現增壓、減壓以及保壓的控制過程。2.2.1常規(guī)的制動過程如圖1，電磁閥不通電，銜鐵在圖示位置，主缸和輪缸之間管路相通，主缸可以隨時控制制動壓力的增加和減少。此時的液壓泵不工作。圖1常

10、規(guī)的制動過程其中：1-主缸2、5、11-單向閥3-液壓泵和電動機總成4-ECU 6-儲液器7-前輪輪速傳感器8-輪缸 9-回位彈簧10-磁化線圈12-三位電磁定位閥2.2.2減壓過程如圖2，當ECU對電磁閥提供比較大的電流時，柱塞移至上端，主缸和輪缸之間的通道被切斷。這時候輪缸和儲液器之間的通路被接通，輪缸力的制動液流回儲液器，這時制動壓力降低。以此同時，電動機帶動液壓泵工作，將流回儲液器里的制動液經加壓后送回主缸中。圖2減壓過程2.2.3保壓過程如圖3，當輪缸中的制動管路壓力降低（或在升壓的過程中壓力升高），使車速達到預定值時，這時車速傳感器就會給ECU發(fā)送相應的信號，接到信號后的ECU就會

11、控制磁化線圈通入較小的電流，相應的磁化線圈產生的磁力也會相應的減小，這時三相電磁換向閥的閥芯在回位彈簧的作用下移至中心位置。B孔和C孔都關閉，同時單向閥也都關閉，所以輪缸中的制動液被封閉，壓力得以保持。圖3保壓過程2.2.4增壓過程如圖4，只有當輪缸中的制動液壓力升高時，才能產生更大的制動力，從而使車速盡快地降低。這時ECU使磁化線圈斷電，三位電磁換向閥被回位彈簧拉下，主缸中的制動液經B孔和A孔流入輪缸當中，從而使輪缸中的制動液壓力升高，制動力增大。圖4增壓過程當制動力增大到一定程度時，車輪有會出現即將抱死的狀態(tài)，這時候又需要對輪缸進行降壓，從而開始下一個降壓-保壓-升壓的循環(huán)。防抱死制動系統(tǒng)

12、裝置室一個以脈沖的形式（脈沖頻率為4HZ到10HZ)對制動壓力進行調節(jié)，原則是始終把車輪的滑移率控制在之間的范圍內，防止輪胎抱死、脫滑，最大限度地保證了汽車制動時的穩(wěn)定性，縮短了制動距離。3. 汽車防抱死制動系統(tǒng)的物理應用分析3.1 ABS液壓系統(tǒng)研究分析目前ABS技術已日趨成熟，但ABS實時模型的建立確實限制ABS技術突破的一大難題，本節(jié)將從汽車液壓制動系統(tǒng)入手，建立ABS實時控制模型為ABS的進一步研究以及控制系統(tǒng)的實施提供一定的參考。3.1.1線性定常系統(tǒng)的數學模型線性化：自動控制元件與系統(tǒng)的運動方程常常是非線性的，而用非線性微分方程研究系統(tǒng)的運動規(guī)律很困難，故盡量對所研究的系統(tǒng)進行線性

13、化處理，然后再用線性理論進行分析。常用的線性化方法稱為小偏差線性化法。小偏差線性化法是將一非線性函數，在其工作點展成臺勞級數，再略去高階項，以代替原來的非線性函數的線性化方法。對于有一個自變量的非線性函數的小偏差線性化增量方程為：對多變量的非線性函數的小偏差線性化增量方程為：利用線性化理論可以建立液壓機構的微分方程，下面我將用這種方法對ABS系統(tǒng)的理論模型進行分析3.1.2驅動機構模型的建立根據流體力學，進入制動鋼輪的流量為Q(如圖1所示）圖1車輪制動系統(tǒng)示意圖其中：閥的流量系數；A控制閥過流面積；油源壓力；P為制動缸壓力；為油液密度，制動開始時（不考慮油液的可壓縮性），由流量連續(xù)方程可求得活

14、塞的運動速度為：油缸作用面積，設制動器的間隙為,則消除間隙所需要的時間為，即制動器響應滯后時間。消除制動間隙后，進入制動鋼輪的油液會呈現三種狀態(tài)：增壓、保壓、減壓。A:增壓變化規(guī)律油缸及管路容積：油液的體積彈性模量，將式帶入式得：B:減壓變化規(guī)律；在減壓過程中，由制動缸排出的油液為：-回油壓力：油缸壓力下降變化率為：C：保壓時的變化規(guī)律：將三種狀態(tài)按統(tǒng)一公示描述，并進行線性化處理，有1 增壓，=-1 減壓0 保壓-閥的線性化系數（僅與狀態(tài)有關與時間無關，故用常量描述），由油壓的變化引起的車輪上制動力的變化為：-是與制動器的結構參數和線性化系數有關的常數。3.1.3車輪的制動模型采用單輪車輛系統(tǒng)

15、模型，忽略空氣阻力和車輪滾動阻力，其運動方程如下：車輛運動方程：車輪運動方程：車輪縱向摩擦力：F=制動力矩：M-車的質量：V-車的速度：F-車輪摩擦力：I-車輪轉動慣量：R-車輪滾動半徑-車輪角速度:-車輪與地面的附著系數：N-車輪對地面法向反力：-制動力用雙線性模型對附著系數滑移率曲線（即曲線，如圖2.1中的圖1所示）進行簡化其表達式為：-峰值系數。根據汽車理論，有滑移率定義式為：利用分段線性化，將車輪動力與系統(tǒng)分為穩(wěn)定區(qū)域（)與不穩(wěn)定區(qū)域()進行解析分析：（1） 在區(qū)域，令曲線近似斜率為：將，帶入中，可得出關于車輪的運動方程：對式求導得：對式做拉氏變換，用拉氏變換算子s替換上式中的得：所傳

16、遞的函數為：,顯然特征根,則這一特征系統(tǒng)，在收到干擾的情況下，系統(tǒng)能自動回復到平衡狀態(tài)。（2） 同理，時，令,經代換得出車輪運動方程：對式取拉氏變換，得出系統(tǒng)傳遞函數：該傳遞函數特征根系統(tǒng)不穩(wěn)定。3.1.4結論汽車制動時，如果ABS控制器通過對三通閥電磁線圈電流（或電壓）的控制能使車輪的滑移率始終處于范圍內（一般取在15%-25%),則系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，其傳遞函數為：1 增壓,= 0 保壓-1 減壓3.2安全距離的研究分析車輛在正常行駛時使用各種傳感器不斷給駕駛員傳遞各種環(huán)境信息，如道路狀況、交通狀況、車輛的運行情況。在故障面前，檢驗與前方車輛或障礙物的距離，必要時還要實現自動智能，以主動避免

17、各種撞擊，主動安全性是目前車輛最重要的研究領域之一，而安全距離的研究和計算是評價車輛安全性的重要方面。3.2.1車輛制動過程的動力學模型以四輪車為例，忽略懸架系統(tǒng)的動力學和空氣阻尼的影響，現在以一個輪的制動情況來分析車輪的動力學方程得式中：M為車輪承載的質量：mg為車輪一與路面間的摩擦力：為車輪與路面間的縱向摩擦系數：為車輪與路面間的滑移率：J、R分別為車輪的轉動慣量、角速度、半徑：V為汽車的的速度：為施加在車輪上的制動力矩,k為比率系數，F為制動力。tF當制動時，是車輪逐漸減速，直至停車。在制動過車中車輪與路面即存在tF滾動，有存在滑動，有式（2）可見，時，而,即車輪因制動力矩過大而抱死，車

18、輪相對地面做純滑動使車輛失控，當車速等于車輛滾動速度時，即,不存在車輛與路面的滑動，這是車輛在正常行駛時的情況，要使車輛盡快在盡可能短的距離內剎住，主要依賴于車輛與路面間的相對滑動時tF產生的摩擦力，當時縱向摩擦系數最大（見圖2（a),盡管隨路面條件不同有很大的差異，但最大值均發(fā)生在處，圖2（b)示出當時側向摩擦系數仍有較大值，保證車輛部出現側滑失控現象。所以，在各種不同的條件下保持是具有ABS性能的車輛智能控制系統(tǒng)的主要技術要求。圖1制動力的變化(b)(a)圖2摩擦系數與化率曲線的關系當車輛智能制動系統(tǒng)發(fā)出自動制動信號，根據經驗設制動過程中制動力的變化如圖1所示其中味單面機發(fā)出自動制動的啟動

19、命令后制動器開始動作的延時時間（通常在0.2s至0.5s之間），為制動力F有0增至所需時間（通常小于0.1s，為持續(xù)制動時間，這段時間認為車輛的減速度保持不變，對應，為持續(xù)制動力。期間，保持，由式和式推得最大減速度為：又最大摩擦力為：帶入式有所以將式帶入式得：3.2.2車輛行駛最小安全距離的確定當車輛進行中發(fā)現前方有障礙物，于是在最小安全距離處，車輛智能制動系統(tǒng)自動啟動制動器，制動過程分兩種情況考慮，第一前方障礙物勻速運動，第二前方障礙變速運動。（1） 前方障礙勻速運動：整個制動過程中車輛相對障礙物行駛過的距離包括兩部分，即時間段車輛行駛的相對距離和時間段車輛行駛的相對距離,由于較小，忽略其影

20、響，則時間段 車輛行駛的相對距離為：為制動開始時車輛相對前方車輛或障礙物行駛的相對速度，：為制動開始時車輛行駛時的絕對速度：為制動開始時障礙物運動的絕對速度，當時，車輛與障礙物同向運動，當時，車輛與障礙物反向運動。而時間段車輛行駛的相對距離為：為制動結束時車輛行駛的絕對速度，那么持續(xù)制動時間為：又因為，所以：車輛進行中啟動智能制動的最小安全距離(車輛與前方障礙物的距離）為：將式帶入得：D為安全余量，即車輛停止制動后與障礙物之間的距離，由對安全余量的要求和計算誤差等決定，D通過鍵盤輸入，當前方障礙物停止時，車停止制動停下后，此時啟動智能制動的最小安全距離為：當前方車輛同向行駛，且前方車輛的行駛速

21、度比該車輛的絕對行駛速度慢時，在最小安全距離開始制動，制動后只要使，就可避免碰撞，此時的D為兩車之間保持的安全余量。（2) 前方障礙物變速運動設制動開始到自動過程的任意時刻為t,前方障礙物的速度變化量為v(t),根據式，則車輛進行中啟動智能制動的最小安全距離(車輛與前方障礙物的相對距離）為：當v(t)>0時，障礙物做加速運動，當v(t)<0時,障礙物做減速運動。智能制動系統(tǒng)通過傳感器測的本車的行駛的絕對速度，以及本車與前方車輛之間的相對速度。就可得到前方車輛的運行情況，是加速行駛或減速行駛，設制動開始前和時刻的兩次相鄰采樣得到的本車行駛的絕對速度為和，本車與前方車輛之間的相對速度為

22、和，采樣間隔為T,于是智能制動系統(tǒng)啟動前，前方車輛或障礙物行駛的加速度為：和為開始制動前。前方車輛對應兩次相鄰采樣時刻行駛的絕對速度，認為智能制動系統(tǒng)制動過程中前方車輛均以在加速行駛，由分析得知，當,前方車輛加速行駛，將使智能制動系統(tǒng)的最小安全距離增加，增加或減小的量如下計算：t為制動時間，由制動系統(tǒng)的機械性決定，如圖1，由式確定，考慮最安全情況，制動結束時，取本車的決對速度，由式和式得，但實際制動過程中的大小可根據實際情況具體控制。由式分析還可以看出臨界制動車距,由制動前車輛行駛速度，制動開始時車輛相對障礙物行駛的相對速度，制動器的機械性能（），滑移率保持在20%時不同路況情況的摩擦系數，制動過程中前方障礙物的速度變化量v(t)等決定，對于不同的車型這些參數有些存于內存中，有些由鍵盤設定，例如，不同路況的摩擦系數存于內存，路況情況（干路面、濕路面、冰路面）由司機在鍵盤上選擇，車輛智能制動系統(tǒng)在時報警（，t為司機反映時間，一般小于3秒），提醒司機采取防衛(wèi)措施，如果司機未能及時做出反映，當時，自動制動部分投入工作。3.3.ABS汽車制動前后軸的受力分析當緊