毕业论文(设计)汽车防滑刹车控制器硬件设计01422.doc
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1、本科毕业论文(设计) 题目:汽车防滑刹车控制器硬件设计姓 名: 学 号: 专 业: 院 系: 指导老师: 实习单位: 完成时间: XXXXXXXX教务处制内容摘要随着现代电子技术的发展,汽车的使用量在不断增加,人们对汽车的行车安全性也越来越重视,汽车防滑刹车控制系统是衡量汽车的安全性能一项重要指标,是防止车抱死的一种机电一体化系统。汽车防抱死制动系统ABS是改善汽车主动安全性的重要装置,可以防止汽车在紧急刹车时出现的侧滑、跑偏、失去转向操纵能力等不利因素,缩短刹车距离,保证汽车安全制动。本文首先介绍了国内外的ABS系统的发展现状,然后着重介绍了防抱死控制系统的基本构成及其特点,并详细讨论了防抱
2、死控制器的工作原理,以及各个组成部分的结构及其原理,并根据其原理设计出一种汽车防滑刹车控制器的硬件部分。关键词:防抱死制动系统;组成及工作原理;控制电路ABSTRACTAlong with the development of modern electronic technology, automobile usage increases, and the people for the automobile driving safety also pay more and more attention to, car antiskid brake control system to measu
3、re the safety performance of the car is an important index, is to prevent car lock of a kind of electromechanical integration system. Auto ant-ilock braking system is to improve the safety car ABS initiative the important device, can prevent car in the emergency brake arise when lateral spreads, run
4、ning deviation and lose steering control ability, shorten the braking distance adverse factors, guarantee car safety brake. This paper firstly introduces the development status of the ABS system, then introduces the basic structure, antilock brake control system and its characteristic, and discussed
5、 in detail the working principle, antilock brake controller and component part of the structure and principle, and according to the principle designed an automobile antiskid brake system controller hardware parts. KEY WORDS:Anti-lock braking system; Composition and working principle; Control circuit
6、 目 录第一章 绪论 .11.1国内外对防滑刹车控制器的研究背景 11.2 本课题研究的意义 . 3第二章 防滑刹车控制系统的布置形式及组成 32.1 常见ABS系统的布置形式 42.2 ABS系统的组成结构 52.2.1轮速传感器 62.2.2电子控制单元ECU 62.2.3制动压力调节装置 .7第三章 防滑刹车控制系统的控制原理 83.1汽车滑移率与附着系数 .83.1.1滑移率的定义 .83.1.2附着系数 .93.2汽车制动时受力分析 .103.3 ABS的工作原理 .12第四章 防滑刹车控制器的硬件设计 .144.1 防滑控制单元单片机的选择 154.2 传感器的设计 164.3 A
7、BS电子控制器(ABS ECU)的设计 .174.4输入信号处理模块 .194.5制动压力调节装置的设计 .204.6输出控制电路 .21第五章 总结.22参考文献 22致谢 23第一章 绪论随着人们生活水平的提高,家庭轿车越来越普及,因而越来越多的人考虑到汽车制动的安全性能,开始注意到与人生安全密切相关的设备,如ABS、安全气囊等。汽车制动防抱死系统,简称ABS,是提高汽车被动安全性的一个重要装置。制动防抱死系统是汽车安全措施中继安全带之后的最大进展,是提高汽车制动安全性的又一大进步。在汽车防抱死制动系统出现之前,汽车所用的都是开环制动系统。其特点是制动器制动力矩的大小仅与驾驶员的操纵力、制
8、动力的分配调节以及制动器的尺寸和型式有关。由于没有车轮运动状态的反馈信号,无法测知制动过程中车轮的速度和抱死情况,汽车就不可能据此调节轮缸或气室制动压力的大小。因此在紧急制动时,不可避免地出现车轮在地面上抱死拖滑的现象。当车轮抱死时,地面的侧向附着性能很差,所能提供的侧向附着力很小,汽车在受到任何微小外力的作用下就会出现方向失稳问题,极易发生交通事故。在潮湿路面或冰雪路面上制动时,这种方向失稳的现象会更加严重。汽车防抱死制动系统(Anti-lock Braking System简称ABS)的出现从根本上解决了汽车在制动过程中的车轮抱死问题。它的基本功能就是通过传感器感知车轮每一瞬时的运动状态,
9、并根据其运动状态相应地调节制动器制动力矩的大小以避免出现车轮的抱死现象,因而是一个闭环制动系统。它是电子控制技术在汽车上最有成就的应用项目之一,汽车制动防抱死系统可使汽车在制动时维持方向稳定性和缩短制动距离,有效提高行车的安全性。1.1国内外对防滑刹车控制器的研究背景基于制动防抱理论的制动系统首先是应用于火车和飞机上。1936年,德国博世公司(BOSCH)申请一项电液控制的ABS装置专利,促进了ABS技术在汽车上的应用。汽车上开始使用ABS始于1950年代中期福特汽车公司,1954年福特汽车公司在林肯车上装用法国航空公司的ABS装置,这种ABS装置控制部分采用机械式,结构复杂,功能相对单一,只
10、有在特定车辆和工况下防抱死才有效,因此制动效果并不理想。机械结构复杂使ABS装置的可靠性差、控制精度低、价格偏高。ABS技术在汽车上的推广应用举步艰难。直到70年代后期,由于电子技术迅猛发展,为ABS技术在汽车上应用提供了可靠的技术支持。ABS控制部分采用了电子控制,其反应速度、控制精度和可靠性都显著提高,制动效果也明显改善,同时其体积逐步变小,质量逐步减轻,控制与诊断功能不断增强,价格也逐渐降低。这段时期许多家公司都相继研制了形式多样的ABS装置。进入90年代后,ABS技术不断发展成熟,控制精度、控制功能不断完善。现在发达国家已广泛采用ABS技术,ABS装置已成为汽车的必要装备。北美和西欧的
11、各类客车和轻型货车ABS的装备率已达90以上,轿车ABS的装备率在60左右,运送危险品的货车ABS的装备率为100。ABS装置制造商主要有:德国博世公司(BOSCH),欧、美、日、韩国车采用最多;美国德科公司(DELCO),美国通用及韩国大宇汽车采用;美国本迪克斯公司(BENDIX),美国克莱斯勒汽车采用;还有德国戴维斯公司(TEVES)、德国瓦布科(WABCO)、美国凯尔西海斯公(KELSEYHAYES)等,这些公司的ABS产品都在广泛地应用,而且还在不断发展、更新和换代。近年来,ABS技术在我国也正在推广和应用,1999年我国制定的国家强制性标准GB12676-1999汽车制动系统结构、性
12、能和试验方法中已把装用ABS作为强制性法规。此后一汽大众、二汽富康、上海大众、重庆长安、上海通用等均开始采用ABS技术,但这些ABS装置我国均没有自主的知识产权。国内研究ABS主要有东风汽车公司、交通部重庆公路研究所、济南捷特汽车电子研究所、清华大学、西安交通大学、吉林大学、华南理工大学、合肥工业大学等单位,虽然起步较晚,也取得了一些成果。在气压ABS方面,国内企业包括东风电子科技股份有限公司、重庆聚能、广东科密等都已形成了一定的生产规模。液压ABS由于技术难度大,国外技术封锁严密,国内企业暂时不能独立生产,但在液压ABS方面也在做自主研发,力图突破国外跨国公司的技术壁垒,已经取得了一些新的进
13、展和突破。如清华大学和浙江亚太等承担的汽车液压防抱死制动系统(ABS)“九五”国家科技攻关课题,在ABS控制理论与方法、电子控制单元、液压控制单元、开发装置和匹配方法等关键技术方面均取得了重大成果。采用的耗散功率理论,避免了传统的逻辑门限值研究方法的局限性,取得了理论上的突破,研发ABS成功且进入产业化、批量生产阶段。其试样在南京IVECO轻型客车上匹配使用全面达到了国家标准GB12676-1999和欧洲法规EECR13的要求。这对振兴我国汽车工业与汽车零部件业具有划时代意义,标志着我国汽车液压ABS国产化已迈出坚实的一步。同时合肥工业大学也研制出国内具有自主知识产权的液压制动电子防抱系统,率
14、先在HF6700轻型汽车上匹配使用获得成功。国内液压ABS技术含量与国外虽有一定的差距,但在政府的大力支持和国内丰富的人力资源配合下,相信国内可以在较短的时间内在ABS技术某些领域赶超国际水平。ABS的研究项目被列入“九五”科技攻关计划。2004年5月1日我国开始实施新的中华人民共和国道路交通安全发,同时颁布了一系列关于车辆安全性方面的标准和法规,并规定:ABS装置强制安装在规定的车辆上。预计不久的将来,我国自己生产的汽车将会装上国产的ABS装置。1.2 本课题研究的意义随着市场竞争的日趋激烈,世界经济全球化的日益发展,尤其在我国加人世贸组织后,汽车行业面临前所未有的挑战和机遇。提高汽车整车和
15、零配件的国产化,赶超世界先进水平,是国人的共同愿望。在产品设计水平的提高、开发周期的缩短和生产成本的降低等各方面,都是我门机械和汽车行业设计人员亟待解决的问题。近年来,随着我国汽车工业的大规模投资及国内外汽车工业合资得到迅速发展,汽车产量大幅度增长。但另一方面我国交通基础设施虽然得到各级政府的大力支持,总的趋势是车流量和车辆密度还在不断增加。为了有效减少交通事故,必须在车辆上安装ABS系统。ABS是充分利用轮胎和地面附着系数,采用控制制动液压压力的方法,给各车轮施加最合适的制动力其具有如下优点:增强了汽车制动时的稳定性;减少了浮滑现象;有效缩短制动距离;减轻轮胎的磨损;使用方便,工作可靠等。我
16、国的ABS技术研究工作始于上世纪末,落后于欧美等国家几十年,因此加强ABS的研究和应用,完善汽车的制动性能,对于我们发展汽车及相关行业和保护人生安全具有现实意义。 第二章 防滑刹车控制系统的布置形式及组成防抱死制动系统ABS全称是Anti-lock Brake System,即ABS,“它是一种具有防滑、防锁死等优点的汽车安全控制系统。ABS是常规刹车装置基础上的改进型技术,可分机械式和电子式两种。它既有普通制动系统的制动功能,又能防止车轮锁死,使汽车在制动状态下仍能转向,保证汽车的制动方向稳定性,防止产生侧滑和跑偏,是目前汽车上最先进、制动效果最佳的制动装置可安装在任何带液压刹车的汽车上。2
17、.1 常见ABS系统的布置形式ABS系统中,能够独立进行制动压力调节的制动管路称为控制通道。如果对某车轮的制动压力可以进行单独调节,称这种控制方式为独立控制;如果对两个(或两个以上)车轮的制动压力一同进行调节,则称这种控制方式为一同控制。在两个车轮的制动压力进行一同控制时,如果以保证附着力较大的车轮不发生制动抱死为原则进行制动压力调节,称这种控制方式为按高选原则一同控制;如果以保证附着力较小的车轮不发生制动抱死为原则进行制动压力调节,称这种控制方式为按低选原则一同控制。按控制通道数目的不同,ABS系统分为:单通道、双通道、三通道和四通道四种形式,而其布置形式却多种多样,由于三通道形式有利于缩短
18、制动距离,并且很大程度上改善了汽车方向的稳定性,故三通道系统使用较为广泛,本课题采用三通道方式。在这里着重介绍三通道系统。四轮ABS大多为三通道系统,三通道系统都是对两前轮的制动压力进行单控制,对两后轮的制动压力按低选原则一同控制,对应于双制动管路的H型(前后)或X型(对角)两种布置形式,其布置形式如图2_1(a):图2_1(a)图2_1(a)所示的按对角布置的双管路制动系统中,虽然在通往四个制动轮缸的制动管路中各设置一个制动压力调节装置,但两个后制动压力调节分装置却是由电子控制装置一同控制,实际上仍是三通道ABS。由于三通道ABS对两后轮进行一同控制,对于后轮驱动的汽车可以在变速器或主减速器
19、中只设置一个转速传感器来检测两后轮的平均转速在三通道系统中,两个前轮单独控制,两个后轮选择哪个轮先抱死作为参考同时控制,其典型的实物结构图如下:图2_1(d) 三通道ABS系统汽车紧急制动时会发生很大的轴荷转移(前轴荷增加,后轴荷减小)使得前轮的附着力比后轮的附着力大很多。对前轮制动压力进行独立控制,可充分利用好两前轮的附着力对汽车进行制动,故使用较为广泛。对于四通道、二通道以及单通道系统,其布置形式都有两种方式:X型(对角)和H型(前后)两种,其主要区别在于前后轮安装传感器的数目以及制动压力调节分装置(通道)数目及形式。由于这三种形式通道系统在控制汽车稳定性以及防抱死等方面不及三通道,较不常
20、使用,故在此就不作详细介绍。2.2 ABS系统的组成结构ABS通常都由车轮转速传感器、制动压力调节装置、电子控制单元ECU和ABS警示灯等组成,在不同的ABS系统中,制动压力调节装置的结构形式和工作原理往往不同,电子控制装置的内部结构和控制逻辑也可能不尽相同。其结构图(三通道ABS)如下图2-2 (a)ABS系统组成与结构图2.2.1轮速传感器轮速传感器是汽车轮速的检测元件,它能产生与车轮速近速度成正比的近似正弦信号,将有关各车轮转速的信号输入电子控制装置,ABS控制单元根据处理后的信号计算车轮速度。本课题采用的是霍尔轮速传感器。霍尔轮速传感器由传感头和磁圈组成,传感头由永磁体、霍尔元件和电子
21、电路等组成,永磁体的磁力线穿过霍尔元件通向齿轮,结构图见图2_2(b)1、磁体 2、霍尔元件 3、齿轮图2_2(b)霍尔轮速传感器结构图2.2.2电子控制单元ECU电子控制单元是整个防抱死系统的核心控制部件,它接收车轮速度传感器送来的频率信号,对各个车轮的运动状态进行监测和判定产生相应的控制电信号,操纵电磁阀去调节制动压力,使轮速上升或下降,将汽车车轮滑移率控制在一定范围内,实现汽车的安全、可靠制动2.2.3制动压力调节装置制动压力调节装置主要由调压电磁阀、电动泵、储液器和一些控制开关等组成一个独立的整体,通过制动管路与制动主缸和各制动轮缸相连。制动压力调节装置受电子控制装置的控制,对各制动轮
22、缸的制动压力进行调节。(1)电磁控制阀是液压调节器的重要部件,由它完成对ABS的控制。ABS系统中都有一个或两个电磁阀体,其中有若干对电磁控制阀,分别控制前、后轮的制动。常用的电磁阀有三位三通阀和二位二通阀等多种形式。在没有控制信号的情况,该制动系统相当于常规系统,直接输出最大制动压力;当ECU发出控制信号时,电磁阀动作,调节车轮的滑移率,使制动力接近峰值但又不达到峰值制动力,实现最佳制动效率(2)电动泵是一个高压泵,它可在短时间内将制动液加压(在储能器中)到1518MPa,并给整个液压系统提供高压制动液体。电动泵能在汽车起动一分钟内完成上述工作。电动泵的工作独立于ABS电脑,如果电脑出现故障
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