汽车ABS系统设计毕业论文.doc

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1、汽车ABS系统设计毕业论文 题目：汽车ABS系统的设计摘 要ABS (Anti-locked Braking System)系统可以显著提高或改善汽车紧急制动时的操控性和稳定性，缩短了制动距离，是目前汽车上制动效果最佳的制动装置，并得到了越来越广泛的应用。本文以一汽大众速腾汽车为研究对象，展开对汽车ABS系统的研究：通过对单个车轮时的受力分析确定了影响车轮附着系数的主要因素；通过对控制结构的分析设计了以INTEL公司生产的80C196KC单片机为核心的实时控制系统，包括信号输入电路、控制输出电路、驱动电路等硬件部分，并画出电子线路图；通过设计液压调节系统，画出液压传动原理图，以及系统图；经比较

2、各种控制方案，确定了“逻辑门限控制法”作为控制方案，并选用加速度和滑移率的组合作为控制参数。采用事件门限来计算车轮的转速；本文通过学习比较根据所学只是设计了ABS控制系统。从理论上实现了ABS的控制功能，完成了设计要求。在设计过程中对汽车制动理论和制动装置有了较为深入的了解，扩大了自己的知识面，自己解决问题的能力也得到了提高。关键词：防抱死制动系统电子控制单元门限值滑移率 轮速传感器 液压传动控制统 AbstractABS (Anti-locked Braking System) system can significantly enhance or improve handling and

3、stability during vehicle control emergency braking, shorter braking distance, braking effect is the best on the brakes, and has been more And more widely used.In this paper, FAW-Volkswagen Jetta cars as the research object, expand the ABS system of the car:By the time the force analysis on a single

4、wheel of the wheel friction coefficient determined the main factors;Through the analysis and design of the control structure produced by INTEL 80C196KC microcontroller as the core real-time control system, including the signal input circuit, the control output circuit, drive circuit and other hardwa

5、re parts, and draw circuit diagrams;Through the design of the hydraulic control system, hydraulic schematic drawing, and the system diagram;The comparison of different control schemes to determine the logic threshold control method as the control program, and use a combination of acceleration and sl

6、ip rate as the control parameter. Threshold used to calculate the event the wheel speed.By comparison study is designed according to the ABS control school system. Theoretically achieve the ABS control functions to complete the design requirements. In the design process for automotive brake system w

7、ith brake theory and deeper understanding and expand their knowledge, their problem-solving ability has been improved.Key words: Anti-lock braking system Electronic control unit Slip ratio threshold Wheel Speed Sensor Hydraulic control system目 录摘 要IAbstractII第1章绪论11.1 课题背景11.2 ABS防抱死控制系统的发展历史及发展趋势11

8、.2.1 ABS系统发展概况11.2.2 ABS系统发展趋势31.2.3 国内ABS系统研究的理论状态和具有代表的ABS产品公司41.3 本文主要研究任务5第2章 防抱死制动系统基本原理62.1 汽车制动时的运动62.1.1 制动时汽车受力分析62.1.2 滑移率定义82.1.3 滑移率与附着系数的关系82.2 汽车车轮抱死时运动情况102.3 制动时车轮运动方程112.4 采用防抱死制动系统的必要性122.5 防抱死制动系统基本工作原理13第3章 速腾汽车ABS系统的硬件设计163.1 防抱死制动系统的基本组成163.2 防抱死制动系统的布置形式183.3 防抱死制动系统轮速传感器选择203

9、.3.1 轮速传感器的分类203.3.2 霍尔式传感器的设计213.4 电子控制单元设计223.4.1 80C196KC最小系统简介233.4.2 时钟电路和复位电路设计253.4.3 EPROM和RAM的扩展263.5 ABS液压调节系统设计273.6 电源设计283.7 信号输入电路设计293.8 电磁阀驱动电路303.9 泵电机驱动电路的设计323.10 ABS系统报警LED灯设计333.11 故障诊断硬件电路设计343.12 硬件抗干扰设计35第4章 速腾汽车ABS系统的软件设计364.1 控制方案和控制参数的选取374.2 控制参数及其计算384.2.1 门限角减速度的求取384.2

10、.2 门限角加速度的求取394.2.3 路面识别技术394.2.4 车身参考速度的确定404.2 程序设计41第5章 结论与展望435.1 研究工作总结435.2 防抱死制动系统发展方向43致 谢45参考文献46附 录47第1章绪论1.1 课题背景汽车ABS系统是在车辆制动过程中用来防止车轮抱死造成危险，ABS系统是英文Anti-lock BrakeSystem的缩写，全文的意思是防抱死制动系统。凡驾驶过汽车的人都有这样的经历：在积水的柏油路上或在冰雪路面紧急制动时，汽车轻者会发生侧滑，严重时会掉头、甩尾，甚至产生剧烈旋转；制动力过大，将使车轮抱死，汽车方向失去控制后，若是弯道就有可能从路边滑

11、出或闯入对面车道，即使不是弯道也无法躲避障碍物，产生这些危险状况的原因在于汽车的车轮在制动过程中产生抱死现象，此时，车轮相对于路面的运动不再是滚动，而是滑动，路面作用在轮胎上的侧滑摩擦力和纵向制动力变得很小，路面越滑，车轮越容易。总之，汽车制动时车轮如果抱死将使制动效率下降，延长了制动距离；轮胎过度磨损，产生“小平面”，甚至爆胎。ABS防抱死制动装置就是为了防止上述缺陷发生而研制的装置，它有以下几点作用：ABS的第一个作用是增加了汽车制动时候的稳定性。汽车制动时，四个轮子上的制动力是不一样的，如果汽车的前轮抱死，驾驶员就无法控制汽车的行驶方向，这是非常危险的；倘若汽车的后轮先抱死，则会出现侧滑

12、、甩尾，甚至使汽车整个掉头等严重事故。ABS可以防止四个轮子制动时被完全抱死，提高了汽车行驶的稳定性。汽车生产厂家的研究数据表明，装有ABS的车辆，可使因车论侧滑引起的事故比例下降8%左右。ABS的第二个作用是能缩短制动距离。这是因为在同样紧急制动的情况下，ABS可以将滑移率(汽车滑移距离与行驶比)控制在20%左右，即可获得最大的纵向制动力的结果。ABS的第三个作用是改善了轮胎的磨损状况，防止爆胎。事实上，车轮抱死会造成轮胎小平面磨损，轮胎面损耗会不均匀，使轮胎磨损消耗费增加，严重时将无法继续使用。因此，装有ABS具有一定的经济效益和安全保障。另外，ABS使用方便，工作可靠。ABS的使用与普通

13、制动系统的使用几乎没有区别，紧急制动时只有把脚用力踏在制动踏板上，ABS就会根据情况进入工作状态，即使雨雪路滑，ABS也会使制动状态保持在最佳点。ABS利用电脑控制车轮制动力，可以充分发挥制动器的效能，提高制动减速度和缩短制动距离，并能有效地提高车辆制动的稳定性，防止车辆侧滑和甩尾，减少车祸事故的发生，因此被认为是当前提高汽车行驶安全性的有效措施。目前ABS已经在国内外中高级轿和客车上得到了广泛使用。1.2 ABS防抱死控制系统的发展历史及发展趋势1.2.1 ABS系统发展概况ABS装置最早应用在飞机和火车上，而在汽车上的应用比较晚。铁路机车在制动时如果制动强度过大，车轮就会很容易抱死在平滑的

14、轨道上滑行。1908年英国工程师J. E. Francis提出了“铁路车辆车轮抱死滑动控制器”理论，但却无法将它实用化。接下来的30年中，包括Karl Wessel的“刹车力控制器”、Werner Mhl的“液压刹车安全装置”与Richard Trappe的“车轮抱死防止器”等尝试都宣告失败。在1941年出版的汽车科技手册中写到：“到现在为止，任何通过机械装置防止车轮抱死危险的尝试皆尚未成功，当这项装置成功的那一天，即是交通安全史上的一个重要里程碑”，可惜该书的作者恐怕没想到这一天竟还要再等30年之久。当时开发刹车防抱死装置的技术瓶颈是什么？首先该装置需要一套系统实时监测轮胎速度变化量并立即通

15、过液压系统调整刹车压力大小，在那个没有集成电路与计算机的年代，没有任何机械装置能够达成如此敏捷的反应。等到ABS系统的诞生露出一线曙光时，已经是半导体技术有了初步规模的1960年代早期。精于汽车电子系统的德国公司Bosch(博世)研发ABS系统的起源要追溯到1936年，当年Bosch申请“机动车辆防止刹车抱死装置”的专利。1964年(也是集成电路诞生的一年)Bosch公司再度开始ABS的研发计划，最后有了“通过电子装置控制来防止车轮抱死是可行的”结论，这是ABS(Antilock Braking System)名词在历史上第一次出现！世界上第一个ABS原型机于1966年出现，向世人证明“缩短刹

16、车距离”并非不可能完成的任务。因为投入的资金过于庞大，ABS初期的应用仅限于铁路车辆或航空器。图1-1 BOCSH防抱死控制系统Teldix GmbH公司从1970年和奔驰车厂合作开发出第一具用于道路车辆的原型机-ABS 1，该系统已具备量产基础，但可靠性不足，而且控制单元内的组件超过1000个，不但成本高也很容易发生故障。1973年Bosch公司购得50的Teldix GmbH公司股权及ABS领域的研发成果，1975年AEG、Teldix与Bosch达成协议，将ABS系统的开发计划完全委托Bosch公司整合执行。“ABS 2”在3年的努力后诞生！有别于ABS 1采用模拟式电子组件，ABS 2

17、系统完全以数字式组件进行设计，不但控制单元内组件数目从1000个锐减到140个，而且有造价降低、可靠性大幅提升与运算速度明显加快的三大优势。两家德国车厂奔驰与宝马于1978年底决定将ABS 2这项高科技系统装置在S级及7系列车款上。在诞生的前3年中，ABS系统都苦于成本过于高昂而无法开拓市场。从1978到1980年底，Bosch公司总共才售出24000套ABS系统。所幸第二年即成长到76000套。受到市场上的正面响应，Bosch开始TCS循迹控制系统的研发计划。1983年推出的ABS 2S系统重量由5.5公斤减轻到4.3公斤，控制组件也减少到70个。从此以后，欧美日许多的制动器专业公司和汽车公

18、司相继开始了各式各样的ABS系统的研发。到了1985年代中期，全球新出厂车辆安装ABS系统的比例首次超过1。1.2.2 ABS系统发展趋势ABS 技术虽然在20世纪90年代初期就已成熟，但随着电子技术和汽车技术的快速发展，ABS 技术也得到了不断完善。今后，ABS 技术将沿以下几个方面继续发展。1.2.2.1 ABS本身控制技术的提高现代制动防抱死装置多是电子计算机控制，这也反映了现代汽车制动系向电子化方向发展。基于滑移率的控制算法容易实现连续控制，且有十分明确的理论加以指导，但目前制约其发展的瓶颈主要是实现的成本问题。随着体积更小、价格更便宜、可靠性更高的车速传感器的出现，ABS系统中增加车

19、速传感器成为可能，确定车轮滑移率将变得准确而快速。全电制动控制系统BBW (Brake-By-Wire)是未来制动控制系统的发展方向之一。它不同于传统的制动系统，其传递的是电，而不是液压油或压缩空气，可以省略许多管路和传感器，缩短制动反应时间，维护简单，易于改进，为未来的车辆智能控制提供条件。但是，它还有不少问题需要解决，如驱动能源问题，控制系统失效处理，抗干扰处理等。1.2.2.2 防滑控制系统防滑控制系统ASR (Acceleration Slip Regulation)或称为牵引力控制系统TCS(Traction Control System)是在驱动时防止车轮打滑，使车轮获得最大限度的

20、驱动力，并具有行驶稳定性，减少轮胎磨损和发动机的功耗，增加有效的驱动牵引力。防滑控制系统包括两部分:制动防滑与发动机牵引力控制。制动部分是当驱动轮 (后轮)在低附着系数路面工作时，由于驱动力过大，则产生打滑，当ASR制动部分工作时，通过传感器将非驱动轮及驱动轮的轮速信号采集到控制器中，控制器根据轮速信号计算出驱动车轮滑移率及车轮减、加速度，当滑移率或减、加速度超过某一设定阀值时，则控制器打开开关阀，气压由储气筒直接进入制动气室进行制动，由于三通单向阀的作用气压只能进入打滑驱动轮的制动气室，在低附着系数路面上制动时，轮速对压力十分敏感，压力稍稍过大，车轮就会抱死。1.2.2.3 电子控制制动系统

21、由于ass在功能方面存在许多缺陷，如气压系统的滞后，主车与接车制动相容性问题等。为改善这些，出现了电子制动控制系统EBS (Electronics Break System)它是将气压传动改为电线传动，缩短了制动响应时间。最重要的特点是各个车轮上制动力可以独立控制。控制强度则由司机踏板位移信号的大小来决定，由压力调节阀、气压传感器及控制器构成闭环的连续压力控制，这样可以在外环形成一个控制回路，来实现各种控制功能，如制动力分布控制、减速控制、牵引车与挂车处合力控制等。1.2.2.4 车辆动力学控制系统车辆动力学控制系统VDC(Vehicle Dynamics Control)是在ABS的基础上通

22、过测量方向盘转角、横摆角速度和侧向加速度对车辆的运动状态进行控制。VDC系统根据转向角、油门、制动压力，通过观测器决定出车辆应具有的名义运动状态。同时由轮速、横摆角速度和侧向加速度传感器测出车辆的实际运动状态。名义状态与实际状态的差值即为控制的状态变量，控制的目的就是使这种差值达到最小，实现的方法则是利用车轮滑移率特性。车辆动力学控制系统目的是改善车辆操纵的稳定性，它可以在车辆运动状态处于危险状态下自动进行控制。其主要作用就是通过控制车辆的横向运动状态，使车辆处于稳定的运动状态，使人能够更容易地操纵车辆。1.2.2.5 ABS/ASR与自动巡航系统(ACC)集成自动巡航控制系统(ACC)的目的

23、是在巡航行驶时自动把车速限制在一个设定的速度，并且能够根据前方车辆的行驶善，自动施加制动或加速使其保持在一定的安全距离内行驶。在遇到障碍物时，可以自动施加制动，把车速调整到安全范围内。由于ABS/ASR 和ACC都要用到相同的轮速采集系统，制动压力调节装置以及发动机输出力矩调节装置，因此ABS/ASR/ACC集成化系统，不仅可以大大降低成本，而且可以提高汽车的整体安全性能1.2.2.6 控制系统总线技术随着汽车技术科技含量的不断增加，必然造成庞大的布线系统。因此，需要采用总线结构将各个系统联系起来，实现数据和资源信息实时共享，并可以减少传感器数量，从而降低整车成本，朝着系统集成化的方向发展。目

24、前多使用CAN控制器局域网络(Controller Area Network)用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。1.2.3 国内ABS系统研究的理论状态和具有代表的ABS产品公司我国ABS的研究始于20世纪80年代初，随着我国市场经济的不断发展及汽车保有量和车速的不断提高，行车安全问题变得越来越突出。ABS系统的研究在我国成为热门课题，许多髙校、科研单位和生产厂家正在加快研究攻关和技术引进步伐。国内研制ABS的单位主要有东风汽车公司、交通部重庆公路研究所、重庆宏安ABS有限公司、陕西兴平514厂、西安公路学院、清华大学、西安艾韦机电科技公司等单位和部门。东风公司从80年 代初就开始

25、研究旭3，是较早研究ABS的厂家之一，现研究工作的主要目标是对国 外的产品进行消化吸收。重庆公路研究所相继开发出了两代ABS产品，第一代ABS的ECU采用了280芯片。第二代ABS产品为FKX-ACI型，该装置的ECU中的CPU微处理器采用了美国INTEL公司的MCS-96系列8098单片机。我国前己着手制定有关车辆安全性方面的法规，并决定首先在重型汽车和大客车上安装ABS系统。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

26、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。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技术某些领域达到国际水平。1.3 本文主要研究任务根据速腾汽车的主要技术参数，给出了相应的ABS设计方案，并进行了初步试验，理论和试验结果都表明，此设计方案能够将汽车在制

27、动时车轮的滑移率限制在一定范围之内，避免车轮抱死，满足了控制耍求。第二章首先给出了汽车防抱死系统工作原理，分析了ABS制动系统的特点、附着系数与滑移率的关系曲线;通过本章对ABS制动系统主耍组成部分的原理和模型进行的研究，对ABS的工作原理有一个初步的了解。第三章对防抱死制动系统ABS的电子控制单元ECU的硬件电路和故障诊断电路进行了设计。对所选用的器件和电路进行了分析。实践表明，控制电路能够满足ABS的实时性控制要求，故障诊断电路能够准确的检测出元器件故障，为维修人员提供便利。第四章对基于角加减速度和滑移率门限值控制策略进行了深入研究，该方案能够满足设计精度，并且成本较低。给出了控制系统流程

28、图，并在模拟试验台上进行试验。第五章对研究工作进行总结，展望未来ABS系统的发展方向。第2章 防抱死制动系统基本原理ABS系统能够通过控制制动过程中车轮的运动状态，使车轮不产生抱死，保证汽车制动时处于最佳的制动状态，即保持方向稳定性、方向操纵性和缩短制动距离。所以要对ABS系统进行研究，就必须先了解汽车制动时的制动特性。2.1 汽车制动时的运动2.1.1 制动时汽车受力分析汽车在制动的过程中主要受到地面给汽车的作用力、风的阻力和自身重力的作用。汽车在直线行驶并受横向外界干扰力作用和汽车转弯时所受到地面给汽车的力如图(2-1)所示。其中Fx为地面作用在每个车轮上的地面制动力，其大小取决于路面的纵

29、向附着系数和车轮所受的载荷。所有车轮上所受地面制动力的总和作为地面给汽车的总的地面制动力，他是使汽车在制动时减速并停止的主要作用力。Fy为地面作用在每个车轮上的侧滑摩擦力，侧滑摩擦力的大小取决于侧向附着系数和车轮所受的载荷，当车轮抱死时，侧滑摩擦力将变得很小，几乎为零。汽车直线制动时，若受到横向干扰力的作用，如横向风力或路面不平，汽车将产生侧滑摩擦力来保持汽车的直线行驶方向，如图2-1(a)所示。若汽车在转弯时制动或在制动时转弯，也将产生侧滑摩擦力使汽车能够转向，如图2-1 (b)所示。地面制动力决定制动距离的长短，侧滑摩擦力则决定了汽车制动时的方向稳定性。这里将作用在前轮上的侧滑摩擦力称为转

30、弯力，将作用在后轮上的侧滑摩擦力称为侧向力。转弯力和汽车的方向操纵性有关，它保证了汽车能够按照驾驶员的意愿转向；侧向力和汽车的方向稳定性有关，它保证了汽车的行进方向。转弯力越大，汽车的方向操纵性越好;侧向力越大，汽车的方向稳定性越好。图2-1 汽车直线和转弯制动时的平面受力简图汽车单车轮在良好的硬路面上制动时受力状况如图(2-2)所示。图中T是制动器制动盘与制动钳之间的摩擦力矩；Fxb是轮胎与地面之间作用的地面制动力；G是汽车车体作用于车轮的垂直载荷；Ft是车轴作用于车轮的推力；N是地面对车轮的法向反作用力；是车体速度；是车轮转动角速度；r是车轮半径。图2-2 单个车轮在制动时的受力分析若定义

31、制动器制动力F为作用于车轮周缘上克服制动器摩擦力矩T所需要的力，则： (2-1)制动器制动力仅由制动器结构参数所决定，其大小取决于制动器的形式、结构尺寸、制动器摩擦副的摩擦系数以及车轮半径。通常制动器制动力与制动踏板力，即制动系的液压或气压成正比。真正直接使汽车减速停止的外力是路面作用于车轮轮胎上的路面制动力，路面制动力取决于制动器制动力及车轮轮胎与路面间的摩擦力。轮胎与路面间的最大摩擦力称为路面附着力F。 (2-2)式中 车轮轮胎与路面之间的摩擦系数，通常称为附着系数。制动器制动力是生成路面制动力的源泉，路面制动力的大小，首先取决于制动器制动力，只有足够的制动器制动力才能产生足够的路面制动力

32、。但是，路面制动力的最大值受车轮与路面间的摩擦力的限制，不可能大于路面附着力。路面制动力、制动器制动力及路面附着力的关系如图(2-3)所示。从图中可见，当制动管路压力P或制动踏板力Fp较小，未达到某一极限值时，制动器摩擦力矩不大，路面与轮胎间的摩擦力(路面制动力)足以克服制动器摩擦力矩而使车轮转动，此时路面制动力的值与制动器制动力的值相等，且随制动踏板力的增长成正比地增长。当制动系管路压力P上升到某一足够大的值时，路面制动力达到路面最大附着力，汽车车轮即抱死停转而出现拖滑现象，且路面制动力路面附着力之间的关系动力不再增加，但制动器制动力随着制动踏板力或制动系统压力的增加而继续增大。由此可知，汽

33、车的地面制动力首先取决于制动器制动力，但同时又受地面附着条件的限制。只有当汽车具有足够的制动器制动力，同时又能提供高的附着力时，才能获得足够的路面制动力，保证较高的制动效果。图2-3 路面制动力、制动器制动力及路面附着力之间的关系2.1.2 滑移率定义如果制动系制动力小于轮胎一道路附着力，则汽车制动时会保持稳定状态；反之，如果制动系制动力大于轮胎一道路附着力，则汽车制动时会出现车轮抱死和滑移。由于地面制动力受地面附着系数的制约，当制动器产生的制动系制动力增大到一定值(大于附着力)时，汽车轮胎将在地面上出现滑移。滑移速度(实际车速与车轮滚动的圆周速度之间的差值)与实际车速的比值，即滑移率。滑移率

34、S的定义式为: (2-3)式中 S 滑移率；V 汽车的理论速度或车轮中心的速度(m/s)； 汽车车轮的角速度(rad/s)；r 汽车车轮的滚动半径(m)。由上式可知:当车轮中心的速度(即汽车的实际车速)Vt等于车轮的角速度和车轮滚动半径r乘积时，滑移率为零(S=0)，车轮为纯滚动；当=0时，S=100%，车轮完全抱死而作纯滑动；当0S100%时，车轮既滚动又滑动。2.1.3 滑移率与附着系数的关系图2-4给出车轮与路面纵向附着系数和横向附着系数随滑移率变化的典型曲线。当轮胎纯滚动时，纵向附着系数为零；当滑移率为15%30%时，纵向附着数达到峰值；当滑移率继续增大，纵向附着系数持续下降，直到车轮

35、抱死(S=100%)，纵向附着系数降到一个较低值。另外，随着滑移率增大，横向附着系数急剧下降，当车轮抱死时，横向附着系数几乎为零。从图中可以看出，如果能将车轮滑移率控制在15%30%的范围内，则既可以使纵向附着系数接近峰值，同时又可以兼顾到较大的侧向附着系数。这样，汽车就能获得最佳的制动效能和方向稳定性。图2-4 滑移率与附着系数关系曲线 图2-5 不同路面纵向横向附着系数与滑移率的关系曲线实验证明，道路的附着系数受车轮结构、材料、道路表面形状、材料有关。不同性质道路其附着系数变化很大。图(2-5)给出了不同类型路面上滑移率与附着系数之间的关系。 由图(2-5)可以看出，各种路面上的变化的总体

36、趋势是一致的。滑移率和附着系数之间的关系曲线随路面类型的不同，出现峰值的滑移率的取值也会不一样，并且对应不同路面类型的滑移率一纵向附着系数曲线在峰值附着系数后曲线下降的速度也不相同，在干燥的路面上下降的快些，在湿滑的路面上略微有些下降。一般干燥洁净的平整水泥、沥青路面纵向峰值附着系数高达0.80.9，而冰雪路面的纵向峰值附着系数低至0.10.2。如果这种差别随路面类型的不同变化比较明显，则在设计ABS系统控制方法时，就必须考虑到随路面类型的不同而采取不同的控制目标和策略。若汽车在同一种类型路面上制动时的初速度不一样，车轮的纵向附着系数和滑移率之间的关系曲线也会略有不同，制动时的车速越高，车轮的

37、纵向附着系数越低。但在同一路面上以不同制动初速度制动时车轮的附着系数一滑移率关系曲线不会有太大变化。总之，对于在一种路面上制动的汽车，车轮附着系数和滑移率之间的非线性特性是决定汽车制动性能的主要因素。实际上，汽车的制动过程就是车轮和路面之间的一种非线性变化过程，即车轮附着系数随车轮运动状态非线性变化的过程，所以说汽车的制动过程是一种非线性的制动过程。制动时汽车通过制动系统改变车轮的运动状态，从而改变车轮的滑移率，形成整个非线性的制动过程。本设计主要研究纵向附着系数与滑移率的关系，以下将纵向附着系数简称为附着系数。2.2 汽车车轮抱死时运动情况车轮抱死时汽车所受到的侧滑摩擦力将会变的很小，这将使

38、汽车制动时保持方向操纵性和方向稳定性的转弯力和侧向力变的很小，使汽车在制动时出现一些危险的运动情况。对ABS系统来说，就是要防止这些危险情况的出现。下面从汽车在一种路面上直线和转弯制动两方面简单讨论一下当车轮抱死时汽车的运动情况。图2-6 汽车直线制动车轮抱死时的运动情况 图2-7 汽车转弯制动车轮抱死时的运动情况(1)汽车在一种路面上直线运动制动车轮抱死时可能出现的运动情况如图2-6所示。图2-6(a)为只有前轮抱死时，由于前轮的转弯力基本为零，无法进行正常的转向操作。驾驶员无法控制汽车的方向使汽车转向来避让前方的障碍物，这时由于汽车后轮不抱死，所以汽车仍具有侧向力来维持方向稳定性。图2-6

39、(b)为只有后轮抱死时，后轮的侧向力接近于零，汽车仍具有方向操纵性，但会因后轮抱死而失去方向稳定性使汽车侧滑。汽车不能保持原来的行驶方向，由于离心力和前轮转向力的作用，汽车将一面旋转一面沿曲线行驶(这种运动叫外旋转)。图2-6(c)为前后车轮全部抱死时时转弯力和侧向力都为零，这种状态很不稳定，路面不均匀、左右轮地面制动力不相等时，即使对汽车施加很小的偏转力矩，汽车就会产生不规则运动而处于危险状态，在不规则旋转的过程中将制动释放，汽车就会沿着瞬时行驶方向急速驶出，这也是很危险的。(2)汽车在一种路面上转弯制动车轮抱死时可能出现的运动情况如图2-7所示。所有这些运动情况若在制动时出现，都是极其危险

40、的。从上面对出现这些危险运动情况的简单分析可以看出，制动时车轮抱死导致汽车出现各种危险运动情况，实质上是汽车因失去相应的维持本身方向稳定性方向操纵性的侧滑摩擦力而使汽车出现这些运动情况，即车轮抱死导致汽车的侧滑摩擦力为零。车轮的抱死程度和汽车的地面制动力及汽车的侧滑摩擦力之间存在一定的关系，ABS之所以能防止汽车制动时出现危险的运动情况，就是根据这个关系来调整车轮的运动状态。2.3 制动时车轮运动方程由图(2-2)和图(2-8)知，制动车轮轴和支撑力N平衡，该转动惯量为J,制动力力矩T通常与时间成正比系数K。忽略空气阻力和滚动阻力，则可列出微分方程如下： (2-4) (2-5)汽车惯性力 (2

41、-6)对后轮接力点取力矩 (2-7)前轴载荷 (2-8)后轴载荷 (2-9)制动时附加转向力矩 (2-10)瞬时车速 (2-11)式中 m 汽车质量(Kg)； G 汽车重力(N)； g 重力加速度(m/s)； L 汽车轴距(mm)； B 汽车轮距(mm)； hg 汽车质心高度(mm)； a 汽车质心至前轴中心线距离(mm)； b 汽车质心至后轴中心线距离(mm)； d/dt 汽车制动减速度(m/s)； Fxb1Fxb2Fxa1Fxa2 分别为左侧前后轮制动力，右侧前后轮制动力。图2-8 汽车制动时受力分析从式(2-4)可以使车轮角减速度产生变化:从式(2-11)计算制动时的瞬时车速V，可计算各

42、车轮滑移率，从式(2-8)和(2-9)及各轴载荷可以判断道路附着系数，并进行调节，故知ABS可以用d/dt(角加速度)或滑移率S,或滑移率与角加速度联合作为控制参数。2.4 采用防抱死制动系统的必要性汽车直线行驶过程中，突然紧急制动，汽车车轮一下子抱死，汽车仍然向前行滑，轮胎和地面之间发出吓人的摩擦声，汽车最后终于停了下来。在日常生活中，大家都可能遇到过这种现象。如果汽车发生交通事故，交通警察来了之后首先总是检查一下汽车制动痕迹，判断司机在事故中是否采取了制动措施。然后再测量一下制动距离，看一看该车制动效果好不好。当轮胎的滑移率在8%25%时，轮胎和她面的摩擦力(附着力)最大。如果轮胎的滑移率

43、过大的话，附着力反而要降低。如果司机能控制轮胎的滑移率，使其在制动期间始终处于8%25%范围之内，汽车将在更短的制动距离内停车。当汽车转向时，如果汽车紧急制动的话，和直线行驶一样会出现车轮抱死现象。汽车轮胎出现侧向滑动，汽车丧夫了控制方向的能力，这是十分危险的。汽车的侧向附着力和制动力之间的关系十分紧密。在不制动的时候，轮胎前后方向的滑动为零，这时车轮侧向附着力最大。司机踏动制动踏板，随着制动力的加大，轮胎的滑移率增加，侧向附着力逐渐减速小。最后，当轮胎的滑移率达到100%时，轮胎抱死。这样汽车的侧向附着力几乎等于零。此时汽车正在转弯中，轮胎开始出现侧向滑动。在车轮抱死之后，方向盘己经不起作用

44、了，汽车陷入了不能控制方向的困境。只有前轮抱死的汽车沿着直线前进最后停车，只有后轮抱死的汽车发生旋转现象最后停车，如果前后轮都抱死的话，汽车一边转一边沿直线前进最后停车。上述各种状态是极其危险的。为了避免发生这些现象，司机在踏动制动板时，必须谨慎从事。在制动过程中，如果始终能使轮胎的滑移率处于8%25%范围之内的话，汽车将在最短的制动距离内停车并具有良好的控制方向的能力。为了达到上述目的，要求司机在操作时应十分精心，即踏动制动踏板使车轮抱死，然后在轮胎抱死的一瞬间放松制动踏板，轮胎一旦开始转动再踏动制动踏板使车轮抱死，如此反复操作。在摩擦系数小的光滑路面上，司机在制动时都很小心，唯恐使车轮抱死

45、，但仍很难做到，原因是司机不知道车轮什么时候抱死。除此之外，汽车行驶的许多条件也都在变化之中，如道路的路面状况时时刻刻都在变化，轮胎着地状态也每时每刻各不一样，前后轮胎的载荷分配更是如此。要完成上述制动要求确实难上加难。上述司机做不到的许多事，利用传感器就能办到。将传感器的数据进行整理、判断、变成执行机构所必需的信息，这部分工作对于电脑来说是很简单的，按照电脑的指令执行操作，这在机械结构上也不会有什么大问题。ABS系统调节作用到每个车轮制动缸的制动液压力，以防止无论任何时由于制动过猛而可能引起的车轮抱死。当不再有可能抱死车轮时，再恢复正常压力。使滑移率控制在一定范围之内。这样不但提高了车辆行驶

46、的稳定性，增强了车辆方向的可控性，而且缩短了制动距离。2.5 防抱死制动系统基本工作原理ABS系统是通过在制动时按一定规律不断改变制动液压力使车轮不产生抱死状态的。这种对制动液压力的改变过程实际上就是ABS系统控制方法实施的过程。下面以基于车轮加减速度逻辑门限值的控制方法对直线单一路面的制动过程的控制为例，说明ABS的基本工作原理。ABS系统在制动时对制动油压的控制过程如图(2-9)所示。汽车开始制动时，驾驶员踩下制动踏板，制动管路中油压由零开始上升，制动器使车轮上产生制动力矩，同时产生地面制动力使汽车和车轮都开始减速。此时ABS系统不对制动过程进行干预，所以制动油压迅速增加，车轮减速度也增大。当车轮减速度的值达到规定的门限值-a时，产生减压信号，图(2-9)中1点所示，ABS系统开始工作，降低制动油压。由于液压制动系统的惯性，车轮减速度