汽车防抱死制动系统控制方式的探索

毕业 设计 论文 汽车防抱死制动系统控制方式的探索汽车防抱死制动系统控制方式的探索 系 部 系 部 汽车工程系 专专 业业 汽车制造与装配 班班 级级 2008 级汽车制造与装配四班 指导教师指导教师 赵力宁 姓姓 名名 谢明伟 学号学号 200814081010147 摘要 随着科学技术的进步和人们物质生活水平的提高 人类社会对汽车的 安全性 特别是制动安全性能提出了越来越高的要求 汽车防抱死制动系统 ABS 是一种在制动时能够自动调节车轮制动力 防止车轮抱死以取得最佳制动 效果的制动系统 该系统能够有效的缩短制动距离 提高制动时的方向稳定性 对汽车的行驶安全具有重要的意义 本文对汽车防抱制动系统的核心部件 电子控制单元 ECU 的控制方法进行了研究 首先剖析了防抱死制动系统的控制 原理 在此基础上详细介绍了 ABS 的结构以及各部分的作用 并建立了模型 模型充分考虑了车体的动力学模型 轮胎力学模型 分别对滑模变结构控制 自寻优控制 模糊控制理论 耗散功率控制 PID 控制 四相逻辑门限控制算 法进行研究 可以看出自优先控制用于汽车防抱死制动系统不仅具有理论意义 而且具有实用价值 是一种简单 方便 具有较好操纵性 制动性 并且有较 好适应性的方法 进一步的研究工作一定要继续开展下去 关键词 ABS PID 滑移率 附着系数 目 录 第一章 绪论 1 1 1 ABS 系统发展历程概述 1 1 1 1ABS 系统的发展历程 1 1 1 2 ABS 未来发展趋势 1 1 2 本文研究的工作意义和主要内容 2 1 2 1 本文研究意义 2 1 2 2 本文主要内容安排 3 第二章 ABS 系统构成与工作原理 4 2 1 汽车 ABS 系统的结构和各部分的作用 4 2 1 1 ABS 的基本组成 4 2 1 2 液压控制总成结构 5 2 1 3 ABS 控制总成结构 5 2 2 车辆制动时的运动分析 6 2 2 1 汽车制动时车轮受力分析 6 2 2 2 车轮的滑移率与附着系数的关系 7 2 3 ABS 的工作原理 9 2 3 1 ABS 的工作过程 9 2 3 2 ABS 整体工作过程 9 2 4 小结 11 第三章 车辆 ABS 系统动力学模型 12 3 1 概述 12 3 1 1 车辆动力学建模意义 12 3 1 2 车辆动力学模拟概况 12 3 1 3 车辆动力学模型研究概况 13 3 2 车辆动力学模型 14 3 2 1 双轮车辆模型 14 3 2 2 轮胎模型 15 3 2 3 制动系统模型 17 3 3 汽车 ABS 机械动力学模型 18 3 4 汽车 ABS 的控制模型 20 3 5 小结 21 第四章 汽车防抱死制动系统的控制方法研究 22 4 1 滑模变结构控制 22 4 2 自寻优控制 22 4 3 模糊控制理论 23 4 4 耗散功率控制 24 4 5 PlD 控制方法 24 4 6 四相逻辑门限控制方法的研究 25 4 7 小结 26 第五章 结论 27 参考文献 28 致 谢 29 汽车防抱死制动系统控制方式的探索 烟台汽车工程职业学院毕业论文 1 第一章 绪论 1 1 ABS 系统发展历程概述 1 1 1ABS 系统的发展历程 ABS 系统的发展可以追溯到本世纪初期 早在 1928 年制动防抱理论就被提出 在 30 年代机械 式制动防抱系统就开始在火车和飞机上获得应用 博世 BOSCH 公司在 1936 年第一个获得了用 电磁式车轮转速传感器获取车轮转速的制动防抱系统的专利权 进入 50 年代 汽车制动防抱系统开始受到较为广泛的关注 福特 FORD 公司曾于 1954 年 将飞机的制动防抱系统移置在林肯 LINCOIN 轿车上 凯尔塞 海伊斯 KELSEHAYES 公司在 1957 年对称为 AUTOMATIC 的制动防抱系统进行了试验研究 研究结果表明制动防抱系统确实可 以在制动过程中防止汽车失去方向控制 并且能够缩短制动距离 克莱斯勒 CHRYSLER 公司 在这一时期也对称为 SKIDCONTROL 的制动防抱系统进行了试验研究 由于这一时期的各种制动 防抱系统采用的都是机械式车轮转速传感器的机械式制动压力调节装置 因此 获取的车轮转速信 号不够精确 制动压力调节的适时性和精确 ABS 防抱制动系统由汽车微电脑控制 当车辆制动时 它能使车轮保持转动 从而帮助驾驶员控制车辆达到安全的停车 这种防抱制动系统是用速度传感 器检测车轮速度 然后把车轮速度信号传送到微电脑里 微电脑根据输入车轮速度 通过重复地减 少或增加在轮子上的制动压力来控制车轮的打滑率 保持车轮转动 在制动过程中保持车轮转动 不但可保证控制行驶方向的能力 而且 在大部分路面情况下 与抱死 锁死 车轮相比 能提供 更高的制动力量 ABS 与常规的液压制动系统相比有三个显著的扰点 1 车辆控制 装备有 ABS 的汽车驾驶员在紧急制动过程中 保持着很大程度的操纵控制 在紧 急制动过程中 用标淮的液压制动器产生的打滑使驾驶员失去对车辆的控制 ABS 恢复稳定性并使 驾驶员恢复对车辆的控制 2 减少浮滑现象 潮湿 光滑道路和抱死车辆纵使形成被称为浮滑现象的状态 当车辆驾驶员 行驶在具有一层水和油薄膜的路面之上时 出现与浮滑现象相仿 由于 ABS 减少了车轮抱死的机 会 因此 也减少了制动过程中出现浮滑现象的机会 3 改善了轮胎的磨损 使用 ABS 防止车轮抱死 消除了在紧急制动过程中轮胎平斑的可能性 1 1 2 ABS 未来发展趋势 1 ABS 和驱动防滑控制装置 ASR 一体化 ABS 以防止车轮抱死为目的 ASR 是防止车轮过分 滑转 ABS 是为了缓解制动 ASR 是为了施加制动 由于二者技术上经较接近 且都能在低附着路 面上充分体现它们的作用 所以将二者有机地结合起来 2 动态稳定控制系统 VDC 或电子稳定控制 ESP VDC 主要在 ABS ASR 基础上解决汽车 转向行驶时的方向稳定性问题 ABS 与电子全控式 或半控式 悬架 电子控制四轮转向 电子控 汽车防抱死制动系统控制方式的探索 烟台汽车工程职业学院毕业论文 2 制液压转向 电子控制自动变速器等控制系统在功能 结构上有机地结合起来 保证汽车在各种恶 劣情况下行驶时 都具有良好的动态稳定性 3 ABS ASR 与自动巡航系统 ACC 集成 自动巡航控制系统 ACC 的目的是在巡航行驶 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 4 减小体积 降低重量 为了提高汽车的安全性能 增加了一些装置 汽车的重量了随之 增加 对燃料经济性不利 所以新增设的各种装置必须在保证安全性的前提下 尽量地减少重量 另外 不论是大型车还是小型车 发动机的安装空间都是非常紧凑的 因此 也要求 ABS 控制器的 体积尽可能的小一些 5 随着 ABS 与新一代制动系统的结合 如电子液压制动 EHB 电子机械制动 EMB ABS 有了 更快的响应速度 更好的控制效果 而且更容易与其他电子系统集成 ABS 将成为集成化汽车底盘 系统中不可缺少的一个节点 6 在 ABS 系统中嵌入电子制动力分配装置 EBD 构成了 ABS EBD 系统 EBD 的功能就是在 汽车 ABS 开始制动压力调节之前 高速计算出汽车四个轮胎与路面间的附着力大小 然后调节车轮 与附着力的区配 进一步提高车辆制动时的方向稳定性 同时尽可能地缩短制动距离 7 在 ABS 系统的基础上扩展成车速记录仪 VSR 又称汽车黑匣子 该装置通过实时采集 的四个车轮轮速信号 再现交通事故发生过程中汽车的实际运行轨迹以及驾驶员对车辆的操作情况 便于公安交通管理部门能准确判断事故的责任 1 2 本文研究的工作意义和主要内容 1 2 1 本文研究意义 随着世界汽车工业的迅猛发展 舒适性日益成为人们选购汽车的重要依据 目前广泛采用的防 抱制动系统 ABS 使人们对安全性要求得以充分的满足 汽车制动防抱系统 简称为 ABS 是提高汽车被动安全性的一个重要装置 有人说制动防抱 系统是汽车安全措施中继安全带之后的又一重大进展 汽车制动系统是汽车上关系到乘客安全性最 重要的二个系统之一 随着世界汽车工业的迅猛发展 汽车的安全性越来越为人们重视 汽车制动 防抱系统 是提高汽车制动安全性的又一重大进步 ABS 防抱制动系统由汽车微电脑控制 当车辆制动时 它能使车轮保持转动 从而帮助驾驶员 控制车辆达到安全的停车 这种防抱制动系统是用速度传感器检测车轮速度 然后把车轮速度信号 传送到微电脑里 微电脑根据输入车轮速度 通过重复地减少或增加在轮子上的制动压力来控制车 轮的打滑率 保持车轮转动 在制动过程中保持车轮转动 不但可保证控制行驶方向的能力 而且 在大部分路面情况下 与抱死 锁死 车轮相比 能提供更高的制动力量 汽车防抱死制动系统控制方式的探索 烟台汽车工程职业学院毕业论文 3 掌握 ABS 核心技术不但是非常必要的而且具有深远意义 可有力地推动我国汽车工业的现代化 进程 1 2 2 本文主要内容安排 结合前面对 ABS 发展现状以及发展趋势的介绍 本文的主要研究内容如下 1 详细分析 ABS 的基本原理 组成及结构 2 研究 ABS 直线制动时的车辆模型 3 研究控制算法 分析目前国际上流行的控制算法 逻辑门限值控制 PID 控制 自寻优控 制 滑模变结构控制 模糊控制 耗散功率控制 并对各种控制算法的优缺点进行评价 毕业论文的写作规范和排版格式要求 烟台汽车工程职业学院毕业论文 4 第二章 ABS 系统构成与工作原理 2 1 汽车 ABS 系统的结构和各部分的作用 2 1 1 ABS 的基本组成 在汽车上普遍采用的 ABS 防抱死制动系统是以控制车轮的角减速度为对象 控制车轮的制动力 实现防抱死制动的 主要由传感器 控制器 电脑 及执行机构组成 如下图 2 1 图 2 1 1 传感器 ABS 采用的传感器包括轮速传感器 车速传感器和汽车减速度传感器 在各种控制方式的 ABS 中均有轮速传感器 它利用电磁感应原理检测车轮速度 并把轮带转换成脉冲信号送至 ABS 电脑 一般轮速传感器都安装在车轮上 有些后轮驱动的车辆 检测后轮速度的传感器安装在差速 器内 通过后轴转来检测 故又称为轴速传感器 车速传感器用在以车轮滑移率为控制参数的 ABS 中 用来检测车速并向 ABS 电脑输送车速信号 此信号还同时用于速度表 里程表及自动变速器 控制等 汽车减速度传感器仅用在四轮驱动的控制系统中 它用来检测汽车制动时的减速度 识别 是否是冰雪等易滑路面 2 执行机构 ABS 执行机构主要由制动压力调节器和 ABS 警报灯组成 制动压力调节器根据 ABS 电脑指令 来调节各车轮制动器的制动压力 不同制动系统的 ABS 所采用的制动压力调节器也不同 可分为 汽车防抱死制动系统控制方式的探索 烟台汽车工程职业学院毕业论文 5 液压式 气压式和空气液压加力式 在目前应用广泛的液压制动系统中 制动压力调节器的主要元 件是电动泵和液压控制阀 ABS 警报灯的功用是在 ABS 出现的故障时 由 ABS 电脑控制使其点亮 驾驶员发出警报信号 并可由 ABS 电脑控制闪烁显示故障码 3 ABS 电脑 ABS 电脑接收传感器信号 比较各轮转速和汽车行驶速度 判断各车轮的滑移情况后 向 ABS 执行机构下达指令来调节各车轮制动器的制动压力 当 ABS 出现故障时 ABS 电脑使 ABS 电脑使 ABS 警报灯点亮 同时切断通往执行机构的电源 使 ABS 停止工作 2 1 2 液压控制总成结构 ABS 液压控制总成是在普通制动系统的液压装置基础上经设计后加装 ABS 制动压力调节器而 形成的 普通制动系统的液压装置一般包括制动助力器 双腔式制动主缸 储液室 制动轮缸和 双液压管路等 除了普通制动系统的液压部件外 ABS 制动压力调节器通常由电动泵 储能器 主 控制阀 电磁控制阀和一些控制开关等组成 实质上 ABS 系统就是通过电磁控制阀体上的控制阀 控制分泵上的油压迅速变大或变小 从而实现了防抱死制动功能 1 电动泵 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 15 18MPa 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 如果电脑出现故障或接线有问题 电动泵仍能正常工作 2 储能器 储能器的结构形式多种多样 用得较多的为活塞 弹簧式储能器 该储能器位于电磁阀与回油 泵之间 由轮缸来的液压油进入储能器 进而压缩弹簧使储能器液压腔容积变大 以暂时储存制动 液 3 电磁控制阀 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 4 压力控制 压力警告和液位指示开关 压力控制开关 PCS 独立于 ABS 电脑而工作 监视着储能器下腔的压力 压力报警开关 PWS 和液位指示开关 FLI 的功能是 当压力下降到一定值 14MPa 以下 时或制动液面下降到一定程度时 点亮制动系统故障指示灯和 ABS 故障指示灯 同时让 ABS 电脑停止防抱死制动工作 5 张 新 汽车液压防抱死制动系统 ABS 的理论与实践 M 长沙 中南大学出版社 2005 2 1 3 ABS 控制总成结构 ABS 的系统结构如图 2 2 所示 防抱制动系统通常由传感器 电子控制器 ECU 和执行器 或称 调节器 三部分组成 并通过线路连接成一个有机体 形成一个以控制滑移率在 10 30 为目标 的自动控制系统 汽车防抱死制动系统控制方式的探索 烟台汽车工程职业学院毕业论文 6 图 2 2 防抱制动系统各主要组成部件的结构与作用为 传感器 由一个永磁式传感器和励磁环组成 传感器一般固定在车轴或制动底板上 励磁环则 固定在轮毂上 它们以非接触式将车轮转动的脉冲信号连续不断的传给控制器 电子控制器 ECU 电子控制器是 ABS 控制逻辑的载体 j 是 ABS 的核心部件 电子控制器监 测 处理传感器输送来的车轮的速度 减速度 加速度信号 计算出滑移率 并按照预先设定的减 速度 加速度和滑移率的门限值 将指令发给连接在制动管路上的调节器 从而实施加气 保持和 放气功能 调节管路的压力 以满足多个车轮在不同路面状态下的最大制动的要求 执行器 或称调节器 执行器是 ABS 的执行部分 它负责调节压力 以满足多个车轮在不同路 面状态下的最大制动力的要求 执行器安装在主缸与轮缸之间 接受电子控制器的指令 由其内部 的电磁阀 液压泵 驱动电机直接或间接地控制制动压力的增减 2 2 车辆制动时的运动分析 2 2 1 汽车制动时车轮受力分析 汽车受到与行驶方向相反的外力时 才能从一定的速度制动到较小的速度或直至停车 这个外 力只能由地面和空气提供 但由于空气阻力相对较小 所以实际上外力是由地面提供的 我们把制 动过程中在地面与轮胎之间产生的与行进方向相反的摩擦力称之为地面制动力 地面制动力愈大 制动减速度愈大 制动距离也愈短 所以地面制动力对汽车制动性能具有决定性的影响 1 地面制动力 F 地面制动力 F 是使汽车制动而减速行驶的外力 但是它又取决于两个摩擦副的摩擦一个是制动 器内制动摩擦片与制动鼓或制动盘问的摩擦力 即制动器制动力 另一个是轮胎与地面问的摩 F 擦力 即附着力 F 2 制动器制动力 b F 制动器制动力 E 是在轮胎周缘克服制动器摩擦力矩所需的力 相当于把汽车架离地面 踩住制 动踏板 在轮胎周缘沿切线方向推动车轮直至它能转动所需的力 显然 2 1 R T F b b 式中 L 为制动器的摩擦力矩 单位 N m R 为车轮半径 单位 m 汽车防抱死制动系统控制方式的探索 烟台汽车工程职业学院毕业论文 7 制动器制动力仅由制动器参数所决定 即取决于制动器的形式 结构尺寸 制动器摩擦副 b T 的摩擦系数以及车轮半径 并与制动踏板力 即制动系的液压或空气压力 P 成正比 p F 3 附着力 F 附着力是汽车轮胎和道路在接触面上无相对位移时的切向地面反作用力的极限值 其大小 F 等于地面对轮胎的垂直反作用力 N 与附着系数 的乘积 即 2 2 NF 地面附着系数越大 附着力也越大 地面附着系数妒的大小除了与路面的情况 轮胎的 F 结构和胎面花纹有关外 还与车轮的运动状况 即运动中的滑移程度 有关 4 地面制动力 制动器制动力与附着力之间的关系F b F F 如图 2 3 所示 在制动时 若只考虑车轮的运动为纯滚动与滑动两种情况 当制动踏板力较小 时 制动器摩擦力矩不大 地面制动力 F 足以克服制动器摩擦力矩而使车轮滚动 虽然 车轮滚动 时的地面制动力 F 就等于制动器制动力 且随踏板力增长成正比地增长 但地面制动力 F 是 b F P F 滑动摩擦的约束反力 最大值不能超过附着力 即 F 因此 地面制动力的最大值即 F b F max F 为地面附着力 或者说附着力是地面传递制动力的极限 F F 图 2 3 制动过程中地面制动力 制动器制动力及附着力的关系 当制动器踏板力或制动系液压力 P 上升到某一值 图 2 3 中制动系液压力 P 上升到儿值 p F 地面制动力 F 达到最大值即附着力时 车轮被抱死而出现拖滑现象 此时 如果继续增大制动 F 踏板力 或继续升高制动系液压力 P 则制动器制动力由于摩擦力矩的增大而仍按直线关系 p F b F 继续上升 但如果作用在车轮上的法向载荷为常数且地面附着系数不变 贼地面制动力 F 达到 附着力的值后就不再增加 要提高地面制动力 F 改善汽车的制动效果 则须利用地面附着系 F 数与车轮滑移程度有关的特点来提高地面附着系数 从而提高地面附着力 由此可见 汽车的地面制动力 F 首先取决于制动器制动力疋 但同时又受到地面附着条件限制 要想获得足够的地面制动力 F 首先汽车要具有足够的制动器制动力 同时地面还要提供较高的 附着力 F 汽车防抱死制动系统控制方式的探索 烟台汽车工程职业学院毕业论文 8 2 2 2 车轮的滑移率与附着系数的关系 1 滑移率 在汽车制动过程中 随着制动强度的增加 车轮的运动状态逐渐从滚动向抱死的拖滑变化 车轮滚动成分逐渐减少 而滑动成分逐渐增加 制动过程中车轮的运动状态一般用滑移率来说明 滑移率是指制动时 在车轮运动中滑动成分所占的比例 用 S 表示 S v v 100 r w 式中 v 车轮中心的速度 m s r 车轮滚动半径 m w 车轮角速度 srad 车轮纯滚动时 S 0 纯滑动时 S 100 边滚动边滑动时 0 S 100 2 附着系数 在汽车制动过程中 车轮与路面间的附着系数随车轮滑移率的变化而变化 在滑移率为 Spot 20 左右 时纵向附着系数最大 制动时能获得的地面制动力也最大 汽车的制动效能最 高 0 S Spot 称为稳定区域 Spot S 100 称为非稳定荡然区域 Spot 称为稳定界限 此外 随着滑移率的增加 侧向附着系数减小 当车轮抱死滑移率为 100 时 侧向附着系数接近 零 此时很小的侧向力即会导致侧滑 同时还会失去转向能力 ABS 电子控制单元根据 1 和 2 计算出的参数 通过液压控制单元调节制动过程的制动压 力 达到防止车轮抱死的目的 在 ABS 不起作用时 电子制动力分配系统仍可调节后轮制动力 保证后轮不会在先于前轮抱死 以保证车辆的安全 如图 2 4 所示 图 2 4 只要有制动器摩擦力矩存在 就有路面制动力存在 但路面制动力的值要受到轮胎与路面间附着性能 汽车防抱死制动系统控制方式的探索 烟台汽车工程职业学院毕业论文 9 的限制 当车轮所受的外力超过了轮胎与路面的附着力时 车轮就抱死 造成严重后果 大量试验 表明 轮胎与路面间的附着性能受众多因素的影响 如路面种类和状况 轮胎及磨损程度 车速 侧偏角等 但最重要的一个影响因素是车轮的运动状况 即车轮制动时的滑移率 目前尚无理论 计算方法 如图 1 所示为不同道路状况下纵 侧向附着系数与滑移率的关系曲线 滑移率在 10 35 之间具有较大的纵 横向附着系数 如能把滑移率控制在 A B C 点附近 可得到 理想的制动效果 既不抱死制动距离又最短 11 程军 国外防抱制动系统及其法规的历史 现状 未来 J 客车技术 1995 11 2 26 28 2 3 ABS 的工作原理 2 3 1 ABS 的工作过程 1 建压阶段 制动时 通过助力器和总泵建立制动压力 此时常开阀打开 常闭阀关闭 制动压力进入车轮 制动器 车轮转速迅速降低 直到 ABS 电子控制单元通过转速传感器得到识别出车轮有抱死的倾向 为止 2 保压阶段 ABS 电子控制单元通过转速传感器得到信号 识别出车轮有抱死的倾向时 ABS 电子控制单元 即关闭常开阀 此时常闭阀仍然关闭 3 降压阶段 如果在保压阶段 车轮仍有抱死倾向 则 ABS 系统进入降压阶段 此时 电子控制单元命令 常闭阀打开 常开阀关闭 液压泵开始工作 制动液从轮缸经低压蓄能器被送回到制动总泵 制动 压力降低 制动踏板出现抖动 车轮抱死程度降低 车轮转速开始增加 4 升压阶段 为了达到最佳制动效果 当车轮达到一定转速后 ABS 电子控制单元再次命令常开阀打开 常 闭阀关闭 随着制动压力增加 车轮再次被制动和减速 2 3 2 ABS 整体工作过程 在 ABS 中 每个车轮上各安置一个转速传感器 将关于各车轮转速的信号输入电子控制装置 电子控制装置根据各车轮转传感器输入的信号对各个车轮的运动状态进行监测和判定并形成相应的 控制指令 制动压力调节装置主要由调压电磁阀总成 电动泵总成和储液器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 轮缸的制动压力进行调节 ABS 的工作过程可以分为常规制动 制动压力保持 制动压力减小和制 动压力增大等阶段 在常规制动阶段 ABS 并不介入制动压力控制 调压电磁阀总成中的各进液电 磁阀均不通电而处于开启状态 各出液压电磁阀均不通电而处于关闭状态 电动泵也不通电运转 制动主缸至各制动轮缸的制动管路均处于沟通状态 而各制动轮缸至储液器的制动管路均处于封闭 汽车防抱死制动系统控制方式的探索 烟台汽车工程职业学院毕业论文 10 状态 各制动轮缸的制动压力将随制动主缸的输出压力而变化 此时的制动过程与常规制动系统的 制动过程完全相同 在制动过程中 电子控制装置根据车轮转速传感器输入的车轮转速信号判定有车轮趋于抱死时 ABS 就进入防抱死制动压力调节过程 例如 电子控制装置判定右前轮趋于抱死时 电子控制装置 就使控制右前轮制动压力的进液电磁阀通电 使右前进液电磁阀转入关闭状态 制动主缸输出的制 动液不再进入右前制动轮缸 此时 右前出液电磁阀仍未通电而处于关闭状态 右前制动轮缸中的 制动液也不会流出 右前制动轮缸的制动压力就保持一定 而其它未趋于抱死车轮的制动压力仍会 随制动轮缸的制动主缸输出压力的增大而增大 如果在右前制动轮缸的制动压力保持一定时 电子 控制装置判定右前轮仍然趋于抱死 电子控制装置又使右前出液电磁阀也通电而转入开启状态 右 前制动轮缸中的部分制动液就会经过处于开启状态的出液电磁阀流回储液器 使右前制动轮缸的制 动压力迅速减小 右前轮的抱死趋势将开始消除 随着右前轮的抱死趋势已经完全消除时 电子控 制装置就使右前进液电磁阀和出液电磁阀都断电 使进液电磁阀转入开启状态 使出液电磁阀转入 关闭状态 同时也使电动泵通电运转 向制动轮缸送制动液 由制动主缸输出的制动液和电动泵通 电运转 向制动轮缸泵送制动液 由制动主缸输出的制动液和电动泵通电运转 向制动轮缸泵送制 动液 由制动主缸输出的制动液和电动泵泵送的制动液都经过处于开启状态的右前进液电磁阀进入 右前制动轮缸 使右前制动轮缸的制动压力迅速增大 右前轮又开始减速转动 ABS 通过使趋于抱死车轮的制动压力循环往复地经历保持 减小 增大过程 而将趋于抱死车 轮的滑动率控制在峰值附着系数滑动率的附近范围内 直至汽车速度减小到很低或者制动主缸的输 出压力不再使车轮趋于抱死时为止 制动压力调节循环的频率可达 3 20HZ 在该 ABS 中对应于每 一个制动轮缸各有一对进液和出液电磁阀 可由电子控制装置分别进行控制 因此 各制动轮缸的 制动压力能够被独立地调节 从而使四个车轮都不发生制动抱死现象 尽管各种 ABS 的结构形式和工作过程并不完全相同 但都是通过对趋于抱死车轮的制动压力进 行自适应循环调节 来防止被控制车轮发生制动抱死的 而且 各种 ABS 在以下几个方面都是相同 的 1 ABS 只是汽车的速度超过一定以后 如 5km h 或 8km h 才会对制动过程中趋于抱死的 车轮进行防抱死制动压力调节 当汽车速度被制动降低到一定时 ABS 就会自动中止防抱死制动压 力调节 此后 装备 ABS 汽车的制动过程将与常规制动系统的制动过程相同 车轮被制动抱死对汽 车制动抱死 这是因为在汽车的速度很低时 车轮被制动抱死对汽车制动性能的影响已经很小 而 且要使汽车尽快制动停车 应必须使车轮制动抱死 2 在制动过程中 只有当被控制车轮趋于抱死时 ABS 才会对趋于抱死车轮的制动压力进 行防抱死调节 在被控制车轮还没有趋于抱死时 制动过程与常规制动系统的制动过程完全相同 3 ABS 都具有自诊断功能 能够对系统的工作情况进行监测 一旦发现存在影响系统正常工作 的故障时将自动地关闭 ABS 并将 ABS 警示灯点亮 向驾驶发出警示信号 汽车的制动系统仍然可 以像常规制动系统一样进行制动 3 防抱死系统 ABS 应用原理分析与探讨 内蒙古科技与经 济 2005 年 08 期 汽车防抱死制动系统控制方式的探索 烟台汽车工程职业学院毕业论文 11 2 4 小结 ABS 可在汽车制动时根据车轮的运动养成自动调节车轮的制动压力 防止车轮抱死 其实质就 是使传统的制动过程变为瞬间的控制过程 即在制动时使车轮与地面达到 抱而不死 死而不抱 的状态 其目的是使车轮与地面的摩擦力达到最大 同时又可以避免后轮侧滑和前轮丧失转向能力 以使汽车取得最的制动效能 因此 ABS 具有以下优点 缩短制动距离 ABS 能保证汽车在雨后 冰雪及泥泞路面上获得较高的制动效能 防止汽车 侧滑甩尾 松散的沙土和积雪很深的路面除外 保持汽车制动时的方向稳定性 保持汽车制动时的转向稳定性 减少汽车制动时轮胎的磨损 ABS 能防止轮胎在制动过程中产生剧烈的拖痕 提高轮胎使用寿 命 减少驾驶员的疲劳强度 特别是汽车制动时的紧张情绪 汽车防抱死制动系统控制方式的探索 烟台汽车工程职业学院毕业论文 12 第三章 车辆 ABS 系统动力学模型 3 1 概述 3 1 1 车辆动力学建模意义 汽车的制动过程是一个非常复杂的系统 对制动系统的研究 如果仅采用试车试验的方法 将 要做大量的道路试验或台架试验 这意味着大量的资金和时间的投入 如果仅考虑制动过程的主要 因素 忽略次要因素对制动系统的影响 就能反映汽车实际制动过程的抽象模型 用系统模型的方 法进行研究 不但能得到较好的研究结论 也能节省大量的资金和时间 ABS 研究就是如此 因此 本章重点内容之一就是建立即能反映实际制动过程 又能满足计算机仿真要求的汽车动力学仿真模 型 3 1 2 车辆动力学模拟概况 车辆动力学模拟一般包括两个方面的内容 一是建立描述车辆动力学性能的微分方程 即建模 二是采用数值方法解微分方程 即计算 现在常用的动力学模拟方法有三种 人工建模与计算 图 形建模和计算机模拟 1 人工建模及编程计算方法 它是最为传统的方法 即首先通过对车辆的力学分析建立车辆运动的微分方程组 然后采用数值积分方法 通过 VC FORTRAN VB 等计算机语言编制相应程序 求解微分方 程组 这种方法工作量比较大 要求设计者具有一定的动力学基础 对车辆系统各部件的联系十分清 楚 并且计算工作和方程的调试非常困难 设计周期长 但通过人工对整个系统的建模和计算 能 对系统各参数变量的动特性和物理意义有深入的了解 2 图形建模计算方法 此方法的建模与日口一种方法相同 用力学原理推导出车辆运动方程 计算则采用专用软件包 如 ACSL 模拟语言 MATLAB 语言及 MATRIX 仿真语言等 其中 MATLAB 语言是由美国 Math Works 公司于 1967 年推出的 Matrix Laboratory 软件包 它是一款功能强 效率高 便于进 行科学与工程计算的交互式软件包 而 SIMULINK 是 MATLAB 专用于系统动力学模拟的工具箱 它集建模 分析 模拟 控制于一体 具有数值计算与图形功能 SIMULINK 将各种标准的物理环 节做成图形模块 提供给用户进行图形建模及系统的计算仿真 免去了用户从底层编程开发的麻烦 彻底改变了过去人工编程的方式 它为用户提供了众多标准的动力学系统图形模块库 包括输入源 库 接收器库 线性系统库 非线性系统库 离散系统库及连续系统库等 另外 S1MULINK 不 仅实现了可视化动态仿真 也实现了与 MATLAB C 甚至硬件之间的相互数据传递 极大地扩展 了它的功能 因此 不但可以进行仿真计算 也可以进行模型分析 控制系统设计等等旧 3 计算机模拟 汽车防抱死制动系统控制方式的探索 烟台汽车工程职业学院毕业论文 13 该方法的建模和计算完全由计算机软件完成 如著名的 ADAMS Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System 软件 ADAMS 采用多刚体力学图形建模方法 从物理系统的刚体结构出发 对 每一个构件定义形状 质量 受力 约束及连接情况 可以在三维状态下建立模型 这样能够比较 真实的反映车辆动力学特性 得到精确的模拟结果 其最大的好处在于不必去关心如何建立车辆的 运动方程 如何去解方程 而只需要去努力使建立的模型真实地反映实际车辆的状态就可以了 特 别适于描述带有机构的动力学问题 如自口轴转向系统 各种操纵机构 悬架系统等 更易了解这 些机构动力学特性的细节 但这种详细的车辆模型所需的物理参数较多 且模拟的 J 下确还取决于 许多技巧和经验 根据以上分析并基于课题研究的主要目的 我们采用人工与计算机混合的图形建模方法进行汽 车防抱制动系统的车辆动力学模拟 另外 我们采用的仿真软件为 MATLAB6 5 版本及其自带的 SIMULINK 工具 3 1 3 车辆动力学模型研究概况 汽车车辆动力学模型可以采用牛顿力学建立各个刚体的运动学方程 由于应用的目的不同 各 种模型的繁简程度也不相同 目前 经常采用的车辆模型主要有一般车辆模型 四轮车辆模型 双 轮车辆模型以及单轮车辆模型 1 一般车辆模型 在对车辆建立运动方程前 作如下假设 汽车由 4 个轮子 簧上质量 簧下质量 含驾驶室 等 6 个刚体组成 忽略弹簧和阻尼器的 质量 路面是光滑且水平的 不考虑汽车的垂直运动 左右两轮的转向角位移相等 侧倾轴沿汽车的水平方向 且在其对称面上 只考虑簧上质量 的侧倾 不考虑簧下质量的侧倾和俯仰 建立固定在车辆系统上的准坐标系统 并将坐标固定在汽车底盘上 在上述假设的前提下 根据 BOLTMANN HAMEL 方程 并简化车辆模型的受力分析 即可推 导出汽车在准坐标系下的运动方程 这就是一般车辆模型 2 四轮车辆模型 在 般的车辆模型中忽略车辆侧倾的影响 将簧上质量和簧下质量合为车辆整车质量 忽略轮 胎的滚动阻力和车辆风阻 考虑纵向 横向和绕车辆惯性轴的转动 由此可以建立一个四轮车辆模 型 以上这两种车辆模型主要描述复杂的动力学性能场合 如转弯制动 横向动力学控制模拟等 3 双轮车辆模型 在四轮车辆模型的基础上 将车辆的左右两轮合并为一个车轮 实际上是一个摩托车模型 这 种模型主要描述车辆的直线制动和驱动的场合 考虑车辆加 减速度的影响 用于车辆动力学模拟 与控制分析 4 单轮车辆模型 汽车防抱死制动系统控制方式的探索 烟台汽车工程职业学院毕业论文 14 在很多场合下 为了简化问题 可以采用四分之一车体模型 也就是 个单轮的车辆模型 这 个模型主要描述的是制动性能 用于基于模型控制系统的分析与设计等 由上所述 根据本课题研究的主要目的是对汽车防抱制动系统进行控制器设计及制动性能分析 我 们选择建立汽车的单轮车辆模型 4 程军 汽车防抱死制动系统的理论与实践 M 北京 北京 理工大学出版社 1999 3 2 车辆动力学模型 3 2 1 双轮车辆模型 在四轮车辆模型的基础上 将车辆的左右两轮合并为一个车轮 实际上是一个摩托车模型 此 模型把整个汽车看成一个刚体 忽略轮胎及悬架的弹性和阻尼 同时也不考虑底盘部分与车身连接 的所有弹性与阻尼 并把汽车看作一个质量与受力沿纵轴线对称 且质量与受力都集中在该平面内 的模型 这种模型常用来模拟直线制动和驱动问题 研究车辆制动时的轴荷转移 防抱死控制逻辑 问题 不但考虑了制动时轴荷的转移 而且与实际问题拟合度较高 且使问题相对简化 便于研究 在综合考虑精度与可操纵性的同时 本文以双轮车辆模型来构建仿真系统 并进行了以下假设 1 汽车行驶在水平路面上 不考虑轮胎阻力的影响 2 忽略空气阻力 不考虑汽车的横向运动 3 不考虑制动过程中零部件的变形和振动及由此引起的法向载荷的变化 建立的双轮车辆模型如图 3 1 所示 图 3 1 双轮车辆模型 由此建立一个双轮运动模型如下 前轴 3 1 11111 1 RNuMwJ b 后轴 3 2 22222 2 RNuMwJ b 汽车防抱死制动系统控制方式的探索 烟台汽车工程职业学院毕业论文 15 前轮对地面正压力 L MvhMgb N g 1 3 3 后轮对地面正压力 L MvhMga N g 2 3 4 对于整车而言照大制动力 3 5 2211 NuNuMv 把式 3 3 3 4 代入式 3 5 得 车辆最大制动减速度 3 6 12 21 uuhL aubug v g 当制动器制动力小于地面附着力时 此时车轮制动力等于制动器制动力 忽略轮胎变形的影响 则有 3 7 MR MM v bb21 式中 前轮转动惯量 以 后轮转动惯量 1 J 2 J 前轮制动器制动力矩 后轮制动器制动力矩 1b M 2b M 前轮角速度 吐 后轮角速度 1 w 2 w 汽车质心高度 重心距前轴距离 g ha b 重心距后轴距离 前轮路面附着系数 1 u 后轮路 面附着系数 汽车质量 2 uM 3 2 2 轮胎模型 汽车运动依赖于轮胎所受的力 例如 纵向制动和驱动力 侧偏力和侧倾力 回正力矩及翻转 力矩等 所有这些都是滑移率 侧偏角 侧倾角 垂直载荷 道路摩擦系数和汽车运动速度的函数 轮胎模型一般分为两种 一种是物理模型 理论模型 即通过对轮胎结构和形变机制的数学描述 建立剪切力和回正力矩与相应参数的函数关系 与理论模型相对应的是经验公式和半经验公式 它 是通过对大量的轮胎力特性的实验数据进行分析 将轮胎力特性通过含有拟合参数的公式有效地表 达出来 常用的经验和半经验公式是魔术公式和双线性公式 1 理论模型 汽车防抱死制动系统控制方式的探索 烟台汽车工程职业学院毕业论文 16 理论模型主要描述单独纵向力 单独横向力以及纵向和横向联合作用力情况下与轮胎回正力矩 横向附着系数 纵向附着系数 侧偏角等参数的关系 该模型物理意义明确 所需要的参数都有明 确的物理意义 可根据实验测得 但是 由于模型对轮胎物理机制过于简化 使回正力矩的计算与 实验误差较大 在大侧偏角下计算的回正力矩为零 没有反应出大侧偏角下回正力矩可能为负值的 实验事实 由于计算所需的许多参数都与垂直载荷有关系 只能通过实验获得 因此该模型用起来 不太方便 2 魔术公式 魔术公式是由 Pacejka 等人提出并发展起来的 它是用三角函数的组合公式拟合试验轮胎数据 用 套形式相同的公式就可以完整的表达纵向力 横向力 回正力矩以及纵向力 横向力的联合作 用工况 故被称为魔术公式 魔术公式如下 1 轮胎横向力 侧偏力 计算公式 vy SBCDF arctansin hh SBBESE arctan1 z Fa x aDF 2 2 1 30 1 C 12 543 1 arctansin a CD Faaa B z 87 2 6 aFa z aE zF 9 aSh 3 8 zv Fa z aSF 11 2 10 2 轮胎回正力矩计算公式 vz SBCDM arctansin arctan 1 hh SBBESE zz FaFaD 2 2 1 40 2 C 1 12 4 2 3 5 a CDe FaFa B z Fa zz 1 13 87 2 6 a aFaFa E zz 9 aSh 3 9 11 2 10zzv FaFaS 3 轮胎纵向力计算公式 BCDFxarctansin 汽车防抱死制动系统控制方式的探索 烟台汽车工程职业学院毕业论文 17 arctan 1BKBEkE zz FaFaD 2 2 1 65 1 C z Fa zz CDe FaFa B 5 4 2 3 3 10 87 2 6 aFaFaE zz 由于魔术公式计算量大 因此更适合于产品设计 汽车动态模拟及试验对比等要求精确描述轮 胎力特性的领域 6 Martin Maier and Klaus Muller ABS5 3 The New and Compact ABS5 Unit for Passenger Cars SAE 950757 3 双线性模型 由于魔术公式计算量大 因此更适合于产品设计 汽车动态模拟及试验对比等要求精确描述轮 胎力特性的领域 3 11 S S uu S Suu u S S u u opt gh opt optgh opt h 11 opt opt SS SS 式中 最佳滑移率 车轮滑移率 opt Ss 滑移率为 100 时的附着系数 g u 峰值附着系数 附着系数 h uu 图 3 2 双线性模型示意图 汽车防抱死制动系统控制方式的探索 烟台汽车工程职业学院毕业论文 18 双线性模型公式物理意义明确 拟合精度较高 较适合计算机模拟仿真 基于本论文研究的实 际情况 本文采用双线性模型模拟各种路面的 l S 曲线 并应用于防抱死制动系统的仿真模型中 3 2 3 制动系统模型 1 液压系统建模 ABS 通过控制电磁阀的开闭状态实现制动器的增压 减压和保压等压力调节 其液压系统的动 态模型为 3 12 tw KV AC kt wm KV CA k d dP PpPP t k T T T vp k t t w 21 式中 轮缸压力 w P 主缸压力 m P 储液室压力 t P 电磁阀管路滞后时间 vp t C 进油阀阀口形状 液体流态 油液性质决定的系数 进油阀的流通截面积 t A K 液压油体积弹性模量 增压阀及减压阀之间的管路加上轮缸的总容积 V 由进油阀阀口形状决定的节流阀指数 一般在 0 5 1 0 之间 k 回油阀阀口形状 液体流态 油液性质决定的系数 T C 回油阀阀口的流通截面积 T T A 由回油阀阀口形状决定的节流阀指数 一般在 0 5 1 0 之间 T k 电磁阀控制指令信号 21K K 2 制动器模型 制动器模型指制动器力矩与制动系气液压力之间的关系模型 为了便于对控制过程的仿真 研究 在进行仿真时假设制动器为理想元件 认为其非线性特性较弱并忽略了其滞后带来的影响 因此 制动力矩可以表达为 3 13 b M PPK tp 0 0 0 mt mt PP PP 式中 制动器制动因数 p K 制动器制动力矩 b M 制动管路压力 t P 克服制动缸中弹簧所需压力 m P 汽车防抱死制动系统控制方式的探索 烟台汽车工程职业学院毕业论文 19 制动因数是由制动器的结构参数及使用工况所决定的 它不是一个常数 而是与温度有关的函 数 而对温度影响最大的又是车辆速度 可用一个速度的二次多项式来表达 3 14 V KVKKKP 2 321 式中 为多项式拟合系数 通过试验数据可以求得这些系数 1 K 2 K 3 K 由于克服制动缸中弹簧所需压力相比于制动管路压力非常小 故可忽略不计 则上式可以写成 3 15 tpb PKM 3 3 汽车 ABS 机械动力学模型 汽车是一个复杂的动力学系统 对汽车的 ABS 制动性能进行模拟仿真 输入的参数包括制动 初速 路面条件如干铺设路面 湿铺设路面 雪路面 冰路面 对开路面 对接路面等 道路状况 如直道 弯道 上坡 下坡等和整车参数 输出的参数包括汽车制动过程中整车和车轮的运动状态 如制动时间 制动距离 制动减速度 车轮滑移率 车轮角减速度 制动器制动力 地面制动力 地面侧向力 横摆力矩等 根据以上研究目的 对整车进行适当简化 汽车悬架系统结构型式和转向系结构型式对汽车制 动性能的影响不大 仿真模型中的惯性参数由 Pro ENGINEER 软件三维实体建模计算得到 对悬架 系和转向系简化如下 悬架系统只考虑悬架的垂直变形 转向系忽略车轮定位角和转向传动装置 把汽车简化为具有 十个刚体的模型 共 14 个自由度 十个刚体分别为车身 一个后非独立悬挂组质量 两个前独立 悬挂组质量 两个前轮横摆臂和两个前轮转向节 四个车轮 两前轮共有 3 个自由度 车身具有 3 个转动和 3 个平动自由度 两后轮各有 1 个自由度 前悬架各有一个自由度 后悬架 1 个自由 度 如图 3 3 所示 图 3 3 整车仿真模型 1 车身 2 后轮 3 后悬架 4 前轮 5 前悬架 6 横摆臂 7 转向节 仿真模型包括以下几个子模型 汽车防抱死制动系统控制方式的探索 烟台汽车工程职业学院毕业论文 20 1 转向系模型 以转向角约束直接作用于左转向节 2 前悬架模型 前悬架是独立悬架 一侧的简化模型如图 3 4 所示 转向节简化如图 3 3 中所 示 用转动副与前轮连接 横摆臂与减振器以球铰分别与转向节和车身连接 图 3 4 悬架的简化模型 1 车身 2 横摆臂 3 转向节 4 轮胎 5 前悬架 6 弹簧 A 转动副 B 球铰 C 转动副 D 滑柱铰 E 球铰 后悬架是非独立悬架 只考虑垂直方向的自由度 悬架与车身之间用平移副表示它们之间的相 对运动 悬架与车身用弹簧阻尼连接 与后轮用转动副连接 3 轮胎模型 车辆的各种运动状态主要是通过轮胎与路面的作用力引起的 采用力约束方法 不 考虑轮胎拖距 回正力矩以及滚动阻力的影响 采用 ADAMS 提供的非线性 Pacejka 轮胎模型 2 4 制动器模型 采用美国高速公路车辆仿真模型中的制动器模型 5 液压模型 采用 ADAMS 中液压模块 ADAMS Hydraulics 建立制动系统的液压仿真模块 6 路面模型 设计出路面模型可进行对开路面和对接路面制动过程的仿真计算 利用 ADAMS 中 提供的平面 Plane 作为路面模型的基础 定义了平面 Plane 的长 宽等参数 使得汽车制动 过程有足够的