ABS系统研究论文

1、1/ 24摘要：利用机械动力学仿真软件ADAMS 建立汽车 ABS 的机械动力学模型，在MATLAB/SIMULINI 环境下建立 Jetta GTX 轿车的 ABS 控制模型，构成了 ABS 机电液一体化联合仿真的动力学控制模型。利用MATLAB 确定了 ABS 的控制参数的门限值， 进行了仿真结果数据处理和分析， 与大量的 ABS 实车道路实验数 据对比，改进模型准确度，获得了正确和可行的 ABS 仿真控制模型，为加速开 发 ABS 的控制算法奠定了基础。关键词：ABS 动力学控制模型 联合仿真 ADAMS MATLAB/SIMULINK2/ 24第一章 概述“ABS”Anti -lock

2、edBrakingSystem ）中文译为“防抱死刹车系统” . 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。b5E2RGbCAP现代汽车上大量安装防抱死制动系统，ABS 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。p1EanqFDPw普通制动系统在湿滑路面上制动，或在紧急制动的时候，车轮容易因制 动力超过轮胎与地面的摩擦力而安全抱死。近年来由于汽车消费者对安全的日益重视，大部分的车都已将AB

3、S 列为标准配备。如果没有 ABS 紧急制动通常会造成轮胎抱死，这时，滚动摩擦 变成滑动摩擦，制动力大大下降。而且如果前轮抱死，车辆就失去了转向能 力；如果后轮先抱死，车辆容易产生侧滑，使车行方向变得无法控制。所 以，ABS 系统通过电子机械的控制，以非常快的速度精密的控制制动液压力 的收放，来达到防止车轮抱死，确保轮胎的最大制动力以及制动过程中的转 向能力，使车辆在紧急制动时也具有躲避障碍的能力。DXDiTa9E3d随着世界汽车工业的迅猛发展，安全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。RTCrpUDGiT汽车制动防抱系统，简称

4、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。5PCzVD7HxAABS 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3/ 24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

5、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。jLBHrnAILg4/ 24第二章 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 vBOSCH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。xHAQX74J0X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vFORD 公司曾于 1954 年将飞机的制动防抱系统移置在林肯 vLINCO

6、IN）轿车 上，凯尔塞海伊斯 vKELSEHAYES 公司在 1957 年对称为“ AUTOMATIC 的 制动防抱系统进行了实验研究，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vCHRYSLER 公司在这一时期也对称为“ SKIDCONTRO 的制动防抱系统进行 了实验研究。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性也难于保证，控制效果并不理想。LDAYtRyKfE随着电子技术的发展，电子控制制动防抱系统的发展成为可能。在60年代

7、后期和 70 年代初期，一些电子控制的制动防抱系统开始进入产品化阶 段。凯尔塞海伊斯公司在 1968 年研制生产了称为“ SURETRACK 轮制动 防抱系统，该系统由电子控制装置根据电磁式转速传感器输入的后轮转速信 号，对制动过程中后轮的运动状态进行判定，通过控制由真空驱动的制动压 力调节装置对后制动轮缸的制动压力进行调节，并在 1969 年被福特公司装 备在雷鸟 vTHUNDERBIRD 和大陆马克IIICONTINENTALMKIII ）轿车上。Zzz6ZB2Ltk克莱斯勒公司与本迪克斯 vBENDIX 公司合作研制的称“ SURE-TRACK 的能防止 4 个车轮被制动抱死的系统，在

8、1971 年开始装备帝国 IMPERIAL） 轿车，其结构原理与凯尔塞海伊斯的“ SURE-TRACK 基本相同，两者不同 之处，只是在于两个还是四个车轮有防抱制动。博世公司和泰威vTEVES 公司在这一时期也都研制了各自第一代电子控制制动防抱系统，这两种制动防 抱系统都是由电子控制装置对设置在制动管路中的电磁阀进行控制，直接对 各制动轮以电子控5/ 24制压力进行调节。dvzfvkwMI1别克 vBUICK 公司在 1971 年研制了由电子控制装置自动中断发动机点 火，以减小发动机输出转矩，防止驱动车轮发生滑转的驱动防抱转系 统 .rqyn14ZNXI瓦布科 vWABCO 公司与奔驰 ，在

9、1950 年问 世，首先被应用在航空领域的飞机上， 1968 年开始研究在汽车上应用。 70 年代，由于欧美七国生产的新型轿车的前轮或前后轮开始采用盘式制动器， 促使了 ABS 在汽车上的应用。1980 年后，电脑控制的 ABS 逐渐在欧洲、美国 及亚洲日本的汽车上迅速扩大。到目前为止，一些中高级豪华轿车，如西德 的奔驰、宝马、雅迪、保时捷、欧宝等系列，英国的劳斯来斯、捷达、路 华、宾利等系列，意大利的法拉利、的爱快、领先、快意等系列，法国的波 尔舍系列，美国福特的 TX3、30X、红彗星及克莱斯勒的帝王、纽约豪客、男 爵、道奇、顺风等系列，日本的思域，凌志、豪华本田、奔跃、俊朗、淑女 300

10、Z 等系列，均采用了先进的 ABS 到 1993 年，美国在轿车上安装 ABS 已 达46%，现今在世界各国生产的轿车中有近75%的轿车应用 ABS。SixE2yXPq5现今全世界已有本迪克斯、波许、摩根. 戴维斯、海斯 . 凯尔西、苏麦汤姆、本田、日本无限等许多公司生产ABS 它们中又有整体和非整体之分。预计随着轿车的迅速发展，将会有更多的厂家生产。6ewMyirQFL这一时期的各种 ABS 系统都是采用模拟式电子控制装置，由于模拟式电子控制装置存在着反应速慢、控制精度低、易受干扰等缺陷，致使各种ABS系统均末达到预期的控制效果，所以，这些防抱控制系统很快就不再被采用 了。kavU42VRU

11、s进入 70 年代后期，数字式电子技术和大规模集成电路的迅速发展，为ABS 系统向实用化发展奠定了技术基础。博世公司在1978 年首先推出了采用数字式电子控制装置的制动防泡系统 -博世 ABS2,并且装置在奔驰轿车上， 由此揭开了现代 ABS 系统发展的序幕。尽管博世 ABS2 的电子控制装置仍然 是由分离元件组成的控制装置，但由于数字式电子控制装置与模拟式电子控 制装置相比，其反应速度、控制精度和可靠性都显著提高，因此，博世 ABS2 的控制效果己相当理想。从此之后，欧、美、日的许多制动器专业公司和汽6/ 24车公司相继研制了形式多详的ABS 系统。y6v3ALoS89“自动防抱死刹车”的原

12、理并不难懂，在遭遇紧急情况时，未安装 ABS 系统的车辆来不及分段缓刹只能立刻踩死。由于车辆冲刺惯性，瞬间可能发 生侧滑、行驶轨迹偏移与车身方向不受控制等危险状况！而装有ABS 系统的车辆在车轮即将达到抱死临界点时，刹车在一秒内可作用 60 至 120 次，相 当于不停地刹车、放松，即相似于机械自动化的“点刹”动作。此举可避免 紧急刹车时方向失控与车轮侧滑，同时加大轮胎摩擦力，使刹车效率达到 90以上。M2ub6vSTnP从微观上分析， 在轮胎从滚动变为滑动的临界点时轮胎与地面的摩擦力 达到最大。在汽车起步时可充分发挥引擎动力输出缩短加速时间），如果在刹车时则减速效果最大 刹车距离最短）。AB

13、S 系统内控制器利用液压装置 控制刹车压力在轮胎发生滑动的临界点反复摆动，使在刹车盘不断重复接 触、离开的过程而保持轮胎抓地力最接近最大理论值，达到最佳刹车效果。0YujCfmUCwABS 的运作原理看来简单，但从无到有的过程却经历过不少挫折 中间缺乏关键技术）！ 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 M&ouml 。 hl 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

14、 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。eUts8ZQVRd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。sQsAEJkW5T精于汽车电子系统的德国公司Boschv 博世）

15、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7/ 24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 系统。这套系统 主要由轮速8/ 24传感器、ABS/ ASR ECU 控制器、ABS 驱动器、ASR 驱动器、副节 气门控制器和主、副节气门位置传感器等组成。在汽车起步、加速及行进过 程中，引擎 ECU 根据轮速传感器输入的信号，当判定驱动轮的打滑现象超过 上限值时，就进入防空转程序。首先由引擎ECU 降低副节气门以减少进油量，

16、使引擎动力输出扭矩减小。当ECU 判定需要对驱动轮进行介入时，会将信号传送到 ASR 驱动器对驱动轮 一般是前轮）进行控制，以防止驱动轮打 滑或使驱动轮的打滑保持在安全范围内。第一款搭载ASR 系统的新车型在1987 年出现，奔驰 S 级再度成为历史的创造者。zvpgeqJ1hk随着 ABS 系统的单价逐渐降低，搭载 ABS 系统的新车数目于 1988 年突 破了爆炸性成长的临界点，开始飞快成长，当年Bosch 的 ABS 系统年度销售量首次突破 300 万套。技术上的突破让 Bosch 在 1989 年推出的 ABS 2E 系统 首次将原先分离于引擎室 液压驱动组件）与中控台 电子控制组件）

17、内，必 须依赖复杂线路连接的设计更改为“两组件整合为一”设计！ ABS 2E 系统也 是历史上第一个舍弃集成电路，改以一个 8 k 字节运算速度的微处理器 CPU 负责所有控制工作的 ABS系统，再度写下了新的里程碑。该年保时捷 车厂正式宣布全车系都已安装了 ABS，3年后 1992 年）奔驰车厂也决定紧跟保时捷的脚步。NrpoJac3v11990 年代前半期 ABS 系统逐渐开始普及于量产车款。Bosch 在 1993 年推出 ABS 2E 的改良版： ABS 5.0 系统，除了体积更小、重量更轻外， ABS 5.0 装置了运算速度加倍 16 k 字节）的处理器，该公司也在同年年中庆祝 售出

18、第 1000 万套 ABS 系统。1nowfTG4KIABS 与 ASR/ TCS 系统已受到全世界车主的认同，但Bosch 的工程团队却并不满足，反而向下一个更具挑战性的目标： ESPElectronic Stabilty Program，行车动态稳定系统）前进！有别于ABS 与 TCS 仅能增加刹车与加 速时的稳定性， ESP 在行车过程中任何时刻都能维持车辆在最佳的动态平衡 与行车路线上。ESP 系统包括转向传感器 监测方向盘转动角度以确定汽车行 驶方向是否正确）、车轮传感器 监测每个车轮的速度以确定车轮是否打 滑）、摇摆速度传感器 记录汽车绕垂直轴线的运动以确定汽车是否失去控 制）与横

19、向加速度传感器 测量过弯时9/ 24的离心加速度以确定汽车是否在过弯 时失去抓地力），在此同时、控制单元通过这些传感器的数据对车辆运行状 态进行判断，进而指示一个或多个车轮刹车压力的建立或释放，同时对引擎 扭矩作最精准的调节，某些情况下甚至以每秒 150 次的频率进行反应。整合 ABS EBD EDL ASR 等系统的 ESP 让车主只要专注于行车，让计算机轻松应付各种突发状况。fjnFLDa5Zo延续过去 ABS 与 ASR 诞生时的惯例，奔驰 S 级还是首先使用 ESP 系统的 车型1995 年）。4 年后奔驰公司就正式宣布全车系都将ESP 列为标准配备。在此同时，Bosch 于 1998

20、 及 2001 年推出的 ABS 5.7、ABS 8.0 系统仍 精益求精，整套系统总重由 2.5 公斤降至 1.6 公斤，处理器的运算速度从 48 k 字节升级到 128 k字节，奔驰车厂主要竞争对手宝马与奥迪也于 2001 年也 宣布全车系都将 ESP 列为标准配备。Bosch 车厂于 2003 年庆祝售出超过一亿 套 ABS 系统及 1000 万套 ESP 系统，根据 ACEA 欧洲车辆制造协会）的调查， 今天每一辆欧洲大陆境内所生产的新车都搭载了ABS 系统，全世界也有超过60的新车拥有此项装置。tfnNhnE6e5“ ABS 系统大幅度提升刹车稳定性同时缩短刹车所需距离” Rober

21、tBosch GmbHvBosch 公司的全名）董事会成员 Wolfga ng Drees 说。不像安全 气囊与安全带 可以透过死亡数目除以车祸数目的比例来分析），属于“防 患于未然”的ABS 系统较难以真实数据佐证它将多少人从鬼门关前抢回？但 据德国保险业协会、汽车安全学会分析了导致严重伤亡交通事故的原因后的 研究显示， 60%的死亡交通事故是由于侧面撞车引起的，30%到 40%是由于超速行驶、突然转向或操作不当引发的。我们有理由相信ABS 及其衍生的 ASR与 ESP 系统大幅度降低紧急状况发生车辆失去控制的机率。NHTSA 北美高速公路安全局）曾估计 ABS 系统拯救了 14563 名北

22、美驾驶人的性命！HbmVN777sL从 ABS 到 ESP 汽车工程师在提升行车稳定性的努力似乎到了极限 民用型 ESP 系统诞生至今已近 10 年），不过就算计算机再先进仍须要驾驶人的 适当操作才能发挥最大功效。V7l4jRB8Hs多数车主都没有遭遇过紧急状况 也希望永远不要），却不能不知道面临关键时刻要如何应对？在紧急情况下踩下刹车时，ABS 系统制动分泵会迅速作动，刹车踏板立刻产生异常震动与显著噪音ABS 系统运作中的正常现10/ 24象），这时你应毫不犹豫地用力将刹车踩死 除非车上拥有 EBD 刹车力辅助装置，否则大多数驾驶者的刹车力量都不足），另外ABS 能防止紧急刹车时的车轮抱死现

23、象、所以前轮仍可控制车身方向。驾驶者应边刹车边打方向进 行紧急避险， 以向左侧避让路中障碍物为例， 应大力踏下刹车踏板、 迅速向 左转动方向盘 90 度，向右回轮 180 度，最后再向左回 90 度。最后要提的是 ABS 系统依赖精密的车轮速度传感器判断是否发生抱死情况？平时要经常保 持在各个车轮上的传感器的清洁，防止有泥污、油污特别是磁铁性物质粘附 在其表面，这些都可能导致传感器失效或输入错误信号而影响ABS 系统正常运作。行车前应经常注意仪表板上的ABS 故障指示灯，如发现闪烁或长亮，ABS 系统可能已经故障 在仿真建模过程中要考虑到模型的准 确性和可信度， 在不失真的前提下尽量简化仿真模

24、型， 减少自由度数， 提高求 解效率。 （2能够正确的根据路面条件、道路状况、制动强度和法向载荷实时计算出车 速和轮速，使模型尽可能反映实车的运动状况。（3 具有仿真建模改进的能力，能方便地修改子模型的参数，不需要花费很大 精力或者重新建模，就可以在设计阶段，插入或改变仿真模型。ADAMS 软件计算功能强大，求解器效率高，具有多种专业模块和工具包，以及与其它CAD 软件的接口，可方便快捷地建立机械动力学模型，支持 Fortran 和 C 语言，便于 用户进行二次开发1。基于 ADAM 漱件的上述优点，利用 ADAM 漱件建立汽 车 制 动 防抱 死 系 统 ABS ） 的 机 械 动 力 学

25、模 型 。2. 模型建立：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

26、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 1 所示。WwghWvVhPE15/ 24图1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：转向系模型：以转向角约束直接作用于左转向节。前悬架模型：前悬架是独立悬架，一侧

27、的简化模型如图2 所示。转向节简化如图 2 中 3 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。asfpsfpi4k图2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单簧A转动副B球铰C转动副D滑柱铰E球铰ooeyYZTjjl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。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 ADAM 號供的非线性Pacejka 轮胎模型2。

28、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。BkeGuInkxI液压模型：采用 ADAMS液压模块 vADAMS/Hydraulics）建立制动系统的液 压仿16/ 24真模块。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 ADAM 鋪提供的平面Plane）作为路面模型的基础，定义了 平面Pla ne）的长、宽等参数，使得汽车制动过程有足够的空间，利用平面 圆Plane-Circle ）接触力Contact ）表示车轮与地面之间的法向作用力。 ADAM 驼胎模型中没有附着系数变化的路面模块，为此在ADAM 號供的路面模块基础上，对对接路面采用在路面模型上

29、加入标记点 vMarker）的方法，分别求 出前轮和后轮质心到标记点 X 方向上的距离。当距离为正时说明轮胎已经跨过 了标记点，此时根据所规定的路面情况对轮胎附着系数进行改变，使得模型可 以计算路面附着系数变化。对开路面也采取了相同的加入标记点的方法，进行 计算左右侧轮胎相对于标记点 Y 方向上的距离。 参见：汽车车身电子与控制 技术，陈无畏主编，机械工业出版社，2008 年 02 月）PgdO0sRlMo第五章 制动防抱死系统 ABS 的控制模型在 ADAMS定义了与 MATLAB/SIMULINK 勺接口，把 ADAMS建立的非线性机 械模型转化为 SIMULINK 的 S FUNCTIO

30、N 函数，再把 S FUNCTION 函数加入到 控制模型里，这样就可以方便的利用 SIMULINK 提供的各种强大的工具进行控 制模型开17/ 24发，在 MATLAB 软件下进行联合仿真计算3。图 3 所示为18/ 24MATLAB/SIMULIN 中表示的 ADAMS 机械模型，在 ADAM 鋪定义四个车轮的制动力矩为输入变量，定义四个车轮的速度和滑移率为输出变量，保存在由 MATLAB 调用。3cdXwckm15图3 ADAMS子模块图 4 所示为在 MATLAB/SIMULIN 下开发的 ABS 控制模块，图中深色的部分为 ADAMS生成的子模块，输入参数为制动力矩，输出参数为车轮速

31、度和车轮滑移率，以车轮的加速度/减速度和车轮滑移率为控制参数。参见：汽车车身电子与控制技术，陈无畏主编，机械工业出版社，2008 年 02 月）h8c52WOngM.m 文件中Mg=iip=i：?wheslwheelT lo WorTkE.paceclackPlanttent砸marr匚AJ_DIMidllCSIT to TorkEpacfiwh.c cl19/ 24第六章 ABS 联合仿真控制规律结果与分析1.确定车轮加速度和参考滑移率的门限值根据 ADAM 筋真制动过程计算出的 车轮加速度曲线，分析出加速度门限值为w&1减速度门限值为w&2车轮滑移 率下门限值入 1，上门限

32、值入 2。车轮的加、减速度和滑移率的门限值的确定 是一个反复交替验证过程。方法为：计算车轮的加、减速度和参考滑移率，以 参考滑移率为控制参数初步确定车轮的加、减速度的门限值，再以车轮加、减 速度门限值控制车轮的滑移率 , 确定滑移率的门限值。图 4 中深色的部分为 ADAMS成的机械模型，在 MATLA 作为一个 S-FUNCTION 函数参与运算。通 过上述交替验证的方法，车轮滑移率和加速度的仿真变化曲线如图 5 所示，实20/ 24车测试数据如图 6 所示。比较图 5 和图 6,可以看出仿真数据与实车测试数据相吻合，验证了车轮加速度门限值和滑移率门限值的确定是合理的。v4bdyGiousL42.0 104.00图5仿真实验数据图 6 实车实验数据选取适当滑移率门限值 入 1