2037ABS汽车防抱死制动系统设计_机械仪表_工程科技_专业资料

1、abs汽车防抱死制动系统设计1防抱死制动系统概述1. 1 abs的功能汽车abs在高速制动时用来防止车轮抱死，abs是英文anti-lock brake syetem的缩写，全文的意思是防抱死制动系统，简称abs。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、世尾，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，若是弯道就右可能从路边滑岀或闯 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屮产生抱死现象，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

2、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产生以下不良影响：方向失去控 制，出现侧滑、甩尾，甚至翻车；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的发生而研制的装置，它有以下 儿点好处：增加制动稳定性，防止方向失控、侧滑和世尾；提高制动效率，缩短 制动距离（松软的沙石路面除外）；减少轮胎磨损，防止爆胎。现代轿车的abs由输入传感器、控制电脑、输出调制器及连接线等组成。输 入传感器通常包描死个车轮的轮速信号、刹车信号，个别车型还右减速度信号、 手刹车或车油面信号。abs的第一个优点

3、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，则会岀现侧滑、世尾，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的第二个优点是能缩短制动距离。这是因为在同样紧急制动的情况下， abs可以将滑移率（汽车华东距离与行驶的比）控制在20%左右，即可获得最大 的纵向制动力的结果。abs的第三个优点是改善了轮胎的磨损状况，防止爆胎。事实上，

4、车轮抱死 会造成轮胎小平面磨损，轮胎面损耗会不均匀，便轮胎磨损消耗费增加，严重时 将无法继续使用。因此，装有abs具右一定的经济效益和安全保障。另外，abs使用方便，工作可靠。abs的使用与普通制动系统的使用儿乎没有区别，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, 即使用雪路滑，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。口前abs已经在国内外屮高级轿和客车上 得到了广

5、泛使用。1.2防抱死制动系统的发展历史abs装置垠早应用在飞机和火车上，而在汽车上的应用比较晩。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轨道上滑行。由于车轮 和轨道的摩擦，就会在车轮外鬪上磨出一些小平面，小平面产生后，车轮就不能 平稳地行驶，产生噪声和挣动o 1908年英国工程师je. 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。接下來的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

6、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犬竞还要再等30年z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。精于汽车电了系统的德国公司bosch （博枇）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

7、置”的专利o 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 “通过电了 装置控制來防止车轮抱死是可行的”结论，这是abs （antilock braking system） 名词在丿力史上第一次出现！世界上第一具abs原型机于1966年出现，向枇人证明 “缩短刹车距离”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。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，不但成木过高也很容易发生故障

8、。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采用模拟式电了组 件，abs2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年屮，abs系统都苦于成本过于高昂而无法开拓市场。从1978 到198

9、0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。受到市场上的正而响应，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。 到了 1985年代屮期，全球新出厂车辆安装abs系统的比例首次超过1%,通用车 厂也决定把abs列为旗下主力雪佛兰车系的标准配备。电磁柱乘冋流泉冋流通道>(k)卜制单元图1-1 bosch防抱死制动系统1.3防抱死制动系统的发展趋势(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

10、发展。基于滑移率的控制算法容易实现连 续控制，且有i分明确的理论加以指导，但d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 (brakc-by-wirc)是未来制动控制系统的发展方向z -o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，缩短制动反应吋间，维护简单，易于改进，为未来的车 辆智能控制提供条件。但是，它述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。口前电制动系统首先用在混

11、合动力制动系统车辆 上，采用液压制动和电制动两种制动系统。(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)是驱动时防止车轮打滑，使车 轮获得最大限度的驱动力，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)在低附着系数路而工作时，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 采集到控制器小，控制器根据轮速信号计算出驱动

12、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，在低附着系数路而上制动时，轮速对压力十分敏感，压力稍稍过大, 车轮就会抱死。为此利用abs电磁阀对制动压力进行精细的调节，即用小步长增 压或减压，以达到最佳的车轮滑移的效果既可以得到最大驱动力，也可保持行驶 的稳定性。(3) 电子控制制动系统由于ass在功能方而存在许多缺陷，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 syste

13、m)它是将气压传动改为电线传动，缩短了制动响应时 间。最重要的特点是齐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，来实现齐种控制功能，如制动力分布 控制、减速控制、牵引车与挂车处祸合力控制等。(4) 车辆动力学控制系统车辆动力学控制系统vdc (vehicle dynamics contro 1)是在abs的基础上通过测量方向盘转角、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

14、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h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 力学控制系统口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。(5) 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，需耍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。口前多使用can控

15、制器局域网络(controller area network)用于汽车内部测量与执行部件z间的数据通信协议。1.4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的研究开始于80年代初。从事abs研制工作的单位和企业很多，诸 如东风汽车公司、重庆公路研究所、西安公路学院、清华大学、吉林大学、北京 理工大学、上海汽车制动有限公司和山东重汽集团等。具有代表性的有以下儿个。 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室有宋健等多名博导、教授,有很强的科技 实力，他们还配套有一批先进的仪器设备，如汽车力学参数综合试验台、汽车弹射 式碰撞试验台及翻转试验台、模拟人及标定试验台、kodak高速图像

16、运动分析系 统、电液振动台、直流电力测功机、发动机排放分析仪、发动机电控系统开发装 置及工况模拟器、计算机工作站及adams、ideas软件、非接触式速度仪、噪声测 试系统、转鼓试验台、电动车蓄电池试验台、电机及其控制系统试验台等。该实 验室针对abs做了多方面的研究，其中，在abs控制量、轮速信号抗干扰处理、轮 速信号界点剔除、防抱死电磁阀动作响应研究等方面的研究处于国内领先地位。吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室以郭孔辉院土 为代表的研究人员致力 于汽车操纵稳定性、汽车操纵动力学、汽车轮胎模型、汽车轮胎稳态和非稳态侧偏特性的研究，在轮胎力学模型、汽车操纵稳定性以及人-车闭环操纵 运动仿真等

17、方面的研究成果均达到世界先进水平。华南理工交通学院汽车系以吴浩佳教授为代表从事汽车安全与电了技术及汽 车结构设计计算的研究，在abs技术方面有独到z处，能够建立制动压力函数，通 过车轮地面制动力和整车动力学方程计算出汽车制动的平均减速度和车速;还可 以通过轮缸等效压力函数计算防抱死制动时的滑移率。另外,在滑移率和附着系数 z间的关系、汽车整车技术条件和试验方法方面也有独到见解。济南程军电了科技公司以abs专家程军为代表的济南程军电了科技公司对 abs控制算法研究颇深，著有汽车防抱死制动系统的理论与实践等专著儿木, 专门讲述abs控制算法,是国内abs开发人员的必备资料z-o另外，他们在基于 m

18、at2lab仿真环境实现防抱死控制逻辑、基于vb开发环境进行车辆操纵仿真和车 辆动力学控制的模拟研究等方面也颇有研究。重庆聚能公司产品包括汽车、摩托车系列jn111fb气制动电了式单通道、 jn144fb气制动电了式四通道和jn244fb液压电了式四通道等类型abs装置及其 相关零部件30多个品种，其abs产品已通过国家汽车质量监督检测中心和国家客 车质量监督检测中心的认定，获得国家实用新技术专利，并止式被列为国家火炬项 目计划。西安博华公司主要产品是适用于大中型客车和货车的气压四通道abs和适用 中型面包车的液压三通道abs及其和关零部件。其中bh1203 -fb型abs和bh1101-fb

19、型abs已通过陕四省科委科技成果鉴定和陕四省机械工业局新产品鉴定，认 为该项技术已达到国内领先水平。山东重汽集团引进国际先进技术进行的研究也已取得了一些进展。重庆公路研究所研制的适用于小型汽车的气制动fkx - aci型abs装置已通 过国家级技术鉴定，但各种制动情况的适应性述有待提高。清华大学研制的适用于小型客车的气制动abs由于资源价格和性能上的优势, 陶瓷材料的应用将迅速扩展;金刚石和cbn超硬材料的应用将进一步扩大;新刀具 材料的研制周期会越来越短，新品种新牌号的推出也将越来越快。人们所希望的既 有高速钢、硬质合金的强度和韧性，又有超硬材料的硬度和耐磨性的新刀具材料也 完全有可能出现。

20、本文主要讲述以80c196kc单片机为核心，完成了信号输入回路、输出驱动回 路、电源部分及故障诊断等硬件电路设计，对轮速传感器、电磁阀等的故障检测 电路进行了设计。2防抱死制动系统基本原理2.1制动时汽车的运动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、风的阻力和口身重力的 作用。地面对汽车的作用力乂分为:作用在车轮上垂直于地面的支承力和作用在车 轮上平行于地面的力。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，他的大小决定于路面的纵向附着系数和车轮所受的载荷。所有车轮上所受

21、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，儿乎为零。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來保持汽车的直线行驶方向，如图2-1 (a)行驶方向直线行驶(b) 转弯行驶:磁i图2-1汽车直线和转弯制动时的平面受力简图所示。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

22、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。如上所述，施加适当的制动，能够有效地使汽车停下。制动强度过大，是汽 车发生各种危险运动状况的主耍原因。因此，汽车行驶时，要根据冰路、雪路、 砂石路、坏路、水湿路、干路、直路、弯曲路等道路条件，根据汽车速度、方向 转角等行驶条件进行制动操作，必须时常注意不能让车轮完全抱死。2. 1. 2车轮抱死时汽车运动情

23、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。(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 2-2所示。图2-2 (a)为只右前轮抱死时，由于前轮的转弯力基本为零，无法进行 止常的转向操作。为制动时前轮全部抱死而后轮不抱死汽:车的运动情况示意，当 前轮抱死时转弯力为零，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

24、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 2-2 (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2-2 (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岀，这也是很危险的。(2) 汽车在一种路面上转弯制动车

25、轮抱死时可能出现的运动情况如图2-3所 示。所有这些运动情况若在制动时岀现，都是极其危险的。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，以避免侧滑摩擦力为零。行驶方向(a)前轮额后翔瞬(c)前后轮何林死n开始汽车h线制动车轮抱死时的运动情况(a)前轮抱死(b

26、)斥轮抱死(c)前后轮同时抱死图2-3汽午转弯制动午轮抱死吋的运动情况2. 2滑移率定义通常，汽车在制动过程中存在着两种阻力：一种阻力是制动器摩擦片与制动鼓 或制动盘之间产生的摩擦阻力，这种阻力称为制动系统的阻力，市于它提供制动时 的制动力，因此也称为制动系制动力；另一种阻力是轮胎与道路表面之间产生的摩 擦阻力，也称为地面制动力。地面对轮胎切向反作用力的极限值称为轮胎-道路附 着力，大小等于地面对轮胎的法向反作用力与轮胎-道路附着系数的乘积。如果制 动系制动力小丁轮胎-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-道路附着力，则汽车制动时会岀现车轮抱死和滑移。地面制

27、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岀现滑移。汽车的实际车速与车轮滚动 的圆周速度之间的差异称为车轮的滑移率。滑移率s的定义式为：v-vrcos= = l （2-3）vv&=上虫=丄一竺vv式中:s 滑移率;vt 汽车的理论速度（车轮中心的速度）；3汽车车轮的角速度；r 汽车车轮的滚动半径。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3 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3 = 0时,s = 100 %，车轮完全抱死而作纯滑动；当0 < s <100 %

28、时，车轮既滚动乂滑动。2.3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 %吋，纵向附着数 达到峰值;当滑移率继续增尢纵向附着系数持续下降，一直到车轮抱死（s=100 %）, 纵向附着系数降到一个较低值。另外，随着滑移率增人，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1可以看岀，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 人的侧向附着系数。这样，汽车就能获得最佳的制动效能和方向稳定性。abs即是 基于这一原

29、理而研制的。向附着系数横向附著20*60淆移車图2-4滑移率与附着系数关系实验证明，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一纵向附 着系数z间的关系。图2-5不同路面上纵向、侧向附着系数与滑移率关系曲线由图2-5可以看出，各种路面上的变化的总体趋势是一致的。滑移率和纵向附 着系数z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-样, 并且对应不同路而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，在干燥的路而上下降的快些，在湿滑的路而上略微有些下降。一般干燥洁净的平整水泥

30、、沥青路面纵向峰值附着系数高达0. 8-0.9,而冰雪路而 的纵向峰值附着系数低至0. 1-0. 2o如果这种差别随路而类型的不同变化比较明 显，则在设计abs系统控制方法时，就必须考虑到随路而类型的不同而采取不同的 控制口标和策略。若汽车在同一种类型路而上制动时的初速度不一样，车轮的纵 向附着系数和滑移率z间的关系曲线也会略有不同，制动时的车速越高，车轮的 纵向附着系数越低。但在同一路而上以不同制动初速度制动时车轮的附着系数- 滑移率关系曲线不会有太大变化。总z,对于在一种路而上制动的汽车，车轮附着系数和滑移率z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

31、而 z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。2. 4制动时车轮运动方程制动过程单轮受力如图26所示。图2-6制动过程车轮受力简图制动车轮轴荷与支撑力2平衡，该轮转动惯量j,半径r:,轴心平移速度v,转动角 速度0,制动器制动力矩通常与车轮制动压力成正比系数k,则有地面制动 力打，紧急制动不计滑动阻力。则有制动吋制动力远大于空气阻力和滚动阻力，",兔"，分别为右侧前后轮制动力, 汽车初速为,质量为m(重力g)

32、,质心c到前后轴距离轴距l,轮距b,质心高 hg汽年制动减速为】机牛=%口 +血黏+ ftad + %却仗一 6)前轴载荷后轴载荷(2-7)制动时附加转向力矩ms =(ffcu + 一+甩厂 %“)+ (隔-ffc2r)_(2 - 9)从式(2-4)可知，调节制动压力可以使车轮角减速度产生变化:从式(2-10)计 算制动时的瞬时车速v,可计算各车轮滑移率，从式(2-7) (2-8)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dw/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。2.5采用防抱死制动系统的必要性汽车直线行驶过程屮，突然紧急制动，汽车车轮一下子抱

33、死，汽车仍然向前 行滑，轮胎和地面z间发出吓人的磨擦声，汽车最后终于停了下来。在h常生活 屮，大家都可能遇到过这种现彖。如果汽车发生交通事故，交通警察来了z后首 先总是检查一下汽车制动痕迹，判断司机在事故小是否釆取了制动措施。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， 轮胎和她而的摩擦力（附着力）最大。如果轮胎的滑移率过大的话，附着力反而耍 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z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 彖。由于车轮抱死，汽车的侧向附

34、着力变成了零，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z间的关 系i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z 后，方向盘己经不起作用了，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

35、。上述齐种状态是极其 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。在制动过程小，如果始终能使轮胎的滑移率处于8%25%范围z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。为了达到上述口的， 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， 但仍很难做到，原因是司机不知道车轮什么时候抱死。除此z外，汽车行驶的许 多条件也都在变化z2,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

36、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。当然技术熟练的司机在某种程度上能根据齐种条件合理地操作制动，如 采用点制动。可是一旦遇上紧急状态，大多数人都是一脚踏死制动踏板，使轮胎 抱死为此。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z 内。这样不但提高了车

37、辆行驶的稳定性，增强了车辆方向的可控性，而且缩短了 制动距离。2. 6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牛抱死状态的。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，简单说明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2-7所示。汽车开始制动时，驾 驶员踩下制动踏板，制动管路屮油压由零开始上升，制动器使车轮上产生制动力 矩，同时产生地而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

38、，车轮减速度也增大。当车轮减速度的值达到 规定的门限值p时，产生减压信号，图2-71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，车轮减速度仍然下降一段时间，然后开 始减小并小于门限值p时，图2-72点，产生保压信号，abs保持制动油压不变，车轮由减速状态进入加速状态，车轮速度开始回升并靠近车速，当车轮加速 度值达到设定的门限值乜时，图2-73点，产生升压信号，abs使制动油压上升，车轮加速度在上升一段时间后开始减小，车轮由加速状态又进入减速状态， 并再次进入另一个控制循环。abs通过这样的控制过程可以使车轮的速度控制在一 定的范围内而不产生抱死。这种控制方法的关键在于对车

39、轮加、减速度门限值的 设定，合适的门限值可以使车轮的运动状态控制在比较理想的范帀内。但显然门 限值的确定需耍大量的试验来确定。除了设定车轮加减速度门限值z外，述可以 根据控制质量和路而类型的不同设定不同的门限值来提高控制的质量，如参考滑 移率门限值等。在abs屮，每个车轮上齐安置一个转速传感器，将齐车轮转速信号输入电子 控制装置ecu. ecu根据齐车轮转传感器输入的信号对齐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

40、轮缸的制动压力进 行调节。图2-7基于车轮加减速度逻辑门限值控制方法的abs系统油压控制循环图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，齐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， 而齐制动轮缸至储液器的制动管路均处于封闭状态，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。在制动过程屮，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

41、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，当ecu判定右前 轮趋于抱死时，ecu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，制动主缸输岀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，右前制动轮缸屮的制动液也不会流岀，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圧力的增大而增大，如果在右前制动轮缸的制动压力保持一 定时，ecu判定右前轮仍然趋于抱死，ecu又使右前出液电磁阀也通电而转入开启 状态，右前制动轮缸屮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

42、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己经完全消除时，ecu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，由制动主缸输岀的制动液和电动泵通电运转，向制动轮缸 泵送制动液，由制动主缸输岀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 一减小一增大过程，而将趋

43、于抱死车轮的滑移率控制在峰值附着系数滑移率的上 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3-20hzo在该abs >|«对应于每一个制动 轮缸各有一对进液和出液电磁阀，可由ecu分别进行控制，因此，齐制动轮缸的 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。3防抱死制动系统硬件设计3. 1防抱死制动系统的布置形式与组成3. 1. 1防抱死制动系统的布置形式abs系统屮，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

44、 两以上）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，则称这种控制方式为 按低选原则一同控制。按照控制通道数目的不同，abs系统分为四通道、三通道、双通道和单通道四 种形式，而其布置形式却多种多样。四通道abs对应丁双制动管路的h型（前后）或x型（对角）两种布置形式，四通道abs也 有两种布置形式，见图3-l（a,b）o（a）控制通道(b)l轮速传感器图 3-1 (a, b)为了

45、对四个车轮的制动压力进行独立控制，在每个车轮上各安装一个转速传感 器，并在通往各制动轮缸的制动管路屮各设置一个制动压力调节分装置（通道）。由于四通道abs可以最大程度地利用每个车轮的附着力进行制动，因此汽车的 制动效能最好。但在附着系数分离(两侧车轮的附着系数不相等)的路而上制动时, 由于同一轴上的制动力不相等，使得汽车产生较大的偏转力矩而产生制动跑偏。 因此，abs通常不对四个车轮进行独立的制动压力调节。(2) 三通道abs需要全套答辩通过的设计，或按任务书要求定 做的同学，请联系qq©或 qq©.请扫描加qq四轮abs大多为三通道系统，而三通道系统都是对两前轮的制动压力

46、进行单独 控制，对两后轮的制动压力按低选原则一同控制，其布置形式见图3-l(c)、(d)、 (e) o(c)(d)(e)控制通道 u轮速传感器图 3-1 (c) > (d)、(e)图(c)所示的按对角布置的双管路制动系统中，虽然在通往14个制动轮缸的制 动管路中各设置一个制动压力调节分装置，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的，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，对丁后轮驱动的汽车可以在变速器或主减速器中只设置一个转速传感 器来检测两后轮的平均转速。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

47、着力大很多(前置前驱动汽车的前轮附着力约占汽车总附 着力的70%80%) o对前轮制动压力进行独立控制，可充分利用两前轮的附着力对 汽车进行制动，有利于缩短制动距离，并且汽车的方向稳定性却得到很大改善。 本设计就是为三通道abs。(3) 双通道abs图3-1 (q所示的双通道abs在按前后布置的双管路制动系统的前后制动管路 中各设置一个制动压力调节分装置，分别对两前轮和两后轮进行一同控制。两前 轮可以根据附着条件进行高选和低选转换，两后轮则按低选原则一同控制。对于后轮驱动的汽车，可以在两前轮和传动系中各安装一个转速传感器。当在 附着系数分离的路面上进行紧急制动时，两前轮的制动力和井很大，为保持

48、汽车 的行驶方向，驾驶员会通过转动转向盘使前轮偏转，以求用转向轮产生的横向力 与不平衡的制动力相抗衡，保持汽车行驶方向的稳定性。但是在两前轮从附着系 数分离路面驶入附着系数均匀路面的瞬间，以前处于低附着系数路面而抱死的前轮的制动力因附着力突然增大而增大，由于驾驶员无法在瞬间将转向轮回正，转 向轮上仍然存在的横向力将会使汽车向转向轮偏转方向行驶，这在高速行驶时是 一种无法控制的危险状态。控制通道(9)u轮速传感器图 3-1(f) (g)图3-1 (g)所示的双通道abs多用于制动管路对角布置的汽车上，两前轮独立 控制，制动液通过比例阀(p阀)按一定比例减压后传给对角后轮。对于采用此控制方式的前轮

49、驱动汽车，如果在紧急制动吋离合器没有及时分 离，前轮在制动压力较小吋就趋于抱死，而此吋后轮的制动力还远未达到其附着 力的水平，汽车的制动力会显著减小。而对于采用此控制方式的后轮驱动汽车， 如果将比例阀调整到正常制动情况下前轮趋于抱死吋，后轮的制动力接近其附着 力，则紧急制动吋由于离合器往往难以及吋分离，导致后轮抱死，使汽车丧失方 向稳定性。rtr丁双通道abs难以在方向稳定性、转向操纵能力和制动距离等方面得到兼 顾，因此目前很少被采用。(4) 单通道abs所有单通道abs都是在前后布置的双管路制动系统的后制动管路屮设置一个 制动压力调节装置，对于后轮驱动的汽车只需在传动系屮安装一个转速传感器，

50、 如图 3-1 (h)o控制通道l轮速传感器图 3-1 (h)单通道abs 一般对两后轮按低选原则一同控制，其主要作用是提高汽车制动时 的方向稳定性。在附着系数分离的路面上进行制动时，两后轮的制动力都被限制 在处于低附着系数路面上的后轮的附着力水平，制动距离会有所増加。由于前制 动轮缸的制动压力耒被控制，前轮仍然可能发生制动抱死，所以汽年制动时的转 向操作能力得不到保障。但rtr丁单通道abs能够显箸地提高汽车制动时的方向稳定性，又具有结构简 单、成木低的优点，因此在轻型货车上得到广泛应用。3.1. 2防抱死制动系统的基本组成abs系统主要由传感器、电子控制单元(ecu)和电磁阀三部分组成，其

51、系统原 理结构组成图如图3-2所示。传感器一般安装在车轮上以测量车轮的转速，传感 器一般为磁电感应式。abs工作时ecu接收传感器送来的车轮信号，一般为符合 ecu电压要求的矩形电压波，然后固化在ecu中的程序根据各个车轮的速度來决定 对各个车轮的制动液压力如何调节，并输出相应的控制信号给各个车轮的液压控 制单元。液压控制单元接收到信号后对车轮分泵的压力进行调节。传感器的作用 是为ecu提供车轮的运动情况，ecu是abs系统的控制中心，ecu中固化的程序实 际上是abs的控制方法，而液压控制单元是abs控制方法的执行机构。113-2 (a) abs系统的组成(分置式)1、前轮速度传感器2、制动

52、压力调节装置3、abs电控单元4、abs警告灯5、 后轮速度传感器6、停车灯开关7、制动主缸8、比例分配阀9、制动轮缸10、 蓄电池11、点火开关电子控制单元ecu前轴右轮 速度传感器制动总泵i bn后轴右轮 速度传感器3-2 (b)系统原理结构框图 图3-2 abs系统的组成轮速传感器是汽车轮速的检测元件，它能产生频率与车轮速度成正比的近似 正弦电信号，abs控制单兀根据处理后的信号计算车轮速度。电子控制单元是整个 防抱死制动系统的核心控制部件，它接受车轮速度传感器送来的频率信号，通过 计算与逻辑判断产生相应的控制电信号，操纵电磁阀去调节制动压力。定性的来 说，就是当车轮的滑移率不在控制范围

53、z内时，ecu就输岀一个控制信号，命令电 磁阀打开或闭合，从而调节制动轮缸压力，使轮速上升或下降，将汽车车轮滑移 率控制在一定范围z内，实现汽车的安全、可靠制动。电子控制单元原理图如图 33所爪。电磁阀是防抱死制动系统的执行部件，在没有控制信号的情况下，该制动系 统相当于常规制动系统，直接输出最大制动压力；当ecu向电磁阀发出控制信号时, 电磁阀动作，对轮缸压力进行调节，从而调节车轮的滑移率，使制动力在接近峰 值区域内波动，但又不达到峰值制动力，实现最佳制动效率。abs就是在汽车制动过程屮不断检测车轮速度的变化，按-定的控制方法，通 过电磁阀调节制动轮缸压力，以获得最高的纵向附着系数，使车轮始

54、终处于较好 的制动状态。图3-3原理结构框图3.2 80c196kc最小系统汽车防抱死制动系统是一个典型的计算机控制系统，其核心部分是电子控制 单元。它一方面负责将传感器信号aid转换或将数字输入信号采集到计算机的内 存中去进行分析处理，另一方面要将控制命令通过d/a转换或数字输出去张动作 动系统，而电子控制单元内部cpu通过软件编程来实现各种控制算法，所以电子 控制单元是控制系统的关键，它的实现取决于所选取的计算机的类型。相对于abs 系统，对基于车轮滑移率的控制方式而言，输入电子控制单元的信号是速度脉冲, 它由传感器采集感应出正弦信号，经过模拟电路的滤波整形修正为标准的系列方波信号，然后通

55、过单片机的定时/计数器端口或数字输入端口输入到单片机内存屮 去。单片机内部的微处理芯片将输入的各个轮速信号按一定的算法进行计算，如 计算车辆参考速度和车轮角减速度，根据这些值的大小确定出相应的控制命令， 即压力增加、压力减小及压力保持，然后将控制信号通过数字输出端口输出，经 过模拟电路的驱动功率放大就可以直接驱动电磁阀，进而控制制动压力。同时输 出的信号小述包括报警指示等。就口前而言，实现汽车的控制系统一般采用单片计算机，在开发阶段也有采 用通用cpu的，采用cpu在于可以利用cpu强大的软、硬件资源以及网络功能实 现复朵的控制算法、高效的编程手段以及高速的运算速度。但作为研制的最终产 品，无

56、一例外都采用单片机作为电子控制单元的核心。由于单片机体积小，重量轻，高可靠性，价格低廉，使用方便，因此i分适 用于开发汽车电子系统。早期的汽车控制系统采用八位单片机，口前已过渡到| 六位，有些系统如发动机管理系统已开发采用32位cpu。口前防抱死系统采用较 多的单片机是摩托罗拉(motorola).英特尔(intel)、德州仪器(ti)公司及西 门子(siemens) 16位单片机。选用单片机要充分利用齐种外部端口的资源，同时要利用内部的存贮器、屮 断，充分发挥它的运算速度，应根据以下几个原则选择abs控制的单片机。(1) cpu的运算速度cpu的时间一般消耗在数学运算过程小，特别是32位的浮

57、点数计算，计算时 间成倍的增加，一般情况下应避免采用浮点数计算，因为abs系统要求计算频率 非常高，一般5毫秒到10毫秒z间，cpu要完成齐种计算，例如加减速度、参考 滑移率等，这种计算都是实时完成的。(2) 内外部存贮器同样的cpu类型其内、外部数据与程序存贮器也是多样的，所以电子控制单 元要根据需要选择不同的内、外部存贮器，同时编程时要提高内存利用率，多用 通用的变量，少定义专用的变量，以节省内存。口前abs系统的程序容量一般在 8k-32kz间，内存数据储存器在256个字节以上。进入90年代，已大批量使用带 有rom, eprom, eeprom, flash eeprom和一次写入(o

58、pt型)的单片机。它真正符 合了单片机的小型、简单、可靠、廉价的设计初衷。(3) 输入、输出端口资源输入输出端口要充分的利用，如果使用不足则浪费了资源，外部总线8位单 片机u0资源太少，无法用于ass系统，外部总线16位基本能满足abs系统的要 求。3. 2. 1 cpu 简介本文屮单片机选用了 mcs-%系列产品小的80c196kco 80c196高性能16位单片 机是intel公司继80%z后推出的一系列高性能chm0s16位单片机，它特别适合要 求很高的实吋控制场合，口前，已成功地应用于汽车上，诸如点火，燃料等控制 52, 53, 55chmos芯片耗电少，除正常工作外还可工作于2种节电方式:待机方式和掉电 方式，进一步减少了芯片的功耗.mc-196家