ABS防抱死制动系统的课程设计报告书

1、 . . . 毕业设计（论文）（说 明 书）题 目：ABS防抱死制动系统的设计姓 名：编号： 年 月 日毕业设计 （论文） 任 务书专业任 务 下 达 日 期年月日设计（论文）开始日期年月日设计（论文）完成日期年月日设计（论文）题目：ABS防抱死制动系统的设计 A·编制设计B·设计专题（毕业论文）指 导教师系（部）主 任 年 月 日毕业设计（论文）答辩委员会记录 专业，学生于年月日进行了毕业设计（论文）答辩。设计题目：专题（论文）题目：指导老师：答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，经答辩委员会讨论评定，给予学生 毕业设计（论文）成绩为。答辩委员会

2、人，出席 人答辩委员会主任（签字）：答辩委员会副主任（签字）：答辩委员会委员：，毕业设计（论文）评语第页共页学生：专业 年级毕业设计（论文）题目：ABS防抱死制动系统的设计 评阅 人：指导教师：（签字） 年 月 日成 绩：系（科）主任：（签字） 年 月 日毕业设计（论文）与答辩评语：29 / 37摘要ABS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，是一种新型的汽车电子控制产品，并得到了越来越广泛的应用。本文以轿车为研究对象，展开对汽车ABS的研究。主要完成了以下的工作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；通过比较电磁感应式轮速传感器和霍尔效应传

3、感器的性能优缺点，采用并设计了霍尔效应式轮速传感器；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、驱动电路等硬件部分；经比较各种控制方案，确定了“逻辑门限制法”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，轮速传感器，霍尔传感器ABSTRACTAnt

4、i-lock Braking System (ABS) is an important device to improve the active safety of vehicle. ABS can greatly improve steering control ability during the brake maneuver and shorten stopping distance. Today with the improvement of the vehicle speed, ABS is applied widely.With the car as the research ob

5、ject, the research on ABS has been carried on. And a series of work were finished。The dynamic situation of wheel was analyzed. Then, the model of hydraulic ABS was built and assured main complication affect the wheeler appendiculate coefficient.By comparing the capability of electromagnetism rotate

6、speed sensor with Houer rotate speed sensor, we chose the later, and have designed a sensor of this kind.Via analyse the control system structure, we have designed a real-time system with the singlechip 80c196kc produced by Intel company .It comprises with signal input, singlechip system, output, dr

7、ive electro circuit and otherwise parts of hardware segment.After comparing the different projects of  the controllers, the method of logic rate has been comfirmed, and the combination of acceleration and slippage rate as been chose as control parameters. The time gate method to calculate the w

8、heel rotate speed was adopted.In this paper, based on the knowledge I have mastered, I designed a ABS system and realized the control function in theory, accomplished my assignment. I have gotten a in-depth understand of motorcar trig theory and equipment. It widen my knowledge scope, improved my ab

9、ility of solving problems.KEY WORDS:ABS    electronic control    slippage gate     rotate speed sensor目录摘要IABSTRACTII第1章 防抱死系统的概述11.1 防抱死系统的功能11.2 ABS系统发展史11.3 防抱死系统的发展趋势61.4 国ABS系统研究的理论状态和具有代表的ABS产品公司6第2章 防抱死制动系统的基本原理82.1 汽车制动时的运动状况82.1.1 制动时车轮受力分析8

10、2.1.2 车轮抱死时汽车的运动情况92.2 滑移率102.3 滑移率和附着系数关系112.4 采用防抱死制动的必要性122.5 ABS的工作原理14第3章 防抱死制动系统硬件设计163.1 防抱死制动系统的布置形式与组成163.1.1 防抱死制动系统的布置形式163.1.2 防抱死制动系统的基本组成173.2 80C196KC最小系统183.2.1 CPU简介193.2.2 时钟电路设计193.3 防抱死制动系统轮速传感器选择203.3.1 霍尔传感器的设计223.3.2 霍尔开关电路的选择233.4 防抱死制动调压系统工作过程233.5 电源设计253.6 信号输入电路设计273.7 AB

11、S系统报警LED灯设计29第4章 防抱死制动系统发展方向30第5章 总结32致33参考文献34第1章 防抱死系统的概述在汽车制动时，如果车轮抱死滑移，车轮与路面间的侧向附着力将完全消失。如果只是前轮(转向轮)制动到抱死滑移而后轮还在滚动，汽车将失去转向能力。如果只是后轮制动到抱死滑移而前轮还在滚动，即使受到不大的侧向干扰力，汽车也将产生侧滑(甩尾)现象。这些都极易造成严重的交通事故。因此，汽车在制动时不希望车轮制动到抱死滑移，而是希望车轮制动到边滚边滑的状态。由试验得知，汽车车轮的滑动率在1520时，轮胎与路面间有最大的附着系数。所以为了充分发挥轮胎与路面间的这种潜在的附着能力，目前在大多数车

12、辆上都装备了防抱死制动系统(Antilock Brake System)，简称ABS。1.1 防抱死系统的功能ABS的功能即在车轮将要抱死时，降低制动力，而当车轮不会抱死时又增加制动力，如此反复动作，使制动效果最佳。1.2 ABS系统发展史ABS系统的发展可以追溯到上世纪初期，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（L

13、INCOIN）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性也难于保证，控制效果并不理想。 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年代后期和70年代初

14、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”两轮制动防抱系统，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(THUNDERBIRD）和大陆·马克III（CONTINENTALMKIII）轿车上。 克莱斯勒公司与本迪克斯（BENDIX）公司合作研制的称为“SURE-TRACK”的能防止4个车轮被制动抱死的系统，在1971年开始装备帝国（IMPERIAL）

15、轿车，其结构原理与凯尔塞·海伊斯的“SURE-TRACK”基本一样，两者不同之处，只是在于两个还是四个车轮有防抱制动。博世公司和泰威士（TEVES）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制压力进行调节。 别克（BUICK）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. 瓦布科（WABCO）公司与奔驰（BENZ）公司合作，在1975年首次将制动防抱系统装备在气压制动的载货汽车上。 第一台防抱死制动系统ABS

16、(Anti-lock Brake System)，在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、美国与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、红彗星与克莱斯勒的帝王、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

17、朗、淑女300Z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。 现今全世界已有本迪克斯、波许、摩根.戴维斯、海斯.凯尔西、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。 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。 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

18、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车公司相继研制了形式多详的ABS系统。 “自动防抱死刹车”的原理并不难懂，在遭遇紧急情况时，未安装ABS系统的车辆来不与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

19、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。 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）。ABS系统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论值，达到最佳刹车效果。 ABS的运作原理看来简

20、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 Möhl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

21、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

22、一次出现！世界上第一具ABS原型机于1966年出现，向世人证明“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，而且控制单元的组件超过1000个，不但成本过高也很容易发生故障。 1973年Bosch公司购得50的Teldix GmbH公司股权与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A

23、BS 1采用模拟式电子组件， ABS 2系统完全以数字式组件进行设计，不但控制单元组件数目从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级与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。到了

24、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，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。 1986年是另一个值得纪念的年份，除了Bosch公司庆祝售出第100万套ABS系统外，更重要的是Bosch推出史上第一具供民用车使用的TCS/ ASR循迹控制系统。TCS/ ASR的作用是防止汽车起步与加速过程中发生驱动轮打滑，特别是防止车辆过弯时的驱动轮空转，并将打滑控制在10到20围。由于ASR是通过调整驱动轮的扭矩来控制，因而又叫驱动力控制系统，在日本又称之为TRC或TRAC。 ASR和ABS的工作原理方面有许多共同之处，两者合并使用可形成更佳效果，构成具有防车轮抱死

25、和驱动轮防打滑控制(ABS /ASR)系统。这套系统主要由轮速传感器、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、加速与行进过程中，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，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围。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。 随着ABS系统的单

26、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），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。 1990年代前半期ABS系统逐渐开

27、始普与于量产车款。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第1000万套ABS系统。 ABS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：ESP（Electronic 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

28、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）与横向加速度传感器（测量过弯时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。 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

29、就正式宣布全车系都将ESP列为标准配备。在此同时，Bosch于1998与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系统与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。 “ABS系统大幅度提升刹车稳定性同时缩短刹车所需距离”Robert Bosch G

30、mbH（Bosch公司的全名）董事会成员Wolfgang 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与其衍生的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名北美驾驶人的性命！ 从ABS到ESP，汽车工程师在提升行

31、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。 1.3 防抱死系统的发展趋势ABS技术已进入全新的发展时期，ABS作为制动控制系统的一个子系统，其控制功能和使用围正在不断扩大;随着新理论、新材料、新技术等的不断应用，结构更简化、性能更强、成本更低的ABS产品将不断推出，汽车安全性也将因此得到进一步的改善和提高1.4 国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、公路研究所、公路学院、清华大学、大学、理工大学、汽车制动和

32、重汽集团等。具有代表性的有以下几个。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与翻转试验台、模拟人与标定试验台、Kodak 高速图像运动分析系统、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与工况模拟器、计算机工作站与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、电机与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、轮速信号异点剔除、防抱死电磁阀动作响应研究等

33、方面的研究处于国领先地位。大学汽车动态模拟国家重点实验室以郭孔辉院士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、汽车操纵稳定性以与人- 车闭环操纵运动仿真等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子技术与汽车结构设计计算的研究,在ABS 技术方面有独到之处,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之间的关系、汽车整车技术条件和试验方法方面也有独到

34、见解。程军电子科技公司以ABS 专家程军为代表的程军电子科技公司对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几本,专门讲述ABS 控制算法,是国ABS 开发人员的必备资料之一。另外,他们在基于MAT2LAB 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。聚能公司产品包括汽车、摩托车系列JN111FB 气制动电子式单通道、JN144FB 气制动电子式四通道和JN244FB 液压电子式四通道等类型ABS 装置与其相关零部件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,

35、获得国家实用新技术专利,并正式被列为国家火炬项目计划。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 与其相关零部件。其中BH1203 -FB 型ABS 和BH1101 - FB 型ABS 已通过省科委科技成果鉴定和省机械工业局新产品鉴定,认为该项技术已达到国领先水平。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。公路研究所研制的适用于中型汽车的气制动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还有待提高。清华大学研制的适用于中型客车的气制动ABS由于资源价格和性能上的优势,瓷材料的应用将迅速扩展;金刚石

36、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。第2章 防抱死制动系统的基本原理2.1 汽车制动时的运动状况2.1.1 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车速或直到停车。这个外力只能山地面和空气提供。但山于空气阻力相对较小，所以实际上外力主要山地面提供的。与轮胎接触的路面给相应车轮提供厂地面制动力。但是地面制动力取决于两个摩擦副的摩擦力;一个是制动器制动蹄摩擦片与制动鼓间的摩擦力一一制动器的制动力，

37、另一个是轮胎与路面间的摩擦力附着力(地面制动力)图2-1为车轮在制动时受力情况示意图，地面制动力可由下式确定式(1)中，Fb地面制动力(N )； M制动器摩擦力矩(Nm)制动器制动力相当于将汽车架离路面，并踩住制动踏板，在轮胎周缘沿切线方向推动车轮直至它能转动所需的力，可有(2)式确定（2）式(2)中：F制动器制动力(N)当制动踏板力较小，制动器摩擦器力矩不大，路面与轮胎之间的摩擦力一一地面制动力足以克服制动器就等于制动器动力，且随踏板的增长而增长，但地面制动力是浴动摩擦的约束反力，它的值不能超过附着力，即:式（3）、(4)中: F地面附着力(N); G车轮上的垂直载荷(N); 地面附着力系数

38、(路面附着力与垂直载荷之比。汽车的地面制动力首先取决于制动器制动力，同时受地面附着条件的限制，当路面能提供足够高的附着力时，才能获得足够高的地面制动力2.1.2 车轮抱死时汽车的运动情况汽车在行驶过程中，会有各种不同的行驶状况，制动时也同样。汽车在直线行驶时，制动过程会出现几种不同的运动情况：1、前轮抱死。由于汽车发动机一般情况下布置在前部，因而前部负荷大，所以汽车设计时，前后轮制动力分配比例不同，这和前后轮驱动力分配概念十分相似。如果制动力分配给前轮的比较大时，汽车逐渐加强制动后前轮首先抱死。抱死的前轮会失去侧向力，而后轮没有抱死，仍能产生充分的侧向力。结果不论前轮转到哪个方向汽车也不会转向

39、，一直向前运动直到汽车停车。假如此时汽车正在处于转向过程中，汽车将会沿弯道切线方向冲出道路。这是一种比较理想的制动情况。2、后轮抱死。如果制动力分配给后轮比较大时，汽车加强制动，后轮首先抱死。这时失去侧向力的是后轮，后轮将会产生横向打滑，并使汽车绕自身重心旋转，一直到停车为止。我们在电影和电视剧中常见的汽车漂移，就是利用这个道理。这种情况是不理想的。3、前后轮同时抱死。如果前后轮制动力分配得非常巧妙的话，当汽车制动时，前后轮将会同时出现抱死。这时，前后轮全都失去了侧向力，无论哪个方向，汽车对地面的摩擦力都是一样的。所以在车轮抱死之后，汽车仍然会按车轮抱死前的运动路线继续向前行驶。如果是在转弯过

40、程中，汽车的车头仍然保持转向运动，但是汽车的重心是沿直线方向前进，直到停止。综合以上所述，由于前后轮制动力分配比例不同，在紧急制动时，汽车的运动状态大不一样。当然在制动时最好不要踩死制动踏板，而应调整踏动制动踏板的力度，使各个车轮不要抱死。然而一旦出现紧急状况，不得不紧急制动，上述现象仍然不可避免。我们比较一下以上三种制动力分配比例哪一种比较安全。1前后轮不抱死汽车方向能够操纵。由于车轮仍然处于滚动状态，仍能操纵汽车的行驶方向。所以在制动过程中仍可躲避行驶前方的障碍物，在转弯时仍然可以适当地制动。现在汽车上装备的ABS防抱死制动系统已经可以达到这个目的。2前轮抱死直线前进，最终停车。由于是在弯

41、道上，此时怎么转动方向盘也无济于事，汽车直线向前行驶，最后因制动力作用使汽车停车。这种现象一般出现在前轮制动力比较大的汽车上，也就是说，后轮不容易抱死的车辆上。3前后轮同时抱死维持原运动状态。前后轮同时抱死之后，汽车能维持原运动方向。在直线行驶时，前后轮同时抱死之后汽车仍维持直线前进，最后停车。在转弯过程中，前后轮抱死之后，汽车仍能保持原转向方向并慢慢转弯，但汽车重心的运动方向是直线前进，直到停车。在停车前，方向盘不起作用。这时，汽车不会发生旋转，驾驶员和乘客在车上怎样运动与汽车前进方向无关。4后轮抱死汽车发生旋转，直到停车。因为是在转向过程中，汽车发生旋转现象是极其危险的。如果这个时候驾驶员

42、慌慌地松开制动踏板的话，车轮又会重新恢复侧向力，汽车突然停止旋转运动，开始直线行驶。但是那个时候的汽车行驶方向只有天知道2.2 滑移率在制动时，汽车的制动距离与汽车受到的地面制动力大小有关。当制动踏板力较小，且未达到某一极限值时，制动器的摩擦力距不大，地面与轮胎间的摩擦力，即地面制动力足以克服制动器摩擦力距而迫使车轮滚动。显然车轮滚动时的地面制动力就等于制动器制动力，且随踏板力的增长成比例地增加。 由于地面制动力是滑动摩擦的束反力，它的最大值不能超过附着力，如设xb为地面制动力， 即xbZ或地面最大制动力xbmaxZ，其中z为汽车对地面的垂直载荷， 系数 为路面附着系数。 设路面附着系数为一常

43、数， 则当制动踏板力或制动系压力上升到某一值， 而地面制动力xb达到最大值xbmaxZ时， 车轮即抱死不转而出现拖滑现象， 地面制动力就不会再增加了。此时若想提高地面制动力以期获得更大的制动效果，只有提高路面附着系数。 由此可见，汽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，所以，只有汽车具有足够的制动器制动力，同时地面又能提供较高的附着系数时，才有可能获得足够的地面制动力。 在实际制动过程中， 路面附着系数不是一个固定常数， 而是与车轮滑动程度有关的变量。车轮的滑动程度一般可用滑移率来表示，即式中： s滑移率；v车轮中心的平移速度；车轮转动角速度；r设有地面制动力时的

44、车轮滚动半径。 2.3 滑移率和附着系数关系车轮滑移率的大小对车轮与地面间附着系数有很大影响。通过试验，附着系数与滑移率的关系见图2-2所示从图2-2中可以看出：图2-2车轮滑移率 1.附着系数随路面性质不同呈大幅度变化。一般来说，干燥路面附着系数大，潮湿路面附着系数小，冰雪路面附着系数更小。 2.在各种路面上，附着系数都随滑移率的变化而变化。各曲线的趋势大致一样，只有积雪路面滑移率在靠近100时会上升。图2-3滑移率s和附着系数的关系为了方便说明附着系数与滑移率的关系，以典型的干燥硬实路面上附着系数与滑移率的关系进行介绍，见图2-3所示。图中实线为制动时纵向附着系数和车轮滑移率的一般关系，虚

45、线为横向附着系数和车轮滑移率的一般关系。同时给出车轮的横向（侧向）附着系数y。横向附着系数是研究汽车行驶稳定性的重要参数之一。横向附着系数越大，汽车制动时方向稳定性和保持转向控制能力越强。从图中可以看出，当滑移率为零时，横向附着系数最大；随着滑移率的增加，横向附着系数越来越小。当车轮抱死时，横向附着系数几乎为零，此时导致横向附着力几乎为零，其危害是较大的，主要是：（1）方向稳定性差。（2）失去转向控制能力2.4 采用防抱死制动的必要性1直线行驶中的制动 汽车直线行驶过程中，突然紧急制动，汽车车轮一下子抱死，汽车仍然向前滑行，轮胎和地面之间发出吓人的磨擦声，汽车最后终于停了下来。在日常生活中，大

46、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刹车痕迹，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。这反映了一般人的头脑里，存在着一种根深蒂固的错误概念，仿佛车轮不抱死，该汽车的制动器就不好用似的。 这是不正确的。当轮胎的滑动率在10%-20%时，轮胎和地面的摩擦力（附着力）最大。如果轮胎的滑动率过大的话，附着力反而要降低。如果司机能控制轮胎的滑动率，使其在制动期间始终处于10%-20%围之，汽车将在更短的制动距离停车。 转向时的制动 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。由于车

47、轮抱死，汽车的侧向附着力变成了零，汽车轮胎出现侧向滑动，汽车丧失了控制方向的能力，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，轮胎的滑动率增加，侧向附着力逐渐减速小。 最后，当轮胎的滑动率达到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，方向盘已经不起作用了，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

48、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。 最佳制动系统 在前面两部分里，介绍了在制动过程中，如果始终能使轮胎的滑动率处于10%-20%围之的话，汽车将在最短的制动距离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，但仍很难做到，原因是司机不知道车轮什么时候抱死了。 当然，司机在驾驶室根本看不到车轮是否抱死，至于按一定轮胎滑动率去操

49、作制动，那更不是凡人所能达到的境界了。 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。当然技术熟练的司机在某种程度上能根据各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。上述三者的结合体就是我们要介绍的防抱死制动系统（ABS

50、）2.5 ABS的工作原理1制动压力上升阶段为了达到最佳制动，当车轮达到预定转速后，需再次增加制动压力，电子控制单元使常开阀断电开启，常闭阀处于断电状态，见图4所示。图2-4常开阀开、常闭阀关，制动压力增大2制动压力保持阶段当被制动的车轮趋于抱死时，车轮转速传感器发出车轮有抱死危险的信号，电子控制单元向液压控制单元发出“保持压力”的指令，给常开阀通电使其断开，常闭阀处于无电状态仍保持关闭。制动液通往轮缸的通道被切断，在常开阀和常闭阀之间，制动压力保持不变，见图2-5所示图2-5制动压力保持阶段3制动压力下降阶段即使制动压力保持不变，如果车轮进一步减速，仍出现车轮抱死趋势，则必须降压如图2-6图

51、2-6常开阀关、常闭阀开，制动压力下降第3章 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；如果对俩个或俩个以上车轮的制动压力一同进行调节，则称这种方式为一同控制。在俩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

52、同，ABS系统分为四通道、三通道、双通道和单通道四种形式，而布置形式多种多样。1.四通道式图3-1 四通道2.三通道一般三通道ABS是对两前轮进行独立控制，两后轮按低选原则进行一同控制，因此有的称之为混合控制。图3-2 三通道3.双通道二通道式ABS通常称为双通道ABS。为了减少制动压力调节部分装置的数量，降低系统成本，也有采用双通道ABS。图3-3 双通道4单通道一通道ABS常称为单通道ABS。它在后轮制动器总管中设置一个制动压力调节器，在后桥主减速器上安装一个轮速传感器（也有在两后轮上各安装一个传感器），一通道ABS一般都是对两后轮按低选原则进行一同控制。一通道ABS不能使两后轮的附着力得

53、到充分利用，因而制动距离不一定会明显缩短。另外前轮制动分泵的压力并未进行控制，制动时前轮仍会出现抱死，因而转向操纵能力也未能得到改善。但由于制动时两后轮并未抱死，能够显著地提高制动时的方向稳定性，在安全上是一大优点，加之具有结构简单、成本低等优点，所以一通道ABS目前在一些轻型载货车上仍广泛应用图3-4单通道3.1.2 防抱死制动系统的基本组成 通常，ABS是在普通制动系统的基础上加装车轮速度传感器、ABS电控单元、制动压力调节装置与制动控制电路等组成的，如下图3-5。图3-5防抱死制动系统基本组成3.2 80C196KC最小系统 80C196KC的一种常见的封装形式是68

54、脚PLCC封装。它的各脚的名称（作用）会在我下面画的图3-6中给出，这里不再赘述。各脚的电气特性分别是：输入型：2脚、3脚、13脚、16脚、43脚、63脚、66脚、67脚，HS1口的24脚、25脚，P0口的4脚、5脚、6脚、7脚、8脚、9脚、10脚、11脚。输出型：40脚、41脚、61脚、62脚、64脚、65脚，HS0口的28脚、29脚、34脚、35脚。图3-6 80C196KC双向型：P1口的19脚、20脚、21脚、22脚、23脚、30脚、31脚、32脚，P2口的15脚、17脚、18脚、33脚、38脚、39脚、42脚、44脚，P3口的53脚、54脚、55脚、56脚、57脚、58脚、59脚、6

55、0脚，P4口的45脚、46脚、47脚、48脚、49脚、50脚、51脚、52脚，HS1口的26脚、27脚。电源型：1脚、12脚、14脚、36脚、37脚、68脚。其中，2脚、16脚、40脚、41脚、61脚的逻辑电平是低电平有效，65脚为时钟信号输出脚。3.2.1 CPU简介 CPU中的算术逻辑单元不采用常规的累加器结构，改用寄存器-寄存器结构。CPU的操作直接面向256字节的寄存器，消除了51单片机中存在的累加器的瓶颈问题，提高了操作速度和数据吞吐能力。3.2.2 时钟电路设计CAN总线接口电路CAN总线接口由PHILIPS公司的独立总线控制器SJA1000和接口芯片82C250组成。S

56、JA1000在软件上和引脚上都是与它的前款PCA82C200独立控制器兼容的，并增加了许多新功能：标准帧数据结构和扩展帧数据结构，并且这2种帧格式都具有单/双接收过滤器；64字节的接收FIFO；可读错误计数器和可编程的出错警告界限以与仅听模式和自测试模式等。硬件连接上比较简单：SJA1000的数据地址总线是分时复用的，可以直接与80C196KC的P3口连接，对应控制线相连即可。需注意的是，80C196KC是Intel公司的处理器，因此SJA1000工作在Intel方式，mode引脚应接电源正端，另外单片机的外部中断只有正跳变有效，而SJA1000的中断信号是低电平有效，因此需反相后才能连接单片

57、机中断引脚。82C250器件提供对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力，其RS引脚允许选择3种不同的工作方式：高速、斜率控制和待机。在低速和总线长度较短时，一般采用斜率控制方式，限制上升和下降斜率，降低射频干扰，斜率可通过由RS引脚至地连接的电阻进行控制。通信信号传输到导线的端点时会发生反射，反射信号会干扰正常信号的传输，因而总线两端通常应接有终端电阻，以消除反射信号，其阻值约等于传输电缆的特性阻抗，一般取120。数字信号采集电路电液伺服实验台需要采集的物理量之一是液压缸的位移，实验室现有装备的位移传感器有2种：感应同步器和旋转光电编码器。二者都配有带BCD码输出的数显测量仪表，直

58、接采集数显表的数字量可以保证采集模块具有仪表的高精度，避免因采集传感器前端脉冲而带来的误差，同时也使电路更加简洁。数字显示仪表的有效BCD码位数为5位(个、十、百位与2位小数位)，另带一位符号位，共有21位二进制位。80C196KC片不带程序存储器，因而用P3和P4口作为地址数据总线，单片机剩余有效IO口资源较少，因此必须扩展并口。并口扩展可以采用专用扩展芯片或通用74系列的逻辑芯片，为了简化电路和编程，采用常见的可扩展24路IO口的82C55A并口扩展芯片。现场的数字显示仪表的输出是非标准的TTL电平，为了实现模块与前端仪表兼容和隔离，对输入的数字信号采用了TLP521光耦进行电平转换和信号隔离。A/D转换电路电路本模块中A/D转