汽车防抱死制动系统ABS研究.docx

1、汽车防抱死制动系统ABS研究目 录1概述 - 1 -1.1汽车电子控制技术发展概况 - 1 -1.2 ABS制动效果评价 - 2 -1.3 ABS工作原理 - 3 -1.4 ABS应用进展 - 4 -1.5 小结 - 5 -2 ABS理论基础 - 6 -2.1制动过程中车轮的受力及运动分析 - 6 -2.2 制动力系数与侧向力系数特性曲线 - 9 -2.3 最佳滑移率范围 - 12 -2.4 小结 - 12 -3 ABS构造与工作原理 - 13 -3.1 轮速传感器 - 13 -3.2 ABS执行器 - 14 -3.2.1执行器的构造 - 15 -3.2.2执行器的工作原理 - 16 -3.3

2、 ABS ECU - 19 -3.4 小结 - 21 -4 ABS控制技术 - 22 -4.1 ABS控制通道 - 22 -4.2 ABS控制方式 - 23 -4.3 ABS控制方法 - 24 -4.3.1 逻辑门限值控制 - 24 -4.3.2 PID控制 - 25 -4.3.3 模糊控制 - 26 -4.4 ABS控制过程 - 26 -4.5 小结 - 29 -5 典型ABS介绍 - 30 -6 讨论与总结 - 32 -参考文献 - 34 -致谢 - 35 -1概述1.1汽车电子控制技术发展概况随着现代汽车技术的不断发展，以微型计算机和传感器为基础的机电一体化在汽车上获得广泛的应用，汽车中

3、传统的机械系统逐渐被基于微处理器和传感器的机电一体化系统所代替，现代汽车已发展成机械技术、电子技术与信息科学紧密结合的高科技产品。汽车电子控制技术发展的特征之一是应用范围不断拓宽。据不完全统计，目前汽车上已经使用和正在开发中的机电一体化系统达十种之多，按照应用领域可以分为三方面：发动机：汽油机燃油喷射控制系统、发动机与变速器联合控制系统、柴油机燃油喷射控制系统、柴油机启动控制系统、泵喷嘴、废气再循环自动控制系统、共轨系统、电子控制消音器、增压器自动控制系统、冷却系自动控制系统。底盘：变速器自动控制系统、电子控制空气悬架系统、无极变速自动控制系统、防抱死制动系统、离合器自动控制系统、驱动力防滑系

4、统、电子控制力转向系统、车速自动控制系统、主动半主动悬架系统、汽车无人驾驶系统。其他：刮雨器自动控制、全自动空调、车窗开关自动控制、汽车导航系统、安全气囊。各种机电一体化系统，特别是电子控制喷油系统、防抱死制动系统、驱动防滑控制系统、电子控制悬架系统及自动导航系统等在汽车上的成功应用，明显地提高了汽车的经济性、安全性、可靠性和舒适性，减少了汽车有害尾气的排放，减低了汽车的环境噪声污染。汽车电子控制技术发展的另一个特征是汽车电子控制装置占整车的成本逐年增加，即纯机械部分所占的比重越来越少，而机电结合的电子控制装置所占的比重越来越大。图1.1所示为从1976年到2000年电子控制装置占整车成本变化

5、趋势图，从图中可以看出，汽车电子控制装置所占的比重逐年增加，到2000年电子控制装置占整车成本到7%以上。这还不包括电子控制装置中的液压系统、电液控制阀、驱动油缸及各类传感器等的成本，如果把这些辅助装置的成本计算在内，则电子控制装置占整车的成本比图中所示的比例还要高一些。最新资料分析表明，汽车电子产品占现代轿车的成本已经达到30%。图1.1电子控制装置占整车成本1.2 ABS制动效果评价汽车防抱死制动系统是汽车上应用最为广泛和成功的机电一体化系统之一，其英文名称为Antilock Braking System，简称ABS，它是汽车上的一种主动安全装置，用于防止汽车制动时车轮抱死，以获得最佳效果

6、。根据汽车制动动力学理论，汽车的制动效果主要用下列二个指标评价：（1）制动效果，即制动距离与制动减速度；（2）制动时汽车的方向稳定性，即制动时汽车不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力的性能。制动距离是指汽车以一定的速度行驶时，从驾驶员开始操作制动控制装置（踩制动踏板）到汽车完全停住为止所驶过的距离。制动距离与制动踏板力、路面附着条件、汽车载荷、汽车行驶初速度等因素有关。从力学的观点来看，车轮与路面之间制动力的大小对制动距离的长短有着决定性的影响。制动时，特别是紧急制动尽可能短，即车轮与路面之间的制动力尽可能大。制动时汽车的方向稳定性是指汽车在制动过程中维持直线行驶或按预定弯道行驶的能力。制动时车轮

7、自动向左或向右偏驶称为制动跑偏。侧滑是指制动时汽车的某一轴或两轴发生横向移动。前轮失去转向能力是指弯道制动时，汽车不在按原来弯道行驶，而是沿弯道切线方向驶出，或者在直线行驶制动时，转动方向盘后汽车仍然按直线方向行驶的现象。国内外的统计分析表明，制动跑偏，侧滑和失去转向能力是造成交通事故的主要原因之一。造成制动跑偏、侧滑和失去转向能力的原因是汽车与路面之间的侧向力太小。从维持汽车制动时方向稳定性出发，希望汽车与路面之间的侧向力越大越好。有经验的驾驶员有时采用所谓的“点刹”，即先将制动踏板踩到底，稍微放松一下以后再踩到底，如此反复进行，直到汽车停住为止。ABS实际就是这种制动过程的自动控制系统，它

8、根据车轮的运动状态自动调节作用在制动盘或制动轮鼓上的制动力，防止制动轮抱死，使车轮与道路路面之间的制动力和侧向力尽可能达到最大，从而减小制动距离，提高制动时汽车行驶方向稳定性。1.3 ABS工作原理汽车防抱死制动系统主要由轮速传感器、电子控制单元（Electrical Control Unit，简称ECU）和ABS执行器等组成：.图1.2 ABS示意图1.轮速传感器 2.电子控制单元 3.ABS执行器 4.ABS信号灯其中，轮速传感器安装在汽车驱动轮上，连续不断地测取车轮的轮速，并将这些信号传递给ABS ECU，电子控制单元将检测到的转速信号处理后与预先存储在电子控制单元中的参考值进行比较，如

9、果车轮的角减速度急剧增大，表明该车轮即将抱死，ABS ECU指示执行器降低该车轮制动轮缸的制动液压，车轮开始转动，当传感器的信号表明车轮又正常转动时，ABS ECU又发出指令升高车轮制动轮缸的液压，而执行器则根据电子控制单元的指令“降低”、“增大”或“保持”各车轮制动轮缸的制动液压，从而以脉冲形式（每秒410次）进行制动压力的调节，将车轮的滑移率始终控制在最佳滑移率范围内，从而保证在制动过程中车轮与路面之间的地面制动力和侧向力最大，缩短制动距离，最大限制地保证制动时车轮的稳定性，提高安全性。1.4 ABS应用进展最早的汽车防抱死制动系统可以追溯到英国1932年发布的专利“制动时防止车轮压紧转动

10、的安全装置”。随后的1936年，德国的Bosch公司将电器传感器用于测量车轮的转速，并用电动机对控制阀孔口的大小进行控制，以调节制动压力，该技术被认为是ABS朝实用化方向迈出的最重要的一步，其原理一直延用至今。早期的ABS系统主要用在飞机、火车和挂车上，在汽车上的应用尽管在20世纪50 年代就已经开始，但普及一直很缓慢，主要原因是当时的ABS采用机械式调控装置，难以满足复杂工况的需求。进入20世纪70 年代，随着电子技术的进步，数字电子技术，大规模集成电路的发展和微型计算机的应用，ABS的控制技术日趋成熟。1978年德国的Bosch公司与Mercedes-Benz公司合作，将处理器引入到ABS

11、的控制中，开发了Mercedes-Benz/Bosc-ABS2B型三通道防抱死制动系统，并批量装于奔驰小汽车上。此后，ABS技术得到快速发展，发达国家汽车装备ABS的数量逐步增加。据估计，20世纪初美国的汽车基本装备了该系统，全世界汽车ABS装备的比率将达到90%以上。 为了改善交通安全状况，各国还纷纷通过立法和采用其他行政措施促进ABS的应用。1987年前欧洲体共同颁布的法规规定，自1989年起，欧洲体成员国汽车厂凡申请新车型许可证时，所有新车必须装备ABS；同时规定：自1991年开始，欧洲体成员国凡16t上的载重汽车也必须装备ABS，并禁止进口未装备ABS的汽车。日本从1991年10月起规

12、定，对总质量超过13 t的牵引车和总质量超过10t的运输危险品的拖车以及在高速公路上行驶的大客车均须装备ABS。美国1994年8月颁布的商用汽车ABS法规规定：截止到1996年，全国新出厂的气压制动在货车和气压制动公共汽车均应安装ABS；采用液压制动系统的整体式载货车和公共汽车，规定在1998年必须安装ABS。美国的保险公司宣布，凡装备ABS的汽车可以减收保险费。目前，汽车ABS仍需进一步提高系统的技术性能，提高系统元件的可靠性，其发展趋势为：（1）ABS/ASR一体化 ASR是驱动力防滑转系统的英文缩写，其英文全称为Anti-Slip Regulation。有时也称为驱动力控制系统，其英文全

13、称为Traction Control System，简称为TRC。ASR也是典型的机电一体化控制系统，其作用是在汽车的启动和加速过程中，控制传递到驱动轮上的驱动力矩，防止车轮空转，从而使启动和加速过程快速而稳定，ABS制造公司常将二者集成为一体，实现信息与资源的共享。（2）减小体积，降低重量 现代汽车装备的辅助装置越来越多，一方面汽车的重量随之增加，能耗与运行成本也相应地增加；另一方面，可供这些装置布置的空间受到限制，因此，减小ABS的体积，降低系统的总重量一直是ABS的生产公司追求的目标。（3）基于CAN总线的多控制集成网络控制 由于汽车上采用的机电一体化控制装置越来越多，每个系统都有自己的

14、ECU和传感器，装置和信息不能共享。采用基于CAN总线的多控制系统集成网络控制，将ABS与其他系统集成控制，可以节约成本，提高控制效率.1.5 小结机电一体化在汽车上的成功应用，明显地提高了汽车的经济性、安全性、可靠性和舒适性，减少了汽车有害尾气的排放，减低了汽车的环境噪声污染。从1932年发展至今的汽车防抱死制动系统是汽车上应用最为广泛和成功的机电一体化系统之一，其英文名称为Antilock Braking System，简称ABS，它是汽车上的一种主动安全装置，用于防止汽车制动时车轮抱死，以获得最佳效果。该系统主要由轮速传感器、电子控制单元（Electrical Control Unit，

15、简称ECU）和ABS执行器等组成：其工作原理为，车轮轮速传感器测取车轮的轮速，并将信号输入控制器，控制器计算出车速、轮速、滑移率和车轮的减速度、加速度，并对这些信号进行分析和判断，根据分析和判断的结果控制ABS执行器的动作。而执行器则根据电子控制单元的指令“降低”、“增大”或“保持”各车轮制动轮缸的制动液压，进行制动压力的调节，将车轮的滑移率始终控制在最佳滑移率范围内，从而保证在制动过程中车轮与路面之间的地面制动力和侧向力最大，缩短制动距离，最大限制地保证制动时车轮的稳定性，提高安全性。在造成交通事故中，制动跑偏，侧滑和失去转向能力是主要原因之一。而造成制动跑偏、侧滑和失去转向能力的原因是汽车

16、与路面之间的侧向力太小。从维持汽车制动时方向稳定性出发，希望汽车与路面之间的侧向力越大越好。ABS这种汽车防抱死装置最大的优点就是根据车轮的运动状态自动调节作用在制动盘或制动轮鼓上的制动力，防止制动轮抱死，使车轮与道路路面之间的制动力和侧向力尽可能达到最大，从而减小制动距离，提高制动时汽车行驶方向稳定性，而这一过程的完成不需要我们人为的进行“点刹”。2 ABS理论基础 2.1制动过程中车轮的受力及运动分析汽车的制动效果与制动过程中车轮的运动状态及车轮与路面之间的作用力密切相关。为了研究车轮的运动及车轮和路面之间的作用力，建立如图2.1所示的轮胎坐标系（为简化起见，车轮的内外倾角没有参考）。坐标

17、系的原点位于轮胎与路面接触（简称轮胎接地区）的中心，x轴位于地平面上，正向指向车轮的前进方向；y轴在地平面上且垂直于x轴，正向指向车轮的左侧；z轴与地面垂直，正方向向上。图中车轮的滚动方向与车轮前进方向之间的夹角称为侧偏角。图2.1轮胎坐标系12制动过程中路面对轮胎的作用力可分解为三个坐标轴方向的分力：沿 x轴方向的分力为Fx，即为地面制动力，又称纵向力；沿y轴方向的分力为Fy，称之为侧向力，或称横向力；研z轴方向的分力为Fz，为路面对轮胎的法向反作用力。地面制动力和侧动力实质上是轮胎与路面之间的“摩擦力”，与汽车轮胎上所受的法向反作用力Fz成正比，即Fx=fxFz Fy=fyFz 式中，比例

18、系数fx和fy分别为称为制动力系数和侧向力系数。在后面的分析中我们将会看到，制动力系数和侧向力系数与车轮的运动状态有关，在制动过程中是动态变化的。制动过程中车轮的运动状态分为纯滚动、纯滑动和边滚边滑。如果汽车的行驶速度，即车轮中心的运动速度与车轮滚动的圆周速度相同，则车轮在路面作纯滚动；如果驾驶员通过制动控制装置向制动轮施加的作用力足够大，将制动轮抱死，此时汽车在自身惯性力的推动下继续向前运动，则车轮在路面上做纯滑动；当制动轮受到制动器制动力的作用而又没有抱死时，一方面，由于制动器制动力的作用，车轮滚动的圆周速度降低；另一方面，在汽车自身惯性力的作用下，汽车继续前运动，且行驶速度大于车轮滚动的

19、圆周速度，轮胎与路面之间产生的滑移，车轮处于边滚边滑的状态。作用在制动轮上的制动器制动力越大，车轮滚动的成分越少，而滑动的成分越多。一般用制动滑移率来描述制动过程中的滑移程度，其定义为（图2.2）：图 2.2 制动滑移率12S=（v-vr）/v Vr=rw式中 S-制动滑移速度 V-汽车形式速度 Vr-车轮圆周速度 R-车轮动力半径 W-车轮角速度显然，车轮做纯滚动时，车轮实际行驶速度与车轮滚动的圆周速度相等，即v=vr，制动滑移率为0；车轮做纯滑动，即车轮抱死时，车轮的圆周速度为零，即vr=0，制动滑移率为1；车轮既滚动又滑动时，制动滑移率在0-1之间。可见滑移率描述了制动过程中车轮滑移的程

20、度，滑移率越大，表面滑移越严重。以上讨论的是汽车在直线路面上行驶的情形。当汽车转向或行驶在弯曲的道路上时，由于惯性等因素的作用，车轮受到侧向力的作用。此时车轮的滚动方向与汽车的行驶方向不一致，两者之间的夹角称为侧偏角。有侧偏角时的车轮滑移率定义如下（图2.3）：图 2.3 滑移率-制动力系数特性曲线12绝对滑移率 S=（v-vr）/v 纵向滑移率 Sbx=（v-vrcos）/v 侧向滑移率 Sby=（vrsin）/v 式中 侧偏角2.2 制动力系数与侧向力系数特性曲线制动过程中的地面制动力和转向力都是通过车轮与道路接地面之间的摩擦产生的。汽车道路试验表明，轮胎的制动力与侧向力，只有当车轮滚动的

21、圆周速度与车轮的行驶速度之间存在差异时才会产生。换言之，制动时轮胎与路面之间的制动力系数与滑移率有着密切的关系，这种函数关系通常用滑移率制动力系数特性曲线来描述。图2.4 滑移率制动力系数特性曲线12图2.4给出的是测试得到的典型的滑移率制动力系数特性曲线。在制动的初始阶段，随着滑移率的增加，制动力系数急剧增加，滑移率增大到最优滑移率Sm时，制动力系数达到最大值fm。此时的制动力系数fm称之为峰值附着系数，一般出现在S=0.15-0.2附近。此后，随着滑移率的继续增加，制动力系数逐渐减小，直至车轮完全抱死，滑移率为1时，制动力系数减小到一个稳定值fs，该值称之为滑移附着系数。由图2.4可以看出

22、 ，只有在曲线上峰值附着系数出现之前的各点（包括峰值附着系数点）（O-A段）以及滑移率为1的那一点，制动过程是稳定的。在不稳定区AB段，滑移率对制动力矩十分敏感，很快滑移到抱死状态。图2.5所示为测试得到的侧向力系数随着侧偏角变化曲线。由图2.2可知，当侧偏角不超过5时，侧向附着系数随着侧偏角的增大近似性地增大；当侧偏角范围达到5-10时，侧向力系数继续增大并达到最大值；当侧偏角再增大时，侧向力系数反而有所下降。图2.5侧向力系数随侧偏角变化曲线12轮胎的制动力系数与侧向力系数反映了轮胎的附着性能，主要受路面种类（路面材料、有无冰雪等）、路面状况（干燥或潮湿）、轮胎型号、轮胎槽纹形状及深度、胎

23、冠的橡胶成分、轮胎充气压力及汽车行驶速度等因素的影响。图2.6为试验测得的各种典型路面的制动力系数特性曲线。从图2.6中可以看出，路面种类及lumina状况对制动力系数的的影响很大。其中干燥水泥路面的附着性能最好，峰值附着系数达到1.13，而结冰路面的峰值附着系数仅为0.23。图 2.6路面状态对制动力系数特性曲线的影响12图2.7表示汽车行驶速度对制动力系数曲线的影响。在干燥的沥青路面上，车速从10km/h变为40km/h，特性曲线变化较小，表明在干燥的路面 汽车行驶速度对制动力系数的影响很小。而在潮湿的沥青路面上，随着车速的增加，制动力系数下降，对应着峰值附着系数fm和滑移附着系数fs下降，尤其是滑移附着系数的下降更为显著，导致车轮抱死状态下的制动距离较最优滑移率时的要长。图2.7制动力系数特性特性曲线与车速的关系12