車輛工程專業abs防抱死制動系統設計畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 比較晚。鐵路機車在制動時如果制動強度過大，車輪就會很容易抱死在平滑的軌道上滑行。由于車輪和軌道的摩擦，就會在車輪外圓上磨出一些小平面，小平面產生后，車輪就不能平穩地行駛，產生噪聲和掙動。1908年英國工程師J. E. Francis提出了“鐵路車輛車輪抱死滑動控制器”理論，但卻無法將它實用化。接下來的30年中，包括Karl Wessel的“剎車力控制器”、Werner Mhl的“液壓剎車安全裝置”與Richard Trappe的“車輪抱死防止器”等嘗試都宣告失敗。在1941年出版的《汽車科技手冊》中寫到：“到現在為止，任何通過機械裝置防止車輪抱死危險的嘗試皆尚未成功，當這項裝置成功的那一天，即是交通安全史上的一個重要里程碑”，可惜該書的作者恐怕沒想到這一天竟還要再等30年之久。當時開發剎車防抱死裝置的技術瓶頸是什么？首先該裝置需要一套系統實時監測輪胎速度變化量并立即通過液壓系統調整剎車壓力大小，在那個沒有集成電路與計算機的年代，沒有任何機械裝置能夠達成如此敏捷的反應！等到ABS系統的誕生露出一線曙光時，已經是半導體技術有了初步規模的1960年代早期。精于汽車電子系統的德國公司Bosch（博世）研發ABS系統的起源要追溯到1936年，當年Bosch申請“機動車輛防止剎車抱死裝置”的專利。1964年（也是集成電路誕生的一年）Bosch公司再度開始ABS的研發計劃，最后有了“通過電子裝置控制來防止車輪抱死是可行的”結論，這是ABS（Antilock Braking System）名詞在歷史上第一次出現！世界上第一具ABS原型機于1966年出現，向世人證明“縮短剎車距離”并非不可能完成的任務。因為投入的資金過于龐大，ABS初期的應用僅限于鐵路車輛或航空器。Teldix GmbH公司從1970年和奔馳車廠合作開發出第一具用于道路車輛的原型機——ABS 1， 該系統已具備量產基礎，但可靠性不足，而且控制單元內的組件超過1000個，不但成本過高也很容易發生故障。1973年Bosch公司購得50％的Teldix GmbH公司股權及ABS領域的研發成果，1975年AEG、Teldix與Bosch達成協議，將ABS系統的開發計劃完全委托Bosch公司整合執行。“ABS 2”在3年的努力后誕生！有別于ABS 1采用模擬式電子組件， ABS 2系統完全以數字式組件進行設計，不但控制單元內組件數目從1000個銳減到140個，而且有造價降低、可靠性大幅提升與運算速度明顯加快的三大優勢。兩家德國車廠奔馳與寶馬于1978年底決定將ABS 2這項高科技系統裝置在S級及7系列車款上。在誕生的前3年中，ABS系統都苦于成本過于高昂而無法開拓市場。從1978到1980年底，Bosch公司總共才售出24000套ABS系統。所幸第二年即成長到76000套。受到市場上的正面響應，Bosch開始TCS循跡控制系統的研發計劃。1983年推出的ABS ，控制組件也減少到70個。到了1985年代中期，全球新出廠車輛安裝ABS系統的比例首次超過1％，通用車廠也決定把ABS列為旗下主力雪佛蘭車系的標準配備。圖11 BOSCH防抱死制動系統 防抱死制動系統的發展趨勢（1）ABS本身控制技術的提高現代制動防抱死裝置多是電子計算機控制，這也反映了現代汽車制動系向電子化方向發展。基于滑移率的控制算法容易實現連續控制，且有十分明確的理論加以指導，但目前制約其發展的瓶頸主要是實現的成本問題。隨著體積更小、價格更便宜、可靠性更高的車速傳感器的出現，ABS系統中增加車速傳感器成為可能，確定車輪滑移率將變得準確而快速。全電制動控制系統BBW (BrakeByWire)是未來制動控制系統的發展方向之一。它不同于傳統的制動系統，其傳遞的是電，而不是液壓油或壓縮空氣，可以省略許多管路和傳感器，縮短制動反應時間，維護簡單，易于改進，為未來的車輛智能控制提供條件。但是，它還有不少問題需要解決，如驅動能源問題，控制系統失效處理，抗干擾處理等。目前電制動系統首先用在混合動力制動系統車輛上，采用液壓制動和電制動兩種制動系統。（2）防滑控制系統防滑控制系統ASR (Acceleration Slip Regulation)或稱為牽引力控制系統TCS(Traction Control System)是驅動時防止車輪打滑，使車輪獲得最大限度的驅動力，并具有行駛穩定性，減少輪胎磨損和發動機的功耗，增加有效的驅動牽引力。防滑控制系統包括兩部分:制動防滑與發動機牽引力控制。制動部分是當驅動輪 (后輪)在低附著系數路面工作時，由于驅動力過大，則產生打滑，當ASR制動部分工作時，通過傳感器將非驅動輪及驅動輪的輪速信號采集到控制器 中，控制器根據輪速信號計算出驅動車輪滑移率及車輪減、加速度，當滑移率或減、加速度超過某一設定閥值時，則控制器打開開關閥，氣壓由儲氣筒直接進入 制動氣室進行制動，由于三通單向閥的作用氣壓只能進入打滑驅動輪的制動氣 室，在低附著系數路面上制動時，輪速對壓力十分敏感，壓力稍稍過大，車輪就會抱死。為此利用ABS電磁閥對制動壓力進行精細的調節，即用小步長增壓或減壓，以達到最佳的車輪滑移的效果 既可以得到最大驅動力，也可保持行駛的穩定性。（3）電子控制制動系統由于ass在功能方面存在許多缺陷，如氣壓系統的滯后，主車與接車制動相容性問題等。為改善這些，出現了電子制動控制系統EBS (Electronics Break System)它是將氣壓傳動改為電線傳動，縮短了制動響應時間。最重要的特點是各個車輪上制動力可以獨立控制。控制強度則由司機踏板位移信號的大小來決定，由壓力調節閥、氣壓傳感器及控制器構成閉環的連續壓力控制，這樣可以在外環形成一個控制回路，來實現各種控制功能，如制動力分布控制、減速控制、牽引車與掛車處禍合力控制等。（4）車輛動力學控制系統車輛動力學控制系統VDC (Vehicle Dynamics Control)是在ABS的基礎上通過測量方向盤轉角、橫擺角速度和側向加速度對車輛的運動狀態進行控制。VDC系統根據轉向角、油門、制動壓力，通過觀測器決定出車輛應具有的名義運動狀態。同時由輪速、橫擺角速度和側向加速度傳感器測出車輛的實際運動狀態。名義狀態與實際狀態的差值即為控制的狀態變量，控制的目的就是使這種差值達到最小，實現的方法則是利用車輪滑移率特性。車輛動力學控制系統目的是改善車輛操縱的穩定性，它可以在車輛運動狀態處于危險狀態下自動進行控制。其主要作用就是通過控制車輛的橫向運動狀態，使車輛處于穩定的運動狀態，使人能夠更容易地操縱車輛。（5）控制系統總線技術隨著汽車技術科技含量的不斷增加，必然造成龐大的布線系統。因此，需要采用總線結構將各個系統聯系起來，實現數據和資源信息實時共享，并可以減少傳感器數量，從而降低整車成本，朝著系統集成化的方向發展。目前多使用CAN控制器局域網絡(Controller Area Network)用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信協議。 國內ABS系統研究的理論狀態和具有代表的ABS產品公司我國ABS 的研究開始于80 年代初。從事ABS研制工作的單位和企業很多,諸如東風汽車公司、重慶公路研究所、西安公路學院、清華大學、吉林大學、北京理工大學、上海汽車制動有限公司和山東重汽集團等。具有代表性的有以下幾個。清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室有宋健等多名博導、教授,有很強的科技實力,他們還配套有一批先進的儀器設備,如汽車力學參數綜合試驗臺、汽車彈射式碰撞試驗臺及翻轉試驗臺、模擬人及標定試驗臺、Kodak 高速圖像運動分析系統、電液振動臺、直流電力測功機、發動機排放分析儀、發動機電控系統開發裝置及工況模擬器、計算機工作站及ADAMS、IDEAS 軟件、非接觸式速度儀、噪聲測試系統、轉鼓試驗臺、電動車蓄電池試驗臺、電機及其控制系統試驗臺等。該實驗室針對ABS 做了多方面的研究,其中,在ABS 控制量、輪速信號抗干擾處理、輪速信號異點剔除、防抱死電磁閥動作響應研究等方面的研究處于國內領先地位。吉林大學汽車動態模擬國家重點實驗室以郭孔輝院士為代表的研究人員致力于汽車操縱穩定性、汽車操縱動力學、汽車輪胎模型、汽車輪胎穩態和非穩態側偏特性的研究,在輪胎力學模型、汽車操縱穩定性以及人 車閉環操縱運動仿真等方面的研究成果均達到世界先進水平。華南理工交通學院汽車系以吳浩佳教授為代表從事汽車安全與電子技術及汽車結構設計計算的研究,在ABS 技術方面有獨到之處,能夠建立制動壓力函數,通過車輪地面制動力和整車動力學方程計算出汽車制動的平均減速度和車速。還可以通過輪缸等效壓力函數計算防抱死制動時的滑移率。另外,在滑移率和附著系數之間的關系、汽車整車技術條件和試驗方法方面也有獨到見解。濟南程軍電子科技公司以ABS 專家程軍為代表的濟南程軍電子科技公司對ABS 控制算法研究頗深,著有《汽車防抱死制動系統的理論與實踐》等專著幾本,專門講述ABS 控制算法,是國內ABS 開發人員的必備資料之一。另外,他們在基于MAT2LAB 仿真環境實現防抱死控制邏輯、基于VB 開發環境進行車輛操縱仿真和車輛動力學控制的模擬研究等方面也頗有研究。重慶聚能公司產品包括汽車、摩托車系列JN111FB 氣制動電子式單通道、JN144FB 氣制動電子式四通道和JN244FB 液壓電子式四通道等類型ABS 裝置及其相關零部件30 多個品種,其ABS 產品已通過國家汽車質量監督檢測中心和國家客車質量監督檢測中心的認定,獲得國家實用新技術專利,并正式被列為國家火炬項目計劃。西安博華公司主要產品是適用于大中型客車和貨車的氣壓四通道ABS 和適用中型面包車的液壓三通道ABS 及其相關零部件。其中BH1203 FB 型ABS 和BH1101 FB 型ABS 已通過陜西省科委科技成果鑒定和陜西省機械工業局新產品鑒定,認為該項技術已達到國內領先水平。山東重汽集團引進國際先進技術進行的研究也已取得了一些進展。重慶公路研究所研制的適用于中型汽車的氣制動FKX ACI 型ABS 裝置已通過國家級技術鑒定,但各種制動情況的適應性還有待提高。清華大學研制的適用于中型客車的氣制動ABS由于資源價格和性能上的優勢,陶瓷材料的應用將迅速擴展。金剛石和CBN 超硬材料的應用將進一步擴大。新刀具材料的研制周期會越來越短,新品種新牌號的推出也將越來越快。人們所希望的既有高速鋼、硬質合金的強度和韌性,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現。本文主要講述以80C196KC單片機為核心，完成了信號輸入回路、輸出驅動回路、電源部分及故障診斷等硬件電路設計，對輪速傳感器、電磁閥等的故障檢測電路進行了設計。2．防抱死制動系統基本原理 制動時汽車的運動 制動時汽車受力分析汽車在制動的過程中主要受到地面給汽車的作用力、風的阻力和自身重力的作用。地面對汽車的作用力又分為:作用在車輪上垂直于地面的支承力和作用在車輪上平行于地面的力。汽車在直線行駛并受橫向外界干擾力作用和汽車轉彎時所受到地面給汽車的力如圖 21所示。其中Fx為地面作用在每個車輪上的地面制動力，他的大小決定于路面的縱向附著系數和車輪所受的載荷。所有車輪上所受地面制動力的總和作為地面給汽車的總的地面制動力，他是使汽車在制動時減速并停止的主要作用力。Fy為地面作用在每個車輪上的側滑摩擦力，側滑摩擦力的大小取決于側向附著系數和車輪所受的載荷，當車輪抱死時，側滑摩擦力將變得很小，幾乎為零。汽車直線制動時，若受到橫向干擾力的作用，如橫向風力或路面不平，汽車將產生側滑摩擦力來保持汽車的直線行駛方向，如圖21（a）圖21 汽車直線和轉彎制動時的平面受力簡圖所示。若汽車在轉彎時制動或在制動時轉彎，也將產生側滑摩擦力使汽車能夠轉向，如圖21 (b)所示。地面制動力決定制動距離的長短，側滑摩擦力則決定了汽車制動時的方向穩定性。這里將作用在前輪上的側滑摩擦力稱為轉彎力，將作用在后輪上的側滑摩擦力稱為側向力。轉彎力和汽車的方向操縱性有關，它保證了汽車能夠按照駕駛員的意愿轉向。側向力和汽車的方向穩定性有關，它保證了汽車的行進方向。轉彎力越大，汽車的方向操縱性越好。側向力越大，汽車的方向穩定性越好。如上所述，施加適當的制動，能夠有效地使汽車停下。制動強度過大，是汽車發生各種危險運動狀況的主要原因。因此，汽車行駛時，要根據冰路、雪路、砂石路、壞路、水濕路、干路、直路、彎曲路等道路條件，根據汽車速度、方向轉角等行駛條件進行制動操作，必須時常注意不能讓車輪完全抱死。 車輪抱死時汽車運動情況車輪抱死時汽車所受到的側滑摩擦力將會變的很小，這將使汽車制動時保持方向操縱性和方向穩定性的轉彎力和側向力變的很小，使汽車在制動時出現一些危險的運動情況。對ABS系統來說，就是要防止這些危險情況的出現。下面從汽車在一種路面上直線和轉彎制動兩方面簡單討論一下當車輪抱死時汽車的運動情況。（1）汽車在一種路面上直線運動制動車輪抱死時可能出現的運動情況如圖22所示。圖22 (a)為只有前輪抱死時，由于前輪的轉彎力基本為零，無法進行正常的轉向操作。為制動時前輪全部抱死而后輪不抱死汽車的運動情況示意，當前輪抱死時轉彎力為零，駕駛員無法控制汽車的方向使汽車轉向來避讓前方的障礙物，這時由于汽車后輪不抱死，所以汽車仍具有側向力來維持方向穩定性。圖22 (b)為只有后輪抱死時，后輪的側向力接近于零，汽車仍具有方向操縱性，但會因后輪抱死而失去方向穩定性使汽車側滑。汽車不能保持原來的行駛方向，由于離心力和前輪轉向力的作用，汽車將一面旋轉一面沿曲線行駛(這種運動叫外旋轉)。圖22 (c)為前后車輪全部抱死時時轉彎力和側向力都為零，這種狀態很不穩定，路面不均勻、左右輪地面制動力不相等時，即使對汽車施加很小的偏轉力矩，汽車就會產生不規則運動而處于危險狀態，在不規則旋轉的過程中將制動釋放，汽車就會沿著瞬時行駛方向急速駛出，這也是很危險的。（2）汽車在一種路面上轉彎制動車輪抱死時可能出現的運動情況如圖 23所示。所有這些運動情況若在制動時出現，都是極其危險的。從上面對出現這些危險運動情況的簡單分析可以看出，制動時車輪抱死導致汽車出現各種危險運動情況，實質上是汽車因失去相應的維持本身方向穩定性方向操縱性的側滑摩擦力而使汽