824 汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)ABS研究,汽車,抱死,制動(dòng),系統(tǒng),abs,研究,鉆研 - 1 -目 錄1概述.................................................................- 1 -1.1汽車電子控制技術(shù)發(fā)展概況 ...........................................- 1 -1.2 ABS制動(dòng)效果評(píng)價(jià) ...................................................- 2 -1.3 ABS工作原理 .......................................................- 3 -1.4 ABS應(yīng)用進(jìn)展 .......................................................- 4 -1.5 小結(jié) ...............................................................- 5 -2 ABS理論基礎(chǔ).........................................................- 6 -2.1制動(dòng)過(guò)程中車輪的受力及運(yùn)動(dòng)分析 .....................................- 6 -2.2 制動(dòng)力系數(shù)與側(cè)向力系數(shù)特性曲線 .....................................- 9 -2.3 最佳滑移率范圍 ....................................................- 12 -2.4 小結(jié) ..............................................................- 12 -3 ABS構(gòu)造與工作原理..................................................- 13 -3.1 輪速傳感器 ........................................................- 13 -3.2 ABS執(zhí)行器 ........................................................- 14 -3.2.1執(zhí)行器的構(gòu)造....................................................- 15 -3.2.2執(zhí)行器的工作原理................................................- 16 -3.3 ABS ECU...........................................................- 19 -3.4 小結(jié) ..............................................................- 21 -4 ABS控制技術(shù)........................................................- 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 邏輯門限值控制 .................................................- 24 -4.3.2 PID控制........................................................- 25 -4.3.3 模糊控制 .......................................................- 26 -4.4 ABS控制過(guò)程 ......................................................- 26 -- 2 -4.5 小結(jié) ..............................................................- 29 -5 典型 ABS介紹 .......................................................- 30 -6 討論與總結(jié) .........................................................- 32 -參考文獻(xiàn) .............................................................- 34 -致謝 .................................................................- 35 -山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 1 -1 概述1.1 汽車電子控制技術(shù)發(fā)展概況隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，以微型計(jì)算機(jī)和傳感器為基礎(chǔ)的機(jī)電一體化在汽車上獲得廣泛的應(yīng)用，汽車中傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)逐漸被基于微處理器和傳感器的機(jī)電一體化系統(tǒng)所代替，現(xiàn)代汽車已發(fā)展成機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)與信息科學(xué)緊密結(jié)合的高科技產(chǎn)品。汽車電子控制技術(shù)發(fā)展的特征之一是應(yīng)用范圍不斷拓寬。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前汽車上已經(jīng)使用和正在開(kāi)發(fā)中的機(jī)電一體化系統(tǒng)達(dá)十種之多，按照應(yīng)用領(lǐng)域可以分為三方面：發(fā)動(dòng)機(jī)：汽油機(jī)燃油噴射控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器聯(lián)合控制系統(tǒng)、柴油機(jī)燃油噴射控制系統(tǒng)、柴油機(jī)啟動(dòng)控制系統(tǒng)、泵噴嘴、廢氣再循環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)、共軌系統(tǒng)、電子控制消音器、增壓器自動(dòng)控制系統(tǒng)、冷卻系自動(dòng)控制系統(tǒng)。底盤：變速器自動(dòng)控制系統(tǒng)、電子控制空氣懸架系統(tǒng)、無(wú)極變速自動(dòng)控制系統(tǒng)、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)、離合器自動(dòng)控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)力防滑系統(tǒng)、電子控制力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車速自動(dòng)控制系統(tǒng)、主動(dòng)半主動(dòng)懸架系統(tǒng)、汽車無(wú)人駕駛系統(tǒng)。其他：刮雨器自動(dòng)控制、全自動(dòng)空調(diào)、車窗開(kāi)關(guān)自動(dòng)控制、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)、安全氣囊。各種機(jī)電一體化系統(tǒng)，特別是電子控制噴油系統(tǒng)、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)、電子控制懸架系統(tǒng)及自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)等在汽車上的成功應(yīng)用，明顯地提高了汽車的經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性和舒適性，減少了汽車有害尾氣的排放，減低了汽車的環(huán)境噪聲污染。汽車電子控制技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)特征是汽車電子控制裝置占整車的成本逐年增加，即純機(jī)械部分所占的比重越來(lái)越少，而機(jī)電結(jié)合的電子控制裝置所占的比重越來(lái)越大。圖 1.1所示為從 1976年到 2000年電子控制裝置占整車成本變化趨勢(shì)圖，從圖中可以看出，汽車電子控制裝置所占的比重逐年增加，到2000年電子控制裝置占整車成本到 7%以上。這還不包括電子控制裝置中的液壓楊斌：汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng) ABS研究- 2 -系統(tǒng)、電液控制閥、驅(qū)動(dòng)油缸及各類傳感器等的成本，如果把這些輔助裝置的成本計(jì)算在內(nèi)，則電子控制裝置占整車的成本比圖中所示的比例還要高一些。最新資料分析表明，汽車電子產(chǎn)品占現(xiàn)代轎車的成本已經(jīng)達(dá)到 30%。圖 1.1 電子控制裝置占整車成本1.2 ABS 制動(dòng)效果評(píng)價(jià)汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)是汽車上應(yīng)用最為廣泛和成功的機(jī)電一體化系統(tǒng)之一，其英文名稱為 Antilock Braking System，簡(jiǎn)稱 ABS，它是汽車上的一種主動(dòng)安全裝置，用于防止汽車制動(dòng)時(shí)車輪抱死，以獲得最佳效果。根據(jù)汽車制動(dòng)動(dòng)力學(xué)理論，汽車的制動(dòng)效果主要用下列二個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)：（1）制動(dòng)效果，即制動(dòng)距離與制動(dòng)減速度；（2）制動(dòng)時(shí)汽車的方向穩(wěn)定性，即制動(dòng)時(shí)汽車不發(fā)生跑偏、側(cè)滑以及失去轉(zhuǎn)向能力的性能。制動(dòng)距離是指汽車以一定的速度行駛時(shí)，從駕駛員開(kāi)始操作制動(dòng)控制裝置（踩制動(dòng)踏板）到汽車完全停住為止所駛過(guò)的距離。制動(dòng)距離與制動(dòng)踏板力、路面附著條件、汽車載荷、汽車行駛初速度等因素有關(guān)。從力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，車輪與路面之間制動(dòng)力的大小對(duì)制動(dòng)距離的長(zhǎng)短有著決定性的影響。制動(dòng)時(shí)，特別是緊急制動(dòng)盡可能短，即車輪與路面之間的制動(dòng)力盡可能大。制動(dòng)時(shí)汽車的方向穩(wěn)定性是指汽車在制動(dòng)過(guò)程中維持直線行駛或按預(yù)定彎道行駛的能力。制動(dòng)時(shí)車輪自動(dòng)向左或向右偏駛稱為制動(dòng)跑偏。側(cè)滑是指制動(dòng)時(shí)汽車的某一軸或兩軸發(fā)生橫向移動(dòng)。前輪失去轉(zhuǎn)向能力是指彎道制動(dòng)時(shí)，汽車不在按原來(lái)彎道行駛，而是沿彎道切線方向駛出，或者在直線行駛制動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤后汽車仍然按直線方向行駛的現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)外的統(tǒng)計(jì)分析表明，制動(dòng)跑偏，側(cè)滑和失去轉(zhuǎn)向能力是造成交通事故的主要原因之一。造成制動(dòng)跑偏、山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 3 -側(cè)滑和失去轉(zhuǎn)向能力的原因是汽車與路面之間的側(cè)向力太小。從維持汽車制動(dòng)時(shí)方向穩(wěn)定性出發(fā)，希望汽車與路面之間的側(cè)向力越大越好。有經(jīng)驗(yàn)的駕駛員有時(shí)采用所謂的“點(diǎn)剎” ，即先將制動(dòng)踏板踩到底，稍微放松一下以后再踩到底，如此反復(fù)進(jìn)行，直到汽車停住為止。ABS 實(shí)際就是這種制動(dòng)過(guò)程的自動(dòng)控制系統(tǒng)，它根據(jù)車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)作用在制動(dòng)盤或制動(dòng)輪鼓上的制動(dòng)力，防止制動(dòng)輪抱死，使車輪與道路路面之間的制動(dòng)力和側(cè)向力盡可能達(dá)到最大，從而減小制動(dòng)距離，提高制動(dòng)時(shí)汽車行駛方向穩(wěn)定性。1.3 ABS 工作原理汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)主要由輪速傳感器、電子控制單元（Electrical Control Unit，簡(jiǎn)稱 ECU）和 ABS 執(zhí)行器等組成：.圖 1.2 ABS 示意圖1.輪速傳感器 2..電子控制單元 3.ABS 執(zhí)行器 4.ABS 信號(hào)燈其中，輪速傳感器安裝在汽車驅(qū)動(dòng)輪上，連續(xù)不斷地測(cè)取車輪的輪速，并將這些信號(hào)傳遞給 ABS ECU，電子控制單元將檢測(cè)到的轉(zhuǎn)速信號(hào)處理后與預(yù)先存儲(chǔ)在電子控制單元中的參考值進(jìn)行比較，如果車輪的角減速度急劇增大，表明該車輪即將抱死，ABS ECU 指示執(zhí)行器降低該車輪制動(dòng)輪缸的制動(dòng)液壓，車輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)傳感器的信號(hào)表明車輪又正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，ABS ECU 又發(fā)出指令升高車輪制動(dòng)輪缸的液壓，而執(zhí)行器則根據(jù)電子控制單元的指令“降低” 、 “增大”或“保持”各車輪制動(dòng)輪缸的制動(dòng)液壓，從而以脈沖形式（每秒 4—10次）進(jìn)行制動(dòng)壓力的調(diào)節(jié)，將車輪的滑移率始終控制在最佳滑移率范圍內(nèi)，從而保證楊斌：汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng) ABS研究- 4 -在制動(dòng)過(guò)程中車輪與路面之間的地面制動(dòng)力和側(cè)向力最大，縮短制動(dòng)距離，最大限制地保證制動(dòng)時(shí)車輪的穩(wěn)定性，提高安全性。1.4 ABS 應(yīng)用進(jìn)展最早的汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)可以追溯到英國(guó) 1932年發(fā)布的專利“制動(dòng)時(shí)防止車輪壓緊轉(zhuǎn)動(dòng)的安全裝置” 。隨后的 1936年，德國(guó)的 Bosch 公司將電器傳感器用于測(cè)量車輪的轉(zhuǎn)速，并用電動(dòng)機(jī)對(duì)控制閥孔口的大小進(jìn)行控制，以調(diào)節(jié)制動(dòng)壓力，該技術(shù)被認(rèn)為是 ABS 朝實(shí)用化方向邁出的最重要的一步，其原理一直延用至今。早期的 ABS 系統(tǒng)主要用在飛機(jī)、火車和掛車上，在汽車上的應(yīng)用盡管在20世紀(jì) 50 年代就已經(jīng)開(kāi)始，但普及一直很緩慢，主要原因是當(dāng)時(shí)的 ABS 采用機(jī)械式調(diào)控裝置，難以滿足復(fù)雜工況的需求。進(jìn)入 20世紀(jì) 70 年代，隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字電子技術(shù)，大規(guī)模集成電路的發(fā)展和微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，ABS 的控制技術(shù)日趨成熟。 1978年德國(guó)的 Bosch 公司與 Mercedes-Benz 公司合作，將處理器引入到 ABS 的控制中，開(kāi)發(fā)了 Mercedes-Benz/Bosc-ABS2B 型三通道防抱死制動(dòng)系統(tǒng)，并批量裝于奔馳小汽車上。此后，ABS 技術(shù)得到快速發(fā)展，發(fā)達(dá)國(guó)家汽車裝備 ABS 的數(shù)量逐步增加。據(jù)估計(jì)，20 世紀(jì)初美國(guó)的汽車基本裝備了該系統(tǒng)，全世界汽車 ABS 裝備的比率將達(dá)到 90%以上。為了改善交通安全狀況，各國(guó)還紛紛通過(guò)立法和采用其他行政措施促進(jìn)ABS 的應(yīng)用。1987 年前歐洲體共同頒布的法規(guī)規(guī)定，自 1989年起，歐洲體成員國(guó)汽車廠凡申請(qǐng)新車型許可證時(shí)，所有新車必須裝備 ABS；同時(shí)規(guī)定：自1991年開(kāi)始，歐洲體成員國(guó)凡 16t上的載重汽車也必須裝備 ABS，并禁止進(jìn)口未裝備 ABS 的汽車。日本從 1991年 10月起規(guī)定，對(duì)總質(zhì)量超過(guò) 13 t的牽引車和總質(zhì)量超過(guò) 10t的運(yùn)輸危險(xiǎn)品的拖車以及在高速公路上行駛的大客車均須裝備 ABS。美國(guó) 1994年 8月頒布的商用汽車 ABS 法規(guī)規(guī)定：截止到 1996年，全國(guó)新出廠的氣壓制動(dòng)在貨車和氣壓制動(dòng)公共汽車均應(yīng)安裝 ABS；采用液壓制動(dòng)系統(tǒng)的整體式載貨車和公共汽車，規(guī)定在 1998年必須安裝 ABS。美國(guó)的保險(xiǎn)公司宣布，凡裝備 ABS 的汽車可以減收保險(xiǎn)費(fèi)。目前，汽車 ABS 仍需進(jìn)一步提高系統(tǒng)的技術(shù)性能，提高系統(tǒng)元件的可靠性，山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 5 -其發(fā)展趨勢(shì)為：（1）ABS/ASR 一體化 ASR 是驅(qū)動(dòng)力防滑轉(zhuǎn)系統(tǒng)的英文縮寫，其英文全稱為 Anti-Slip Regulation。有時(shí)也稱為驅(qū)動(dòng)力控制系統(tǒng)，其英文全稱為 Traction Control System，簡(jiǎn)稱為 TRC。ASR 也是典型的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)，其作用是在汽車的啟動(dòng)和加速過(guò)程中，控制傳遞到驅(qū)動(dòng)輪上的驅(qū)動(dòng)力矩，防止車輪空轉(zhuǎn)，從而使啟動(dòng)和加速過(guò)程快速而穩(wěn)定，ABS 制造公司常將二者集成為一體，實(shí)現(xiàn)信息與資源的共享。（2）減小體積，降低重量 現(xiàn)代汽車裝備的輔助裝置越來(lái)越多，一方面汽車的重量隨之增加，能耗與運(yùn)行成本也相應(yīng)地增加；另一方面，可供這些裝置布置的空間受到限制，因此，減小 ABS 的體積，降低系統(tǒng)的總重量一直是ABS 的生產(chǎn)公司追求的目標(biāo)。（3）基于 CAN 總線的多控制集成網(wǎng)絡(luò)控制 由于汽車上采用的機(jī)電一體化控制裝置越來(lái)越多，每個(gè)系統(tǒng)都有自己的 ECU 和傳感器，裝置和信息不能共享。采用基于 CAN 總線的多控制系統(tǒng)集成網(wǎng)絡(luò)控制，將 ABS 與其他系統(tǒng)集成控制，可以節(jié)約成本，提高控制效率.1.5 小結(jié)機(jī)電一體化在汽車上的成功應(yīng)用，明顯地提高了汽車的經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性和舒適性，減少了汽車有害尾氣的排放，減低了汽車的環(huán)境噪聲污染。從 1932年發(fā)展至今的汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)是汽車上應(yīng)用最為廣泛和成功的機(jī)電一體化系統(tǒng)之一，其英文名稱為 Antilock Braking System，簡(jiǎn)稱 ABS，它是汽車上的一種主動(dòng)安全裝置，用于防止汽車制動(dòng)時(shí)車輪抱死，以獲得最佳效果。該系統(tǒng)主要由輪速傳感器、電子控制單元（Electrical Control Unit，簡(jiǎn)稱 ECU）和 ABS 執(zhí)行器等組成：其工作原理為，車輪輪速傳感器測(cè)取車輪的輪速，并將信號(hào)輸入控制器，控制器計(jì)算出車速、輪速、滑移率和車輪的減速度、加速度，并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析和判斷，根據(jù)分析和判斷的結(jié)果控制 ABS 執(zhí)行器的動(dòng)作。而執(zhí)行器則根據(jù)電子控制單元的指令“降低” 、 “增大”或“保持”各車輪制動(dòng)輪缸的制動(dòng)液壓，進(jìn)行制動(dòng)壓力的調(diào)節(jié)，將車輪的滑移率始終控制在最佳滑移楊斌：汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng) ABS研究- 6 -率范圍內(nèi)，從而保證在制動(dòng)過(guò)程中車輪與路面之間的地面制動(dòng)力和側(cè)向力最大，縮短制動(dòng)距離，最大限制地保證制動(dòng)時(shí)車輪的穩(wěn)定性，提高安全性。在造成交通事故中，制動(dòng)跑偏，側(cè)滑和失去轉(zhuǎn)向能力是主要原因之一。而造成制動(dòng)跑偏、側(cè)滑和失去轉(zhuǎn)向能力的原因是汽車與路面之間的側(cè)向力太小。從維持汽車制動(dòng)時(shí)方向穩(wěn)定性出發(fā)，希望汽車與路面之間的側(cè)向力越大越好。ABS這種汽車防抱死裝置最大的優(yōu)點(diǎn)就是根據(jù)車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)作用在制動(dòng)盤或制動(dòng)輪鼓上的制動(dòng)力，防止制動(dòng)輪抱死，使車輪與道路路面之間的制動(dòng)力和側(cè)向力盡可能達(dá)到最大，從而減小制動(dòng)距離，提高制動(dòng)時(shí)汽車行駛方向穩(wěn)定性，而這一過(guò)程的完成不需要我們?nèi)藶榈倪M(jìn)行“點(diǎn)剎” 。2 ABS 理論基礎(chǔ) 2.1 制動(dòng)過(guò)程中車輪的受力及運(yùn)動(dòng)分析汽車的制動(dòng)效果與制動(dòng)過(guò)程中車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及車輪與路面之間的作用力密切相關(guān)。為了研究車輪的運(yùn)動(dòng)及車輪和路面之間的作用力，建立如圖 2.1所示的輪胎坐標(biāo)系（為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，車輪的內(nèi)外傾角沒(méi)有參考） 。坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于輪胎與路面接觸（簡(jiǎn)稱輪胎接地區(qū)）的中心，x 軸位于地平面上，正向指向車輪的前進(jìn)方向；y 軸在地平面上且垂直于 x軸，正向指向車輪的左側(cè)；z 軸與地面垂直，正方向向上。圖中車輪的滾動(dòng)方向與車輪前進(jìn)方向之間的夾角 α 稱為側(cè)偏角。山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 7 -圖 2.1 輪胎坐標(biāo)系 [12]制動(dòng)過(guò)程中路面對(duì)輪胎的作用力可分解為三個(gè)坐標(biāo)軸方向的分力：沿 x軸方向的分力為 Fx，即為地面制動(dòng)力，又稱縱向力；沿 y 軸方向的分力為 Fy，稱之為側(cè)向力，或稱橫向力；研 z 軸方向的分力為 Fz，為路面對(duì)輪胎的法向反作用力。地面制動(dòng)力和側(cè)動(dòng)力實(shí)質(zhì)上是輪胎與路面之間的“摩擦力” ，與汽車輪胎上所受的法向反作用力 Fz 成正比，即Fx=fxFz Fy=fyFz 式中，比例系數(shù) fx 和 fy 分別為稱為制動(dòng)力系數(shù)和側(cè)向力系數(shù)。在后面的分析中我們將會(huì)看到，制動(dòng)力系數(shù)和側(cè)向力系數(shù)與車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，在制動(dòng)過(guò)程中是動(dòng)態(tài)變化的。制動(dòng)過(guò)程中車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分為純滾動(dòng)、純滑動(dòng)和邊滾邊滑。如果汽車的行駛速度，即車輪中心的運(yùn)動(dòng)速度與車輪滾動(dòng)的圓周速度相同，則車輪在路面作純滾動(dòng)；如果駕駛員通過(guò)制動(dòng)控制裝置向制動(dòng)輪施加的作用力足夠大，將制動(dòng)輪抱死，此時(shí)汽車在自身慣性力的推動(dòng)下繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，則車輪在路面上做純滑動(dòng)；當(dāng)制動(dòng)輪受到制動(dòng)器制動(dòng)力的作用而又沒(méi)有抱死時(shí)，一方面，由于制動(dòng)器制動(dòng)力的作用，車輪滾動(dòng)的圓周速度降低；另一方面，在汽車自身慣性力楊斌：汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng) ABS研究- 8 -的作用下，汽車?yán)^續(xù)前運(yùn)動(dòng)，且行駛速度大于車輪滾動(dòng)的圓周速度，輪胎與路面之間產(chǎn)生的滑移，車輪處于邊滾邊滑的狀態(tài)。作用在制動(dòng)輪上的制動(dòng)器制動(dòng)力越大，車輪滾動(dòng)的成分越少，而滑動(dòng)的成分越多。一般用制動(dòng)滑移率來(lái)描述制動(dòng)過(guò)程中的滑移程度，其定義為（圖 2.2）：圖 2.2 制動(dòng)滑移率 [12]S=（v-vr）/v Vr=rw式中 S----制動(dòng)滑移速度V---汽車形式速度Vr---車輪圓周速度R----車輪動(dòng)力半徑W---車輪角速度顯然，車輪做純滾動(dòng)時(shí)，車輪實(shí)際行駛速度與車輪滾動(dòng)的圓周速度相等，即 v=vr，制動(dòng)滑移率為 0；車輪做純滑動(dòng)，即車輪抱死時(shí)，車輪的圓周速度為零，即 vr=0，制動(dòng)滑移率為 1；車輪既滾動(dòng)又滑動(dòng)時(shí)，制動(dòng)滑移率在 0-1之間。可見(jiàn)滑移率描述了制動(dòng)過(guò)程中車輪滑移的程度，滑移率越大，表面滑移越嚴(yán)重。以上討論的是汽車在直線路面上行駛的情形。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向或行駛在彎曲的道路上時(shí)，由于慣性等因素的作用，車輪受到側(cè)向力的作用。此時(shí)車輪的滾動(dòng)方向與汽車的行駛方向不一致，兩者之間的夾角稱為側(cè)偏角。有側(cè)偏角時(shí)的車山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 9 -輪滑移率定義如下（圖 2.3）：圖 2.3 滑移率-制動(dòng)力系數(shù)特性曲線 [12]絕對(duì)滑移率 S=（v-vr）/v 縱向滑移率 Sbx=（v-vrcosα）/v 側(cè)向滑移率 Sby=（vrsin α）/v 式中 α—側(cè)偏角2.2 制動(dòng)力系數(shù)與側(cè)向力系數(shù)特性曲線制動(dòng)過(guò)程中的地面制動(dòng)力和轉(zhuǎn)向力都是通過(guò)車輪與道路接地面之間的摩擦產(chǎn)生的。汽車道路試驗(yàn)表明，輪胎的制動(dòng)力與側(cè)向力，只有當(dāng)車輪滾動(dòng)的圓周速度與車輪的行駛速度之間存在差異時(shí)才會(huì)產(chǎn)生。換言之，制動(dòng)時(shí)輪胎與路面之間的制動(dòng)力系數(shù)與滑移率有著密切的關(guān)系，這種函數(shù)關(guān)系通常用滑移率—制動(dòng)力系數(shù)特性曲線來(lái)描述。楊斌：汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng) ABS研究- 10 -圖 2.4 滑移率—制動(dòng)力系數(shù)特性曲線 [12]圖 2.4給出的是測(cè)試得到的典型的滑移率—制動(dòng)力系數(shù)特性曲線。在制動(dòng)的初始階段，隨著滑移率的增加，制動(dòng)力系數(shù)急劇增加，滑移率增大到最優(yōu)滑移率 Sm 時(shí)，制動(dòng)力系數(shù)達(dá)到最大值 fm。此時(shí)的制動(dòng)力系數(shù) fm稱之為峰值附著系數(shù)，一般出現(xiàn)在 S=0.15-0.2附近。此后，隨著滑移率的繼續(xù)增加，制動(dòng)力系數(shù)逐漸減小，直至車輪完全抱死，滑移率為 1時(shí)，制動(dòng)力系數(shù)減小到一個(gè)穩(wěn)定值 fs，該值稱之為滑移附著系數(shù)。由圖 2.4可以看出 ，只有在曲線上峰值附著系數(shù)出現(xiàn)之前的各點(diǎn)（包括峰值附著系數(shù)點(diǎn)） （O-A 段）以及滑移率為 1的那一點(diǎn)，制動(dòng)過(guò)程是穩(wěn)定的。在不穩(wěn)定區(qū) AB 段，滑移率對(duì)制動(dòng)力矩十分敏感，很快滑移到抱死狀態(tài)。圖 2.5所示為測(cè)試得到的側(cè)向力系數(shù)隨著側(cè)偏角變化曲線。由圖 2.2可知，當(dāng)側(cè)偏角不超過(guò) 5°時(shí)，側(cè)向附著系數(shù)隨著側(cè)偏角的增大近似性地增大；當(dāng)側(cè)偏角范圍達(dá)到 5°-10°時(shí)，側(cè)向力系數(shù)繼續(xù)增大并達(dá)到最大值；當(dāng)側(cè)偏角再增大時(shí)，側(cè)向力系數(shù)反而有所下降。山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 11 -圖 2.5 側(cè)向力系數(shù)隨側(cè)偏角變化曲線 [12]輪胎的制動(dòng)力系數(shù)與側(cè)向力系數(shù)反映了輪胎的附著性能，主要受路面種類（路面材料、有無(wú)冰雪等） 、路面狀況（干燥或潮濕） 、輪胎型號(hào)、輪胎槽紋形狀及深度、胎冠的橡膠成分、輪胎充氣壓力及汽車行駛速度等因素的影響。圖 2.6為試驗(yàn)測(cè)得的各種典型路面的制動(dòng)力系數(shù)特性曲線。從圖 2.6中可以看出，路面種類及 lumina 狀況對(duì)制動(dòng)力系數(shù)的的影響很大。其中干燥水泥路面的附著性能最好，峰值附著系數(shù)達(dá)到 1.13，而結(jié)冰路面的峰值附著系數(shù)僅為0.23。圖 2.6 路面狀態(tài)對(duì)制動(dòng)力系數(shù)特性曲線的影響 [12]圖 2.7表示汽車行駛速度對(duì)制動(dòng)力系數(shù)曲線的影響。在干燥的瀝青路面上，車速?gòu)?10km/h 變?yōu)?40km/h，特性曲線變化較小，表明在干燥的路面 汽車行駛速度對(duì)制動(dòng)力系數(shù)的影響很小。而在潮濕的瀝青路面上，隨著車速的增加，制動(dòng)力系數(shù)下降，對(duì)應(yīng)著峰值附著系數(shù) fm 和滑移附著系數(shù) fs 下降，尤其是滑移附著系數(shù)的下降更為顯著，導(dǎo)致車輪抱死狀態(tài)下的制動(dòng)距離較最優(yōu)滑移率時(shí)的楊斌：汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng) ABS研究- 12 -要長(zhǎng)。圖 2.7 制動(dòng)力系數(shù)特性特性曲線與車速的關(guān)系 [12]輪胎的側(cè)向附著性能除受側(cè)偏角的影響外，還與輪胎的滑移率有著密切的關(guān)系。圖 2.8中給出了滑移率為不同值（從 0-0.4）時(shí)的側(cè)向力系數(shù)特性曲線。由圖 2.8可知，隨著滑移率的增加，輪胎的側(cè)向附著性能降低。這一變化趨勢(shì)從圖 2.9中看得更清楚。圖 2.8 不同滑移率時(shí)側(cè)向力系數(shù)隨側(cè)偏角變化的曲線 [12]圖 2.9給出的是在不同側(cè)偏角條件下，側(cè)向力系數(shù)隨滑移率變化的規(guī)律。對(duì)給定的側(cè)偏角，在不制動(dòng)的時(shí)候，輪胎的滑移率為零，這時(shí)輪胎的側(cè)向力系數(shù)最大。司機(jī)踩下制動(dòng)踏板隨著制動(dòng)力的加大，輪胎的滑移率增加，側(cè)向力系數(shù)逐漸減小。最后，當(dāng)輪胎的滑移率達(dá)到 1，即輪胎抱死時(shí)，車輪的側(cè)向力系數(shù)幾乎為零。山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 13 -圖 2.9 不同側(cè)偏角時(shí)側(cè)向力系數(shù)隨滑移率變化曲線 [12]2.3 最佳滑移率范圍綜合縱向及側(cè)向附著系數(shù)與滑移率的特性曲線分析，可以得出如下結(jié)論：輪胎的附著性能與輪胎的滑移率密切相關(guān)?；坡时３衷?0.1-0.3之間時(shí)，輪胎的縱向附著系數(shù)和側(cè)向附著系數(shù)都較大?；坡食鲞@個(gè)范圍后，特別是車輪抱死后，縱向附著系數(shù)下降，而側(cè)向附著系數(shù)將為零。這意味著制動(dòng)距離加長(zhǎng)，而且方向穩(wěn)定性降低。圖 2.10中給出的滑移率范圍 0.1-0.3稱之為最佳滑移率范圍。ABS 系統(tǒng)的作用，就是在制動(dòng)時(shí)，通過(guò)控制車輪的速度，將滑移率范圍控制在 0.1-0.3之間，從而縮短制動(dòng)距離，提高車輪制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性。圖 2.10 最佳滑移率范圍 [12]2.4 小結(jié)我們知道汽車的制動(dòng)效果與制動(dòng)過(guò)程中車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及車輪與路面之間楊斌：汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng) ABS研究- 14 -的作用力密切相關(guān)。通過(guò)對(duì)車輪運(yùn)動(dòng)過(guò)程中車輪和路面之間的受力分析，得出制動(dòng)力系數(shù)和側(cè)向力系數(shù)與車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，并在制動(dòng)過(guò)程中是動(dòng)態(tài)變化的。而輪胎的制動(dòng)力系數(shù)與側(cè)向力系數(shù)反映了輪胎的附著性能，輪胎的附著性能與又輪胎的滑移率密切相關(guān)。當(dāng)滑移率保持在 0.1-0.3之間時(shí)，輪胎的縱向附著系數(shù)和側(cè)向附著系數(shù)都較大。滑移率超出這個(gè)范圍后，特別是車輪抱死后，縱向附著系數(shù)下降，而側(cè)向附著系數(shù)將為零。這意味著制動(dòng)距離加長(zhǎng)，而且方向穩(wěn)定性降低。 ABS 系統(tǒng)的作用，就是在制動(dòng)時(shí)，通過(guò)控制車輪的速度，將滑移率范圍控制在 0.1-0.3之間，從而縮短制動(dòng)距離，獲得較高的附著利用率來(lái)提高車輪制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性。3 ABS 構(gòu)造與工作原理同其他機(jī)電一體化系統(tǒng)一樣，ABS 的硬件構(gòu)成除了機(jī)械系統(tǒng)本體（汽車的液壓制動(dòng)系統(tǒng)）以外，主要由傳感器、執(zhí)行器和控制器三部分組成。這里，傳感器主要指車輪輪速傳感器，其功能是檢測(cè)車輪轉(zhuǎn)速，并將信號(hào)輸入控制器；執(zhí)行器實(shí)際上是一個(gè)附加在普通液壓力調(diào)節(jié)裝置，其功能是自動(dòng)調(diào)節(jié)制動(dòng)輪缸的液壓；控制器即前述的 ABS ECU，其作用是接收車速、輪速和減速度等傳感器的信號(hào)，計(jì)算出車速、輪速、滑移率和車輪的減速度、加速度，并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析和判斷，根據(jù)分析和判斷的結(jié)果控制 ABS 執(zhí)行器的動(dòng)作。3.1 輪速傳感器如圖 3.1所示，輪速傳感器主要由傳感器轉(zhuǎn)子與傳感頭兩部分組成。常見(jiàn)的傳感器轉(zhuǎn)子是一個(gè)帶齒的圓環(huán)，由磁阻較小的鐵磁性材料制成，一般安裝在隨車輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)的部件上，如半軸、輪轂或制動(dòng)盤等，與車輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)。傳感頭根據(jù)極軸形狀的不同可分為鑿式、菱式和柱式極軸輪速傳感頭等，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同：主要由永磁體磁芯、傳感線圈和極軸等組成。傳感頭直接安裝在車輪附近不隨車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的部件上，如半軸套管、轉(zhuǎn)向節(jié)、制動(dòng)底板等，極軸端部與傳感器轉(zhuǎn)子的輪齒之間保持一定的間隙。輪速傳感器的主要工作原理如圖 3.2所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子的齒隙與傳感頭的極軸端部想對(duì)應(yīng)時(shí)，極軸端部與齒圈之間的空氣隙最大，永磁體磁芯產(chǎn)生的磁力線山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 15 -就不容易通過(guò)齒圈，傳感線圈周圍的磁線就較弱；而當(dāng)轉(zhuǎn)子上的齒頂與傳感頭的極軸端部相對(duì)應(yīng)時(shí)，極軸端部與齒圈之間的空氣隙最小，永磁體磁芯所產(chǎn)生的磁力線就容易通過(guò)齒圈，感應(yīng)線圈周圍的磁場(chǎng)就較強(qiáng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子隨同車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子的齒頂和齒隙交替地與傳感頭極軸端部相對(duì)，傳感器感應(yīng)線圈周圍的磁場(chǎng)隨著發(fā)生強(qiáng)弱交替變化，在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生交變電壓。交變電壓的頻率與齒圈的齒數(shù)成正比。因此，輪速傳感頭輸出的交變電壓的頻率與相應(yīng)車輪的轉(zhuǎn)速成正比。通過(guò)計(jì)算感應(yīng)線圈感應(yīng)交變電壓的頻率即可確定車輪的轉(zhuǎn)速和角加速度。圖 3.1 輪速傳感器 [14]1.導(dǎo)線 2.永久磁鐵 3.殼體 4.線圈 5.極軸 6.轉(zhuǎn)子楊斌：汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng) ABS研究- 16 -圖 3.2 輪速傳感器的工作原理 [14]1.轉(zhuǎn)子 2.極軸 3.感應(yīng)線圈 4.永磁體磁芯3.2 ABS 執(zhí)行器ABS執(zhí)行器又稱液壓調(diào)節(jié)器或制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器，是在普通的液壓制動(dòng)系統(tǒng)上加裝的液壓調(diào)節(jié)裝置，主要由調(diào)節(jié)制動(dòng)液壓的電磁閥（又稱壓力控制閥） 、電動(dòng)液壓泵和低壓儲(chǔ)液器等組成。ABS 執(zhí)行器通常集成為一個(gè)整體，安裝在制動(dòng)主缸和制動(dòng)輪缸之間。3.2.1 執(zhí)行器的構(gòu)造（1）電磁閥。電磁閥是 ABS 執(zhí)行器的核心部件，其作用是控制制動(dòng)輪缸的進(jìn)油和出油。ABS 電磁閥主要有二位三通 、三位三通和二位二通幾種。早期的 ABS 執(zhí)行器有的采用二位三通或三位三通電磁閥，現(xiàn)代汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)采用二位二通電磁閥的居多，每個(gè)制動(dòng)輪一般對(duì)應(yīng)兩個(gè)二位二通電磁閥，一個(gè)常開(kāi)吸入電磁閥，簡(jiǎn)稱進(jìn)油閥，控制制動(dòng)主缸到制動(dòng)輪缸的進(jìn)油，另一個(gè)常閉排出電磁閥，簡(jiǎn)稱出油閥，控制從制動(dòng)輪缸到電動(dòng)液壓泵和低壓儲(chǔ)液器的出油。圖 3.3所示為 Bosch ABS5 型 ABS 二位二通進(jìn)油閥結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)電磁線11上沒(méi)有端電壓時(shí)，閥芯 7的錐形頂部在彈簧 6預(yù)緊力的作用下脫離閥座 4，進(jìn)油口和出油口接通，進(jìn)油閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，來(lái)自制動(dòng)主缸的制動(dòng)液經(jīng)進(jìn)油管濾清器 1進(jìn)入閥座 4內(nèi)的通道，并經(jīng)出油口進(jìn)入制動(dòng)輪缸；當(dāng)向電磁線圈 11提供端電壓時(shí)，電磁線圈對(duì)銜鐵 9產(chǎn)生電磁吸引力，閥芯在電磁吸引力的作用下克服彈簧張力向下移動(dòng)，直至閥芯錐形頂部緊壓靠在錐形閥座上，進(jìn)油口和出油口的通道被斷開(kāi)，制動(dòng)液不能從制動(dòng)輪缸進(jìn)入制動(dòng)主缸，制動(dòng)主缸中的制動(dòng)液也不能流入制動(dòng)輪缸。山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 17 -圖 3.3 二位二通進(jìn)油閥示意圖 [15] 圖 3.4 二位二通出油閥示意圖 [15]1.進(jìn)油管濾清器 2.密封圈 3.閥體 1. 閥座 2.O 形環(huán) 3.濾清器支撐體4.閥座 5.濾清器 6.彈簧 7.閥芯 4.濾清器 5.密封圈 6.閥芯 7.彈簧8.O 形環(huán) 9.銜鐵 10.密封圈 8.閥體 9.銜鐵 10.電磁線圈11.電磁線圈 12.線圈架 11.線圈架Bosch ABS 5型 ABS 二位二通出油閥結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 3.4與進(jìn)油閥一樣，出油閥采用的也是電磁工作原理，所不同的是電磁閥開(kāi)啟和關(guān)閉的條件與進(jìn)油閥正好相反。當(dāng)電磁線圈 10不通點(diǎn)時(shí)，閥芯 6的錐形頂部在彈簧 7預(yù)緊力的作用下緊壓靠在閥座 1上，進(jìn)油口和出油口的通道斷開(kāi)，出油閥處于關(guān)閉狀態(tài)；向電磁線圈施加端電壓后，電磁線圈對(duì)銜鐵 9產(chǎn)生電磁吸引力，閥芯在電磁吸引力的作用下克服彈簧張力向上移動(dòng)，閥芯錐形頂部與閥座之間產(chǎn)生間隙，進(jìn)油口和出油口的通道被接通，出油閥處于開(kāi)啟狀態(tài)。（2）低壓儲(chǔ)液器和電動(dòng)液壓泵。低壓儲(chǔ)液器和電動(dòng)液壓泵是執(zhí)行器的壓力降低裝置。當(dāng)出油閥開(kāi)啟時(shí)，從制動(dòng)輪缸流出的制動(dòng)液經(jīng)過(guò)低壓儲(chǔ)液器并由電動(dòng)液壓泵泵回制動(dòng)主缸中。電動(dòng)液壓泵由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并根據(jù) ECU的指令運(yùn)轉(zhuǎn)和停止。3.2.2 執(zhí)行器的工作原理 ABS執(zhí)行器液壓制動(dòng)系統(tǒng)的種類很多，但其工作原理大同小異，下面以Bosch ABS 5 為例分析 ABS 執(zhí)行器的工作原理。楊斌：汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng) ABS研究- 18 -（1）常規(guī)制動(dòng)時(shí)（ABS 不工作）：常規(guī)制動(dòng)過(guò)程中，ABS 不起作用，ECU 也不向電磁閥輸出電壓。因此，進(jìn)油閥 4保持開(kāi)啟狀態(tài)，出油閥 7保持關(guān)閉狀態(tài)，來(lái)自制動(dòng)主缸 2的制動(dòng)液經(jīng)進(jìn)油閥進(jìn)入制動(dòng)輪缸 6，在制動(dòng)輪缸中建立制動(dòng)壓力，實(shí)施汽車制動(dòng)。此時(shí)電動(dòng)液壓泵 10不工作，位于出油路中的單向閥 11防止制動(dòng)液流到液壓泵中。放松制動(dòng)踏板 1時(shí)，車輪制動(dòng)輪缸中的制動(dòng)液一部分通過(guò)單向閥 5，另一部分經(jīng)進(jìn)油閥 4回流到制動(dòng)主缸中。以上過(guò)程如圖 3.5所示。圖 3.5 常規(guī)制動(dòng)時(shí)，液壓制動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖 [15]1.制動(dòng)踏板 2.制動(dòng)主缸 3.注油容器 4.進(jìn)油閥 6.制動(dòng)輪缸 7.出油閥 8.儲(chǔ)油罐 9.單向閥 10.電動(dòng)液壓泵 11.單向閥（2）緊急制動(dòng)時(shí)（ABS 工作）：緊急制動(dòng)時(shí)，當(dāng)四個(gè)車輪中的任一車輪即將抱死時(shí)，ABS 執(zhí)行器根據(jù)電子控制單元（ECU）傳送的信號(hào)控制該車輪上制動(dòng)輪缸中的制動(dòng)液壓，從而達(dá)到防止該車輪抱死的目的。“壓力降低”狀態(tài)：當(dāng)車輪即將抱死時(shí)，ECU 向進(jìn)油閥和出油閥電磁線圈施加 12V的端電壓，進(jìn)油閥關(guān)閉，出油閥打開(kāi)，來(lái)自制動(dòng)主缸的制動(dòng)液不能流進(jìn)制動(dòng)輪缸，制動(dòng)輪缸中的制動(dòng)液通過(guò)出油閥送至儲(chǔ)液罐 8中。如此作用的結(jié)果是車輪制動(dòng)輪缸中的制動(dòng)液壓下降，制動(dòng)輪制動(dòng)力減小，從而達(dá)到防止車輪抱死的目的。與此同時(shí)，ECU 傳送信號(hào)給電動(dòng)液壓泵，使之開(kāi)始工作，將儲(chǔ)液罐中的制動(dòng)液送至制動(dòng)主缸中。制動(dòng)管路壓力降低的速率是由“壓力降低”和“壓力保持”兩種狀態(tài)的交替進(jìn)行來(lái)調(diào)節(jié)的，以上過(guò)程如圖 3.6 所示。山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 19 -圖 3.6 壓力降低時(shí)，液壓制動(dòng)系統(tǒng)原理圖 [15]1.制動(dòng)踏板 2.制動(dòng)主缸 3.注油容器 4.進(jìn)油閥 6.制動(dòng)輪缸 7.出油閥 8.儲(chǔ)油罐 9.單向閥 10.電動(dòng)液壓泵 11.單向閥“壓力保持”狀態(tài)：當(dāng)制動(dòng)輪缸中的制動(dòng)壓力降低或升高且輪速已達(dá)到預(yù)定值時(shí)，ECU 給進(jìn)油閥電磁線圈提供 12V 的端電壓，給出油閥電磁線圈提供0V 的端電壓，進(jìn)油閥和除頭發(fā)都關(guān)閉，制動(dòng)液在回路中不流動(dòng)，制動(dòng)輪缸中的制動(dòng)壓力保持在該水平上。以上過(guò)程如圖 3-7 所示。圖 3.7 壓力保持時(shí)，液壓制動(dòng)系統(tǒng)原理圖 [15]1.制動(dòng)踏板 2.制動(dòng)主缸 3.注油容器 4.進(jìn)油閥 6.制動(dòng)輪缸 7.出油閥 8.儲(chǔ)油罐 9.單向閥 10.電動(dòng)液壓泵 11.單向閥“壓力升高”狀態(tài)：當(dāng)車輪制動(dòng)輪缸中的制動(dòng)管路壓力需要升高以提供更大的制動(dòng)力時(shí)，ECU 將進(jìn)油閥和出油閥電磁線圈的端電壓均置為 0V，進(jìn)油閥楊斌：汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng) ABS研究- 20 -打開(kāi)，出油閥關(guān)閉，制動(dòng)主缸中的制動(dòng)液經(jīng)進(jìn)油閥流至制動(dòng)輪缸中。如此作用的結(jié)果是制動(dòng)輪缸中的液壓升高，同時(shí)產(chǎn)生的制動(dòng)輪制動(dòng)力也隨之升高。制動(dòng)管路壓力升高的速率是由“壓力升高”和“壓力保持”兩種狀態(tài)的交替進(jìn)行來(lái)調(diào)節(jié)的。以上過(guò)程如圖 3.8 所示。圖 3.8 壓力升高時(shí)，液壓制動(dòng)系統(tǒng)原理圖 [15]1.制動(dòng)踏板 2.制動(dòng)主缸 3.注油容器 4.進(jìn)油閥 6.制動(dòng)輪缸 7.出油閥 8.儲(chǔ)油罐 9.單向閥 10.電動(dòng)液壓泵 11.單向閥3.3 ABS ECUABS ECU 的主要功能是接收輪速傳感器和其他傳感器輸入的信號(hào)，進(jìn)行放大，轉(zhuǎn)換，計(jì)算，比較和判斷，談后根據(jù)判斷的結(jié)果控制電磁閥的開(kāi)關(guān)和電動(dòng)液壓泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，以控制制動(dòng)器制動(dòng)壓力。ABS ECU（圖 3.9）是一個(gè)基于單片機(jī)的控制器，包括硬件和軟件兩部分。ECU 硬件由輸入處理電路，單片計(jì)算機(jī)，輸出處理電路和安全保護(hù)電路組成，各組成部分集中安裝在一塊印刷電路板上，并封裝在金屬殼體內(nèi)。ABS ECU 軟件是根據(jù) ABS 控制邏輯編寫的控制程序，固存在單片計(jì)算機(jī)的只讀存儲(chǔ)器（ROM）中。山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 21 -圖 3.9 ABS 電子控制單元 ECU[15]1. 輸入處理電路 輸入 ABS ECU 的信號(hào)主要有：1 輪速傳感器信號(hào);2點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，制動(dòng)開(kāi)關(guān)，液位開(kāi)關(guān)等外部信號(hào)；3 輪速傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)的反饋信號(hào)；4 電磁閥繼電器，液壓泵驅(qū)動(dòng)電器繼電器等工作電路的監(jiān)測(cè)信號(hào)等。按照輸入信號(hào)的形態(tài)可以將其分為三種類型：模擬信號(hào)，通斷二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)和連續(xù)脈沖數(shù)字信號(hào)。對(duì)于輪速傳感器信號(hào)這樣的模擬信號(hào)，需要進(jìn)行低通濾波，整形，放大等預(yù)處理，并將處理過(guò)的信號(hào)通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成適合單片計(jì)算機(jī) CPU 處理的數(shù)字信號(hào)。對(duì)于點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，制動(dòng)開(kāi)關(guān)，液位開(kāi)關(guān)這樣的通斷二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)和電磁閥繼電器監(jiān)測(cè)信號(hào)等這樣的連續(xù)脈沖數(shù)字信號(hào)，盡管他們本身是數(shù)字信號(hào)，但由于各種各樣的原因洗腦的幅值不適合單片計(jì)算機(jī) CPU 直接進(jìn)行處理（CPU 的工作電壓為 5V） ，必須經(jīng)過(guò)輸入處理電路的處理，變成計(jì)算機(jī)能處理的數(shù)字信號(hào)形式后在輸入控制器的計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理。2.單片機(jī) 單片機(jī)是 ABS ECU 的核心，也是 ABS 的核心。早期的 ABS ECU 采用 8位單片機(jī)，目前采用 16位單片機(jī)的居多，也有的開(kāi)始采用 32位單片機(jī)。單片機(jī)內(nèi)部的 CPU 將輸入的信號(hào)按一定的算法進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算的結(jié)楊斌：汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng) ABS研究- 22 -果確定出相應(yīng)的控制命令，然后將控制信號(hào)通過(guò)數(shù)字端口 D0 輸出，經(jīng)過(guò)模擬電路的驅(qū)動(dòng)功率放大就可以直接舉動(dòng)電磁閥。ABS ECU 一般由兩個(gè)單片機(jī)組成，以保證系統(tǒng)工作安全可靠。兩個(gè)單片機(jī)接收同樣的輸入信號(hào)，在進(jìn)行運(yùn)算和處理的過(guò)程中，通過(guò)交互式通訊，對(duì)兩個(gè)單片機(jī)的結(jié)果進(jìn)行比較，如果處理結(jié)果不一致，單片機(jī)立即使 ABS 系統(tǒng)退出工作，防止系統(tǒng)發(fā)生故障后導(dǎo)致錯(cuò)誤控制。單片機(jī)不僅能檢測(cè) ECU 內(nèi)部的工作過(guò)程，還能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中有關(guān)部件，如輪速傳感器，泵電動(dòng)機(jī)工作電路，電磁閥繼電器工作電路等的工作狀況。當(dāng)監(jiān)測(cè)到這些電路工作不正常時(shí)，也立即向安全保護(hù)電路輸出停止 ABS 系統(tǒng)工作的指令。3.輸出處理電路 輸出處理電路將單片機(jī)輸出的控制信號(hào)（如壓力增加，保持，減?。?，通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬控制信號(hào)，通過(guò)控制功率放大器向執(zhí)行器（電磁閥）提供控制電流或電壓，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器工作。4.安全保護(hù)電路 安全保護(hù)電路由電源控制，故障記憶，繼電器驅(qū)動(dòng)和ABS 警告燈驅(qū)動(dòng)等電路組成。安全保護(hù)電路接收騎車電源的電壓信號(hào)，對(duì)電源電壓是否穩(wěn)定在規(guī)定的范圍內(nèi)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)將 12V 或 14V 電源電壓變成ABS ECU 內(nèi)部需要的 5V 標(biāo)準(zhǔn)電壓。同時(shí)還對(duì)繼電器電路， ABS 警告燈電路進(jìn)行控制。當(dāng) ABS 出現(xiàn)故障時(shí)，如電源電壓過(guò)低，輪速傳感器信號(hào)不正常及計(jì)算電路，電磁閥控制電路等有故障時(shí)，能根據(jù)微處理器的指令，切斷有關(guān)繼電器的電源電路，使 ABS 停止工作，回復(fù)常規(guī)制動(dòng)功能，起到失效保護(hù)作用。同時(shí)，將儀表板上的 ABS 警告燈點(diǎn)亮，提醒駕駛員 ABS 系統(tǒng)出現(xiàn)故障，應(yīng)進(jìn)行檢修。并將故障存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器內(nèi)，以便進(jìn)行自診斷時(shí)，將存儲(chǔ)的故障信息調(diào)出，供維修時(shí)使用。3.4 小結(jié)ABS除了機(jī)械系統(tǒng)本體（汽車的液壓制動(dòng)系統(tǒng)）以外，主要由傳感器、執(zhí)行器和控制器三部分組成。傳感器主要指車輪輪速傳感器，其功能是檢測(cè)車輪轉(zhuǎn)速，并將信號(hào)輸入控制器；執(zhí)行器實(shí)際上是一個(gè)附加在普通液壓力調(diào)節(jié)裝置，其功能是自動(dòng)調(diào)節(jié)制動(dòng)輪缸的液壓；控制器即前述的 ABS ECU，其作用是接收車速、輪速和減速度等傳感器的信號(hào)，計(jì)算出車速、輪速、滑移率和車輪的減山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 23 -速度、加速度，并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析和判斷，根據(jù)分析和判斷的結(jié)果控制ABS 執(zhí)行器的動(dòng)作。汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)汽車的行駛狀態(tài)、車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，在制動(dòng)過(guò)程中自動(dòng)調(diào)節(jié)施加在制動(dòng)器上的壓力，把車輪滑移率控制在一狹小范圍內(nèi)，不使車輪抱死，以保證汽車在各種行駛條件下制動(dòng)時(shí)均能充分利用輪胎與路面間的縱向和側(cè)向附著力，提高汽車抗側(cè)滑的能力，縮短制動(dòng)距離，有效提高行車安全性。裝備 ABS 的車輛可以在不同路況、天氣下降低事故發(fā)生率，它已是世界上普遍公認(rèn)的提高汽車安全性的有效措施之一。目前在國(guó)外，ABS 已作為汽車的標(biāo)準(zhǔn)裝備，國(guó)內(nèi)法規(guī)也強(qiáng)制要求重型貨車和大型客車必須安裝 ABS。電子控制單元(ECU: Electronic Control Unit)是 ABS 控制系統(tǒng)的核心部件，也是衡量 ABS 系統(tǒng)性及功能等級(jí)的主要部件，它的性能好壞直接影響到整套 ABS 系統(tǒng)的控制效果，由它來(lái)控制 ABS 的執(zhí)行部件－壓力調(diào)節(jié)器，以決定輸出制動(dòng)氣室內(nèi)壓力的大小，進(jìn)而決定制動(dòng)力矩的大小。無(wú)論制動(dòng)系統(tǒng)其它部件性能如何完好，一旦控制核心 ECU 出現(xiàn)了問(wèn)題，則 ABS 系統(tǒng)的防抱制動(dòng)性能將不會(huì)起到應(yīng)有作用，有時(shí)甚至使制動(dòng)效果惡化。因而在以后的 ABS 開(kāi)發(fā)過(guò)程中ECU 應(yīng)做為重點(diǎn)來(lái)開(kāi)發(fā)，使 ABS 的性能能夠更好發(fā)揮利用。4 ABS 控制技術(shù)4.1 ABS 控制通道ABS 中能獨(dú)立進(jìn)行制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)的管路稱控制通道，按照控制通道的數(shù)目，ABS 可以分為四通道式，三通道式，雙通道式和單通道式（圖 4.1） 。楊斌：汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng) ABS研究- 24 -圖 4.1 ABS 控制通道 [13]（a）四通道式 （b）三通道式 （c）雙通道式 （d）單通道式1.轉(zhuǎn)速傳感器 2.壓力傳感器四通道式制造成本高，制動(dòng)過(guò)程中容易產(chǎn)生橫擺力矩，ABS 采用這種布置方式的很少。雙通道式盡管制造成本低，但很難兼顧汽車對(duì)制動(dòng)效能和方向穩(wěn)定性的要求，ABS 采用這種布置方式的也不多見(jiàn)。實(shí)際使用的 ABS 液壓系統(tǒng)以三通道式居多。三通道式的前輪有兩個(gè)獨(dú)立的控制通道，后輪則只有一個(gè)充分利用兩個(gè)全論的附著力，同時(shí)保證制動(dòng)過(guò)程中的方向穩(wěn)定性。單通道式的控制通道一般不值在汽車的后橋上，其制造成本低，在一些輕型載貨車上有較廣泛的應(yīng)用。4.2 ABS 控制方式ABS 控制通道有獨(dú)立控制，低選擇控制，高選擇控制，修正的獨(dú)立控制和智能選擇控制幾種控制方式。（1）獨(dú)立控制獨(dú)立控制室指每個(gè)車輪都有其專用的控制通道，與其他車輪無(wú)關(guān)，即一個(gè)輪速傳感器對(duì)應(yīng)一個(gè)壓力控制閥。獨(dú)立控制能使每個(gè)車輪的制動(dòng)力系數(shù)利用率達(dá)到最大值，以獲得最佳制動(dòng)效果。但對(duì)于不對(duì)稱路面，由于制動(dòng)力系數(shù)不同，使左右輪產(chǎn)生的路面制動(dòng)力不同，導(dǎo)致汽車產(chǎn)生附加的橫擺力矩，使汽車難以控制。因此，獨(dú)立控制系統(tǒng)的制動(dòng)距離短，但操縱性和方向穩(wěn)定性不太好，多山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 25 -用于中重型載貨車的后軸。（2）低選擇控制 低選擇控制是指一個(gè)車橋上的兩個(gè)車輪由一跳通道控制，即兩個(gè)輪速傳感器對(duì)應(yīng)一個(gè)壓力控制閥。低選擇控制的制動(dòng)壓力取決于先抱死的車輪，對(duì)于不對(duì)稱路面，即選擇制動(dòng)力系數(shù)較低的一側(cè)車輪。低選擇控制使得左右車輪產(chǎn)生的制動(dòng)力相同，減少或消除了橫擺和轉(zhuǎn)向力矩，提高了制動(dòng)時(shí)的操縱穩(wěn)定性。但這種控制方式使得制動(dòng)力系數(shù)較高的一側(cè)車輪的制動(dòng)力系數(shù)得不到充分利用，使得制動(dòng)距離加大。對(duì)于有著相同制動(dòng)力系數(shù)的路面，地選擇控制和獨(dú)立控制的制動(dòng)距離是相同的。（3）高選擇控制 高選擇控制也是一個(gè)車橋上的兩個(gè)車輪由一條通道控制，即兩個(gè)輪速傳感器對(duì)應(yīng)一個(gè)壓力控制閥。但其選擇其中制動(dòng)力系數(shù)較高的一側(cè)車輪進(jìn)行控制，使制動(dòng)力系數(shù)得到充分利用，制動(dòng)距離短。對(duì)于制動(dòng)力系數(shù)不對(duì)稱的路面，該控制方式會(huì)產(chǎn)生附加的橫擺力矩，降低制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性。（4）修正的獨(dú)立控制 修正的獨(dú)立控制和獨(dú)立控制一樣，每個(gè)輪速傳感器對(duì)應(yīng)一個(gè)壓力控制閥。具體控制方式是：對(duì)一個(gè)車橋上的左，右輪中制動(dòng)力系數(shù)低的一側(cè)車輪用獨(dú)立控制，制動(dòng)力系數(shù)高的另一側(cè)按一定的比例以低于最大制動(dòng)力系數(shù)利用率進(jìn)行控制，或者使其控制壓力的建立時(shí)間退后一段。修正的獨(dú)立控制綜合了獨(dú)立控制和低選擇控制的優(yōu)點(diǎn)，其壓力控制閥的特殊運(yùn)算法則使得左右車輪的制動(dòng)壓力差控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，使橫擺力矩和轉(zhuǎn)向力矩限定在可以接受的水平內(nèi)，保證有較好的操縱性和方向穩(wěn)定性，而制動(dòng)距離與獨(dú)立控制相比只略有增加。修正的獨(dú)立控制 ABS常用于載重車的前軸。（5）智能選擇控制 智能選擇控制也是一個(gè)車橋上的兩個(gè)車輪由一條通道控制，即兩個(gè)輪速傳感器對(duì)應(yīng)一個(gè)壓力控制閥。在控制方式上將高，低選擇控制有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。當(dāng) ABS起作用時(shí)，智能選擇系統(tǒng)根據(jù)路面制動(dòng)力系數(shù)和車輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)選擇控制方式。在左，右輪制動(dòng)力系數(shù)相同的路面，選擇系統(tǒng)趨向于低選擇控制。對(duì)于左，右輪制動(dòng)力系數(shù)不同的路面，當(dāng)制動(dòng)力低的一側(cè)其制動(dòng)力系數(shù)相對(duì)較高時(shí)，楊斌：汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng) ABS研究- 26 -選擇系統(tǒng)也趨向于低選擇控制；而其制動(dòng)力系數(shù)相對(duì)較低時(shí)，選擇系統(tǒng)趨向于高選擇控制。4.3 ABS 控制方法4.3.1 邏輯門限值控制 這種控制方法是基于車輪角速度對(duì)制動(dòng)力矩，制動(dòng)力系數(shù)和滑移率的變化十分敏感，在制動(dòng)過(guò)程中，車輪抱死總是出現(xiàn)在 dw/dt 相當(dāng)發(fā)的時(shí)刻，因此可以預(yù)選一個(gè)角減速度門限值-a，當(dāng)實(shí)際的角減速度超過(guò)此門限值是， ECU 發(fā)出指令，開(kāi)始降低制動(dòng)壓力使車輪得以加速旋轉(zhuǎn)；再選一個(gè)角加速度低門限值+a1，當(dāng)車輪的角加速度達(dá)到此門限值時(shí)，ECU 發(fā)出指令，使制動(dòng)壓力保持不變；當(dāng)車輪的角加速度增大到高門限值+a2 時(shí)，又開(kāi)始增大制動(dòng)壓力，車輪做減速運(yùn)動(dòng)。所以可以采用一個(gè)輪速傳感器作為輸入信號(hào)，同時(shí)在 ECU 中設(shè)置合理的車輪角加，減速度門限值，實(shí)現(xiàn)防抱死制動(dòng)的控制，這種方法稱為簡(jiǎn)單邏輯門限值控制，其邏輯判定條件可以表示為dw/dt+a1 保壓，上一個(gè)是減壓過(guò)程；dw/dt>+a2 增壓，上一個(gè)是保壓過(guò)程。簡(jiǎn)單邏輯門限值控制可以適應(yīng)不同的路面特性，但當(dāng)路面制動(dòng)力系數(shù)發(fā)生突變時(shí)，系統(tǒng)不能快適應(yīng)。此外，在初始和高速緊急制動(dòng)情況下，有可能使防制動(dòng)邏輯在后續(xù)的控制中失效，因此需要將角速度和滑移率這兩個(gè)門限結(jié)合起來(lái)，以識(shí)別不同的路況。目前，ABS 采用的基本上都是基于車輪加，減速度門限值及滑移率的控制方法。邏輯門限值控制具有控制簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，便于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。目前已經(jīng)在汽車上應(yīng)用的 ABS 產(chǎn)品幾乎無(wú)一例外地采用該方法。邏輯門限值控制的缺點(diǎn)在于控制系統(tǒng)中的各種門限及保壓時(shí)間都是通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)得出，耗資巨大，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，而且從理論上講，在整個(gè)控制過(guò)程中車輪滑移率并不總是保持在最佳滑移率上，而是在它的移近波動(dòng)，并未達(dá)到最佳的制動(dòng)效果。4.3.2 PID 控制 為了進(jìn)一步提高 ABS 的性能，研究人員正在致力于基于滑移率的控制系統(tǒng)山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 27 -研究。直接用滑移率作為控制目標(biāo)容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，從而提高 ABS 在制動(dòng)過(guò)程中的平順性，并最大限度地發(fā)揮它的制動(dòng)性能。實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制的最簡(jiǎn)單算法是 PID（Proportional，Itegral and Derivative，即比例，幾份及微分控制，簡(jiǎn)稱為 PID 控制）控制。圖 4.2為 ABS PID 控制的方框圖，從圖中可以看出，該方法將期望的滑移率 St 與實(shí)際滑移率 S 之差 es 定義為 PID 的輸入，由 PID 控制算法算出控制參數(shù)值（液壓制動(dòng)系統(tǒng)的液壓或氣動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的氣壓 P）反饋給制動(dòng)系統(tǒng)，構(gòu)成典型的反饋控制。PID 控制的難點(diǎn)在于 PID 參數(shù)的整定，一般結(jié)合具體的汽車用試湊的方法確定，只要 PID 參數(shù)選擇適當(dāng)，就會(huì)得到較好的控制效果。圖 4.2 ABS 的 PID 控制 [13]4.3.3 模糊控制 模糊控制也是目前研究人員研究比較多的 ABS 控制方法之一。模糊控制通過(guò)模糊邏輯和近似推理方法，把人的經(jīng)驗(yàn)形式化，模糊化，使之成為計(jì)算機(jī)可以接受的控制模型。模糊控制是基于經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的控制，與系統(tǒng)的模型無(wú)關(guān)，有很好的魯棒性和控制規(guī)則靈活性，控制規(guī)則符合人的思維規(guī)律，該控制方法是今后的發(fā)展方向。防抱死制動(dòng)系統(tǒng) ABS 的模糊控制方框圖見(jiàn)圖 4.3其控制過(guò)程是：制動(dòng)時(shí)由制動(dòng)踏板輸出一個(gè)階躍輸入，而輸入給制動(dòng)系統(tǒng)一個(gè)制動(dòng)壓力設(shè)定值 Pt（液壓制動(dòng)系統(tǒng)的液壓或氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的氣壓） ，進(jìn)入求和模塊。另一個(gè)進(jìn)入求和模塊的是來(lái)自模糊控制器的輸出變量 P，求和后輸出給私服系統(tǒng)的是實(shí)際給定系統(tǒng)的目標(biāo)壓力值 Pe，通過(guò)限值模塊，輸入給制動(dòng)系統(tǒng)（液壓制動(dòng)系統(tǒng)或氣動(dòng)伺服閥系統(tǒng)） ，求得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)制動(dòng)力矩，它輸入給車輛模糊控制器模塊，實(shí)際滑移率 S 與期望滑移率 St 構(gòu)成誤差 es，由模糊控制算法算出控制壓力值 P 反饋給 制動(dòng)系統(tǒng)。楊斌：汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng) ABS研究- 28 -圖 4.3 ABS 的模糊控制 [13]4.4 ABS 控制過(guò)程如前所述，ABS 的控制方法很多，但實(shí)際使用的 ABS 主要采用邏輯門限值控制法，控制參數(shù)有：車輪角減（加）速度，車輪圓周減（加）速度，制動(dòng)滑移率，汽車參考速度和汽車減速度等。下面以車輪圓周減（加）速度控制為例，詳細(xì)討論 ABS 的控制過(guò)程。圖 4.4 所示為 ABS 控制過(guò)程中汽車行駛速度 v，車輪圓周加速度 a，制動(dòng)輪缸制動(dòng)壓力 P 和電磁閥開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào) mv 的變化曲線。圖中-a，+a1 和+a2 為車輪圓周減，加速度的三個(gè)門限值，-a 為圓周減速度門限值， +a1 和+a2 分別為圓周加速度低門限和高門限值。tFi 為濾波滯后時(shí)間，指車輪的圓周減速度達(dá)到門限值-a 到 ABS ECU 開(kāi)始響應(yīng)時(shí)的時(shí)間差，一般取為 20-50ms，目的是使ABS 對(duì)車輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化不產(chǎn)生過(guò)敏的響應(yīng)。tVe 為響應(yīng)滯后時(shí)間，指從傳感器采集數(shù)據(jù)開(kāi)始到電磁閥開(kāi)關(guān)動(dòng)作完成所需要的時(shí)間，包括輪速傳感器采集一次車輪角速度信號(hào)所需要的時(shí)間，ECU 對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理所需要的時(shí)間，電磁閥開(kāi)啟或關(guān)閉所需要的時(shí)間等，總計(jì)為 10-15ms。山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文- 29 -圖 4.4 ABS 控制過(guò)程圖 [15]設(shè)汽車開(kāi)始行駛在高制動(dòng)力系數(shù)路面，其對(duì)應(yīng)的滑移率一制動(dòng)力系數(shù)特性曲線如圖 4.5中的曲線 1所示。緊急制動(dòng)開(kāi)始后，輪胎