本科生畢業(yè)設(shè)計 第 1 頁1 防抱死制動系統(tǒng)概述1.1 ABS 的功能 汽車 ABS 在高速制動時用來防止車輪抱死，ABS 是英文 Anti-lock Brake Syetem 的縮寫，全文的意思是防抱死制動系統(tǒng)，簡稱 ABS。凡駕駛過汽車的人都有這樣的經(jīng)歷：在積水的柏油路上或在冰雪路面緊急制動時，汽車輕者會發(fā)生側(cè)滑，嚴(yán)重時會掉頭、甩尾，甚至產(chǎn)生劇烈旋轉(zhuǎn)。制動力過大，將使車輪抱死，汽車方向失去控制后，若是彎道就有可能從路邊滑出或闖入對面車道，即使不是彎道也無法躲避障礙物，產(chǎn)生這些危險狀況的原因在于汽車的車輪在制動過程中產(chǎn)生抱死現(xiàn)象，此時，車輪相對于路面的運(yùn)動不再是滾動，而是滑動，路面作用在輪胎上的側(cè)滑摩擦力和縱向制動力變得很小，路面越滑，車輪越容易。總之，汽車制動時車輪如果抱死將產(chǎn)生以下不良影響：方向失去控制，出現(xiàn)側(cè)滑、甩尾，甚至翻車；制動效率下降，延長了制動距離；輪胎過度磨損，產(chǎn)生“小平面” ，甚至爆胎。ABS 防抱死制動裝置就是為了防止上述缺陷的發(fā)生而研制的裝置，它有以下幾點(diǎn)好處：增加制動穩(wěn)定性，防止方向失控、側(cè)滑和甩尾；提高制動效率，縮短制動距離（松軟的沙石路面除外） ；減少輪胎磨損，防止爆胎?，F(xiàn)代轎車的 ABS 由輸入傳感器、控制電腦、輸出調(diào)制器及連接線等組成。輸入傳感器通常包括死個車輪的輪速信號、剎車信號，個別車型還有減速度信號、手剎車或車油面信號。ABS 的第一個優(yōu)點(diǎn)是增加了汽車制動時候的穩(wěn)定性。汽車制動時，四個輪子上的制動力是不一樣的，如果汽車的前輪抱死，駕駛員就無法控制汽車的行駛方向，這是非常危險的；倘若汽車的后輪先抱死，則會出現(xiàn)側(cè)滑、甩尾，甚至使汽車整個掉頭等嚴(yán)重事故。ABS 可以防止四個輪子制動時被完全抱死，提高了汽車行駛的穩(wěn)定性。汽車生產(chǎn)廠家的研究數(shù)據(jù)表明，裝有 ABS 的車輛，可使因車論側(cè)滑引起的事故比例下降 8%左右。ABS 的第二個優(yōu)點(diǎn)是能縮短制動距離。這是因?yàn)樵谕瑯泳o急制動的情況下，ABS 可以將滑移率（汽車華東距離與行駛的比）控制在 20%左右，即可獲得最大的縱向制動力的結(jié)果。ABS 的第三個優(yōu)點(diǎn)是改善了輪胎的磨損狀況，防止爆胎。事實(shí)上，車輪抱死會造成輪胎小平面磨損，輪胎面損耗會不均勻，使輪胎磨損消耗費(fèi)增加，嚴(yán)重時將無法繼續(xù)使用。因此，裝有 ABS 具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和安全保障。另外，ABS 使用方便，工作可靠。ABS 的使用與普通制動系統(tǒng)的使用幾乎沒有區(qū)別，緊急制動時只有把腳用力踏在制動踏板上，ABS 就會根據(jù)情況進(jìn)入工作本科生畢業(yè)設(shè)計 第 2 頁狀態(tài)，即使雨雪路滑，ABS 也會使制動狀態(tài)保持在最佳點(diǎn)。ABS 利用電腦控制車輪制動力，可以充分發(fā)揮制動器的效能，提高制動減速度和縮短制動距離，并能有效地提高車輛制動的穩(wěn)定性，防止車輛側(cè)滑和甩尾，減少車禍?zhǔn)鹿实陌l(fā)生，因此被認(rèn)為是當(dāng)前提高汽車行駛安全性的有效措施。目前 ABS 已經(jīng)在國內(nèi)外中高級轎和客車上得到了廣泛使用。1.2 防抱死制動系統(tǒng)的發(fā)展歷史ABS 裝置最早應(yīng)用在飛機(jī)和火車上，而在汽車上的應(yīng)用比較晚。鐵路機(jī)車在制動時如果制動強(qiáng)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(chǎn)生后，車輪就不能平穩(wěn)地行駛，產(chǎn)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(shí)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(xiàn)在為止，任何通過機(jī)械裝置防止車輪抱死危險的嘗試皆尚未成功，當(dāng)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(dāng)時開發(fā)剎車防抱死裝置的技術(shù)瓶頸是什么？首先該裝置需要一套系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測輪胎速度變化量并立即通過液壓系統(tǒng)調(diào)整剎車壓力大小，在那個沒有集成電路與計算機(jī)的年代，沒有任何機(jī)械裝置能夠達(dá)成如此敏捷的反應(yīng)！等到 ABS 系統(tǒng)的誕生露出一線曙光時，已經(jīng)是半導(dǎo)體技術(shù)有了初步規(guī)模的 1960 年代早期。精于汽車電子系統(tǒng)的德國公司 Bosch（博世）研發(fā) ABS 系統(tǒng)的起源要追溯到1936 年，當(dāng)年 Bosch 申請“機(jī)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(fā)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(jié)論，這是 ABS（Antilock Braking System）名詞在歷史上第一次出現(xiàn)！世界上第一具 ABS 原型機(jī)于 1966 年出現(xiàn)，向世人證明“縮短剎車距離”并非不可能完成的任務(wù)。因?yàn)橥度氲馁Y金過于龐大，ABS 初期的應(yīng)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(fā)出第一具用于道路車輛的原型機(jī)——ABS 1， 該系統(tǒng)已具備量產(chǎn)基礎(chǔ)，但可靠性不足，而且控制單元內(nèi)的組件超過 1000 個，不但成本過高也很容易發(fā)生故障。1973 年 Bosch 公司購得 50％的 Teldix GmbH 公司股權(quán)及 ABS 領(lǐng)域的研發(fā)成果，1975 年 AEG、Teldix 與 Bosch 達(dá)成協(xié)議，將 ABS 系統(tǒng)的開發(fā)計劃完全委托Bosch 公司整合執(zhí)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(tǒng)完全以數(shù)字式組件進(jìn)行設(shè)計，不但控制單元內(nèi)組件數(shù)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(yùn)算速度明顯加快的本科生畢業(yè)設(shè)計 第 3 頁三大優(yōu)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(tǒng)裝置在 S 級及 7 系列車款上。在誕生的前 3 年中，ABS 系統(tǒng)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(tǒng)。所幸第二年即成長到 76000 套。受到市場上的正面響應(yīng)，Bosch 開始 TCS 循跡控制系統(tǒng)的研發(fā)計劃。1983 年推出的 ABS 2S 系統(tǒng)重量由 5.5 公斤減輕到 4.3 公斤，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(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)配備。圖1-1 BOSCH防抱死制動系統(tǒng)1.3 防抱死制動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢（1）ABS 本身控制技術(shù)的提高現(xiàn)代制動防抱死裝置多是電子計算機(jī)控制，這也反映了現(xiàn)代汽車制動系向電子化方向發(fā)展?；诨坡实目刂扑惴ㄈ菀讓?shí)現(xiàn)連續(xù)控制，且有十分明確的理論加以指導(dǎo)，但目前制約其發(fā)展的瓶頸主要是實(shí)現(xiàn)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(xiàn)，ABS系統(tǒng)中增加車速傳感器成為可能，確定車輪滑移率將變得準(zhǔn)確而快速。全電制動控制系統(tǒng) BBW (Brake-By-Wire)是未來制動控制系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。它不同于傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)，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(yīng)時間，維護(hù)簡單，易于改進(jìn)，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(qū)動能源問題，控制系統(tǒng)失效處理，抗干擾處理等。目前電制動系統(tǒng)首先用在混合動力制動系統(tǒng)車輛本科生畢業(yè)設(shè)計 第 4 頁上，采用液壓制動和電制動兩種制動系統(tǒng)。（2）防滑控制系統(tǒng)防滑控制系統(tǒng) ASR (Acceleration Slip Regulation)或稱為牽引力控制系統(tǒng) TCS(Traction Control System)是驅(qū)動時防止車輪打滑，使車輪獲得最大限度的驅(qū)動力，并具有行駛穩(wěn)定性，減少輪胎磨損和發(fā)動機(jī)的功耗，增加有效的驅(qū)動牽引力。防滑控制系統(tǒng)包括兩部分:制動防滑與發(fā)動機(jī)牽引力控制。制動部分是當(dāng)驅(qū)動輪 (后輪)在低附著系數(shù)路面工作時，由于驅(qū)動力過大，則產(chǎn)生打滑，當(dāng) ASR 制動部分工作時，通過傳感器將非驅(qū)動輪及驅(qū)動輪的輪速信號采集到控制器 中，控制器根據(jù)輪速信號計算出驅(qū)動車輪滑移率及車輪減、加速度，當(dāng)滑移率或減、加速度超過某一設(shè)定閥值時，則控制器打開開關(guān)閥，氣壓由儲氣筒直接進(jìn)入 制動氣室進(jìn)行制動，由于三通單向閥的作用氣壓只能進(jìn)入打滑驅(qū)動輪的制動氣 室，在低附著系數(shù)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(jìn)行精細(xì)的調(diào)節(jié)，即用小步長增壓或減壓，以達(dá)到最佳的車輪滑移的效果 既可以得到最大驅(qū)動力，也可保持行駛的穩(wěn)定性。（3）電子控制制動系統(tǒng)由于 ass 在功能方面存在許多缺陷，如氣壓系統(tǒng)的滯后，主車與接車制動相容性問題等。為改善這些，出現(xiàn)了電子制動控制系統(tǒng)EBS (Electronics Break System)它是將氣壓傳動改為電線傳動，縮短了制動響應(yīng)時間。最重要的特點(diǎn)是各個車輪上制動力可以獨(dú)立控制。控制強(qiáng)度則由司機(jī)踏板位移信號的大小來決定，由壓力調(diào)節(jié)閥、氣壓傳感器及控制器構(gòu)成閉環(huán)的連續(xù)壓力控制，這樣可以在外環(huán)形成一個控制回路，來實(shí)現(xiàn)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(xué)控制系統(tǒng)車輛動力學(xué)控制系統(tǒng) VDC (Vehicle Dynamics Control)是在 ABS 的基礎(chǔ)上通過測量方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度和側(cè)向加速度對車輛的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行控制。VDC 系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)向角、油門、制動壓力，通過觀測器決定出車輛應(yīng)具有的名義運(yùn)動狀態(tài)。同時由輪速、橫擺角速度和側(cè)向加速度傳感器測出車輛的實(shí)際運(yùn)動狀態(tài)。名義狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)的差值即為控制的狀態(tài)變量，控制的目的就是使這種差值達(dá)到最小，實(shí)現(xiàn)的方法則是利用車輪滑移率特性。車輛動力學(xué)控制系統(tǒng)目的是改善車輛操縱的穩(wěn)定性，它可以在車輛運(yùn)動狀態(tài)處于危險狀態(tài)下自動進(jìn)行控制。其主要作用就是通過控制車輛的橫向運(yùn)動狀態(tài)，使車輛處于穩(wěn)定的運(yùn)動狀態(tài)，使人能夠更容易地操縱車輛。（5）控制系統(tǒng)總線技術(shù)隨著汽車技術(shù)科技含量的不斷增加，必然造成龐大的布線系統(tǒng)。因此，需要采用總線結(jié)構(gòu)將各個系統(tǒng)聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和資源信息實(shí)時共享，并可以減少傳感器數(shù)量，從而降低整車成本，朝著系統(tǒng)集成化的方向發(fā)展。目前多使用 CAN 控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network)用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。本科生畢業(yè)設(shè)計 第 5 頁1.4 國內(nèi) ABS 系統(tǒng)研究的理論狀態(tài)和具有代表的 ABS 產(chǎn)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(yè)很多,諸如東風(fēng)汽車公司、重慶公路研究所、西安公路學(xué)院、清華大學(xué)、吉林大學(xué)、北京理工大學(xué)、上海汽車制動有限公司和山東重汽集團(tuán)等。具有代表性的有以下幾個。清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室有宋健等多名博導(dǎo)、教授,有很強(qiáng)的科技實(shí)力,他們還配套有一批先進(jìn)的儀器設(shè)備,如汽車力學(xué)參數(shù)綜合試驗(yàn)臺、汽車彈射式碰撞試驗(yàn)臺及翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺、模擬人及標(biāo)定試驗(yàn)臺、Kodak 高速圖像運(yùn)動分析系統(tǒng)、電液振動臺、直流電力測功機(jī)、發(fā)動機(jī)排放分析儀、發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)開發(fā)裝置及工況模擬器、計算機(jī)工作站及 ADAMS、IDEAS 軟件、非接觸式速度儀、噪聲測試系統(tǒng)、轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺、電動車蓄電池試驗(yàn)臺、電機(jī)及其控制系統(tǒng)試驗(yàn)臺等。該實(shí)驗(yàn)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(diǎn)剔除、防抱死電磁閥動作響應(yīng)研究等方面的研究處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。吉林大學(xué)汽車動態(tài)模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以郭孔輝院士為代表的研究人員致力于汽車操縱穩(wěn)定性、汽車操縱動力學(xué)、汽車輪胎模型、汽車輪胎穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)側(cè)偏特性的研究,在輪胎力學(xué)模型、汽車操縱穩(wěn)定性以及人- 車閉環(huán)操縱運(yùn)動仿真等方面的研究成果均達(dá)到世界先進(jìn)水平。華南理工交通學(xué)院汽車系以吳浩佳教授為代表從事汽車安全與電子技術(shù)及汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計計算的研究,在 ABS 技術(shù)方面有獨(dú)到之處,能夠建立制動壓力函數(shù),通過車輪地面制動力和整車動力學(xué)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(shù)計算防抱死制動時的滑移率。另外,在滑移率和附著系數(shù)之間的關(guān)系、汽車整車技術(shù)條件和試驗(yàn)方法方面也有獨(dú)到見解。濟(jì)南程軍電子科技公司以 ABS 專家程軍為代表的濟(jì)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(tǒng)的理論與實(shí)踐》等專著幾本,專門講述 ABS 控制算法,是國內(nèi) ABS 開發(fā)人員的必備資料之一。另外,他們在基于 MAT2LAB 仿真環(huán)境實(shí)現(xiàn)防抱死控制邏輯、基于 VB 開發(fā)環(huán)境進(jìn)行車輛操縱仿真和車輛動力學(xué)控制的模擬研究等方面也頗有研究。重慶聚能公司產(chǎn)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(guān)零部件 30 多個品種,其 ABS 產(chǎn)品已通過國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢測中心和國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢測中心的認(rèn)定,獲得國家實(shí)用新技術(shù)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(chǎn)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(guān)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(jī)械工業(yè)局新產(chǎn)品本科生畢業(yè)設(shè)計 第 6 頁鑒定,認(rèn)為該項技術(shù)已達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。山東重汽集團(tuán)引進(jìn)國際先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行的研究也已取得了一些進(jìn)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(shù)鑒定,但各種制動情況的適應(yīng)性還有待提高。清華大學(xué)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(yōu)勢,陶瓷材料的應(yīng)用將迅速擴(kuò)展;金剛石和 CBN 超硬材料的應(yīng)用將進(jìn)一步擴(kuò)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(zhì)合金的強(qiáng)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(xiàn)。本文主要講述以 80C196KC 單片機(jī)為核心，完成了信號輸入回路、輸出驅(qū)動回路、電源部分及故障診斷等硬件電路設(shè)計，對輪速傳感器、電磁閥等的故障檢測電路進(jìn)行了設(shè)計。本科生畢業(yè)設(shè)計 第 7 頁2．防抱死制動系統(tǒng)基本原理2.1 制動時汽車的運(yùn)動2.1.1 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(fēng)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(zhuǎn)彎時所受到地面給汽車的力如圖 2-1 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(shù)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(cè)滑摩擦力，側(cè)滑摩擦力的大小取決于側(cè)向附著系數(shù)和車輪所受的載荷，當(dāng)車輪抱死時，側(cè)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(fēng)力或路面不平，汽車將產(chǎn)生側(cè)滑摩擦力來保持汽車的直線行駛方向，如圖 2-1（a）圖2-1 汽車直線和轉(zhuǎn)彎制動時的平面受力簡圖所示。若汽車在轉(zhuǎn)彎時制動或在制動時轉(zhuǎn)彎，也將產(chǎn)生側(cè)滑摩擦力使汽車能夠轉(zhuǎn)向，如圖 2-1 (b)所示。地面制動力決定制動距離的長短，側(cè)滑摩擦力則決定了汽車制動時的方向穩(wěn)定性。這里將作用在前輪上的側(cè)滑摩擦力稱為轉(zhuǎn)彎力，將作用在后輪上的側(cè)滑摩擦力稱為側(cè)向力。轉(zhuǎn)彎力和汽車的方向操縱性有關(guān)，它保證了汽車能夠按照駕駛員的意愿轉(zhuǎn)向;側(cè)向力和汽車的方向穩(wěn)定性有關(guān)，它保證了汽車的行進(jìn)方向。轉(zhuǎn)彎力越大，汽車的方向操縱性越好;側(cè)向力越大，汽車的方向穩(wěn)定性越好。如上所述，施加適當(dāng)?shù)闹苿?，能夠有效地使汽車停下。制動?qiáng)度過大，是汽本科生畢業(yè)設(shè)計 第 8 頁車發(fā)生各種危險運(yùn)動狀況的主要原因。因此，汽車行駛時，要根據(jù)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(jù)汽車速度、方向轉(zhuǎn)角等行駛條件進(jìn)行制動操作，必須時常注意不能讓車輪完全抱死。2.1.2 車輪抱死時汽車運(yùn)動情況車輪抱死時汽車所受到的側(cè)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(wěn)定性的轉(zhuǎn)彎力和側(cè)向力變的很小，使汽車在制動時出現(xiàn)一些危險的運(yùn)動情況。對 ABS 系統(tǒng)來說，就是要防止這些危險情況的出現(xiàn)。下面從汽車在一種路面上直線和轉(zhuǎn)彎制動兩方面簡單討論一下當(dāng)車輪抱死時汽車的運(yùn)動情況。（1）汽車在一種路面上直線運(yùn)動制動車輪抱死時可能出現(xiàn)的運(yùn)動情況如圖2-2 所示。圖 2-2 (a)為只有前輪抱死時，由于前輪的轉(zhuǎn)彎力基本為零，無法進(jìn)行正常的轉(zhuǎn)向操作。為制動時前輪全部抱死而后輪不抱死汽車的運(yùn)動情況示意，當(dāng)前輪抱死時轉(zhuǎn)彎力為零，駕駛員無法控制汽車的方向使汽車轉(zhuǎn)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(cè)向力來維持方向穩(wěn)定性。圖 2-2 (b)為只有后輪抱死時，后輪的側(cè)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(wěn)定性使汽車側(cè)滑。汽車不能保持原來的行駛方向，由于離心力和前輪轉(zhuǎn)向力的作用，汽車將一面旋轉(zhuǎn)一面沿曲線行駛(這種運(yùn)動叫外旋轉(zhuǎn))。圖 2-2 (c)為前后車輪全部抱死時時轉(zhuǎn)彎力和側(cè)向力都為零，這種狀態(tài)很不穩(wěn)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(zhuǎn)力矩，汽車就會產(chǎn)生不規(guī)則運(yùn)動而處于危險狀態(tài)，在不規(guī)則旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彎制動車輪抱死時可能出現(xiàn)的運(yùn)動情況如圖 2-3所示。所有這些運(yùn)動情況若在制動時出現(xiàn)，都是極其危險的。從上面對出現(xiàn)這些危險運(yùn)動情況的簡單分析可以看出，制動時車輪抱死導(dǎo)致汽車出現(xiàn)各種危險運(yùn)動情況，實(shí)質(zhì)上是汽車因失去相應(yīng)的維持本身方向穩(wěn)定性方向操縱性的側(cè)滑摩擦力而使汽車出現(xiàn)這些運(yùn)動情況，即車輪抱死導(dǎo)致汽車的側(cè)滑摩擦力為零。車輪的抱死程度和汽車的地面制動力及汽車的側(cè)滑摩擦力之間存在一定的關(guān)系，ABS 之所以能防止汽車制動時出現(xiàn)危險的運(yùn)動情況，就是根據(jù)這個關(guān)系來調(diào)整車輪的運(yùn)動狀態(tài)，以避免側(cè)滑摩擦力為零。本科生畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁圖 2-2 汽車直線制動車輪抱死時的運(yùn)動情況圖2-3 汽車轉(zhuǎn)彎制動車輪抱死時的運(yùn)動情況本科生畢業(yè)設(shè)計 第 10 頁2.2滑移率定義通常,汽車在制動過程中存在著兩種阻力:一種阻力是制動器摩擦片與制動鼓或制動盤之間產(chǎn)生的摩擦阻力,這種阻力稱為制動系統(tǒng)的阻力,由于它提供制動時的制動力,因此也稱為制動系制動力;另一種阻力是輪胎與道路表面之間產(chǎn)生的摩擦阻力,也稱為地面制動力。地面對輪胎切向反作用力的極限值稱為輪胎- 道路附著力,大小等于地面對輪胎的法向反作用力與輪胎- 道路附著系數(shù)的乘積。如果制動系制動力小于輪胎- 道路附著力,則汽車制動時會保持穩(wěn)定狀態(tài),反之,如果制動系制動力大于輪胎- 道路附著力,則汽車制動時會出現(xiàn)車輪抱死和滑移。地面制動力受地面附著系數(shù)的制約。當(dāng)制動器產(chǎn)生的制動系制動力增大到一定值(大于附著力)時,汽車輪胎將在地面上出現(xiàn)滑移。汽車的實(shí)際車速與車輪滾動的圓周速度之間的差異稱為車輪的滑移率。滑移率S的定義式為:-------------------------------（2-3）1Vr???式中:S —滑移率;Vt —汽車的理論速度(車輪中心的速度) ; ω—汽車車輪的角速度;r —汽車車輪的滾動半徑。由上式可知:當(dāng)車輪中心的速度(即汽車的實(shí)際車速) Vt 等于車輪的角速度ω 和車輪滾動半徑 r 乘積時,滑移率為零( S = 0) ,車輪為純滾動;當(dāng) ω = 0 時,S = 100 % ,車輪完全抱死而作純滑動;當(dāng) 0 S 100 %時,車輪既滾動又滑動。2.3 滑移率與附著系數(shù)的關(guān)系圖2-4 給出車輪與路面縱向附著系數(shù)和橫向附著系數(shù)隨滑移率變化的典型曲線。當(dāng)輪胎純滾動時,縱向附著系數(shù)為零;當(dāng)滑移率為15 %～30 %時,縱向附著數(shù)達(dá)到峰值;當(dāng)滑移率繼續(xù)增大,縱向附著系數(shù)持續(xù)下降,直到車輪抱死( S = 100 %) ,縱向附著系數(shù)降到一個較低值。另外,隨著滑移率增大,橫向附著系數(shù)急劇下降,當(dāng)車輪抱死時,橫向附著系數(shù)幾乎為零。從圖1 可以看出,如果能將車輪滑移率控制在15 %～30 %的范圍內(nèi),則既可以使縱向附著系數(shù)接近峰值,同時又可以兼顧到較大的側(cè)向附著系數(shù)。這樣,汽車就能獲得最佳的制動效能和方向穩(wěn)定性。ABS 即是基于這一原理而研制的。本科生畢業(yè)設(shè)計 第 11 頁圖2-4 滑移率與附著系數(shù)關(guān)系實(shí)驗(yàn)證明，道路的附著系數(shù)受車輪結(jié)構(gòu)、材料，道路表面形狀、材料有關(guān)，不同性質(zhì)道路其附著系數(shù)變化很大。圖2.5給出了不同類型路面上滑移率--縱向附著系數(shù)之間的關(guān)系。圖2-5 不同路面上縱向、側(cè)向附著系數(shù)與滑移率關(guān)系曲線由圖2-5可以看出，各種路面上的變化的總體趨勢是一致的。滑移率和縱向附著系數(shù)之間的關(guān)系曲線隨路面類型的不同，出現(xiàn)峰值的滑移率的取值也會不一本科生畢業(yè)設(shè)計 第 12 頁樣，并且對應(yīng)不同路面類型的滑移率--縱向附著系數(shù)曲線在峰值附著系數(shù)后曲線下降的速度也不相同，在干燥的路面上下降的快些，在濕滑的路面上略微有些下降。一般干燥潔凈的平整水泥、瀝青路面縱向峰值附著系數(shù)高達(dá)0.8-0.9，而冰雪路面的縱向峰值附著系數(shù)低至0.1-0.2。如果這種差別隨路面類型的不同變化比較明顯，則在設(shè)計ABS系統(tǒng)控制方法時，就必須考慮到隨路面類型的不同而采取不同的控制目標(biāo)和策略。若汽車在同一種類型路面上制動時的初速度不一樣，車輪的縱向附著系數(shù)和滑移率之間的關(guān)系曲線也會略有不同，制動時的車速越高，車輪的縱向附著系數(shù)越低。但在同一路面上以不同制動初速度制動時車輪的附著系數(shù)---滑移率關(guān)系曲線不會有太大變化?？傊?，對于在一種路面上制動的汽車，車輪附著系數(shù)和滑移率之間的非線性特性是決定汽車制動性能的主要因素。實(shí)際上，汽車的制動過程就是車輪和路面之間的一種非線性變化過程，即車輪附著系數(shù)隨車輪運(yùn)動狀態(tài)非線性變化的過程，所以說汽車的制動過程是一種非線性的制動過程。制動時汽車通過制動系統(tǒng)改變車輪的運(yùn)動狀態(tài)，從而改變車輪的滑移率，形成整個非線性的制動過程。2.4 制動時車輪運(yùn)動方程制動過程單輪受力如圖2-6所示。圖 2-6 制動過程車輪受力簡圖制動車輪軸荷與支撐力N平衡，該輪轉(zhuǎn)動慣量J，半徑r:，軸心平移速度V，轉(zhuǎn)動角速度 ，制動器制動力矩M，通常與車輪制動壓力成正比系數(shù)K, 則有地面制動?力 ，緊急制動不計滑動阻力。則有bF本科生畢業(yè)設(shè)計 第 13 頁{????=????ω????=??μ -??????=????-??????-------------(2-4)????=??φ (??)-----------------------(2-5)