乘用車防抱死制動系統(tǒng)的分析及關鍵部件的設計

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..大學 畢業(yè)設計說明書 題 目： 防抱死系統(tǒng)設計 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化三班 學 號： .. 姓 名： .. 指導教師： .. 完成日期： 2012-5-19 摘 要 ABS系統(tǒng)可以顯著提高或者改善汽車緊急制動時的操作性和穩(wěn)定性，縮短了制動距離，是一種越來越得到廣泛應用的汽車電子控制產品。 此次畢業(yè)設計以小轎車為研究對象，展開對汽車ABS系統(tǒng)的研究。主要完成了以下的工作： 通過對單個車輪的受力分析確定了影響車輪附著系數(shù)的主要因素； 通過比較電磁式輪速傳感器和霍爾效應式傳感器的性能優(yōu)缺點，采用并設計了霍爾效應式輪速傳感器； 通過對控制結構的分析設計了以INTEL公司生產的80C196KC單片機為核心的部分實時控制系統(tǒng)硬件部分； 本文通過學習比較只是針對ABS控制系統(tǒng)的硬件部分進行設計。在設計過程中對汽車制動理論和制動裝置有了較為深入的了解，擴大了自己的知識面，自己解決問題的能力也得到了較大提高。 關鍵詞：防抱死制動系統(tǒng) 輪速傳感器 滑移率  ABSTRCT Anti-Lock Braking System(ABS) is an impotant device to improve the active safety of vehicle.ABS can greatly improve steering control ability during the brake maneuver and shorten stopping distance.It is a kind of more and more widely applied to automotive electronic control products. With the car as the research object,the graduation design 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 capabilitu of electromagnetism rotate speed sensor with Houer rotate speed sensor,we chose the later,and have design a sensor of this king. Through the analysis of the structure of control designed for the production of INTEL 80C196KC single-chip microprocessor as the core part of the real-time control system hardware parts. In this paper,based on the knowledge I have mastered,I designed a ABS control system hardware only.I have gotten a in-depth understand of motorcare trig theory and equipment. It Widen my knowledge scope,improved my ability of solving problems. Kyewords: electronic control system wheel speed sensor slip rate 目錄 一.防抱死制動系統(tǒng)概述 - 1 - 1.1 ABS的功能 - 1 - 1.2 ABS系統(tǒng)在國外發(fā)展的歷史 - 2 - 1.3 ABS系統(tǒng)在國內發(fā)展的現(xiàn)狀 - 3 - 1.4 ABS系統(tǒng)發(fā)展趨勢展望 - 5 - 二.ABS系統(tǒng)控制方式的工作原理 - 7 - 2.1制動時汽車的運動與受力分析 - 7 - 2.1.1制動時汽車的受力分析 - 7 - 2.1.2 車輪抱死時汽車運動情況 - 8 - 2.2 ABS的控制方式 - 10 - 2.2.1車輪滑移率以及其與附著系數(shù)的關系 - 10 - 2.2.2 制動時車輪運動方程 - 13 - 2.3 ABS的工作原理 - 13 - 2.3.1 ABS控制過程曲線 - 13 - 2.3.2 ABS基本工作原理 - 14 - 2.3.3 ABS工作中的反應 - 16 - 三.ABS 系統(tǒng)主要硬件結構設計分析 - 18 - 3.1 ABS系統(tǒng)的布置方式 - 18 - 3.2 ABS的基本組成 - 23 - 3.3 CPU的選擇 - 26 - 3.4 ABS系統(tǒng)輪速傳感器選擇 - 27 - 3.4.1霍爾傳感器的設計 - 29 - 3.4.2霍爾開關電路的選擇 - 30 - 3.4.3傳感器齒盤的設計 - 32 - 3.5 ABS制動調壓系統(tǒng)工作過程 - 33 - 3.6 電源選擇 - 37 - 3.7 信號輸入電路設計與選擇 - 37 - 3.8 ABS系統(tǒng)警報LED燈設計 - 38 - 3.9 硬件抗干擾設計 - 39 - 3.10 真空助力器 - 43 - 3.11 車輪制動器的選擇 - 45 - 四.結論與展望 - 47 - 4.1 研究工作總結 - 47 - 4.2 ABS系統(tǒng)發(fā)展方向 - 48 - 致謝 - 51 - 參考文獻 - 52 - 一.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)生側滑，嚴重時會掉頭，甩尾，甚至產生劇烈旋轉。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，產生這些危險狀況的原因在于汽車的車輪在制動過程中產生抱死現(xiàn)象，此時，車輪相對于路面的運動不再是滾動，而是滑動，路面作用在車輪上的側滑摩擦力和縱向制動力變得很小，路面越滑，車輪越容易?？傊?，汽車制動時車輪如果抱死將產生以下不良影響：方向失去控制，出現(xiàn)側滑，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)生而言之的裝置，他又以下幾點好處：增加制動穩(wěn)定性，防止方向失控，側滑和甩尾；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。 現(xiàn)代轎車的ABS由輸入傳感器，控制電腦，輸出調制器及連接線等組成。輸入傳感器通常包括四個車輪的輪速信號，剎車信號，個別車型還有減速信號，手剎車。 ABS的第一個優(yōu)點是增加的汽車制動時候的穩(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；倘若汽車的后輪抱死，就會出現(xiàn)側滑，甩尾，甚至使汽車整個掉頭等嚴重事故。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。汽車生產廠家的研究數(shù)據(jù)表明，裝有ABS的車輛，可使因車輪側滑引起的事故比例下降8%左右。 ABS的第二個優(yōu)點是能縮短制動距離。這是因為在同樣緊急制動的情況下，ABS可以將滑移率控制在20%左右，即可獲得最大的縱向制動力的結果。 ABS的第三個優(yōu)點就是改善了輪胎的磨損狀況，防止爆胎。事實上，車輪抱死會造成輪胎小平面磨損，輪胎面損耗會不均勻，使輪胎磨損消耗增加，嚴重時將無法繼續(xù)使用。因此，裝有ABS具有一定的經濟效益和安全保障。 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)情況進入工作狀態(tài)，即使雨雪路滑，ABS也會使制動狀態(tài)保持在最佳點。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，防止車輛側滑和甩尾，減少車禍事故的發(fā)生，因此被認為是當前提高汽車行駛安全性的有效措施 1.2 ABS系統(tǒng)在國外發(fā)展的歷史 ABS裝置最早應用在飛機和火車上，而在汽車上的應用比較晚。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(wěn)地行駛，產生躁動和震動。1908年英國工程師J.E.Francis提出了“鐵輪車輛車輪防抱死滑動控制器”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“車輪防抱死器”等嘗試都宣告失敗。在1941年出版的<<汽車科技手冊>>中寫道：“到現(xiàn)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，防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(fā)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(tǒng)實時監(jiān)測輪胎速度變化量并立即通過液壓系統(tǒng)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映。等到ABS系統(tǒng)的誕生露出一線曙光時，已經是半導體技術有了初步規(guī)模的1960年代早期。 精于汽車電子系統(tǒng)的德國公司Bosch研發(fā)ABS系統(tǒng)的起源要追溯到1936年，當年Bosch申請“機動車防止抱死裝置”的專利。1964年Bosch公司再度開始ABS的研發(fā)計劃，最后有了“通過電子裝置來防止車輪抱死是可行的”結論，這是ABS這個名詞在歷史上第一次出面！世界上第一具ABS原型機于1966年出現(xiàn)，向世人證明“縮短距離剎車”并非是不可能完成的任務。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(fā)出第一具用于道路車輛的原型機——ABS 1，該系統(tǒng)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(fā)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(fā)成果，1975年AEG,Teldix與Bosch達成協(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)字式組件進行設計，不但控制單元內組件數(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算速度明顯加快的三大優(yōu)勢。兩家德國車廠奔馳與寶馬與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)都苦于成本過高而無法開拓市場。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，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列為旗下主力雪弗蘭車系的標準配備。 1.3 ABS系統(tǒng)在國內發(fā)展的現(xiàn)狀 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，諸如東風汽車公司、重慶公路研究所、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。清華大學汽車安全與節(jié)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，他們還有配套有一批先進的儀器設備，如汽車力學參數(shù)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(tǒng)、電液振動臺、直流電力測功機、發(fā)動機排放分析儀、發(fā)動機電控系統(tǒng)開發(fā)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(tǒng)、轉鼓試驗臺、電動車蓄電池試驗臺、電機及其控制系統(tǒng)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(tài)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(wěn)定性、汽車操縱動力學、汽車輪胎模擬、汽車操縱穩(wěn)定性以及人-車閉環(huán)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，能夠建立制度壓力函數(shù)，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；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)之前的關系、汽車整車技術條件和實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)的理論與實踐》等專著幾本，專門講訴ABS控制算法，是國內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)境實現(xiàn)防抱死控制邏輯、基于VB開發(fā)環(huán)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(jiān)督檢測中心和國家客車質量監(jiān)督檢測中心的認定，獲得國家使用新技術專利，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和適用于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(yè)局新產品鑒定，認為該項技術已達到國內領先水平。 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 1.4 ABS系統(tǒng)發(fā)展趨勢展望 （1） ABS本身控制技術多是電子計算機控制，這也反映了現(xiàn)代汽車制動系向電子化方向發(fā)展。基于滑移率的控制算法容易實現(xiàn)連續(xù)控制，且有十分明確的理論加以指導，但目前制約其發(fā)展的瓶頸主要是實現(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(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)ASR(Acceleration-Slip-Regulation)或稱為牽引力控制系統(tǒng)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(wěn)定性，減少輪胎磨損和發(fā)動機的功耗，增加有效的驅動牽引力。防滑控制系統(tǒng)包括兩部分：制動防滑與發(fā)動機牽引力控制。制動部分是當驅動輪在低附著系數(shù)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(jù)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(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行精細的調節(jié)，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，也可以保持行駛的穩(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?？刂茝姸葎t由司機踏板位移信號的大小來決定，由壓力調節(jié)閥、氣壓傳感器及控制器構成閉環(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，來實現(xiàn)各種控制功能，如制動分布控制、減速控制、牽引車與掛車處合力控制等。 （4）車輛動力學控制系統(tǒng)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行狀態(tài)進行控制。VDC系統(tǒng)根據(jù)轉向角、油門、制動壓力，通過觀測器決定出車輛應具有名義運動狀態(tài)。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(tài)。名義狀態(tài)與實際狀態(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到最小，實現(xiàn)的方法則是利用車輪滑移率特性。車輛動力學控制系統(tǒng)目的是改善車輛操縱的穩(wěn)定性，它可以在車輛運動狀態(tài)處于危險狀態(tài)下自動進行控制。其主要作用就是用過車輛的橫向運動狀態(tài)，使車輛處于穩(wěn)定的運動狀態(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(tǒng)。因此，需要采用總線結構將各個系統(tǒng)聯(lián)系起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和資源信息實時共享，并可以減少傳感器數(shù)量，從而降低整車成本，朝著系統(tǒng)集成化的方向測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。 二.ABS系統(tǒng)控制方式的工作原理 2.1制動時汽車的運動與受力分析 2.1.1制動時汽車的受力分析 汽車在制動的過程中主要受到地面給汽車的作用力、風的阻力和自身重量的作用。地面對汽車的作用力又分為：作用在車輪上垂直地面的支承力和作用在車輪上平行于地面的力。汽車在直線行駛所受橫向外界干擾力和汽車轉彎時所受到地面給汽車的力如圖2-1-1所示。其中Fx為地面作用在每個車輪上的地面制動力，它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，它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(shù)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，若收到橫向干擾了的作用，如橫向風力或者路面不平，汽車將產生側滑摩擦力來保持汽車直線行駛方向，如圖2-1-1（a）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2-1-1（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(wěn)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。轉完了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(wěn)定性有關，它保證率汽車的行進方向。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(wěn)定性越好。 如上所訴，施加適當?shù)闹苿?，能夠有效地使汽車停下。制動強度過大，是汽車發(fā)生各種危險運動狀況的主要原因。因此，汽車行駛時，要根據(jù)冰路、雪路、沙石路、凹凸路、水濕路、干路、彎曲路等道路條件，根據(jù)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。 圖2-1-1汽車直線和轉彎制動時的平面受力簡圖 2.1.2 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得很小，這將使汽車制動時保持方向操縱性和方向穩(wěn)定性的轉彎力和側向力變得很小，使得汽車在制動時出現(xiàn)一些危險的運動情況。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彎制動兩方面來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(xiàn)的運動情況如圖2-1-2所示。圖2-1-2（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，無法控制汽車避讓前方的障礙物，這是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(wěn)定性。圖2-1-2（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，但陰后輪抱死而失去方向穩(wěn)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。圖2-1-2（c）為前后車輪全部抱死時轉彎力和側向力都為零，這種狀態(tài)很不穩(wěn)定，同時由于路面的不均勻，左右輪地面制動力不相等，即使對汽車施加很小的偏轉力矩，汽車就會產生不規(guī)則運動而處于危險狀態(tài)，在不規(guī)則旋轉的過程中將制動釋放，汽車就會沿著瞬間時的行駛方向急速沖出，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(xiàn)的運動情況如圖2-1-2（d）所示。所有這些運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(xiàn)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(wěn)定性，方向操作性的側滑摩擦力而出現(xiàn)的。車輪的抱死程度和汽車的地面制動力及汽車的側滑摩擦力之間存在一定的關系，ABS之所以能防止汽車在制動時出現(xiàn)危險的運動情況，就是根據(jù)這個關系來調整車輪的運動狀態(tài)，以避免側滑摩擦力為零。 圖2-1-2汽車直線制動車輪抱死時的運動情況 圖2-1-3汽車轉彎制動車輪抱死時的運動情況 2.2 ABS的控制方式 2.2.1車輪滑移率以及其與附著系數(shù)的關系 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)，繁殖，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。當制動器產生制動系制動力增大到大于地面附著力時，汽車輪胎將在地面上出現(xiàn)滑移。汽車的實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： 式中：S-----滑移率； V-----汽車車輪中心的速度； W-----汽車車輪的角速度； R------汽車車輪的滾動半徑。 由上式克制：當車輪中心的速度V等于車輪的角速度W和車輪滾動半徑R的乘積時，滑移率為S=0，車輪為純滾動；當W=0時，S=100%，車輪完全抱死而做純滑動；當0時，能夠提供的地面制動力逐漸減少，且橫向附著系數(shù)越來越小，抗側滑能力減弱，一般稱為不穩(wěn)定區(qū)。 為了使應急制動具有最大的制動效能，應急制動過程應循環(huán)工作于峰值附著系數(shù)左右側的穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)，這樣既能獲得最大的制動力，也能獲得最大的抗側滑能力。 汽車ABS的控制原理就是將車輪的滑移率控制在滑移率附近，以獲得較高的縱向和側向附著系數(shù)，從而減小制動距離以保證汽車制動時的方向穩(wěn)定性。通常的ABS是通過圖2-4所示的工作來實現(xiàn)控制目的。車輪轉速傳感器不斷地讀入車輪的角速度信號，經處理后送至電子控制器，計算車輪的角加、減速度和參考滑移率，然后與設定的門限值進行比較，通過液壓調節(jié)模塊來控制制動管路壓力。保證車輪的滑移率控制在滑移率附近。 轉速傳感器 計算角加、減速度，計算參考滑移率 控制輸出 車輪 制動器 制動力調節(jié)裝置 圖2-6 ABS原理圖流程圖 為了分析問題方便，把圖2-5簡化為圖2-7. 1 圖2-7附著系數(shù)與滑移率之間的關系曲線簡化圖 附著系數(shù)與滑移率的關系曲線可寫為： ; >； 式中，為峰值附著系數(shù)；為車輪完全抱死時的附著系數(shù)；為峰值附著系數(shù)時的滑移率。 在車輪防抱死制動過程中，當時，隨著制動力矩的增加，汽車減速，滑移率增加，并趨于；當>時，應松剎車制動力矩，使車輪重新獲得加速，使滑移率減小并趨于。通過反復施加或松剎車制動力矩，使得滑移率保持在附近，從而實現(xiàn)既能有效地制動，又能自動地防止制動時抱死，這就是防抱死控制的基本工作原理。 2.3.3 ABS工作中的反應 ① 當ABS制動壓力調節(jié)器與動力轉向共用一個油泵時（例如日本皇冠轎車的ABS），發(fā)動機在發(fā)動狀態(tài)下，只要動力轉向油泵工作，制動踏板就會向上抬起；發(fā)動機關閉轉向油泵停止工作，則會使制動踏板向下沉。制動狀態(tài)下轉動轉向盤，會感到轉向盤的輕微震動。這些反應是正常的，并非故障現(xiàn)象； ② 制動時可能感覺制動踏板自動下沉，這主要是由于道路路面的附著系數(shù)發(fā)生變化，ABS正常的調節(jié)反應引起的； ③ 制動時會感覺到制動踏板的輕微震動，這也是ABS正常的調節(jié)反應； ④ 當汽車高速行駛或急轉彎時，活在冰雪路面行駛時，有時ABS報警燈會亮起，這有可能是出現(xiàn)了車輪滑動現(xiàn)象，ABS產生反應引起的，也是正常現(xiàn)象； ⑤ 制動后，出現(xiàn)ABS繼電器動作的響聲，并非故障引起； ⑥ 制動后期，車輪可能會抱死，地面上會有車輪拖滑痕跡，這是因為車速小于7-15km/h時，ABS將不起作用，屬于正?，F(xiàn)象； ⑦ 如果ABS發(fā)生故障，控制器有測試系統(tǒng)各電氣元件的內部診斷程序。測試從車輛行駛時開始，車速達到7-15km/h結束。如故檢測出障，控制器中止ABS的工作，接通儀表板上黃色的ABS報警燈，車輛的各個制動器就以傳統(tǒng)制動方式工作； ⑧ ABS起作用的時刻隨路面情況而異，濕滑路面比粗糙路面作用來得早些。 三.ABS 系統(tǒng)主要硬件結構設計分析 3.1 ABS系統(tǒng)的布置方式 ABS系統(tǒng)中，能夠獨立進行制動壓力調節(jié)的制動管路稱為控制通道。如果對某車輪的制動壓力可以進行單獨調節(jié)，稱這種控制方式為同一控制。在兩個車輪的制動壓力進行一同控制時，如果以保證附著力較大的車輪不發(fā)生制動抱死為原則進行制動壓力調節(jié)，稱這種控制方式為按高選原則一同控制；容易過以保證附著力較小的車輪不發(fā)生制動抱死為原則進行制動壓力調節(jié)，則稱這種控制方式為按地選原則一同控制。 按照控制通道數(shù)目的不同，ABS系統(tǒng)分為單通道、雙通道、三通道和四通道四種形式，而其布置形式卻多種多樣。 ① 單通道ABS 所有單通道ABS都是在前后布置的雙管路制動系統(tǒng)的后制動管路中設置一個制動壓力調節(jié)裝置，對于后輪驅動的汽車只需要傳動系中安裝一個輪速傳感器，如圖3-1（a）. 輪速傳感器 紅色線段代表油路 圖3-1（a）單通道布置形式 制動壓力調節(jié)裝置 單通道ABS一般對兩后輪按低選原則一同控制，其主要作用是提高汽車制動時的方向穩(wěn)定性。在附著系數(shù)分離的路面上進行制動時，兩后輪的制動力都被限制在處于低附著系數(shù)路面的后輪的附著力水平，制動距離會有所增加。由于前制動輪缸的制動壓力未被控制，前輪仍然可能發(fā)生制動抱死，所以汽車制動時的轉向操作能力得不到保障。 但由于單通道ABS能夠顯著地提高汽車制動時的方向穩(wěn)定性，又具有簡單結構、成本低的有點，因此在輕型貨車上得到廣泛應用。 ② 雙通道ABS 圖3-1（b）所示的雙通道ABS在按前后布置的雙管路制動系統(tǒng)的前后制動管路中各設置一個制動壓力調節(jié)分裝置，跟別對兩前輪和兩后輪進行一同控制。兩前輪可以根據(jù)附著條件高選和低選轉換，兩后輪則按低選原則一同控制。 對于后輪驅動的汽車，可以在兩前輪和傳動系中各安裝一個速度傳感器。當在附著系數(shù)分離的路面上進行緊急制動時，兩前輪的制動力相差很大，為保持汽車的行駛方向，駕駛員會通過轉動方向盤使前輪偏轉，以求用轉向輪產生的橫向力與不平衡的制動力相抗衡，保持汽車行駛方向的穩(wěn)定性。但是在兩輪從附著系數(shù)分離路面駛入附著系數(shù)均勻路面的瞬間，以前處于低附著系數(shù)路面而抱死的前輪的制動力因附著力突然增大而增大，由于駕駛員無法在瞬間將轉向輪回正，轉向輪上仍然存在的橫向力將會使汽車的轉向輪偏轉方向行駛，這是在高速行駛時是一種無法控制的危險狀態(tài)。 輪速傳感器 紅色線段代表油路 圖3-1（b）雙通道布置形式一 制動壓力調節(jié)裝置 紅色線段代表油路 制動力調節(jié)器 輪速傳感器 圖3-1（c）雙通道布置形式二 圖3-1（c）所示的雙通道ABS多用于制動管路對角布置的汽車上，前輪獨立控制，制動液通過比例閥按一定比例減壓后傳給對角后輪。 對于采用此控制方式的前輪驅動汽車，如果在緊急制動時離合器沒有及時分離，前輪在制動壓力較小時就趨于抱死，而此時后輪的制動力還遠未達到其附著力水平，汽車的制動力會顯著減小。對于采用此控制方式的后輪驅動汽車，如果將比例閥調整到正常制動情況下前輪趨于抱死時，后輪的制動力接近其附著力，則緊急制動時由于離合器往往難以及時分離，導致后輪抱死，使汽車喪失方向穩(wěn)定性。 由于雙通道ABS難以在方向穩(wěn)定性、轉向操縱能力和制動距離等方面得到兼顧，因此目前很少被采用。 ③三通道ABS 三通道ABS大多為三通道系統(tǒng)，而三通道系統(tǒng)都是對兩前輪的制動壓力進行單獨控制，對兩后輪的制動壓力安低選原則一同控制，其布置形式見圖3-1（d）、（e）、（f）。圖(d)所示的按對角布置的雙管路制動系統(tǒng)中，雖然在通往四個制動輪缸的制動管路中各設置一個制動壓力調節(jié)分裝置，但后兩個制動壓力調節(jié)分裝置卻是由電子控制裝置一同控制的，實際上仍是三通道ABS。由于三通道ABS對兩后輪進行一同控制，對于后輪驅動的汽車可以在變速器或減速器中設置一個轉速傳感器來檢測兩后輪的平均轉速。 汽車緊急制動時，會發(fā)生很大的軸荷轉移（前軸荷增加，后軸荷減?。?，使得前輪的附著力比后輪的附著力大很多。對前輪制動壓力進行獨立控制，可充分利用兩前輪的附著力對汽車進行制動，有利于縮短制動距離，并且汽車的方向穩(wěn)定性卻得到很大改善，所以本次設計就是用的三通道ABS。 制動力調節(jié)器 紅色線段代表油路 輪速傳感器 3-1(d)三通道布置形式一 輪速傳感器 紅色線段代表油路 圖3-1（e）三通道布置形式二 制動壓力調節(jié)裝置 輪速傳感器 紅色線段代表油路 圖3-1（f）三通道布置形式三 制動壓力調節(jié)裝置 圖3-1（d） ④四通道ABS 對應于雙制動管路的H型（前后）或X型（對角）兩種布置形式，四通道ABS也有兩種布置形式，見圖3-1（g）、（h）。 輪速傳感器 紅色線段代表油路 圖3-1（g）四通道布置形式一 制動壓力調節(jié)裝置 制動壓力調節(jié)裝置 紅色線段代表油路 輪速傳感器 圖3-1(h) 四通道布置形式二 3.2 ABS的基本組成 ABS系統(tǒng)主要由傳感器、電子控制單元(ECU)和電磁閥三部分組成，其系統(tǒng)結構組成如圖3-2所示。傳感器一般安裝在車輪上以測量車輪的轉速，傳感器一般為磁電感應式。ABS工作時ECU接受傳感器送來的車輪信號，一般為符合ECU電壓要求的矩形電壓波，然后固化在ECU中的程序根據(jù)各個車輪的速度來決定對各個車輪的制動液壓力如何調節(jié)，并輸出相應的控制信號給各個車輪的液壓控制單元。液壓控制單元接受到信號后對車輪分泵的壓力進行調節(jié)。傳感器的作用是為ECU提供車輪的運動情況，ECU是ABS系統(tǒng)的控制中心，ECU中固化的程序實際上是ABS的控制方法，而液壓控制單元是ABS控制方法的執(zhí)行機構。 前軸右輪速度傳感器 前后軸右輪速度傳感器 電子控制單元 ECU 圖3-2（a） ABS系統(tǒng)的組成（分置式） 3-2(b)系統(tǒng)原理結構框圖 3-2 ABS系統(tǒng)的組成 制動總泵 制動輪缸 電磁閥 制動輪缸 電磁閥 制動輪缸 電磁閥 制動輪缸 電磁閥 前軸左輪速度傳感器 后軸左輪速度傳感器 圖3-2（b）系統(tǒng)原理結構框圖 輪速傳感器是汽車輪速的檢測元件，它能產生頻率與車輪速度成正比的近似正弦點信號，ABS控制單元根據(jù)出來后的信號計算車輪速度。電子控制單元是整個防抱死制動系統(tǒng)的核心控制部件，它接受車輪速度傳感器送來的頻率信號，通過計算與邏輯判斷產生相應的控制電信號，操縱電磁閥去調節(jié)制動壓力。定性的來說，就是當車輪的滑移率不在控制范圍之內時，ECU就輸出一個控制信號，命令電磁閥打開或閉合，從而調節(jié)制動輪缸壓力，使輪速上升或下降，將汽車車輪滑移率控制在一定范圍之內，實現(xiàn)汽車的安全、可靠制動。電子控制單元原理圖如圖3-2（c）所示。 電磁閥是防抱死制動系統(tǒng)的執(zhí)行部件，在沒有控制信號的情況下，該制動系統(tǒng)相當于常規(guī)制動系統(tǒng)，直接輸出最大制動壓力；當ECU向電磁閥發(fā)出控制信號時，電磁閥動作，對輪缸壓力進行調節(jié)，從而調節(jié)車輪的滑移率，使制動力在接近峰值區(qū)域內波動，但又不達到峰值制動力，實現(xiàn)最佳制動效率。 ABS就是在汽車制動過程中不斷檢測車輪速度的變化，按一定的控制方法，通過電磁閥調節(jié)制動輪缸壓力，以獲得最高的縱向附著系數(shù)，使車輪始終處于較好的制動狀態(tài)。 電磁閥 功率驅動 液壓源電機 故障指示燈 單片機 故障診斷電路 輪速傳感器 輪速處理電路 制動信號 電源電路 圖3-2(c)原理結構框圖 就目前而言，實現(xiàn)汽車的控制系統(tǒng)一般采用單片計算機，在開發(fā)階段也有采用通用CPU的，采用CPU在于可以利用強大的軟、硬件資源以及網(wǎng)絡功能實現(xiàn)復雜的控制算法、高效的編程以及高速的運算速度。但作為研制的最終產品，無一例外都采用單片機作為電子控制單元的核心。 由于單片機體積小，重量輕，高可靠性，價格低廉，使用方便，因此十分適用于開發(fā)汽車電子系統(tǒng)。早起的汽車控制系統(tǒng)采用八位單片機，目前已過渡到十六位，有些系統(tǒng)如發(fā)動機管路系統(tǒng)已開發(fā)采用32為CPU。目前ABS系統(tǒng)采用較多的單片機是摩托羅拉、英特爾、德州儀器公司及西門子16位單片機。 選用單片機要充分利用各種外部端口的資源，同時要利用內部的存儲器，充分發(fā)揮它的運算速度，應根據(jù)以下幾個原則選ABS控制的單片機。 ① CPU的運算速度 CPU的時間一般耗在數(shù)學運算過程中，特別是32位的浮點數(shù)計算，計算時間成倍的增加，一般情況下應避免采用浮點數(shù)計算，因為ABS系統(tǒng)的要求計算頻率非常高，一般5毫秒到10毫秒之間，CPU要完成各種計算，錄入加減速度、參考滑移率等，這種計算都是實時完成的。 ② 內外部存貯器 同樣的CPU類型其內。外部數(shù)據(jù)與程序存貯器也是多樣的，所以電子控制單元要根據(jù)需要選擇不同的內、外部存貯器，同時編程時要提高內存利用率，多用通用的變量，少定義專用的變量，以節(jié)省內存。目前ABS系統(tǒng)的程序容量一般在8K-32K之間，內存數(shù)據(jù)儲存器在256個字節(jié)以上。進入90年代，已大批量使用帶有ROM,EPROM,EEPROM,FLASH EEPROM和一次寫入的單片機。它真正符合了單片機的小型、簡單、可靠、廉價的設計初衷。 ③ 輸入、輸出端口資源 輸入輸出端口要充分利用，如果使用不足則浪費了資源，外部總線8位單片機UO資源太少，無法用于ASS系統(tǒng)，外部總線16位基本能滿足ABS系統(tǒng)的要求。 本設計中單片機選用了MCS-96系列產品中的80C196KC。它特別適合要求很高的實時控制場合。目前，已成功地應用于汽車上，諸如點火，燃料等控制。80C196KC的內部EPROM/ROM為8K字節(jié)，內部RAM為232字節(jié)，都可作為通用寄存器使用，加上24字節(jié)專用寄存器，相當于有256字節(jié)內部寄存器。在ABS的主控系統(tǒng)設計的軟件編制中，就充分利用了其內部的通用寄存器。因為ABS作為一種實時控制，而整個制動過程在短短的幾秒鐘內必須完成，因此它對時間的要求非常高。通過對所需采集數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)幾種參數(shù)數(shù)量級分布較為幾種，只是需將每類數(shù)量綱擴大100倍，放入通用寄存器中供分析、計算，這樣不但能保證控制參數(shù)的準確性，而且避免調用冗繁的四則運算子程序，使其算法更簡潔，實時響應速度更快，更具合理性。 3.4 ABS系統(tǒng)輪速傳感器選擇 轉速傳感器的功用是檢測車輪的速度，并將速度信號輸入ABS的電控單元。圖3-4所示為轉速傳感器在車輪上的安裝位置。 圖3-4-1 轉速傳感器在車輪上的安裝位置 （1）電磁式轉速傳感器結構 傳感頭的結構如下圖3-4-2所示，它由永磁體2、極軸5和感應線圈4等組成,極軸頭部結構有鑿式和柱式兩種。齒圈6旋轉時，齒頂和齒隙交替對向極軸。在齒圈旋轉過程中，感應線圈內部的磁通量交替變化從而產生感應電動勢，此信號通過感應線圈末端的電纜1輸入ABS的電控單元。當齒圈的轉速發(fā)生變化時，感應電動勢的頻率也變化。ABS電控單元通過檢測感應電動勢的頻率來檢測車輪轉速。 1.電纜2.永磁體3.外殼4.感應線圈5.極軸6.齒圈 1.圖3-4-2車輪轉速器 電磁式輪速傳感器結構簡單、成本低，但存在下述缺點：一是其輸出信號的幅值隨轉速的變化而變化。若車速過慢，其輸出信號低于1V，電控單元就無法檢測；二是響應頻率不高。當轉速過高時，傳感器的頻率響應跟不上；三是抗電磁波干擾能力差。目前，國內外ABS系統(tǒng)的控制速度范圍一般為15～160km/h，今后要求控制速度范圍擴大到8～260km/h以至更大，顯然電磁感應式輪速傳感器很難適應。 （2）霍爾輪速傳感器` 霍爾輪速傳感器也是由傳感頭和齒圈組成。傳感頭由永磁體，霍爾元件和電子電路等組成，永磁體的磁力線穿過霍爾元件通向齒輪，如圖3-4-3所示。 圖3-4-3霍爾輪速傳感器示意圖 1.磁體2.霍爾元件 3.齒圈 當齒輪位于圖中(a)所示位置時，穿過霍爾元件的磁力線分散，磁場相對較弱；而當齒輪位于圖中(b)所示位置時，穿過霍爾元件的磁力線集中，磁場相對較強。齒輪轉動時，使得穿過霍爾元件的磁力線密度發(fā)生變化，因而引起霍爾電壓的變化，霍爾元件將輸出一個毫伏(mV)級的準正弦波電壓。此信號還需由電子電路轉換成標準的脈沖電壓。 霍爾輪速傳感器具有以下優(yōu)點：其一是輸出信號電壓幅值不受轉速的影響。；其二是頻率響應高。其響應頻率高達20kHz，相當于車速為1000km/h時所檢測的信號頻率；其三是抗電磁波干擾能力強。因此，霍爾傳感器不僅廣泛應用于ABS輪速檢測，也廣泛應用于其控制系統(tǒng)的轉速檢測。 霍爾式輪速傳感器與電磁感應式輪速傳感器比較具有以下優(yōu)點： （1）隨著輪速的變化，輸出信號的幅值是不變的。 （2）頻率響應高，響應頻率高達20khz，用于ABS系統(tǒng)中可檢測到約1000Km/h 速度信號，遠遠滿足使用要求。 （3）抗電磁干擾能力強，由于輸出信號在整個輪速范圍內不變，而且幅值較高，所以抗電磁干擾能力很強。 鑒于霍爾傳感器的比較優(yōu)點，本設計采用霍爾輪速傳感器。 3.4.1霍爾傳感器的設計 霍爾輪速傳感器要包括開關型集成霍爾傳感器和線性集成霍爾傳感器兩種。 集成霍爾傳感器是在制造硅集成電路的同時，在硅片上制造具有傳感器功