分 類 號 密 級 寧寧波大紅鷹學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )ABS 汽車制動系統(tǒng)設(shè)計(jì)所 在 學(xué) 院專 業(yè)班 級姓 名學(xué) 號指 導(dǎo) 老 師2014 年 03 月 15 日誠 信 承 諾我謹(jǐn)在此承諾：本人所寫的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 《XXXXXXXX》均系本人獨(dú)立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點(diǎn)和材料，均作了注釋，若有不實(shí)，后果由本人承擔(dān)。承諾人（簽名）： 年 月 日I摘 要汽車防抱死制動系統(tǒng)（Anti-Lock Braking System，簡稱 ABS）是一種性能優(yōu)良的主動安全裝置，可大大減少交通事故的發(fā)生率，歐美等國家早就將其作為汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置，而國內(nèi) ABS 研究工作目前尚屬于起步階段。氣壓制動的汽車多沒有配備 ABS。本文介紹了適用于汽車的氣動防抱死系統(tǒng)的布置以及控制方案的設(shè)計(jì)，為氣壓制動的汽車提供穩(wěn)定的氣動 ABS。關(guān)鍵詞：氣動 ABS，氣制動，邏輯門限控制，制動性能IIAbstractAutomobile anti lock braking system (Anti-Lock Braking System, referred to as ABS) is a kind of active safety device with excellent performance, can greatly reduce the incidence of traffic accidents, many countries in Europe and America would have it as the standard configuration of vehicle, and domestic ABS research work at present still belongs to the starting stage. Pneumatic braking vehicle not equipped with ABS. This paper introduces the design and arrangement for automobile pneumatic anti lock braking system and control program, to provide a stable pneumatic ABS for air braking vehicle.Key Words: abs pneumatic, pneumatic brake, logic threshold control, braking performanceIII目 錄摘 要 .IAbstract II目 錄 .III第 1 章 緒論.11.1 課題背景 11.2 汽車防抱死系統(tǒng)簡介 11.2.1 ABS 的作用機(jī)理 .21.2.2 氣動 ABS 的工作原理 21.2.3 氣動 ABS 系統(tǒng)的組成 31.3 本章小結(jié) 3第 2 章 氣動防抱死系統(tǒng)工作過程.42.1 車輪速度傳感器基本結(jié)構(gòu) .42.1.1 車輪速度傳感器基本結(jié)構(gòu) 42.1.2 車輪速度傳感器信號產(chǎn)生原理 42.1.3 車輪速度傳感器的工作原理 .52.1.4 車速傳感器的安裝 .62.2 信號處理 62.2.1 控制邏輯 .72.2.2 電子控制單元 ECU142.2.3 控制原則 .142.3 ABS 電磁閥 .152.4 ABS 電磁閥的工作過程 .162.5 本章小結(jié) 17第 3 章 結(jié) 論.18參考文獻(xiàn).19致 謝.21第 1 章 緒論1第 1 章 緒論1.1 課題背景在各種電控系統(tǒng)出現(xiàn)在汽車上時，未來的汽車將變得更加清潔、安全與舒適。汽車防抱死制動系統(tǒng)（Anti-lock Braking System，簡稱 ABS）是汽車重要的主動安全系統(tǒng)，裝備 ABS 系統(tǒng)的汽車明顯提高汽車在緊急制動時的安全性，降低交通事故率；國外保險公司對裝備了 ABS 系統(tǒng)的汽車，保險費(fèi)額減少 5~7%，足以證明其作用。北美、歐、日地區(qū)早在 20 世紀(jì) 90 年代就規(guī)定新注冊的大客車、汽車和危險品裝載車必須裝備ABS 系統(tǒng)，美國已經(jīng)規(guī)定半掛車至少有一軸裝備 ABS 控制，而我國目前汽車 ABS 正處于開發(fā)初期，市場供應(yīng)裝備 ABS 汽車絕大部分是國外產(chǎn)品活國外技術(shù)的產(chǎn)品，限制了 ABS 在國產(chǎn)汽車上的應(yīng)用。我國 ABS 的開發(fā)、裝配均處于起步狀態(tài)，2003 年又重新修訂了對 ABS 產(chǎn)品的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)《汽車防抱死制動系統(tǒng)性能要求和試驗(yàn)方法》(GB13594-2003)，并于 1999 年和 2004 年重新修訂并頒布了 《汽車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)方法》和《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件》2 個強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)，明確規(guī)定 12 t 以上的大型客車和 16 t 以上的貨車必須裝備 ABS 裝置。我國國家標(biāo)準(zhǔn) GB12676-1999“汽車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能和試驗(yàn)方法”規(guī)定從 2003 年 10 月起，M3 類旅游客車、N3 累載貨汽車和 O4 類掛車必須裝用防抱死制動裝置，交通部規(guī)定高速公路營運(yùn)客車必須裝備ABS 系統(tǒng)。這些政策法規(guī)的頒布，使得獨(dú)立自主研發(fā)的高性能汽車用防抱死制動系統(tǒng)產(chǎn)品有極大的市場應(yīng)用價值。就目前來講，防抱死制動系統(tǒng)在轎車上的使用絕對普遍，可以說 ABS 已經(jīng)是現(xiàn)在轎車的標(biāo)準(zhǔn)配置，但是對于更多的行駛在高速公路事故率更高的汽車來說，ABS 的使用還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。尤其是對于出廠時沒有配備 ABS 的汽車來說，司機(jī)只能憑借自己的駕駛經(jīng)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)制動。因此，本課題是在目前普遍應(yīng)用在汽車上的氣壓制動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上做了改動，設(shè)計(jì)出了適用于汽車的氣動防抱死系統(tǒng)，本方案不但可以直接用于即將下線的新車型上，也可以經(jīng)過改動用于出廠時未配備 ABS 的氣壓制動車型上。1.2 汽車防抱死系統(tǒng)簡介防抱死制動系統(tǒng)的任務(wù)是防止由于制動力過大造成的車輪抱死（尤其在光滑路面寧波大紅鷹學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2上） 。確保車輛在全制動時也能維持橫向牽引力，保證了駕駛的穩(wěn)定性和車輛的轉(zhuǎn)向控制性以及主、掛車制動結(jié)合的最佳效果。同時保證了可利用的輪胎和路面之間的制動摩擦力以及車輛減速和停車距離的最優(yōu)化。1.2.1 ABS 的作用機(jī)理車輛的制動性能取決于輪胎與地面的附著系數(shù) μ，附著系數(shù)主要與車輪滑移率有關(guān)，還與路面條件、輪胎條件、車輛軸荷、車輛速度、環(huán)境溫度、車輪所受的橫向力等有關(guān)。在制動過程中，隨著制動器制動力矩的增加，車輪的角減速度增大,車輪滑移率 λ 也上升，由圖 1-1a 可以看出：隨著 λ 的上升， μ 也上升。在達(dá)到最大峰值附著系數(shù)以前，車輪處于穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，隨著車輪制動器制動力矩的增加，地面制動力隨之增加，當(dāng)?shù)孛嬷苿恿Τ^車輪與地面間的最大附著力時，車輪則處于輪胎特性曲線的不穩(wěn)定區(qū)域，車輪將會抱死，使 μ 減小，尤其是橫向附著系數(shù) μS 迅速減小，如圖1-1b 所示。在高速濕路面上制動抱死時，路面附著系數(shù)大大小于峰值附著系數(shù)，使車輛制動力大大減小。而在轉(zhuǎn)彎的情況下，抱死車輪會使輪胎的橫向力迅速減小，車輛的穩(wěn)定性很容易喪失。理論上，ABS 要比制動抱死時制動距離短，但在干路面上車輛中、低速制動時往往不明顯，這是因?yàn)檫@時的峰值附著系數(shù)與抱死時的附著系數(shù)相差不多，有時也會出現(xiàn) ABS 制動要比不帶 ABS 時制動距離略長些，但重要的是車輛的制動穩(wěn)定性得到了改善。1.2.2 氣動 ABS 的工作原理ABS 由 3 部分組成，即 ABS 控制器 ECU、電磁調(diào)節(jié)閥和傳感器。當(dāng)駕駛員踩制動第 1 章 緒論3踏板時，壓縮空氣通過制動總閥經(jīng)電磁調(diào)節(jié)閥流入前、后車輪的制動氣室，隨著制動氣室壓縮空氣量的增加，制動器制動力矩增加，使車輪減速。在這一過程中，車輪上ABS 傳感器測量每個車輪的角速度，并以脈沖的形式輸出，脈沖頻率與車輪角速度成正比。車輪角速度信號被采集到控制器 ECU 中，在控制器中的控制軟件根據(jù) 4 個車輪的角速度計(jì)算出角加、減速度，估計(jì)車輪參考速度，計(jì)算出參考滑移率，并由此計(jì)算出所需的制動氣室氣壓力，通過控制器 I/O 端口，將它變?yōu)殡姶砰y的控制指令，使制動氣室的壓力根據(jù)路面情況進(jìn)行控制，這種壓力恰使車輪能工作在最佳的附著系數(shù)區(qū)域，即峰值附著系數(shù)附近，充分發(fā)揮汽車的制動效能，防止車輪抱死。防抱系統(tǒng)只有在車輪有抱死趨勢，也即車輪與路面的附著系數(shù)已處于輪胎特性曲線 μ-λ 的不穩(wěn)定區(qū)域時才會發(fā)揮作用。1.2.3 氣動 ABS 系統(tǒng)的組成氣動防抱死系統(tǒng)（ABS）包括：4 或 6 個車輪轉(zhuǎn)速傳感器、襯套、齒圈、3~6 個電磁閥、電子控制單元（ECU） 、指示燈、診斷接口、數(shù)據(jù)接口底盤線束、電源、保險等。對于本課題系統(tǒng)的布置，由于適用于 3 軸汽車，所以選用了 6S/6M 的布置方式，即 6 個車輪轉(zhuǎn)速傳感器和 6 個 ABS 電磁閥。布置方式如圖 1-2 所示。1.3 本章小結(jié)本章簡單介紹了本課題研究的氣動防抱死制動系統(tǒng)，本課題主要是對汽車用的氣壓制動 ABS 系統(tǒng)進(jìn)行布置及控制方案設(shè)計(jì)，力爭能在每臺汽車上都可以使用氣動 ABS系統(tǒng)。各部件具體的結(jié)構(gòu)、安裝位置、工作原理以及控制方案將在第二章里具體介紹。寧波大紅鷹學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4第 2 章 氣動防抱死系統(tǒng)工作過程汽車制動時，氣動 ABS 的工作過程如圖 2-1，車輪轉(zhuǎn)速傳感器將車輪的轉(zhuǎn)速采集成信號，傳遞到 ECU 做相應(yīng)的信號處理，由 ECU 控制 ABS 電磁閥，已達(dá)到控制制動器壓力的效果，從而防止了車輪的抱死。具體過程見下文。2.1 車輪速度傳感器基本結(jié)構(gòu)氣動 ABS 的信號采集是通過車輪轉(zhuǎn)速傳感器完成的，它可以測出車輪與驅(qū)動軸共同旋轉(zhuǎn)的齒圈數(shù)，然后產(chǎn)生與車輪轉(zhuǎn)速成正比的交流信號。車輪速度傳感器將車輪輪速信號傳給 ABS 系統(tǒng)電控單元，電控單元通過計(jì)算決定是否開始或準(zhǔn)確地進(jìn)行防抱死制動。因此，車輪速度傳感器十分重要。2.1.1 車輪速度傳感器基本結(jié)構(gòu)車輪速度傳感器是一種由磁通量變化而產(chǎn)生感應(yīng)電壓的裝置，在每個車輪上安裝一個，共六個，由磁感應(yīng)傳感頭與齒圈組成。傳感頭是一個靜止部件，由永久磁鐵、電磁線圈和磁極等構(gòu)成，安裝在每個車輪的托架上。齒圈是一個運(yùn)動部件，一般安裝在輪轂上或輪軸上與車輪一起旋轉(zhuǎn)。齒圈上齒數(shù)的多少與車型、ABS 系統(tǒng)電控單元有關(guān)。本系統(tǒng)采用的傳感器的齒圈的有 100 個齒，傳感器的頻率為 100Hz，阻值為1100~1250（與環(huán)境溫度有關(guān)，感應(yīng)電壓為 110mV。傳感頭磁極與齒圈的端面的空氣隙為 0.7mm。在實(shí)際安裝中，可用一個厚度與空氣隙大小一樣的紙盤貼在傳感頭的磁極面上，紙盤的另一面緊挨齒圈凸出端面，然后固定傳感頭即可。2.1.2 車輪速度傳感器信號產(chǎn)生原理車輪速度傳感器與普通的交流電機(jī)原理相同。永久磁鐵產(chǎn)生一定強(qiáng)度的磁場，齒圈在磁場中旋轉(zhuǎn)時，齒圈齒頂和電極之間的間隙就以一定的速度變化，這樣就會使齒圈和電極組成的磁路中的磁阻發(fā)生變化。其結(jié)果使磁通量周期性增減，在線圈兩端產(chǎn)第 2 章 本章標(biāo)題5生正比于磁通量增減速度，在線圈兩端產(chǎn)生正比于磁通量增減速度的感應(yīng)電壓，見圖2-2。將磁場強(qiáng)度換成電壓、磁阻換成電阻、磁通量換成電流，類比歐姆定律其工作原理很容易理解。因此，感應(yīng)電壓正比于車輪速度。2.1.3 車輪速度傳感器的工作原理車輪速度傳感器的工作原理如圖 2-3 所示。傳感頭與齒圈緊挨著固定，當(dāng)齒圈隨車輪旋轉(zhuǎn)時，在永久磁鐵上的電磁感應(yīng)線圈中就產(chǎn)生一交流信號（這是因?yàn)辇X圈上齒峰與齒谷通過時引起磁場強(qiáng)弱變化的故障） ，交流信號的頻率與車輪速度成正比，交流信號的振幅隨輪速的變化而變化（達(dá)科 ABS（VI）最低轉(zhuǎn)速時電壓為 0.1V，最高時為9V） 。ABS 電控單元（ ECU）通過識別傳感器發(fā)來交流信號的頻率來確定車輪的轉(zhuǎn)速，將確定的車速求導(dǎo)得到車輪的加速度，這就是下面所要用到的門限值，而通過電壓的變化頻率和幅度，ECU 還可以計(jì)算出車輪的滑移率 S，然后 ECU 會根據(jù)后面的方法對系統(tǒng)進(jìn)行控制。另外傳感器還引出兩根線接入電控單元，這兩根線必須是屏蔽線。車輪速度傳感器或其線路如果有故障，ABS 電控單元會自動記錄故障，點(diǎn)燃故障指示燈，讓普通制動系統(tǒng)繼 續(xù)工作。寧波大紅鷹學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）62.1.4 車速傳感器的安裝限于汽車的驅(qū)動方式（通常為 6*4 兩后軸驅(qū)動） ，作為驅(qū)動輪后輪的傳感器的齒圈應(yīng)安裝在后軸上，傳感器裝入夾持體（如圖 2-4） 。而從動輪的前輪的傳感器的齒圈，應(yīng)安裝在車輪輪轂旁邊，傳感器裝入轉(zhuǎn)向臂上的孔內(nèi)（如圖 2-5） 。2.2 信號處理目前 ABS 的控制方法很多，本系統(tǒng)采用了邏輯門限值控制技術(shù)。這種控制方式不需要建立系統(tǒng)具體的數(shù)學(xué)模型,并且對系統(tǒng)的非線性控制很有效,比較適合用于 ABS 的控制。當(dāng)其用于 ABS 的控制時,僅需要采用汽車制動過程中車輪的角加速度、角減速度門限控制就可以實(shí)現(xiàn)基本的防抱死制動循環(huán)。如果再附加適當(dāng)?shù)妮o助門限,則會得到更為理想的控制效果。第 2 章 本章標(biāo)題72.2.1 控制邏輯1、高附著系數(shù)路面上 ABS 的控制邏輯圖 2-6 為高附著系數(shù)路面上典型的 ABS 控制循環(huán),控制采用邏輯門限方式,其門限為：車輪角減速度門限-a,車輪角加速度門限 + a 和車輪參考滑移率門限 λ 1 ，λ 2。制動開始時制動壓力增加，如果測得的車輪角減速度低于角加速度門限值-a 時，去此刻車輪速度作為車體的初始參考速度 v0，此后的車體參考速度 v 依據(jù)車體減速度-j 計(jì)算，即：參考車速 v=v0-jt，由此可算出任一時刻的參考滑移率。在制動的初始階段，為是車輛避免在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)進(jìn)入第 2 階段（減壓階段） ，這時還要比較滑移率。如果 λ＜λ 1，說明車輛的滑移率偏小，則控制過程進(jìn)入保壓狀態(tài)，以使車輪充分制動，直到 λ＞λ 1，確保車輪向輪胎滑移特性曲線 μ-λ 的不穩(wěn)定區(qū)域移動，然后將電磁閥開啟到減壓位置，進(jìn)入到第 3 階段。由于減壓，車輪角加速度開始回升。當(dāng)車輪角加速度高于-a 門限值時，電磁閥開啟到保壓位置進(jìn)入第 4 階段。由于制動系統(tǒng)的慣性及制動氣室所保持的壓力，使此時車輪速度繼續(xù)上升，角加速度由負(fù)值增加到正值，直到超過角加速度門限值+a。為了適應(yīng)高附著系數(shù)路面附著系數(shù)的突然增加，本系統(tǒng)設(shè)定了第二角加速度門限+A k，如果在給定保壓時間內(nèi)車輪加加速度不能超過門限值+a ，則屬于低附著系數(shù)路面的情況（控制方式如 2.2.1.2） ，如果超過門限值+a，怎繼續(xù)保壓，此時會出現(xiàn)兩種情況：（1） 附著系數(shù)突然增加，角減速度超過+A k 門限，此時要進(jìn)行一次增壓，以寧波大紅鷹學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）8適應(yīng)附著系數(shù)的增加，直至角加速度低于+A k 門限，再次保壓至低于 +a門限。（2） 角加速度再次低于+a 門限，這是說明車輪進(jìn)入 μ-λ 曲線峰值附近的的穩(wěn)定區(qū)域，并稍有制動不足。上面兩種情況的角加速度都可以低于+a 門限，進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)域。另外，為使車輪在μ-λ 曲線的穩(wěn)定區(qū)域的制動時間盡量延長，制動壓力采用小的上升梯度，這個梯度要比初始壓力梯度小很多。這樣電磁閥在 ECU 的控制下一增壓—保壓的方式不斷循環(huán)直到車輪加速度再次低于-a 門限。此時不再考慮 λ 1 門限，進(jìn)入下一循環(huán)的防抱死制動（這一循環(huán)結(jié)束） 。2、低附著系數(shù)路面上 ABS 控制在低附著系數(shù)路面上的控制情況如圖 2-7 所示，其防抱制動過程的第 1，2 點(diǎn)與在高附著系數(shù)路面時相同,在進(jìn)入第 3 點(diǎn)后，在給定的保壓時間內(nèi)，由于附著系數(shù)低，車輪速度恢復(fù)很慢，故無法達(dá)到+ a 門限。為使系統(tǒng)穩(wěn)定，采用較小的減壓梯度，直到車輪減速度超過+ a 門限，此時進(jìn)入第4 點(diǎn)，進(jìn)行保壓（與高附著系數(shù)路面相同） 。保壓至車輪減速度再次低于+ a 門限，下一階段就是采用較小梯度的增壓方法使車輪減速度再次低于- a 門限，此時就開始進(jìn)入下一循環(huán)的防抱制動了。高、低附著系數(shù)路面的識別，關(guān)鍵在于保壓階段時在給定的時間段里車輪減速度是否能達(dá)到+ a 門限值，根據(jù)識別出的路況不同,施加不同的防抱控制邏輯。3、由高附著系數(shù)路面跳躍到低附著系數(shù)路面上的控制在防抱制動過程中，有時會出現(xiàn)路面由高附著系數(shù)過渡到低附著系數(shù)的情況。在這種情況下進(jìn)行防抱死制動控制，一定要保證控制的可靠性（如圖 2-8） 。假設(shè)在防抱第 2 章 本章標(biāo)題9制動的上一循環(huán)的最后階段結(jié)束而下一循環(huán)剛開始時，路況突然由高附著系數(shù)變化到低附著系數(shù)路面，此時制動氣室的氣壓仍保持在上一防抱制動循環(huán)中處于高附著系數(shù)路況時的高壓。由于本循環(huán)中的附著系數(shù)比較小，因而在第 2 階段（減壓階段,見圖 2-6）就會出現(xiàn)車輪滑移率分別超過 λ 1，λ 2 門限的情況。因此，在此階段車輪減速度從低于- a 門限變化到再高于- a 門限時，要判斷車輪滑移率是否超過 λ 2。如果超過 λ 2，則說明車輪處于 μ-λ 曲線的不穩(wěn)定區(qū)域，此時不應(yīng)進(jìn)行保壓而是繼續(xù)減壓，直至車輪減速度高于+ a 門限。其后的控制方式與前述相同，即進(jìn)行保壓階段，直到車輪減速度再次低于+ a，然后用小梯度的壓力升高，直至減速度低于- a 門限，至此這一控制循環(huán)結(jié)束。在高附著系數(shù)路面，制動氣室保持較高的氣壓，通過此循環(huán),就能變化到在低附著系數(shù)路面需要的較低的制動氣壓，使防抱控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性。此外，在低速（＜20km/h） 、低附著系數(shù)工況下，車輛角加速度減小，此時用滑移率門限值作為控制變量，車輪角加速度作為負(fù)值控制變量。邏輯門限制控制方式的缺點(diǎn)在于，控制系統(tǒng)的各種門限及保壓時間都是反復(fù)試驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，而無充分的理論根據(jù)，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性無法評價。對比高、低附著系數(shù)路面上的防抱死邏輯可以發(fā)現(xiàn)，在第 2 階段減壓時高、低附著系數(shù)的不同路面上控制是不同的。高附著系數(shù)路面上控制減壓時，車輪加速度只要高于加速度門限就開始保壓，而在低附著系數(shù)路面上控制減壓時，車輪加速度要達(dá)到加速度門限才開始保壓。這一差別是因?yàn)楦吒街禂?shù)路面上，增壓階段說達(dá)到的制動壓力較高，由于液壓或氣動系統(tǒng)的非線性，高的的初始壓力的減壓速率比較低的初始壓力的減速率要大得多，如果在高附著系數(shù)路面上減壓到一個加速度門限，加上系統(tǒng)壓力轉(zhuǎn)換時的滯后，就會使車輪達(dá)到一個較大的加速度門限，這樣在保壓階段救活壓力過低，可能導(dǎo)致車輪減速度達(dá)不到門限值，同時還會導(dǎo)致壓力釋放過多、能耗過大，速度波動大等。而在低附著系數(shù)路面上，壓力釋放時的初始壓力較低，則減壓速率較寧波大紅鷹學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）10慢，而它的增壓速率較快，所以達(dá)到加速度門限比較有利，因而當(dāng)減壓速率大，且系統(tǒng)滯后大時，要有角小的加速度門限，甚至是負(fù)的加速度門限，而當(dāng)減壓速率小（低壓時放氣） ，且系統(tǒng)滯后小時，要有較大的加速度門限。因此防抱死邏輯要根據(jù)制動作動系統(tǒng)的特性和路面的情況，作動系統(tǒng)的滯后主要是因?yàn)橹苿訅毫εc制動力矩的產(chǎn)生不是同步的，即制動力矩要滯后制動壓力的變化。4、脈沖步增壓控制在完成第一個 ABS 控制循環(huán)后，后即的 ABS 循環(huán)，在開始的增壓階段要有較小的增壓速率，因?yàn)檫@是車輪處于輪胎特性的穩(wěn)定區(qū)域，有較大的縱向力和橫向力，要使得這種運(yùn)動狀態(tài)盡量保持久些，增壓速度應(yīng)減小，但太小的增壓速率將會導(dǎo)致過長的時間增壓，使車輪處于較小的路面附著系數(shù)，導(dǎo)致制動距離的增加，所以應(yīng)有一個適當(dāng)?shù)脑鰤核俣取．?dāng)車輪由保壓變換為增壓時，第一次增壓要有適當(dāng)?shù)拇笮?，它取決于制動系統(tǒng)的機(jī)械滯后和車輪轉(zhuǎn)動慣量，當(dāng)系統(tǒng)存在滯后時，首先必須用一個初始壓力克服這個滯后。如圖 2-9。當(dāng)制動系統(tǒng)由增壓切換為減壓時，首先由氣壓△p 12 來克服制動系統(tǒng)的滯后。當(dāng)制動系統(tǒng)由減壓切換為增壓時，首先由氣壓△p 34 來克服制動系統(tǒng)的滯后。系統(tǒng)滯后大時，供以較大的初始壓力，反之系統(tǒng)滯后小時，供以較小的初始壓力，這樣系統(tǒng)就可以很快的達(dá)到最佳附著系數(shù)的 90%左右。在這時用小脈沖增壓速率可以使這時的制動狀態(tài)盡可能長的維持住。同樣，大慣量時需要大的初始壓力增量，小慣量時需要小的初始壓力增量。但控制系統(tǒng)本身無法預(yù)先知道系統(tǒng)的滯后和車輪的轉(zhuǎn)動慣量的大小，為了使防抱死過程控制系統(tǒng)能夠自適應(yīng)上面的原則，需要采用變增壓次數(shù)的原則，也就是自適應(yīng)的控制。通常自適應(yīng)控制會出現(xiàn)兩種情況：第 2 章 本章標(biāo)題11（1） 第一個循環(huán)制動不足，如圖 2-10(a)，如果在第一個循環(huán)后，防抱死用了 6個小脈沖增壓控制，說明制動是附著系數(shù)利用不足，第一次增壓時間 t∞ 過短，沒有充分的克服系統(tǒng)滯后和轉(zhuǎn)動慣量的影響。在下一循環(huán)增加增壓時間，以實(shí)現(xiàn) 2 個增壓脈沖步長達(dá)到加速度門限，達(dá)到優(yōu)化制動效果的作用。（2） 第一個循環(huán)制動粗暴，如圖 2-10(b)，如果在第一個循環(huán)后，系統(tǒng)沒有使用脈沖增壓控制，說明制動過于粗暴，第一次增壓時間 t∞ 過長，在下一循環(huán)減小增壓時間，以實(shí)現(xiàn) 2 個增壓脈沖步長達(dá)到加速度門限，達(dá)到優(yōu)化制動舒適性的作用。通過這種自適應(yīng)的脈沖步調(diào)節(jié)控制，系統(tǒng)可以盡量的消除滯后及慣量對制動的影響。5、減速度門限值(-a) 的設(shè)置不同路面要設(shè)置不同的減速度門限值。在高附著系數(shù)路面上制動時，所達(dá)到的峰值附著系數(shù)的車輪角減速度小。在其他條件都相同時，高附著系數(shù)具有較大的減速度門限值，而低附著系數(shù)有較小的門限值。防抱死控制要形成循環(huán)，則應(yīng)是防抱死的控制狀態(tài)運(yùn)行到輪胎特性曲線的不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。所以門限值要大于達(dá)到峰值附著系數(shù)時的角減速度值。在車輛行駛時，一旦運(yùn)行到不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，車輪會很快抱死，并且在這個過程中車輪角減速度絕對值會突然加大。另外如果減速度門限值較小，由于路面不均勻、傳感誤差以及其他噪聲等因素產(chǎn)生的減速度值將與其接近，所以實(shí)際過程中的控制特別難實(shí)現(xiàn)，可能產(chǎn)生誤動作。從后繼的控制循環(huán)來考慮，車輪加速度是相對應(yīng)的，即較小的減速度在車輪恢復(fù)時產(chǎn)生較大的車輪恢復(fù)加速度，所以減速度門限應(yīng)與加速度門限配合起來設(shè)置。減速度門限設(shè)置與很多因素有關(guān)，如不同的車輛、不同軸荷、車輪轉(zhuǎn)動慣量、制動壓力上升速率以及制動系統(tǒng)的滯后因素等，這需要在實(shí)際系統(tǒng)中對控制門限進(jìn)行精心的調(diào)節(jié)標(biāo)定。如驅(qū)動輪（后輪）要比非驅(qū)動輪（前輪）轉(zhuǎn)寧波大紅鷹學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12動慣量大的多，在相同門限的情況下，前輪對制動壓力反應(yīng)敏感，門限值應(yīng)略小，壓力速率大，門限值也相應(yīng)增大。6、加速度門限值(+a)的設(shè)置加速度門限值(+a)決定著車輪速度的恢復(fù)。如果設(shè)置的加速度門限值過大，車輪可能無法達(dá)到該門限值。這樣可能引起失控，導(dǎo)致車輪一直處于恢復(fù)狀態(tài)（制動壓力釋放狀態(tài)） ，導(dǎo)致制動壓力不足。如果設(shè)置的門限值過小，車輪會在沒有充分恢復(fù)制動的情況下就進(jìn)入下一防抱死循環(huán)，這樣會產(chǎn)生逐漸抱死的趨勢。設(shè)置合適的加速度門限值對保證防抱死邏輯的可靠性是至關(guān)重要的。另外用參考滑移率進(jìn)行輔助控制可以防止上述情況的發(fā)生。如果門限值太小，車輪輪速不能充分地恢復(fù)，這時參考車速與輪速有較大的差別（即有較大的正參考滑移率） 。只要設(shè)置一個較小的正的或負(fù)的參考滑移門限值，當(dāng)輪速到達(dá)加速度門限但參考滑移率還很大時，說明輪速還未恢復(fù)到車速附近，所以 ECU 控制繼續(xù)保持減壓，直到參考滑移率達(dá)到較小的門限值，使車輪充分恢復(fù)后再進(jìn)入下一循環(huán)的保壓控制。如果設(shè)置的加速度門限過大，車輪加速度無法達(dá)到設(shè)置的加速度門限值，但這一控制循環(huán)中的制動壓力一直減小，車輪加速度將達(dá)到低于門限值的某個最大加速度值后而逐漸減小。同時速度恢復(fù)得太多使輪速超過參考速度，這樣 ECU 將控制系統(tǒng)再次回到增壓階段。7、加、減速度門限值及增壓速率的匹配上面提到了加、減速度門限值的選擇原則，但加、減速度門限應(yīng)合理匹配才能得到最佳制動效果。加、減速度的形成主要與車輪轉(zhuǎn)動慣量及制動系統(tǒng)增壓、減壓速率有關(guān)。非驅(qū)動輪（前輪）的轉(zhuǎn)動慣量小，對制動壓力敏感，在同一加、減速度門限控制下，前輪的輪速波動的頻率比較高，后輪（驅(qū)動輪）輪速波動的頻率比較小。加、減速度門限是相互聯(lián)系的。如果給定較大的減速度門限，車輪恢復(fù)時將產(chǎn)生較大的加速度才能使車輪達(dá)到穩(wěn)定區(qū)域，這樣將導(dǎo)致制動過程的輪速波動大，制動粗暴。如果較大的減速度門限用較小的加速度門限匹配，將使車輪輪速得不到完全恢復(fù)，產(chǎn)生逐步抱死的趨勢。如果較大的減速度門限與較大的加速度門限匹配，車輪速度將完全恢復(fù)，產(chǎn)生較大的速度波動，尤其是在轉(zhuǎn)動慣量小的非驅(qū)動輪（前輪） ，引起制動粗暴，而且車輪速度恢復(fù)過多將是制動距離加長。如果選擇較小的減速度門限，很容易引起系統(tǒng)的誤動作。另外在進(jìn)入防抱死循環(huán)時，較小的減速度門限會使車輪能達(dá)到的加速度較小，必須匹配減小的加速度門限，如果設(shè)置的加速度門限大車輪系統(tǒng)達(dá)不到門限值將導(dǎo)致防抱死控制的失控， ；而設(shè)置較小的加速度門限會使防抱死循環(huán)太小，在輪胎附著系數(shù)的區(qū)域內(nèi)獲得的制動力較小，制動距離將增長，制動不足。第 2 章 本章標(biāo)題138、路面識別的方案ABS 系統(tǒng)是根據(jù)路面來確定加、減速度門限的，ABS 工作時 ECU 根據(jù)路面情況確定合適的門限值，同時 ECU 對參考速度的計(jì)算所需要的參考減速度也是由路面情況確定的。本系統(tǒng)并沒有額外的傳感器測試更多的參數(shù)，而是利用現(xiàn)有的系統(tǒng)進(jìn)行路面識別。主要是從防抱死循環(huán)中的信息確定路面的工況。由防抱死循環(huán)的起始點(diǎn)和終點(diǎn)的輪速及期間的時間確定車輛的減速度：a=(v2-v1)/△t由減速度可以近似地確定路面附著系數(shù)（如圖 2-11） 。這樣就可以達(dá)到路面識別的效果。9、制動系統(tǒng)對氣動 ABS 系統(tǒng)的影響氣動 ABS 是和氣壓制動系統(tǒng)一起存在的，所以加、減速度門限值要結(jié)合制動壓力的動態(tài)特性考慮。當(dāng)系統(tǒng)的增壓速率或梯度較大時，在同一時間段內(nèi)，容易得到較大的減速度值，因此在這設(shè)置較大的減速度門限。在防抱死的初始循環(huán)給以較大的增壓速率使車輪盡快到達(dá)最佳滑移率區(qū)域，達(dá)到這一區(qū)域后，給以較小的增壓速率，使ABS 控制過程有一個適當(dāng)?shù)膭幼餮h(huán)，使車輪盡量停留在這一區(qū)域較長時間。如果制動壓力過大，將是此動作循環(huán)過小，特別對于非驅(qū)動軸（前軸） ，會導(dǎo)致“制動震動” 。另外附著系數(shù)的利用率也會下降（如圖 2-12） ，制動距離將增長。所以 ABS 工作是一定要保證有適當(dāng)?shù)膭幼餮h(huán)。寧波大紅鷹學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1410、制動系統(tǒng)滯后對氣動 ABS 的影響氣壓 ABS 的滯后時間一般包括傳動滯后、氣壓傳輸滯后、執(zhí)行機(jī)構(gòu)滯后。氣壓制動系統(tǒng)的滯后時間一般在 0.2~0.9s 之間。車輛的不同制動氣室門的滯后時間都是不相同的。表 1 是在其他條件不變時，時間滯后分別為 0.15s、0.2s 和 0.5s。顯然，滯后時間的延長，制動時間和制動距離都會相應(yīng)加長，調(diào)節(jié)次數(shù)也會減少，甚至車輪有提前抱死的傾向時間滯后 0.2s 時間滯后 0.5s 時間滯后 0.15s制動時間 3.46s 制動時間 3.65s 制動時間 3.16s制動距離 43.36m 制動距離 45.13m 制動距離 43.03m前輪調(diào)節(jié) 4 次 前輪調(diào)節(jié) 2 次 前輪調(diào)節(jié) 5 次后輪調(diào)節(jié) 5 次 后輪調(diào)節(jié) 5 次 后輪調(diào)節(jié) 6 次表 1 滯后時間不同時氣壓 ABS 制動效果對比考慮到以上滯后因素，滯后大時，將設(shè)置較小的減速度門限，以免系統(tǒng)滯后導(dǎo)致車輪抱死。文二路防止減壓過大導(dǎo)致的制動速度放松，本系統(tǒng)防抱死過程的增壓階段的門限值取為減速度值，利用系統(tǒng)滯后使車輪達(dá)到加速度恢復(fù)狀態(tài)。接下來的保壓狀態(tài)使輪速不過度恢復(fù)，保持一定的制動狀態(tài)。但是在實(shí)踐中由于控制較難，需要不斷地調(diào)整、修改，最后得到最佳的制動效果。另外，影響氣動 ABS 工作的因素還有，汽車的質(zhì)量、質(zhì)心的位置、路面附著力系數(shù)以及初始車速等，這些都會或多或少的影響到氣動 ABS 的制動效果，但是這些因素的影響都可以通過 EUC 的邏輯門限值算法得以很大程度的解決，不需要在做其他方面的改進(jìn)。2.2.2 電子控制單元 ECU電子控制單元 E C U 是氣壓 A B S 控制系統(tǒng)的核心部件，也是衡量 ABS 系統(tǒng)性能第 2 章 本章標(biāo)題15和功能等級的主要部件。ABS 系統(tǒng)的控制和計(jì)算是在 ECU 中完成的，對于新型的汽車，可以在系統(tǒng)本身就自帶 ECU 中直接進(jìn)行編寫程序；而對于沒有 ECU 的車輛，需要另外配置 ECU。一般后配置的 ECU 多直接安裝在清潔、防水和遠(yuǎn)離熱源的車架上。ECU與輪速傳感器、壓力調(diào)節(jié)閥、電源、指示燈和故障診斷連接器相連，以便在系統(tǒng)工作時進(jìn)行控制及計(jì)算。當(dāng)氣壓 A B S 系統(tǒng)發(fā)生故障時，ECU 及時將故障信息傳遞至 ABS 故障指示燈并轉(zhuǎn)化存儲為相應(yīng)的故障碼，同時使整個系統(tǒng)停止工作，恢復(fù)到常規(guī)制動方式。另外 ECU還具有車載故障自動診斷功能。2.2.3 控制原則目前的制動系統(tǒng)大多采用雙管路系統(tǒng)，即一條制動回路控制 2 個車輪，氣制動系統(tǒng)一般按前后布置形式。在防防抱死系統(tǒng)中能夠獨(dú)立進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)的管路稱為控制通道，本系統(tǒng)在每個控制通道上都配有一個 ABS 電磁閥，并在每個的車輪上都配有輪速傳感器。目前的控制通道有下面 6 種控制方式：獨(dú)立控制 IR、低選控制 LS、高選控制HS、修正的獨(dú)立控制 M IR、修正的軸控方式 MAR、修正的邊控方式 MSR。由于汽車的軸距較大，每個車輪的行駛的狀況可能不盡相同，所以在本系統(tǒng)在布置中，四個后輪選擇了控制更準(zhǔn)確的獨(dú)立控制（IR） ，獨(dú)立控制的 ABS 系統(tǒng)能縮短車輛的制動距離，但操縱性及制動穩(wěn)定性差，所以在前輪選擇了穩(wěn)定性更好的修正的獨(dú)立控制（M IR） ，前軸上左右 2 個車輪低附著系數(shù)一側(cè)的車輪按獨(dú)立控制的原則，而另一側(cè)的車輪按與它一定的比例關(guān)系并低于最大的車輪附著系數(shù)利用率進(jìn)行控制。采用這種方法主要是為了適應(yīng)左右車輪分別在不同附著系數(shù)的路面上的制動。ECU 根據(jù)上述控制方法，對各轉(zhuǎn)速傳感器傳來的信號以邏輯門限值控制技術(shù)進(jìn)行處理，以分析 6 個車輪所需要的制動力以及 6 個 ABS 電磁閥所需的工作的狀態(tài)，并對ABS 電磁閥進(jìn)行控制。2.3 ABS 電磁閥ABS 電磁閥是 ABS 系統(tǒng)中的執(zhí)行組件，用于制動壓力的控制，本系統(tǒng)所用的是 2位 3 通式電磁閥，工作電壓 18~28V，線圈電阻 14~15Ω，工作壓力 0~11bar，接口尺寸 M22×1.5。由于是氣動系統(tǒng)，所以安裝時盡量靠近制動氣室（不超過 1.5mm） ，以縮短工作時的滯后時間，排氣口朝下，傾斜不超過 30°管徑大于 9mm，具體的安裝見本系統(tǒng)的總布置圖。結(jié)構(gòu)如圖 2-13 所示。在正常制動狀態(tài)下，無車輪抱死信號，ABS系統(tǒng)不起作用，車輛制動時來自制動總閥的壓縮空氣能無阻礙地通過壓力調(diào)節(jié)閥流入制動氣室。當(dāng) ABS 控制器 ECU 使幾個先導(dǎo)閥以一定方式組合工作時，電磁調(diào)節(jié)閥才具有“保壓/減壓”功能；當(dāng)不向先導(dǎo)閥供電時，則起 “增壓”的功能。寧波大紅鷹學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）162.4 ABS 電磁閥的工作過程（1）壓力增加過程。當(dāng)踩下制動踏板時，ECU 發(fā)出增壓信號，來自制動總閥的壓縮空氣由口Ⅰ進(jìn)入，打開進(jìn)氣膜片 a 進(jìn)入氣室 B 后，一路通過口 Ⅱ流入制動氣室，使制動氣室的壓力增加，另一路流入排氣膜片 b 上部的環(huán)形槽。同時，壓縮空氣由氣道9 通過打開的閥 5 進(jìn)入出口膜片下的氣室 C。壓力升高過程，進(jìn)氣電磁閥、排氣電磁閥均不通電。（2）壓力減小過程。當(dāng)某一車輪趨于抱死時（即車輪速度低于滑移率 λ1 門限值時） ，ABS 控制器 ECU 發(fā)出減壓信號，電磁鐵 4 通電吸合，閥 3 關(guān)閉，閥 2 打開，氣室 A 內(nèi)的壓縮空氣通過氣室 D 和氣道 1 進(jìn)入氣室 E，并使進(jìn)氣膜片 a 關(guān)閉，切斷制動總閥至制動氣室的壓縮空氣通路。與此同時電磁鐵 6 也通電吸合，關(guān)閉閥 5，打開閥7，這使得氣室 C 內(nèi)的壓縮空氣通過排氣口Ⅲ排出，氣室 C 內(nèi)壓力減小，出口膜片 b向下拱曲打開氣室 B 與氣道 8 的通道?？冖蛱幍膲嚎s空氣部分通過氣道 8 和排氣口Ⅲ排入大氣，使制動氣室的壓力降低。壓力下降過程，進(jìn)、排氣電磁閥均通電。（3）壓力保持過程。制動氣缸的壓力下降后，汽車車輪轉(zhuǎn)速升高，在這一時間內(nèi)車輪減速度會恢復(fù)為加速度并超過加速度門限+ a，此時 ECU 發(fā)出壓力保持信號使電磁鐵 4 通電，氣室 A 內(nèi)的壓縮空氣通過氣室 D 和氣道 1 進(jìn)入氣室 E，使進(jìn)氣膜片 a 關(guān)閉。切斷制動總閥至制動氣室的通路；同時電磁鐵 6 不通電，閥 7 在彈簧的作用下關(guān)閉，關(guān)閉氣室 C 至排氣口Ⅲ的通路，閥 5 打開，這使得口 1 處的壓縮空氣到達(dá)氣室 C，關(guān)閉出口膜片 b。保持 B 氣室的壓力即制動氣室的壓力恒定。壓力保持階段，進(jìn)氣電磁閥通電，排氣電磁閥斷電。第 2 章 本章標(biāo)題17下表是 ABS 電磁閥工作時個閥門和通道的狀態(tài)：壓力升高 壓力降低 壓力保持進(jìn)氣電磁閥 不通電 通電 通電進(jìn)氣通道 打開 關(guān)閉 關(guān)閉排氣電磁閥 不通電 通電 不通電排氣通道 關(guān)閉 打開 關(guān)閉此后，在 ECU 的控制下，進(jìn)氣電磁閥中的電流中斷，制動力重新升高，又開始了一個新的循環(huán)。一個工作循環(huán)的速度很快，可達(dá) 5 次/ 秒。在連續(xù)的工作循環(huán)下，車輪轉(zhuǎn)速不斷降低，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)速傳感器檢測的車輪轉(zhuǎn)速降至安全轉(zhuǎn)速時，車速也達(dá)到了安全制動范圍，ECU 發(fā)出信號，ABS 系統(tǒng)停止工作。2.5 本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了氣動 ABS 系統(tǒng)個部件的安裝位置、工作原理、以及工作過程。并著重介紹了本系統(tǒng)的控制方案，邏輯門限值的控制方法、門限值的設(shè)置方案及后輪獨(dú)立控制前輪修正式獨(dú)立控制的控制方式。至此，氣動 ABS 系統(tǒng)可以正常、穩(wěn)定、平穩(wěn)的工作。參考文獻(xiàn)18第 3 章 結(jié) 論本課題是在傳統(tǒng)的 ABS 系統(tǒng)下進(jìn)行改進(jìn)，并對其進(jìn)行布置及控制方案的設(shè)計(jì)，使其能夠適用于氣壓制動的汽車上。另外，本文還針對影響氣動 ABS 的因素做了簡單的分析，確保本系統(tǒng)可以在各種工作環(huán)境下安全的使用。當(dāng)然，本系統(tǒng)控制僅是作者的一個簡單的方案，還有很多不足有待改正，希望老師、同學(xué)、朋友多多幫助。氣動 ABS 是提高汽車制動安全性能的關(guān)鍵系統(tǒng)，它構(gòu)成了目前汽車主動安全系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)，在今后很長的一段時間內(nèi)，氣動 ABS 仍將在汽車上發(fā)揮不可替代的作用。但是，在當(dāng)今汽車電子技術(shù)突飛猛進(jìn)的時代，氣動要想單獨(dú)發(fā)展已經(jīng)是不可能的事情，汽車控制系統(tǒng)將成為一個系統(tǒng)性的大工程，電子化、聯(lián)合化、協(xié)調(diào)化發(fā)展將是氣動ABS 唯一的出路?？梢钥隙?，今后氣動 ABS 的效果會不斷提升，結(jié)構(gòu)體積會不斷減小，功能會不斷完善。它將會和 TCS、ASR 、ESP、電子懸架等電子系統(tǒng)協(xié)調(diào)匹配，汽車變得更加安全、舒適和節(jié)能。參考文獻(xiàn)19參考文獻(xiàn)[1] D.otte,eral.”Accidents with involvement of commercial vehicle-The influence of automatic antilock systems”,WABCO Wesringhouse Fahrzeugbremse GmbH,Oktober 1984[2] Bakker E，Nyborg L，Pacejka H．B．Tyre 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謝本課題在選題及寫作過程中得到了指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)。經(jīng)指導(dǎo)老師多次討論研究，并為我指點(diǎn)迷津，幫助我開拓研究思路，精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵。指導(dǎo)老師一絲不茍的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度，踏踏實(shí)實(shí)的精神，不僅授我以文，而且教我做人，雖歷時四載，卻給以終生受益無窮之道。對指導(dǎo)老師的感激之情是無法用言語表達(dá)的。同時，還要感謝院系各位老師，感謝他們對我的幫助和指點(diǎn)。這對于我完成畢業(yè)設(shè)計(jì)起到了很大的作用。在此，我要向諸位老師深深地鞠上一躬。感謝我同班的每一位同學(xué)，感謝他們四年來對我學(xué)習(xí)、生活的關(guān)心和幫助。在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！附錄22