本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè)1 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)概述1.1 ABS 的功能 汽車 ABS 在高速制動(dòng)時(shí)用來(lái)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(dòng)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱 ABS。凡駕駛過(guò)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(dòng)時(shí)，汽車輕者會(huì)發(fā)生側(cè)滑，嚴(yán)重時(shí)會(huì)掉頭、甩尾，甚至產(chǎn)生劇烈旋轉(zhuǎn)。制動(dòng)力過(guò)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(duì)面車道，即使不是彎道也無(wú)法躲避障礙物，產(chǎn)生這些危險(xiǎn)狀況的原因在于汽車的車輪在制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生抱死現(xiàn)象，此時(shí)，車輪相對(duì)于路面的運(yùn)動(dòng)不再是滾動(dòng)，而是滑動(dòng)，路面作用在輪胎上的側(cè)滑摩擦力和縱向制動(dòng)力變得很小，路面越滑，車輪越容易?？傊囍苿?dòng)時(shí)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(dòng)效率下降，延長(zhǎng)了制動(dòng)距離；輪胎過(guò)度磨損，產(chǎn)生“小平面” ，甚至爆胎。ABS 防抱死制動(dòng)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(dòng)穩(wěn)定性，防止方向失控、側(cè)滑和甩尾；提高制動(dòng)效率，縮短制動(dòng)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(gè)車輪的輪速信號(hào)、剎車信號(hào)，個(gè)別車型還有減速度信號(hào)、手剎車或車油面信號(hào)。ABS 的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是增加了汽車制動(dòng)時(shí)候的穩(wěn)定性。汽車制動(dòng)時(shí)，四個(gè)輪子上的制動(dòng)力是不一樣的，如果汽車的前輪抱死，駕駛員就無(wú)法控制汽車的行駛方向，這是非常危險(xiǎn)的；倘若汽車的后輪先抱死，則會(huì)出現(xiàn)側(cè)滑、甩尾，甚至使汽車整個(gè)掉頭等嚴(yán)重事故。ABS 可以防止四個(gè)輪子制動(dòng)時(shí)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是能縮短制動(dòng)距離。這是因?yàn)樵谕瑯泳o急制動(dòng)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(dòng)力的結(jié)果。ABS 的第三個(gè)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(huì)造成輪胎小平面磨損，輪胎面損耗會(huì)不均勻，使輪胎磨損消耗費(fèi)增加，嚴(yán)重時(shí)將無(wú)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(dòng)系統(tǒng)的使用幾乎沒(méi)有區(qū)別，緊急制動(dòng)時(shí)只有把腳用力踏在制動(dòng)踏板上，ABS 就會(huì)根據(jù)情況進(jìn)入工作本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè)狀態(tài)，即使雨雪路滑，ABS 也會(huì)使制動(dòng)狀態(tài)保持在最佳點(diǎn)。ABS 利用電腦控制車輪制動(dòng)力，可以充分發(fā)揮制動(dòng)器的效能，提高制動(dòng)減速度和縮短制動(dòng)距離，并能有效地提高車輛制動(dòng)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(guó)內(nèi)外中高級(jí)轎和客車上得到了廣泛使用。1.2 防抱死制動(dòng)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(dòng)時(shí)如果制動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大，車輪就會(huì)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(huì)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(dòng)。1908 年英國(guó)工程師 J. E. Francis 提出了“鐵路車輛車輪抱死滑動(dòng)控制器”理論，但卻無(wú)法將它實(shí)用化。接下來(lái)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(cè)》中寫到：“到現(xiàn)在為止，任何通過(guò)機(jī)械裝置防止車輪抱死危險(xiǎn)的嘗試皆尚未成功，當(dāng)這項(xiàng)裝置成功的那一天，即是交通安全史上的一個(gè)重要里程碑” ，可惜該書的作者恐怕沒(méi)想到這一天竟還要再等 30 年之久。當(dāng)時(shí)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(shí)監(jiān)測(cè)輪胎速度變化量并立即通過(guò)液壓系統(tǒng)調(diào)整剎車壓力大小，在那個(gè)沒(méi)有集成電路與計(jì)算機(jī)的年代，沒(méi)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(shí)，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(guó)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(qǐng)“機(jī)動(dòng)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(jì)劃，最后有了“通過(guò)電子裝置控制來(lái)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(guò)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(guò) 1000 個(gè)，不但成本過(guò)高也很容易發(fā)生故障。1973 年 Bosch 公司購(gòu)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(jì)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(jì)，不但控制單元內(nèi)組件數(shù)目從1000 個(gè)銳減到 140 個(gè)，而且有造價(jià)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(jì) 第 3 頁(yè)三大優(yōu)勢(shì)。兩家德國(guó)車廠奔馳與寶馬于 1978 年底決定將 ABS 2 這項(xiàng)高科技系統(tǒng)裝置在 S 級(jí)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(guò)于高昂而無(wú)法開拓市場(chǎng)。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(zhǎng)到 76000 套。受到市場(chǎng)上的正面響應(yīng)，Bosch 開始 TCS 循跡控制系統(tǒng)的研發(fā)計(jì)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(gè)。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(guò)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(dòng)系統(tǒng)1.3 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)（1）ABS 本身控制技術(shù)的提高現(xiàn)代制動(dòng)防抱死裝置多是電子計(jì)算機(jī)控制，這也反映了現(xiàn)代汽車制動(dòng)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(wèn)題。隨著體積更小、價(jià)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(dòng)控制系統(tǒng) BBW (Brake-By-Wire)是未來(lái)制動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。它不同于傳統(tǒng)的制動(dòng)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(dòng)反應(yīng)時(shí)間，維護(hù)簡(jiǎn)單，易于改進(jìn)，為未來(lái)的車輛智能控制提供條件。但是，它還有不少問(wèn)題需要解決，如驅(qū)動(dòng)能源問(wèn)題，控制系統(tǒng)失效處理，抗干擾處理等。目前電制動(dòng)系統(tǒng)首先用在混合動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)車輛本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè)上，采用液壓制動(dòng)和電制動(dòng)兩種制動(dòng)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(dòng)時(shí)防止車輪打滑，使車輪獲得最大限度的驅(qū)動(dòng)力，并具有行駛穩(wěn)定性，減少輪胎磨損和發(fā)動(dòng)機(jī)的功耗，增加有效的驅(qū)動(dòng)牽引力。防滑控制系統(tǒng)包括兩部分:制動(dòng)防滑與發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力控制。制動(dòng)部分是當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪 (后輪)在低附著系數(shù)路面工作時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)力過(guò)大，則產(chǎn)生打滑，當(dāng) ASR 制動(dòng)部分工作時(shí)，通過(guò)傳感器將非驅(qū)動(dòng)輪及驅(qū)動(dòng)輪的輪速信號(hào)采集到控制器 中，控制器根據(jù)輪速信號(hào)計(jì)算出驅(qū)動(dòng)車輪滑移率及車輪減、加速度，當(dāng)滑移率或減、加速度超過(guò)某一設(shè)定閥值時(shí)，則控制器打開開關(guān)閥，氣壓由儲(chǔ)氣筒直接進(jìn)入 制動(dòng)氣室進(jìn)行制動(dòng)，由于三通單向閥的作用氣壓只能進(jìn)入打滑驅(qū)動(dòng)輪的制動(dòng)氣 室，在低附著系數(shù)路面上制動(dòng)時(shí)，輪速對(duì)壓力十分敏感，壓力稍稍過(guò)大，車輪就會(huì)抱死。為此利用 ABS 電磁閥對(duì)制動(dòng)壓力進(jìn)行精細(xì)的調(diào)節(jié)，即用小步長(zhǎng)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(dòng)力，也可保持行駛的穩(wěn)定性。（3）電子控制制動(dòng)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(dòng)相容性問(wèn)題等。為改善這些，出現(xiàn)了電子制動(dòng)控制系統(tǒng)EBS (Electronics Break System)它是將氣壓傳動(dòng)改為電線傳動(dòng)，縮短了制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間。最重要的特點(diǎn)是各個(gè)車輪上制動(dòng)力可以獨(dú)立控制?？刂茝?qiáng)度則由司機(jī)踏板位移信號(hào)的大小來(lái)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(gè)控制回路，來(lái)實(shí)現(xiàn)各種控制功能，如制動(dòng)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(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)車輛動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng) VDC (Vehicle Dynamics Control)是在 ABS 的基礎(chǔ)上通過(guò)測(cè)量方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度和側(cè)向加速度對(duì)車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行控制。VDC 系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)向角、油門、制動(dòng)壓力，通過(guò)觀測(cè)器決定出車輛應(yīng)具有的名義運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)由輪速、橫擺角速度和側(cè)向加速度傳感器測(cè)出車輛的實(shí)際運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)狀態(tài)處于危險(xiǎn)狀態(tài)下自動(dòng)進(jìn)行控制。其主要作用就是通過(guò)控制車輛的橫向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使車輛處于穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)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(gè)系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和資源信息實(shí)時(shí)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(cè)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(jì) 第 5 頁(yè)1.4 國(guó)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(guó) 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(dòng)有限公司和山東重汽集團(tuán)等。具有代表性的有以下幾個(gè)。清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)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(tái)、汽車彈射式碰撞試驗(yàn)臺(tái)及翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)、模擬人及標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)、Kodak 高速圖像運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)、電液振動(dòng)臺(tái)、直流電力測(cè)功機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)排放分析儀、發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)開發(fā)裝置及工況模擬器、計(jì)算機(jī)工作站及 ADAMS、IDEAS 軟件、非接觸式速度儀、噪聲測(cè)試系統(tǒng)、轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)、電動(dòng)車蓄電池試驗(yàn)臺(tái)、電機(jī)及其控制系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)等。該實(shí)驗(yàn)室針對(duì) ABS 做了多方面的研究,其中,在 ABS 控制量、輪速信號(hào)抗干擾處理、輪速信號(hào)異點(diǎn)剔除、防抱死電磁閥動(dòng)作響應(yīng)研究等方面的研究處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。吉林大學(xué)汽車動(dòng)態(tài)模擬國(guó)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(dòng)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(dòng)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(jì)計(jì)算的研究,在 ABS 技術(shù)方面有獨(dú)到之處,能夠建立制動(dòng)壓力函數(shù),通過(guò)車輪地面制動(dòng)力和整車動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算出汽車制動(dòng)的平均減速度和車速;還可以通過(guò)輪缸等效壓力函數(shù)計(jì)算防抱死制動(dòng)時(shí)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(duì)ABS 控制算法研究頗深,著有《汽車防抱死制動(dòng)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(guó)內(nèi) ABS 開發(fā)人員的必備資料之一。另外,他們?cè)诨?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(dòng)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(dòng)電子式單通道、JN144FB 氣制動(dòng)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(gè)品種,其 ABS 產(chǎn)品已通過(guò)國(guó)家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心和國(guó)家客車質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心的認(rèn)定,獲得國(guó)家實(shí)用新技術(shù)專利,并正式被列為國(guó)家火炬項(xiàng)目計(jì)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(guò)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(jì) 第 6 頁(yè)鑒定,認(rèn)為該項(xiàng)技術(shù)已達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。山東重汽集團(tuán)引進(jìn)國(guó)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(dòng) FKX - ACI 型 ABS 裝置已通過(guò)國(guó)家級(jí)技術(shù)鑒定,但各種制動(dòng)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(dòng) ABS 由于資源價(jià)格和性能上的優(yōu)勢(shì),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(huì)越來(lái)越短,新品種新牌號(hào)的推出也將越來(lái)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(hào)輸入回路、輸出驅(qū)動(dòng)回路、電源部分及故障診斷等硬件電路設(shè)計(jì)，對(duì)輪速傳感器、電磁閥等的故障檢測(cè)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè)2．防抱死制動(dòng)系統(tǒng)基本原理2.1 制動(dòng)時(shí)汽車的運(yùn)動(dòng)2.1.1 制動(dòng)時(shí)汽車受力分析汽車在制動(dòng)的過(guò)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(duì)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(shí)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(gè)車輪上的地面制動(dòng)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(dòng)力的總和作為地面給汽車的總的地面制動(dòng)力，他是使汽車在制動(dòng)時(shí)減速并停止的主要作用力。Fy 為地面作用在每個(gè)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(shí)，側(cè)滑摩擦力將變得很小，幾乎為零。汽車直線制動(dòng)時(shí)，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(lái)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(dòng)時(shí)的平面受力簡(jiǎn)圖所示。若汽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)制動(dòng)或在制動(dòng)時(shí)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(dòng)力決定制動(dòng)距離的長(zhǎng)短，側(cè)滑摩擦力則決定了汽車制動(dòng)時(shí)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?dòng)，能夠有效地使汽車停下。制動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大，是汽本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè)車發(fā)生各種危險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)狀況的主要原因。因此，汽車行駛時(shí)，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(dòng)操作，必須時(shí)常注意不能讓車輪完全抱死。2.1.2 車輪抱死時(shí)汽車運(yùn)動(dòng)情況車輪抱死時(shí)汽車所受到的側(cè)滑摩擦力將會(huì)變的很小，這將使汽車制動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)出現(xiàn)一些危險(xiǎn)的運(yùn)動(dòng)情況。對(duì) ABS 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，就是要防止這些危險(xiǎn)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(dòng)兩方面簡(jiǎn)單討論一下當(dāng)車輪抱死時(shí)汽車的運(yùn)動(dòng)情況。（1）汽車在一種路面上直線運(yùn)動(dòng)制動(dòng)車輪抱死時(shí)可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)情況如圖2-2 所示。圖 2-2 (a)為只有前輪抱死時(shí)，由于前輪的轉(zhuǎn)彎力基本為零，無(wú)法進(jìn)行正常的轉(zhuǎn)向操作。為制動(dòng)時(shí)前輪全部抱死而后輪不抱死汽車的運(yùn)動(dòng)情況示意，當(dāng)前輪抱死時(shí)轉(zhuǎn)彎力為零，駕駛員無(wú)法控制汽車的方向使汽車轉(zhuǎn)向來(lái)避讓前方的障礙物，這時(shí)由于汽車后輪不抱死，所以汽車仍具有側(cè)向力來(lái)維持方向穩(wěn)定性。圖 2-2 (b)為只有后輪抱死時(shí)，后輪的側(cè)向力接近于零，汽車仍具有方向操縱性，但會(huì)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(lái)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(dòng)叫外旋轉(zhuǎn))。圖 2-2 (c)為前后車輪全部抱死時(shí)時(shí)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(dòng)力不相等時(shí)，即使對(duì)汽車施加很小的偏轉(zhuǎn)力矩，汽車就會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則運(yùn)動(dòng)而處于危險(xiǎn)狀態(tài)，在不規(guī)則旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中將制動(dòng)釋放，汽車就會(huì)沿著瞬時(shí)行駛方向急速駛出，這也是很危險(xiǎn)的。（2）汽車在一種路面上轉(zhuǎn)彎制動(dòng)車輪抱死時(shí)可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)情況如圖 2-3所示。所有這些運(yùn)動(dòng)情況若在制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)，都是極其危險(xiǎn)的。從上面對(duì)出現(xiàn)這些危險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)情況的簡(jiǎn)單分析可以看出，制動(dòng)時(shí)車輪抱死導(dǎo)致汽車出現(xiàn)各種危險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)時(shí)出現(xiàn)危險(xiǎn)的運(yùn)動(dòng)情況，就是根據(jù)這個(gè)關(guān)系來(lái)調(diào)整車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以避免側(cè)滑摩擦力為零。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè)圖 2-2 汽車直線制動(dòng)車輪抱死時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況圖2-3 汽車轉(zhuǎn)彎制動(dòng)車輪抱死時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè)2.2滑移率定義通常,汽車在制動(dòng)過(guò)程中存在著兩種阻力:一種阻力是制動(dòng)器摩擦片與制動(dòng)鼓或制動(dòng)盤之間產(chǎn)生的摩擦阻力,這種阻力稱為制動(dòng)系統(tǒng)的阻力,由于它提供制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力,因此也稱為制動(dòng)系制動(dòng)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(dòng)力。地面對(duì)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(duì)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(dòng)系制動(dòng)力小于輪胎- 道路附著力,則汽車制動(dòng)時(shí)會(huì)保持穩(wěn)定狀態(tài),反之,如果制動(dòng)系制動(dòng)力大于輪胎- 道路附著力,則汽車制動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)車輪抱死和滑移。地面制動(dòng)力受地面附著系數(shù)的制約。當(dāng)制動(dòng)器產(chǎn)生的制動(dòng)系制動(dòng)力增大到一定值(大于附著力)時(shí),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(dòng)的圓周速度之間的差異稱為車輪的滑移率?；坡蔛的定義式為:-------------------------------（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(dòng)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(dòng)半徑 r 乘積時(shí),滑移率為零( S = 0) ,車輪為純滾動(dòng);當(dāng) ω = 0 時(shí),S = 100 % ,車輪完全抱死而作純滑動(dòng);當(dāng) 0 S 100 %時(shí),車輪既滾動(dòng)又滑動(dòng)。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(dòng)時(shí),縱向附著系數(shù)為零;當(dāng)滑移率為15 %～30 %時(shí),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(gè)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(shí),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(shí)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(dòng)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(jì) 第 11 頁(yè)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(shì)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(huì)不一本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè)樣，并且對(duì)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(jì)ABS系統(tǒng)控制方法時(shí)，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(dòng)時(shí)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(huì)略有不同，制動(dòng)時(shí)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(dòng)初速度制動(dòng)時(shí)車輪的附著系數(shù)---滑移率關(guān)系曲線不會(huì)有太大變化。總之，對(duì)于在一種路面上制動(dòng)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(dòng)性能的主要因素。實(shí)際上，汽車的制動(dòng)過(guò)程就是車輪和路面之間的一種非線性變化過(guò)程，即車輪附著系數(shù)隨車輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)非線性變化的過(guò)程，所以說(shuō)汽車的制動(dòng)過(guò)程是一種非線性的制動(dòng)過(guò)程。制動(dòng)時(shí)汽車通過(guò)制動(dòng)系統(tǒng)改變車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而改變車輪的滑移率，形成整個(gè)非線性的制動(dòng)過(guò)程。2.4 制動(dòng)時(shí)車輪運(yùn)動(dòng)方程制動(dòng)過(guò)程單輪受力如圖2-6所示。圖 2-6 制動(dòng)過(guò)程車輪受力簡(jiǎn)圖制動(dòng)車輪軸荷與支撐力N平衡，該輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J，半徑r:，軸心平移速度V，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度 ，制動(dòng)器制動(dòng)力矩M，通常與車輪制動(dòng)壓力成正比系數(shù)K, 則有地面制動(dòng)?力 ，緊急制動(dòng)不計(jì)滑動(dòng)阻力。則有bF本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè){????=????ω????=??μ -??????=????-??????-------------(2-4)????=??φ (??)-----------------------(2-5)