引言加工作原理+制动距离1+缸压+轴力.doc

1. 引言
1.1课题研究的背景
汽车防抱死制动系统（anti-lock braking system)简称ABS是国家十五规划中重点发展的汽车电子产品，它主要的作用就是在汽车紧急制动时，防止车轮抱死，提高汽车制动的稳定性和方向的可控性，缩短制动距离，延长轮胎的使用寿命
国内研究ABS虽然起步晚较晚，也取得了一定的成果。比如在ABS的气压方面，国内企业已经取得了一定的发展规模。而液压ABS，由于技术难度大，国外技术封锁严密，国内企业暂时还不能独立的生产，但在液压ABS方面我们也在不断努力的做自主研究，力图突破国外跨国公司的技术壁垒，而却也取得了一定的新的进展和突破。如清华大学和浙江亚太等承担的汽车液压防抱死制动系统（ABS)“九五”国家科技攻关课题，在ABS控制理论与方法、电子控制单元、液压控制单元、开发装置和匹配方法等关键技术方面均取得了重大成果。采用的耗散功理论，避免了传统的逻辑门限值得研究方法的局限性，取得了理论上的突破，研发ABS成功进入产业化，批量生产阶段。其式样在南京IVECO轻型客车上匹配使用全面达到了国家标准（GB12676-1999)和欧洲法规EECR13的要求。这对振兴我国汽车工业与汽车零部件业具有划时代的意义，这标志着我国汽车液压ABS国产化已经迈出了坚实的一步。国内液压ABS技术含量与国外虽有一定的差距，但在政府的大力支持和国内丰富的人力资源配合下，相信国内可以再较短的时间内在ABS技术某些领域赶超国际水平。
在国外，进入90年代后，ABS不断发展成熟，控制精度，控制功能不断完善。现在发达国家已广泛使用ABS技术，ABS装置已成为汽车的必要装备。北美和西欧的各类客车和轻型货车ABS的装备率已达90%以上，轿车的ABS装备率在60%左右，运送危险品的货车ABS装备为100%。ABS装置制造商主要有：德国博世公司（BOSCH),欧、美、日、韩国采用最多：美国德科公司（DELCO),美国通用及韩国大宇汽车采用：美国本迪克斯公司（BENELX),美国克莱斯勒汽车使用：还有德国载维斯公司（TEVES)、德国瓦布科（WABCO)、美国凯尔西海斯公司（KELSEYHAYES)等，这些公司的ABS产品都在广泛的应用，而且还不断地发展、更新和换代。
1.2课题研究的意义
一方面：传统的制动控制系统主要的控制特点是能均匀地分配油液压力，当制动踏板踏下时，制动主缸就将等量的油液送回到每个制动器的制动轮缸中，并通过一个比率阀使前后平衡，而ABS或其他制动干预系统则根据每个制动器的需要对油液压力进行调节，目前ABS系统已经发展成为一个成熟的产品，并在各种车辆上得到了广泛的应用，但是这些产品基本都是基于车轮加、减速门限及参考滑移率的方法设计的，方法虽然简单实用，但是其调试起来比较困难，不同的车辆需要不同的匹配技术，在许多不同的道路上加以验证。
制动控制系统的重要问题在于控制的稳定性，即系统的鲁棒性（robustness),应保证在各种情况下制动系统的控制作用不消失，防抱死系统要求更高的可靠行，否则会导致人身伤亡及车辆损坏。因此，发展鲁棒性的ABS系统成为关键所在。现在，多种鲁棒性系统都应用到了ABS的控制逻辑中来，除了传统的逻辑门限方法外，增益调度PID控制、变结构控制和模糊结构控制是常用的鲁棒控制系统，是目前所采用的以滑移率为目标的连续控制系统。模糊控制法师基于经验规则的控制，与系统的模型无关具有很好的鲁棒性和控制规则的灵活性，但是调整控制参数比较困难，尚无理论计算公式，基本上是靠试凑的方法，然而对大多数基于目标值的控制而言，控制有一定的规律。
车轮的驱动打滑与制动防抱死是很类似的问题，在汽车启动或加速时，因驱动力过大而使驱动轮高速旋转，超过摩擦极限而引起打滑，此时，车轮同样不具有足够的侧力来维持保持车辆的稳定，车轮切向力也减小，影响加速性能，由此看出，防止车轮打滑与抱死都是要控制汽车的滑移率，所以在ABS的基础上发展了驱动防滑系统（ASR),ASR 是ABS的逻辑和功能扩展，ABS在增加了ASR的功能后，主要的变化是在电子控制单元中增加了驱动防滑逻辑系统，来检测驱动轮的转速，ASR大多借用了ABS的硬件，两者共存一体，发展为ABS/ASR系统。
另一方面：目前几乎所有的的文件、论文、杂志、报刊等，关于汽车防抱死制动系统的研究，不外乎两种情况。一：对ABS进行全面的分析解说，包括物理、化学、数学、计算机等。二：对ABS中涉及物理的某一方面进行详细的解说。为了让读者更好地了解ABS所涉及的物理知识，本文将从多方面进行有关汽车防抱死制动系统中的物理应用分析。
2.汽车防抱死制动系统作的工作原理
2.1理想的制动系统
汽车的实际车速与车轮滚动的圆周速度之间的差异称作车轮的滑移率。滑移率的定义式为

式中：-车轮中心的速度 -车轮的角速度 r-车轮的滚动半径

滑移率（%）
图1 附着系数随滑移率变化曲线
不制动时，车轮作纯滚动，，这时候滑移率;当车轮抱死时，滑移率。轮胎与路面的附着系数在制动过程中实际上是个变量，如图1所示为横向和纵向的附着系数随着滑移率的变化曲线。从图1中我们可以看出滑移率时，纵向的附着系数较小，地面制动力也不是最大，所以制动距离不是最短，而且此时的侧向附着系数基本为零，能承受的侧向力为零。汽车此时很容易发生甩尾、掉头、以及失去前轮转向能力等危险现象。理想的制动系统应能防止车轮被抱死，能自动保持滑移率在之间内工作，能够利用最大的附着系数来获得最大的地面制动力和最短的制动距离。同时还要有较高的侧向附着系数，可以承受较大的侧向力而不导致侧滑，并可以保持汽车方向的制动能力，具有良好的制动方向稳定性。
2.2 ABS系统的工作过程
ABS主要由传感器、ECU和执行器三部分组成，其功能见图1。汽车在制动过程，如果出现抱死会造成很严重的后果。为了避免这种情况的发生，我们可以 尽量把滑移率控制在之间。因为这时候车轮与路面间的纵向附着系数最大，可以获得最大的地面制动力，能最大地缩短制动距离。同时车轮与地面间横向附着系数也较大，使汽车在制动时能够较好地保持方向的稳定性和转向控制力。
汽车在制动过程中，ABS自动调节车轮制动力，将滑移率控制在之间，防止车轮抱死，以获得最佳的制动性能。ECU接受轮速传感器等输入信号，分析判断后输出控制命令，控制制动压力调节器来进行压力的调节，实现增压、减压以及保压的控制过程。
2.2.1常规的制动过程
如图1，电磁阀不通电，衔铁在图示位置，主缸和轮缸之间管路相通，主缸可以随时控制制动压力的增加和减少。此时的液压泵不工作。

图1常规的制动过程
其中： 1-主缸2、5、11-单向阀3-液压泵和电动机总成
4-ECU 6-储液器7-前轮轮速传感器8-轮缸
9-回位弹簧10-磁化线圈12-三位电磁定位阀
2.2.2减压过程
如图2，当ECU对电磁阀提供比较大的电流时，柱塞移至上端，主缸和轮缸之间的通道被切断。这时候轮缸和储液器之间的通路被接通，轮缸力的制动液流回储液器，这时制动压力降低。以此同时，电动机带动液压泵工作，将流回储液器里的制动液经加压后送回主缸中。

图2减压过程
2.2.3保压过程
如图3，当轮缸中的制动管路压力降低（或在升压的过程中压力升高），使车速达到预定值时，这时车速传感器就会给ECU发送相应的信号，接到信号后的ECU就会控制磁化线圈通入较小的电流，相应的磁化线圈产生的磁力也会相应的减小，这时三相电磁换向阀的阀芯在回位弹簧的作用下移至中心位置。B孔和C孔都关闭，同时单向阀也都关闭，所以轮缸中的制动液被封闭，压力得以保持。

图3保压过程
2.2.4增压过程
如图4，只有当轮缸中的制动液压力升高时，才能产生更大的制动力，从而使车速尽快地降低。这时ECU使磁化线圈断电，三位电磁换向阀被回位弹簧拉下，主缸中的制动液经B孔和A孔流入轮缸当中，从而使轮缸中的制动液压力升高，制动力增大。

图4增压过程
当制动力增大到一定程度时，车轮有会出现即将抱死的状态，这时候又需要对轮缸进行降压，从而开始下一个降压-保压-升压的循环。防抱死制动系统装置室一个以脉冲的形式（脉冲频率为4HZ到10HZ)对制动压力进行调节，原则是始终把车轮的滑移率控制在之间的范围内，防止轮胎抱死、脱滑，最大限度地保证了汽车制动时的稳定性，缩短了制动距离。
3. 汽车防抱死制动系统的物理应用分析
3.1 ABS液压系统研究分析
目前ABS技术已日趋成熟，但ABS实时模型的建立确实限制ABS技术突破的一大难题，本节将从汽车液压制动系统入手，建立ABS实时控制模型为ABS的进一步研究以及控制系统的实施提供一定的参考。
3.1.1线性定常系统的数学模型
线性化：自动控制元件与系统的运动方程常常是非线性的，而用非线性微分方程研究系统的运动规律很困难，故尽量对所研究的系统进行线性化处理，然后再用线性理论进行分析。常用的线性化方法称为小偏差线性化法。小偏差线性化法是将一非线性函数，在其工作点展成台劳级数，再略去高阶项，以代替原来的非线性函数的线性化方法。对于有一个自变量的非线性函数的小偏差线性化增量方程为：

对多变量的非线性函数的小偏差线性化增量方程为：

利用线性化理论可以建立液压机构的微分方程，下面我将用这种方法对ABS系统的理论模型进行分析
3.1.2驱动机构模型的建立
根据流体力学，进入制动钢轮的流量为Q(如图1所示）

图1车轮制动系统示意图
①
其中：—阀的流量系数；A—控制阀过流面积；—油源压力；P为制动缸压力；—为油液密度，制动开始时（不考虑油液的可压缩性），由流量连续方程可求得活塞的运动速度为：
②
—油缸作用面积，设制动器的间隙为,则消除间隙所需要的时间为，即制动器响应滞后时间。
③
消除制动间隙后，进入制动钢轮的油液会呈现三种状态：增压、保压、减压。
A:增压变化规律
④
—油缸及管路容积：—油液的体积弹性模量，将①式带入④式得：
⑤
B:减压变化规律；在减压过程中，由制动缸排出的油液为：

-回油压力： ⑥
油缸压力下降变化率为：
⑦
C：保压时的变化规律：
⑧
将三种状态按统一公示描述，并进行线性化处理，有
1 增压

，=-1 减压 ⑨
0 保压

-阀的线性化系数（仅与状态有关与时间无关，故用常量描述），由油压的变化引起的车轮上制动力的变化为：
⑩
-是与制动器的结构参数和线性化系数有关的常数。
3.1.3车轮的制动模型
采用单轮车辆系统模型，忽略空气阻力和车轮滚动阻力，其运动方程如下：
车辆运动方程： ①
车轮运动方程： ②
车轮纵向摩擦力：F= ③
制动力矩： ④
M-车的质量：V-车的速度：F-车轮摩擦力：I-车轮转动惯量：R-车轮滚动半径
-车轮角速度:-车轮与地面的附着系数：N-车轮对地面法向反力：-制动力
用双线性模型对附着系数—滑移率曲线（即曲线，如图2.1中的图1所示）进行简化其表达式为：
⑤
⑥
⑧-峰值系数。根据汽车理论，有滑移率定义式为：
⑦
利用分段线性化，将车轮动力与系统分为稳定区域（)与不稳定区域()进行解析分析：
（1） 在区域，令曲线近似斜率为：
⑧
将③，④，⑤，⑦，⑧带入②中，可得出关于车轮的运动方程：
⑨
对⑨式求导得：
⑩
对⑩式做拉氏变换，用拉氏变换算子s替换上式中的得：
⑪
所传递的函数为：,显然特征根,则这一特征系统，在收到干扰的情况下，系统能自动回复到平衡状态。
（2） 同理，时，令,经代换得出车轮运动方程：
⑫
对⑫式取拉氏变换，得出系统传递函数：
⑬
该传递函数特征根系统不稳定。
3.1.4结论
汽车制动时，如果ABS控制器通过对三通阀电磁线圈电流（或电压）的控制能使车轮的滑移率始终处于范围内（一般取在15%-25%),则系统处于稳定状态，其传递函数为：
1 增压
,= 0 保压

-1 减压
3.2安全距离的研究分析
车辆在正常行驶时使用各种传感器不断给驾驶员传递各种环境信息，如道路状况、交通状况、车辆的运行情况。在故障面前，检验与前方车辆或障碍物的距离，必要时还要实现自动智能，以主动避免各种撞击，主动安全性是目前车辆最重要的研究领域之一，而安全距离的研究和计算是评价车辆安全性的重要方面。
3.2.1车辆制动过程的动力学模型
以四轮车为例，忽略悬架系统的动力学和空气阻尼的影响，现在以一个轮的制动情况来分析车轮的动力学方程得

①
式中：M为车轮承载的质量：mg为车轮一与路面间的摩擦力：为车轮与路面间的纵向摩擦系数：为车轮与路面间的滑移率：
②
J、、R分别为车轮的转动惯量、角速度、半径：V为汽车的的速度：为施加在车轮上的制动力矩,,k为比率系数，F为制动力。

t

F

当制动时，是车轮逐渐减速，直至停车。在制动过车中车轮与路面即存在
t

F

滚动，有存在滑动，有式（2）可见，时，而,即车轮因制动力矩过大而抱死，，车轮相对地面做纯滑动使车辆失控，当车速等于车辆滚动速度时，即,不存在车辆与路面的滑动，这是车辆在正常行驶时的情况，要使车辆尽快在尽可能短的距离内刹住，主要依赖于车辆与路面间的相对滑动时
t

F

产生的摩擦力，当时纵向摩擦系数最大（见图2（a)),尽管随路面条件不同有很大的差异，但最大值均发生在处，图2（b)示出当时侧向摩擦系数仍有较大值，保证车辆部出现侧滑失控现象。所以，在各种不同的条件下保持是具有ABS性能的车辆智能控制系统的主要技术要求。

图1制动力的变化

(b))
(a))

图2摩擦系数与化率曲线的关系

当车辆智能制动系统发出自动制动信号，根据经验设制动过程中制动力的变化如图1所示其中味单面机发出自动制动的启动命令后制动器开始动作的延时时间（通常在0.2s至0.5s之间），为制动力F有0增至所需时间（通常小于0.1s，为持续制动时间，这段时间认为车辆的减速度保持不变，对应，为持续制动力。期间，保持，由①式和②式推得最大减速度为：
③
又最大摩擦力为：
带入式①有
所以 ④
将式④带入③式得： ⑤
3.2.2车辆行驶最小安全距离的确定
当车辆进行中发现前方有障碍物，于是在最小安全距离处，车辆智能制动系统自动启动制动器，制动过程分两种情况考虑，第一前方障碍物匀速运动，第二前方障碍变速运动。
（1） 前方障碍匀速运动：
整个制动过程中车辆相对障碍物行驶过的距离包括两部分，即时间段车辆行驶的相对距离和时间段车辆行驶的相对距离,由于较小，忽略其影响，则时间段 车辆行驶的相对距离为：
⑥
为制动开始时车辆相对前方车辆或障碍物行驶的相对速度，：为制动开始时车辆行驶时的绝对速度：为制动开始时障碍物运动的绝对速度，当时，车辆与障碍物同向运动，当时，车辆与障碍物反向运动。而时间段车辆行驶的相对距离为：

为制动结束时车辆行驶的绝对速度，那么持续制动时间为：
⑦
又因为，所以：
⑧
车辆进行中启动智能制动的最小安全距离(车辆与前方障碍物的距离）为：

将④式带入得：
⑨
D为安全余量，即车辆停止制动后与障碍物之间的距离，由对安全余量的要求和计算误差等决定，D通过键盘输入，当前方障碍物停止时，，车停止制动停下后，，此时启动智能制动的最小安全距离为：
⑩
当前方车辆同向行驶，且前方车辆的行驶速度比该车辆的绝对行驶速度慢时，在最小安全距离开始制动，制动后只要使，就可避免碰撞，此时的D为两车之间保持的安全余量。
（2) 前方障碍物变速运动
设制动开始到自动过程的任意时刻为t,前方障碍物的速度变化量为v(t),根据⑨式，则车辆进行中启动智能制动的最小安全距离(车辆与前方障碍物的相对距离）为：
⑪
当v(t)>0时，障碍物做加速运动，当v(t)<0时,障碍物做减速运动。
智能制动系统通过传感器测的本车的行驶的绝对速度，以及本车与前方车辆之间的相对速度。就可得到前方车辆的运行情况，是加速行驶或减速行驶，设制动开始前和时刻的两次相邻采样得到的本车行驶的绝对速度为和，本车与前方车辆之间的相对速度为和，采样间隔为T,于是智能制动系统启动前，前方车辆或障碍物行驶的加速度为：

和为开始制动前。前方车辆对应两次相邻采样时刻行驶的绝对速度，认为智能制动系统制动过程中前方车辆均以在加速行驶，由⑪分析得知，当,前方车辆加速行驶，将使智能制动系统的最小安全距离增加，增加或减小的量如下计算：
⑫
t为制动时间，，由制动系统的机械性决定，如图1，由式⑦确定，考虑最安全情况，制动结束时，取本车的决对速度，由式⑦和式④得，但实际制动过程中的大小可根据实际情况具体控制。
由式⑪分析还可以看出临界制动车距,由制动前车辆行驶速度，制动开始时车辆相对障碍物行驶的相对速度，制动器的机械性能（），滑移率保持在20%时不同路况情况的摩擦系数，制动过程中前方障碍物的速度变化量v(t)等决定，对于不同的车型这些参数有些存于内存中，有些由键盘设定，例如，不同路况的摩擦系数存于内存，路况情况（干路面、湿路面、冰路面）由司机在键盘上选择，车辆智能制动系统在时报警（，t为司机反映时间，一般小于3秒），提醒司机采取防卫措施，如果司机未能及时做出反映，当时，自动制动部分投入工作。
3.3.ABS汽车制动前后轴的受力分析
当紧急制动时会出现3种情况及所产生的3种状况:前轮先抱死拖滑，然后后轮抱死拖滑，但在制动时汽车失去转向能力。后轮先抱死拖滑，然后前轮抱死拖滑，这种状况后轴容易产生侧滑。前、后轮同时抱死拖滑可以避免后轴侧滑，同时前转向轮只有在最大制动强度下才使汽车失去转向能力所以，前后制动器制动力分配的比例将影响汽车制动的性能，而且也是汽车防抱死制动系统(ABS）的理论基础之一。而装有ABS的汽车制动时的前、后轴的受力分析就是其研究的基础。
3.3.1制动时车轮受力分析
汽车要想从一定速度制动到较小车速或直到停车，就必须受到与行驶方向相反的外力，这个外力只能由空气和地面提供，但是空气阻力较小，所以外力主要还是由地面提供。与轮胎接触的地面给相应车轮提供了地面制动力。但是地面制动力取决于两个摩擦力，一个是制动器内制动蹄摩擦片与制动鼓间的摩擦力——制动器的制动力，另一个是轮胎与路面之间的摩擦力——附着力（地面制动力）。
►
▼
v

G
O
M
W

图1

图1为车轮在制动时的受力情况示意图，地面制动力确定如下：
（1）
式（1）中：地面制动力（N):M为制动摩擦力矩（NM)，制动器制动力相当于将汽车架离路面，并踩住制动踏板，在轮胎周边沿切线的方向推动车轮直到它能转动所需要的力，具体可以由（2）式确定：
（2）
其中：制动器制动力(N),当制动踏板制动力比较小的时候，制动器摩擦力矩不大，路面与车轮胎间的摩擦力——地面制动力足以克服制动器就等于制动器动力，而且随踏板力的增大而增大，但是地面制动力是滑动摩擦的约束反力，它的值不能超过附着力，即：
（3)
其中：为地面附着力（N):G为车轮上的垂直载荷：为地面附着系数（路面附着力与垂直载荷之比）。
汽车地面制动力首先取决于制动器制动力，但同时受地面附着条件的限制，当路面能提供足够高的附着力时，才能获得足够高的地面制动力。