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海 南 大 学
本科课程论文（设计）

汽车ABS台架检测技术研究
Research of ABS Highlights Bench Testing Technology

学 院： 机电工程学院
专业年级：
姓 名：
学 号：
指导教师：

2008 年 7 月 1 日

摘 要

本文根据汽车制动防抱死系统ABS的基本原理以及对汽车制动稳定性的影响，重点讲述汽车ABS台架检测技术，对检测基本原理，发展现状，以及检测台架作了基本的描述。通过检测汽车制动时，车轮线速度下降变化曲线形状来确定整个制动防抱死系统（ABS）工作性能是否正常。为更加准确的测量ABS各部件的稳定性与安全性，应进一步开发出更加完善的ABS检测实验台。

关键词：汽车制动防抱死系统（ABS） 检测实验台 方法研究

Abstract

Automobile anti-lock brake system ABS, as well as the basic tenets of vehicle braking stability, ABS highlight bench testing technology, the basic principles of detection, the current state of development Detection bench and a basic description. By detecting vehicle braking, wheel velocity drop curve to determine the shape of the entire anti-lock braking system (ABS) performance of normal. For a more accurate measurement of the various components of the ABS stability and security, should further develop more comprehensive detection experiments of ABS examines the laboratory bench.

Keywords ： Automotive anti-lock braking system (ABS) ； Examines the laboratory bench ； Detection of a test method

1 绪 论
随着汽车技术的飞速发展和人们安全意识的提高，汽车防抱死系统ABS（Anti-Lock Braking System）在汽车上的应用越来越普及。ABS是汽车在任何路面上进行较大制动力刹车时，防止车轮完全抱死的系统，是具有良好制动效果的刹车装置。这种系统利用电子电路自动控制车轮制动力，可以充分发挥制动器的效能，提高制动减速度和缩短制动距离，并能有效的提高车辆制动的稳定性，防止车辆侧滑和甩尾，减少车祸，因此被认为是当前提高汽车行驶安全性的有效措施之一。全面评价ABS的性能主要是依据其性能评价指标，目前对ABS性能评价在国内外尚无统一的标准，作为依据国外汽车ABS的评价方法主要为道路试验法,较权威的是欧洲ECER13法规。我国国家标准GB13594-2003《机动车和挂车防抱制动性能和试验方法》也是参照欧洲ECER13法规制定的。作为对GB12676-1999《汽车制动系统结构、性能和试验方法》的补充，GB13594-2003是目前我国对汽车ABS性能检测的主要技术依据。而用计算机作为控制和分析中枢的ABS检测台架，能快速、准确的检测出汽车防抱死系统实际工作时有关参数变化，对汽车制动防抱死系统的实际工作性能做出准确的分析和判断，为汽车的维护与保养提供可靠的理论依据，为制动防抱死系统提供可靠有效的检测手段及检测设备，进一步实现对现代汽车技术性能全方位检测的目的。
2 ABS基本原理以及对行使稳定性影响
为了更好的了解汽车ABS台架检测技术，首先需了解ABS工作原理以及它对汽车行驶稳定性的影响。
2.1 ABS 基本工作原理
首先，我们先了解滑移率的定义。
滑移率：制动时车轮速度减小，在车速和轮速之间产生一个速度差。车速和车轮之间存在着速度差称为滑移现象。滑移的程度用滑移率表示，即：
滑移率＝［（车速－轮速）／车速］×100%
从上式可以看出，当车速等于车轮边缘线速度时，滑移率为零。汽车制动时，两者速度差别越大，滑移率越大，轮速为零，滑移率达到100％。只有当汽车滑移率保持在8%－25%时，汽车才能取的很好的制动效果。如图1所示。

图1 滑移率与附着系数的关系
当汽车制动时，ABS将起作用，ABS电脑根据所接收的信号向执行机构发出指令，控制各制动轮缸内的制动压力，以使各车轮保持理想的制动状态。
当某一车轮的滑移率过大需要减小制动压力时，ABS电脑接通相应电磁阀的电磁线圈电源，电磁阀在磁力作用下动作，使其到制动主缸的通道关闭，而电磁阀到制动轮缸和储液器的通道接通，这样制动轮缸内的制动液经电磁阀流回储液器，从而减小该车轮上的制动力，防止车轮抱死；同时ABS电脑接通液压泵电动机电源，将储液器内的制动液送到制动主缸。制动液不能经止回阀从制动主缸流向制动轮缸或回流到液压泵，也不能经止回阀从液压泵回流到储液器。此工作过程称为“减压”。
当某一车轮滑移率过小需要增大制动压力时，ABS电脑切断相应电磁阀的电磁线圈电源，液压泵停止工作，电磁阀回到普通制动模式时的工作位置，来自制动主缸的制动液经电磁阀进入制动轮缸，以增大该轮上的制动压力。此工作过程称为“增压”。
当车轮滑移率在控制范围之内时，ABS电脑给相应电磁阀提供一个较小的电流，使电磁阀处于中间位置，电磁阀到制动主缸和储液器的通道均关闭，同时切断液压泵电动机电源使液压泵停止工作，从而使制动轮缸内的制动压力保持现有状态。此工作过程称为“保持”。
2.2 ABS对行使稳定性影响
当只有前轮抱死时，由于前轮的转弯力基本为零，驾驶员无法进行正常的转向操作，汽车运动方向沿着行驶道路的切线方向驶出。
当只有后轮抱死时，后轮的侧向力接近于零，汽车不能保持原来的行驶方向，由于离心力和前轮转向力的作用，汽车将一面旋转一面沿曲线行驶（这种运动叫做外旋转）。
当车轮全部被抱死时，转弯力和侧向力基本为零，汽车完全失去操纵性和方向稳定性，它的运动轨迹兼有前、后轮单独抱死时的两种运动轨迹，即一面作与驾驶无关的不规则运动，一面沿曲线的切线方向滑行。
当有ABS作用时，可防止车轮抱死，使滑移率保持在一定的范围，从而使汽车具有理想的制动效果。如图2所示。
图2　汽车ABS系统的工作特性
2.3 ABS 检测原理
通过对汽车在有无ABS 制动防抱死系统情况下运动时速度变化分析，我们可以清晰的看出，车轮线速度下降曲线形状明显不同，在无ABS 制动防抱死系统的作用时，车轮速度下降较快，无有波动变化形状。而在有在ABS 制动防抱死系统的作用时，车轮速度下降相对较慢，并且有波动变化状况。为此，我们可以通过检测制动时，车轮线速度下降变化曲线形状来确定整个制动防抱死系统（ABS）工作性能是否正常。
3 ABS检测台架模拟
通过前面分析，我们知道通过检测车轮线速度下降曲线的变化可以确定汽车制动防抱死系统（ABS）工作性能是否正常。为了在检测试验台上实现对汽车ABS 工作性能的检测，必须在台架上模拟汽车制动时车轮实际受力以及运动状况。
3.1汽车制动时车轮运动状况分析

图3 汽车制动时车轮受力分析
W ——汽车作用在车轮上的重力；
Fp ——汽车作用在车轮轴上的惯性推力；
r ——车轮半径；
Fz ——地面对车轮的法向支持力；
Fxp ——地面制动摩擦力力；
Tμ ——制动器制动力矩。
从上图可以看出，控制车轮转动变化有两个力矩：阻止车轮转动的制动器制动力矩和地面制动力产生的促使车轮旋转的车轮转矩。为了实现在检测试验台上对汽车ABS 检测，必须在台架上模拟汽车实际制动时控制车轮线速度变化的制动器制动力矩和车轮转矩。
3.2车轮转矩的模拟
汽车制动时，制动器制动力矩和车轮转矩同时作用在车轮上。制动器制动力矩由制动器提供。车轮转矩等于地面制动力与车轮半径的乘积。而地面制动力的大小等于汽车制动时产生惯性力的大小。因此，我们在模拟车轮在运动过程中制动时实际受力，只要在车轮边缘提供一个地面制动力即可以。地面制动力大小等于作用于汽车制动时产生的惯性力大小。由上面的分析可知，模拟实际制动过程中的车轮转矩，只需在车轮边缘施加一个方向与车轮旋转方向相反，大小同汽车惯性力相等的力即可。而为了能够真实检测具有不同转速车轮的线速度变化，只需飞轮具有一定的转动慣量，就可以模拟代替具有一定质量而不同运动速度汽车的能量。
3.3制动力的模拟
采用高速旋转的飞轮，受到汽车制动器制动力矩通过轮胎表面作用在连接装置上制动飞轮时，飞轮产生的惯性力反作用车轮轮胎表面，模拟运动汽车实际制动时，车轮受到地面提供的制动力。

图4 车轮在滚筒上受力分析
Tμ ——制动器制动力矩；
Fz1——飞轮作用在车轮轮胎表面促使车轮旋转的力；
Fz2——车轮作用在飞轮上阻止飞轮旋转的力。
飞轮带动汽车车轮高速旋转，飞轮具有较大的运动能量。当驾驶员踏下制动器踏板，制动器开始对车轮施加制动力，车轮通过轮胎表面作用于飞轮上制动飞轮旋转，由于飞轮旋转时具有较大的运动慣量，所以对车轮轮胎表面产生一个惯性作用力，其大小等于车轮作用于飞轮上的作用力。即：
Fz1 =Fz2
在汽车制动过程中，若只考虑车轮的运动为滚动与抱死拖滑两种状况。
①当制动器踏板力较小时，制动器摩擦力矩不大，地面与轮胎之间的摩擦力即地面制动力，足以克服制动器摩擦力矩而使车轮滚动。显然，车轮滚动时的地面制动力就等于制动器制动力，而地面制动力等于具有一定运动能量的汽车制动时产生的惯性力大小，此惯性力等于具有相同运动能量的飞轮受到制动时产生的惯性力大小，因此旋转飞轮受到车轮制动时产生的惯性力能够真实模拟代替具有相同运动能量汽车车轮制动时地面提供的地面制动力。
制动器制动力等于：Fμ=Tμ/r
式中：
Tμ——制动器制动力矩；
r——车轮半径。
②随着制动器踏板力的不断增加，地面制动力随着制动器制动力的增加而增加，但是地面的制动力Fxp 受到地面与车轮之间的附着系数限制，即：
Fxp≤Fk＝k Fz
式中：
Fk ——地面提供最大附着力；
k ——轮胎与地面间附着系数；
Fz ——地面作用在轮胎上的法向支持力。
当制动器踏板力或制动器制动力增加到某一值，地面制动力Fxp 达到最大地面附着力Fk，车轮出现抱死和滑拖现象。
③继续增加制动器踏板力，制动器制动力继续增加，而地面制动力不再增加。
飞轮与汽车车轮之间的相互间接接触，相互作用。制动车轮时，车轮会将制动器制动力矩传递给飞轮，高速旋转的飞轮会将受制动时产生的惯性力反作用与车轮轮胎外表面，实现模拟汽车制动时，地面作用于车轮轮胎外表面的地面制动力。
以上通过同车轮间接接触的高速旋转的飞轮，实现模拟不同运动速度汽车具有不同运动能量，以及汽车制动时地面提供给车轮的地面制动力，进而模拟汽车制动时控制车轮线速度变化的地面制动力。通过以上方法，实现了在台架上对汽车制动时控制车轮速度变化条件的真实模拟，在台架上对车轮线速度信号变化的采集分析，从而实现在台架上对汽车ABS 的性能进行检测。
4 ABS检测台架基本结构
根据以上原理设计的检测台架现以得到应用，基本结构如下图5所示。

图5 ABS检测实验台基本组成
其设计原理是，通过旋转飞轮及其他旋转部件的运动为汽车提供了与实际制动时等效的车轮转矩。采用粘沙滚筒支撑车轮，由于计算机控制电磁滑差离合器结合程度，为车轮提供不同的制动阻力，以模拟在不同附着系数路面上的制动过程。测速滚筒与车轮紧密接触，测速滚筒装有速度传感器，从而能测出车轮的实际运动线速度。
4.1 ABS检测实验台主要作用及特点
对于此种ABS检测实验台，它可以通过对汽车制动时车轮受力的模拟，有以下几个方面的作用：
①不解体检测汽车ABS是否正常工作

ABS 在汽车运行过程中，由于种种原因，可能出现各种故障，例如：车轮传感器出现故障，制动压力调节器出现故障、自我诊断系统出现故障等等。而自我诊断系统失效，可能一直显示ABS 无有故障而ABS 已经不能正常工作，或者一直显示某一部位出现故障，而ABS 工作正常，这都可以通过此ABS 检测试验台对ABS 是否正常进行准确检测判断。
②对ABS 在各种路面条件下工作性能进行检测
此检测台架可以通过对不同路面的模拟来检测ABS在各种路面条件下的工作性能。而模拟量的改变则通过控制滚筒的转动速度来实现，从而控制滚筒输出扭矩的大小，实现了在不同路面上汽车所受到的最大附着力的改变。
③此实验台架可前后四轮同时检测，可测试出滑移率、附着系数利用率、制动距离等参数，对汽车ABS系统性能作出比较全面的评价。左右轮最大制动力、不平衡率(过程差)、过程差最大差值点制动力、阻滞力、驻车制动力等相关参数都可以通过实验台信号处理系统计算出来。
④实验台自动化程度高，在选定ABS工作性能检测或常规制动性能检测后，系统可在台架控制系统的控制下自动完成测试过程。并具有设备标定、查询和检测信息的统计功能。也可以动态或静态显示、打印制动力过程曲线等功能。
4.2实验台主要检测项目及方法
根据台架上模拟道路行驶制动过程得到的车身速度和各个车轮速度在制动过程中的变化情况以及汽车在减速过程中的时间和距离曲线就可以评价汽车ABS制动系统的性能。汽车在道路上制动时，车身减速度曲线近似一条直线。在汽车ABS制动系统工作正常时，各个车轮速度围绕此直线上下波动，直至汽车速度降低至ABS停止工作为止，如图（二）所示。因此，只要在各种附着系数和起始速度条件下，测试车身速度和各个车轮速度变化以及所需时间及距离，由各瞬时速度量可以进行ABS系统在制动过程中的滑移率、附着系数利用率和制动距离等的评价。以此为依据并参照相关标准，就能够评价汽车ABS制动系统的性能。
4.3信号采集
ABS检测试验台检测原理主要是通过分析车轮线速度的变来确定ABS的性能，因此，车轮线速度信号的采集对整个检测系统的检测性能至关重要。
信号采集内容一般包括以下几个：
（1）ABS反应时间
装用ABS 的汽车制动时，一踏下制动器踏板，ABS 就进入准工作状态。ABS 的反应时间主要由以下几个方面决定：控制器的计算和操作循环的快慢、压力调节器的换向时间和制动系的技术状态。
（2）ABS 速度脉冲信号采样时间
由于脉冲传感器得到的不是连续信号，因此不但要确定采样间隔，而且必须确定采样时间，以计算采样时间内所获得的累计脉冲数。根据Shannon采样定理，采样间隔频率要大于2 倍的循环频率，即ABS 制动压力变化频率。一般的ABS 波动为10～20HZ，则脉冲采样时间间隔为Δt≦0.05——0.025S。
（3）信号采集频率
为了能够真正检测和观察车轮线速度在ABS 作用一周期内的变化，测速滚筒采集信号的采样频率必须大于ABS 作用周期的频率。一般ABS 波动频率为10～20HZ，为了能精确观察ABS 作用周期内速度变化，将测速滚筒采样频率定为10 倍的ABS 波动频率，即采样频率为100～200HZ，采样周期Δt≦0.01~0.005S。
4.4信号处理
计算机采集速度传感器传输进来的车轮线速度信号，建立数学模型，直到车轮线速度为零为止。计算机将建立的数学模型同内部已建成的标准数学模型进行对比，对ABS制动防抱死系统工作是否正常作出判断。
5 台架检测法的特点及发展前景
相对于道路试验检测来说，台架检测方法具有许多突出的优点：
（1）检测过程简单，时间短。针对ABS系统制动性能的检测，每辆车只需要3 -5分钟，因此，如果将ABS检测试验台安装到目前国内的汽车性能检测线上使用，对整条检测线的检测速度影响很小。
（2）设备占地面积小，可以作为一个单独的工位加装在目前我国正在普遍使用的汽车性能检测线上，从而能够在汽车年检中完成对汽车ABS系统的性能检测。
（3）检测过程受环境因素影响较小。由于台架检测是在室内进行，所以不会受到天气、侧向风等自然条件的影响。
（4）设备耗资低，根据市场需求可实行产业化生产。
台架检测法有许多道路检测法所不具备的优点，但是也存在一些不足，由于台架检测法所采用的方法是模拟路面制动状况并进行检测，不能反映出路面制动时的轴荷转移对制动过程的影响，同时受到电子器件精度、汽车当量模拟精度等因素的限制，所以测试结果在一定程度上存在偏差。通过不断改进台架设计，充分减小台架自身不足，尽可能选用高精度电子测试器件等措施，可以将台架测试的精度逐步提高。
目前，随着我国汽车保有量的逐年增长以及人们对道路交通安全关注程度的提高，在用车辆的常规检测项目中增加ABS系统制动性能检测的必要性也随之日益提高，台架检测必随之广泛应用。
6 结论
本论文主要讲述了汽车ABS台架的基本检测原理，通过对汽车线速度的检测来证明汽车ABS的工作稳定性。通过对制动时受力分析，用飞轮模拟出车轮所具有的动能，通过对信号的采集，并进行处理，进而可以对比出ABS是否正常。且此种检测实验台已得到应用。同时这种实验台也存在着一些的问题，只能单一的确定汽车ABS是否工作正常，对于ABS综合参数以及传感器的工作性能则不能测量，对ABS的适应性，抗干扰性也无法进行有效的测试。当然随着汽车技术，计算机技术的发展，汽车ABS综合实验台将会得到广泛的发展。

致　谢
第一次做课程设计，不懂从哪里入手。首先感谢 老师的悉心指导，您乐观的生活态度，吃苦耐劳的工作精神，还有那幽默的话语深深吸引着我。
感谢陈振斌老师一直以来对我悉心的关照，您认真负责的工作态度，一直影响着我。

参考文献
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[4] [日]ABS株式会社编. 李朝禄，刘荣华译. 北京：机械工业出版社，1995.9
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