汽车ABS电控系统设计

研究生课程考试答题册考试课程汽车电子及电气传动技术题目汽车ABS电控系统设计姓名学号学院指导老师西北工业大学研究生院得分：汽车ABS电控系统设计一．汽车要安装ABS的必要性1.汽车的制动过程1.1汽车的制动性：汽车制动性：汽车行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向稳定性和在下长坡时能维持一定车速的能力。制动性评价指标：制动效能，制动距离与制动减速度；制动效能的恒定性，抗热衰退性能；制动时汽车的方向稳定性，制动时汽车不发生跑偏、测滑以及失去转向能力的性能。1.2汽车制动时的运动1.2.1制动时汽车受力分析汽车在制动的过程中主要受到地面给汽车的作用力、风的阻力和自身重力的作用。汽车在直线行驶并受横向外界干扰力作用和汽车转弯时所受到地面给汽车的力如图(1-1)所示。其中Fx为地面作用在每个车轮上的地面制动力，其大小取决于路面的纵向附着系数和车轮所受的载荷。Fy为地面作用在每个车轮上的侧滑摩擦力，侧滑摩擦力的大小取决于侧向附着系数和车轮所受的载荷，当车轮抱死时，侧滑摩擦力将变得很小，几乎为零。汽车直线制动时，若受到横向干扰力的作用，如横向风力或路面不平，汽车将产生侧滑摩擦力来保持汽车的直线行驶方向，如图1-1(a)所示。若汽车在转弯时制动或在制动时转弯，也将产生侧滑摩擦力使汽车能够转向，如图1-1(b)所示。图1.1汽车直线和转弯制动时的平面受力简图汽车单车轮在良好的硬路面上制动时受力状况如图(1-2)所示。图中Tµ是制动器制动盘与制动钳之间的摩擦力矩；Fxb是轮胎与地面之间作用的地面制动力；G是汽车车体作用于车轮的垂直载荷；Ft是车轴作用于车轮的推力；N是地面对车轮的法向反作用力；ν是车体速度；ω是车轮转动角速度；r是车轮半径。图1-2单个车轮在制动时的受力分析Tu车轮制动器中摩擦片与制动鼓相对滑动时的摩擦力矩，单位N.m。Fxb是地面制动力W是车轮垂直载荷。Tp是车轴对车轮的推力。Fz是地面对车轮的法向反作用力图1-3路面制动力、制动器制动力及路面附着力之间的关系从图中可见，当制动管路压力P或制动踏板力Fp较小，未达到某一极限值时，制动器摩擦力矩不大，路面与轮胎间的摩擦力(路面制动力)足以克服制动器摩擦力矩而使车轮转动，此时路面制动力的值与制动器制动力的值相等，且随制动踏板力的增长成正比地增长。当制动系管路压力P上升到某一足够大的值时，路面制动力达到路面最大附着力，汽车车轮即抱死停转而出现拖滑现象，且路面制动力路面附着力之间的关系动力不再增加，但制动器制动力随着制动踏板力或制动系统压力的增加而继续增大。由此可知，汽车的地面制动力首先取决于制动器制动力，但同时又受地面附着条件的限制。只有当汽车具有足够的制动器制动力，同时又能提供高的附着力时，才能获得足够的路面制动力，保证较高的制动效果。1.2.2滑移率定义如果制动系制动力小于轮胎一道路附着力，则汽车制动时会保持稳定状态；反之，如果制动系制动力大于轮胎一道路附着力，则汽车制动时会出现车轮抱死和滑移。由于地面制动力受地面附着系数的制约，当制动器产生的制动系制动力增大到一定值(大于附着力)时，汽车轮胎将在地面上出现滑移。滑移速度(实际车速与车轮滚动的圆周速度之间的差值)与实际车速的比值，即滑移率。滑移率S的定义式为:VrwV-1V-VSw（1-1）式中S——滑移率；Vω——汽车的理论速度或车轮中心的速度(m/s)；ω——汽车车轮的角速度(rad/s)；r——汽车车轮的滚动半径(m)。由上式可知:当车轮中心的速度(即汽车的实际车速)Vt等于车轮的角速度ω和车轮滚动半径r乘积时，滑移率为零(S=0)，车轮为纯滚动；当ω=0时，S=100%，车轮完全抱死而作纯滑动；当0S100%时，车轮既滚动又滑动。1.2.3滑移率与附着系数的关系图1-4给出车轮与路面纵向附着系数和横向附着系数随滑移率变化的典型曲线。从图中可以看出，如果能将车轮滑移率控制在15%～30%的范围内，则既可以使纵向附着系数接近峰值，同时又可以兼顾到较大的侧向附着系数。这样，汽车就能获得最佳的制动效能和方向稳定性。图1-4滑移率与附着系数关系曲线图1-5不同路面纵向横向附着系数与滑移率的关系曲线图(1-5)给出了不同类型路面上滑移率与附着系数之间的关系。由图(1-5)可以看出，各种路面上的变化的总体趋势是一致的。滑移率和附着系数之间的关系曲线随路面类型的不同，出现峰值的滑移率的取值也会不一样，并且对应不同路面类型的滑移率一纵向附着系数曲线在峰值附着系数后曲线下降的速度也不相同，在干燥的路面上下降的快些，在湿滑的路面上略微有些下降。一般干燥洁净的平整水泥、沥青路面纵向峰值附着系数高达0.8～0.9，而冰雪路面的纵向峰值附着系数低至0.1～0.2。如果这种差别随路面类型的不同变化比较明显，则在设计ABS系统控制方法时，就必须考虑到随路面类型的不同而采取不同的控制目标和策略。若汽车在同一种类型路面上制动时的初速度不一样，车轮的纵向附着系数和滑移率之间的关系曲线也会略有不同，制动时的车速越高，车轮的纵向附着系数越低。1.3汽车车轮抱死时运动情况车轮抱死时汽车所受到的侧滑摩擦力将会变的很小，这将使汽车制动时保持方向操纵性和方向稳定性的转弯力和侧向力变的很小，使汽车在制动时出现一些危险的运动情况。对ABS系统来说，就是要防止这些危险情况的出现。下面从汽车在一种路面上直线和转弯制动两方面简单讨论一下当车轮抱死时汽车的运动情况。图1-6汽车直线制动车轮抱死时的运动情况汽车在一种路面上直线运动制动车轮抱死时可能出现的运动情况如图1-6所示。图1-6(a)为只有前轮抱死时，由于前轮的转弯力基本为零，无法进行正常的转向操作。驾驶员无法控制汽车的方向使汽车转向来避让前方的障碍物，这时由于汽车后轮不抱死，所以汽车仍具有侧向力来维持方向稳定性。图1-6(b)为只有后轮抱死时，后轮的侧向力接近于零，汽车仍具有方向操纵性，但会因后轮抱死而失去方向稳定性使汽车侧滑。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(这种运动叫外旋转)。图1-6(c)为前后车轮全部抱死时时转弯力和侧向力都为零，这种状态很不稳定，路面不均匀、左右轮地面制动力不相等时，即使对汽车施加很小的偏转力矩，汽车就会产生不规则运动而处于危险状态，在不规则旋转的过程中将制动释放，汽车就会沿着瞬时行驶方向急速驶出，这也是很危险的。从上面对出现这些危险运动情况的简单分析可以看出，制动时车轮抱死导致汽车出现各种危险运动情况，实质上是汽车因失去相应的维持本身方向稳定性方向操纵性的侧滑摩擦力而使汽车出现这些运动情况，即车轮抱死导致汽车的侧滑摩擦力为零。车轮的抱死程度和汽车的地面制动力及汽车的侧滑摩擦力之间存在一定的关系，ABS之所以能防止汽车制动时出现危险的运动情况，就是根据这个关系来调整车轮的运动状态。二．汽车ABS系统的硬件设计2.1防抱死系统的基本组成ABS系统主要由传感器、电子控制单元(ECU)和电磁阀三部分组成，其系统原理结构组成图如图(2-1)所示。传感器一般安装在车轮上以测量车轮的转速，传感器一般为磁电感应式。ABS工作时ECU接收传感器送来的车轮信号，一般为符合ECU电压要求的矩形电压波，然后固化在ECU中的程序根据各个车轮的速度来决定对各个车轮的制动液压力如何调节，并输出相应的控制信号给各个车轮的液压控制单元。液压控制单元接收到信号后对车轮分泵的压力进行调节。传感器的作用是为ECU提供车轮的运动情况，ECU是ABS系统的控制中心，ECU中固化的程序实际上是ABS的控制方法，而液压控制单元是ABS控制方法的执行机构。轮速传感器是汽车轮速的检测元件，它能产生频率与车轮速度成正比的近似正弦电信号，ABS控制单元根据处理后的信号计算车轮速度。电子控制单元是整个防抱死制动系统的核心控制部件，它接受车轮速度传感器送来的频率信号，通过计算与逻辑判断产生相应的控制电信号，操纵电磁阀去调节制动压力。定性的来说，就是当车轮的滑移率不在控制范围之内时，ECU就输出一个控制信号，命令电磁阀打开或闭合，从而调节制动轮缸压力，使轮速上升或下降，将汽车车轮滑移率控制在一定范围之内，实现汽车的安全、可靠制动。电子控制单元原理图如图(2-2)所示。电磁阀是防抱死制动系统的执行部件，在没有控制信号的情况下，该制动系统相当于常规制动系统，直接输出最大制动压力；当ECU向电磁阀发出控制信号时，电磁阀动作，对轮缸压力进行调节，从而调节车轮的滑移率，使制动力在接近峰值区域内波动，但又不达到峰值制动力，实现最佳制动效率。ABS就是在汽车制动过程中不断检测车轮速度的变化，按一定的控制方法，通过电磁阀调节制动轮缸压力，以获得最高的纵向附着系数，使车轮始终处于较好的制动状态。1.前轮速度传感器2.制动轮缸3.制动压力调节装置4.ABS电控单元5.ABS警示灯6.后轮速度传感器7.停车灯开关8.制动主缸9.比例分配阀10.蓄电池11.点火开关图2-1ABS系统的组成图图2-2电子控制单元原理结构图2.2防抱死制动系统的布置形式ABS系统中，能够独立进行制动压力调节的制动管路称为控制通道。如果对某车轮的制动压力可以进行单独调节，称这种控制方式为独立控制；如果对两个(或两以上)车轮的制动压力一同进行调节，则称这种控制方式为一同控制。在两个车轮的制动压力进行一同控制时，如果以保证附着力较大的车轮不发生制动抱死为原则进行制动压力调节，称这种控制方式为按高选原则一同控制；如果以保证附着力较小的车轮不发生制动抱死为原则进行制动压力调节，则称这种控制方式为按低选原则一同控制。由于三通道四传感器式ABS在现在汽车上最常用，故本设计选三通道四传感器式ABS即四轮速传感器，三通道，前轮独立，后轮低选控制。（1）（2）图2-3三通道四传感器式ABS及其常用布置形式四轮ABS大多为三通道系统，而三通道系统都是对两前轮的制动压力进行单独控制，对两后轮的制动压力按低选原则一同控制，其布置形式见图2-3。图(1)所示的按对角布置的双管路制动系统中，虽然在通往四个制动轮缸的制动管路中各设置一个制动压力调节分装置，但两个后制动压力调节分装置却是由电子控制装置一同控制的，实际上仍是三通道ABS。由于三通道ABS对两后轮进行一同控制，对于后轮驱动的汽车可在变速器或主减速器中只设置一个转速传感器来检测两后轮的平均转速。.汽车紧急制动时会发生很大的轴荷转移(前轴荷增加，后轴荷减小)，使得前轮附着力比后轮的附着力大很多(前置驱动汽车的前轮附着力约占汽车总附着力的70%～80%)。对前轮制动压力进行独立控制，可充分利用两前轮的附着力对汽车进行制动，有利于缩短制动距离，并且汽车的方向稳定性却得到很大改善。2.3防抱死制动系统轮速传感器选择转速传感器的功用是检测车轮的速度，并将速度信号输入ABS的电控单元。下图图(2-4)所示为转速传感器在车轮上的安装位置。图2-4传感器在车轮上安装位置2.3.1霍尔轮速传感器霍尔轮速传感器也是由传感头和齿圈组成。传感头由永磁体、霍尔元件和电子电路等组成，永磁休的磁力线穿过霍尔元件通向齿轮，如图(2-5)所示。当齿轮位于图中(a)所示位置时，穿过霍尔元件的磁力线分散，磁场相对较弱；而当齿轮位于图中(b)所示位置时，穿过霍尔元件的磁力线集中，磁场相对较强。齿轮转动时，使得穿过霍尔元件的磁力线密度发生变化，因而引起霍尔电压的变化，霍尔元件将输出一个毫伏(mv)级的准正弦波电压.此信号还需由电子电路转换成标准的脉冲电压。霍尔轮速传感器具有以下优点：其一是输出信号电压幅值不受转速的影响；其二是频率响应高口其响应频率高达20kHz，相当于车速为1000km/h时所检测的信号频率；其三是抗电磁波干扰能力强。因此霍尔传感器广泛应用于ABS轮速检测。霍尔式轮速传感器与电磁感应式轮速传感器比较具有以下优点：随着轮速的变化，输出信号的幅值是不变的；频率响应高，响应频率高达20khz，用于ABS系统中可检测到约1000Km/h速度信号，远远满足使用要求；抗电磁干扰能力强，由于输出信号在整个轮速范围内不变，而且幅值较高，所