第十章汽车防滑控制系统-第六章

1第十章汽车的防滑控制系统第一节概述一、制动过程分析驾车经验告诉我们，当行车在湿滑路面上突遇紧急情况而实施紧急制动时，汽车会发生侧滑，严重时甚至会出现旋转调头，相当多的交通事故便由此而产生。当左右侧车轮分别行驶于不同摩擦系数的路面上时，汽车的制动也可能产生意想不到的危险。弯道上制动遇到上述情况则险情会更加严重。所有这些现象的产生，均源自于制动过程中的车轮抱死。汽车防抱死制动装置就是为了消除在紧急制动过程中出现上述非稳定因素，避免出现由此引发的各种危险状况而专门设置的制动压力调节系统。图11．l是汽车在水平路面上制动时汽车的受力示意图，图中G是汽车的重力，FZ1和FZ2是前后轮上作用的地面支承力，FJ是汽车制动时作用在质心上的减速惯性力，Fxbl和Fxb2。是地面作用在车轮边缘上的摩擦力。汽车制动减速的过程实际上就是汽车在行驶方向上受到地面制动力Fxb而改变运动状态的过程。制动效果的好坏完全取决于这种外界制动力的大小及其所具有的特性。由于地面制动力是地面与轮胎之间的摩擦力，因此，它具有一般摩擦力的特性。即：那车减速度（即惯性力）较小时，地面摩擦力未达到极限值，它可随所需惯性力增加而增加；稍汽车减速度（即惯性力）达到一定数值后，地面摩擦力达到其极限值，以后便不再增大。按照摩擦的物理特性可知，此时Fxbmax＝Fz·φ式中：Fxbmax——地面制动力（摩擦力）的最大值；Fi——作用在车轮上的法向载荷；φ——摩擦系数（通常称为附着系数）。由此可以看出，在汽车紧急制动情况下，若欲提高制动效能，即缩短制动距离或增大制动减速度，必须设法增大Fxbmax。为此，可以采取两条途径：一方面，可以通过提高正压力Fz来增大Fxbmax；另一方面，也可以通过提高摩擦系数φ中使Fxbmax得以提高。考虑到汽车具体使用情况，后一种途径更具有实际意义。大量试验已经证明，轮胎与路面之间的附着系数主要受到三方面要素影响，即：①路面的类型、状况；②轮胎的结构类型、花纹、气压和材料；③车轮的运动方式和车速。通过观察汽车制动过程中车轮与地面接触痕迹的变化（图11．2），可以知道制2动车轮的运动方式一般均经历了三个变化阶段，即开始的纯滚动、随后的边滚边滑和后期的纯滑动。这三种不同运动所具有的特征可以归纳为表11．l。为能够定量地描述上述三种不同的车轮运动状态，即对车轮运动的滑动和滚动成分在比例上加以量化和区分，便定义了如下的车轮滑动率：S＝v－r.wV式中：S——车轮滑动率；V——车速；r——车轮半径；ω——车轮角速度。按照上述定义可知，车轮运动特征可由滑动率的大小来表达，即：车轮纯滑动时s=100％，车轮纯滚动时S＝0％，而当车轮处于边滚边滑状态时0＜S＜100％。图11．3是试验所获得的车轮与地面摩擦系数随车轮运动状态不同而变化的规律。从图中可以看出，车轮纵向附着系数（又称制动力系数）随车轮滑动成分的增加呈先上升后下降的趋势，附着系数最大值（亦称峰值附着系数冲。一般出现在滑动率S＝15％－25％之间，滑动率S达到100％（车轮抱死）时的附着系数（也称滑动附着系数）φs小于峰值附着系数φp。一般情况下，（φp一φs）随道路状况的恶化而增大，即滑动附着系数φs会远远低于w。同时，当s=100％时，车轮的横向附着系数（又称横向力系数）中；趋近于0，这时，车轮无法获得地面横向摩擦力。若这种情况出现在前轮上，通常发生侧滑的程度不甚严重，但是却会导致前轮无法获得地面侧向摩擦力，导致转向能力3的丧失；若这种状况出现在后轮上，则会导致后轮抱死，此时，后轴极易产生剧烈的侧滑，使汽车处于危险的失控状态。综上所述，理想制动系统的特性应当是：当汽车制动时，将车轮滑动率S控制在峰值系数滑动率（即S＝20％）附近，这样既能使汽车获得较高的制动效能，又可保证它在制动时的方向稳定性。汽车防抱死制动系统（ABS）便是一套能在制动过程中随时监控车轮滑转程度，并依此自动调节作用在车轮上的制动力矩，防止车轮抱死的电子控制装置。它不仅能缩短制动距离。有效避免各种因制动引起的事故，还可减少轮胎磨损，使其达到使用寿命。二、防抱死制动系统的发展历史20世纪初，原始的防抱死制动系统（ABS）用在铁路机车上，借此来避免机车车轮因制动导致的“平面现象”和钢轨的早期损坏。1936年德国RobertBosch公司取得了ABS专利权。40年代ABS系统被应用于飞机上，以防止飞机着陆时偏离航道及轮胎的爆破。1954年美国Ford汽车公司首次将法国生产的民航机用ABS系统应用在Lincoln牌高级轿车上，由此拉开了汽车采用ABS系统的序幕。同一时期，KelseyHayes公司与HydroAire公司开始联合生产用于载货车的ABS系统。1957年Ford公司与KelseyHayeS公司开始了ABS系统的开发合作。1969年Ford汽车公司推出了后二轮控制方式的防抱死制动系统，并在美国和日本的高级轿车上得到应用。进人70年代，随着电子控制技术及精密液压元器件加工制造技术的进步，逐步奠定了复杂而精确的控制技术基础，1978年德国Benz汽车公司首次推出了四轮控制式防抱死制动系统。随着电子技术的进步和电器件价格的迅速降低，自80年代后期起ABS在汽车上应用得到普及，并逐渐已成为现代汽车上的一种标准装备。从ABS出现到今天在汽车上广泛应用，已经经历了半个多世纪的发展过程。至今为止，ABS系统的整体结构已日渐趋于成熟，今后的发展将集中体现在以下几个方面。①实时跟踪路面特性变化，采用更加有效的控制算法，实现真正意义上优化控制，以弥补现今汽车上广为采用的逻辑控制的不足。②提高关键元件的性能指标和可靠性，消除系统控制过程的不平滑，易振动，噪声大的缺陷。③由单一ABS控制目标转向多目标综合控制，全面提高汽车整体动力学水平。④进一步降低系统装车成本。三、ABS的基本组成一般来说，带有ABS的汽车制动系统由基本制动系统和制动力调节系统两部分组成，前者是制动主缸、制动轮缸和制动管路等构成的普通制动系统，用来实现汽车的常规制动，而后者是由传感器、控制器。执行器等组成的压力调节控制系统（如图11．4所示），在制动过程中用来确保车轮始终不抱死，车轮滑动率处于合理范围内。4在制动压力调节系统中，传感器承担感受系统控制所需的汽车行驶状态参数，将运动物理量转换成为电信号的任务。控制器即电子控制装置（ECU）根据传感器信号及其内部存储信号，经过计算、比较和判断后，向执行器发出控制指令，同时监控系统的工作状况。而执行器（制动压力调节器）则根据ECU的指令，依靠由电磁阀及相应的液压控制阀组成的液压凋节系统对制动系统实施增压、保压或减压的操作，让车轮始终处于理想的运动状态。第二节ABS的控制从汽车使用性能上来说，防抱死制动系统控制效果的优劣主要取决于系统的控制方式和控制通道类型等方面，但无论如何，汽车上所采用的ABS系统一般均具有以下的控制共性。①在制动过程中，只有当车轮趋于抱死时，ABS系统才起作用，此前保持常规制动状态。②ABS系统只在车速超过一定值时才起作用。③ABS系统具有自诊断功能，以确保系统出现故障时，常规制动系统仍能正常工作。ABS对车轮制动压力的调节通常可以采用以下两种方式进行。①双参数感测控制。该方法同时利用两种传感器获得车速和车轮转速信号，并按照一定的控制方法由计算机控制制动系统工作。由于目前测取车速信号需借助多普勒雷达作为传感器，价格较高，故实际使用较少。②单参数感测控制。此方法仅仅利用车轮转速传感器获取车轮转速信号，通过计算机，依靠某种计算方法估算出汽车速度、加速度信号，根据这些数据由计算机控制制动系统工作。由于这种方法性能价格比较好，故得到了广泛的使用。一、ABS控制过程在计算机控制过程中，为了提高控制效率和加快控制收敛速度，各国研究人员提出了许多控制方法，如：逻辑门限控制法、滑动模态变结构控制法、最优控制法和模糊控制法等。它们在实现控制的系统结构难度上、系统制造成本上、自身控制速度上各有不同，其中以逻辑门限控制方法使用最广泛。其控制过程举例如下（如图11．5所示）。该控制方式以车轮减速度和车轮加速度为控制参数，在ECU中预先设定好车轮加、减速度门槛值，并以参考滑动率和参考速度为辅助控制参数，对制动过程实施控制。5在制动开始阶段，轮缸压力快速上升，车轮减速度很快超出门槛值，电磁阀从升压切换到保压状态，同时，以控制起始时刻的车轮角速度作为初始参考速度，计算出制动控制的参考车速，并以该参考车速和车轮角速度为依据，计算出参考滑动率门槛曲线。在保压阶段，轮速继续下降，当轮速降到低于滑动率门槛值时，电磁阀由保压切换到减压状态。在减压过程中，轮速在一段时间以后会开始上升，当车轮减速度减小，逐渐越过减速度门槛值时，系统又进人保压状态。若在规定的保压时间内，车轮加速度不超过加速度门槛值，则判定此时路面属于低附着系数情况，以另外方式实施以后的控制。若可超过加速度门槛值，则继续保压。为了适应不同附着系数的路况需要，在加速度门槛值的上方又设定了一道旨在识别大附着系数路面的第二加速度门槛值。当角加速度超过了第二门槛值时，则要对轮缸实施增压，直至车轮加速度低于该门槛值后，再行保压措施，直到车轮减速度再次低于第一加速度门槛值。随后的升压过程中，一般采用比初始增压慢得多的上升梯度，电磁阀在增压和保压之间不断切换，直至车轮减速度再次向下穿过减速度门槛值。以后相类似地重复上述调节过程。由此可以看出，ABS控制过程实际上就是利用制动压力调节系统对制动管路油压高速地进行“增压一保压一减压”的循环调节过程。近年来，随着控制和执行元件技术的日益进步，这种调节循环的工作频率通常可达15－20次／秒。二、ABS系统控制通道、控制方式及布置类型ABS控制通道是指ABS系统中能够独立进行压力调节的制动管路。按照系统对制动压力调节方式的不同，可将ABS控制方式分为两大类，即独立控制和同时控制。前者指一条控制通道只控制一个车轮；而后者为一条控制通道同时控制多个车轮，依照这些车轮所处位置不同，同时控制又有同轴控制和异轴控制之分，同轴控制是一个控制通道控制同轴两车轮，而异轴控制则是一个控制通道控制非同轴两车轮。如果按照控制时控制依据选择不同，也可将ABS的同时控制区分为低选控制和高选控制两种。在低选控制中是以保证附着系数小的一侧车轮不发生抱死来选择控制系统压力，而高选控制却是从保证附着系数较大一侧车轮不发生抱死出发来实施制动系统压力调节。一般说来，如能在汽车四个车轮上独立地进行压力调节控制，意味着汽车有可能在四个车轮上都发挥出地面上最大的附着能力。按照ABS通道数目和传感器数目的多少可以对ABS控制系统进行分类。按照传感器数目不同，ABS可以分为四传感器（4S）、三传感器（3S）、两传感器（2S）和单传感器（1S）等几种系统。按照通道数目不同，也可将ABS分为四通道式、三通道式、二通道式和一通道式等。6四传感器四通道（四轮独立）控制方式如图11．6（a）所示，该系统是通过各车轮轮速传感器的信号分别对各车轮制动压力进行单独控制。其制动距离和转向控制性能好，但在附着系数不对称路面上制动时，由于汽车左右侧车轮地面制动力差异较大，因此形成较大的偏转力矩，从而导致汽车在制动时的方向稳定性较差。四传感器四通道（前轮独立、后轮选择）控制方式如图11．6（b）所示，该系统适用于X型制动管路系统，由于左右后轮不共用一条制动管路，故对它们实施同时控制（一般为低选控制）需采用两个通道。此种控制方式的操纵性和稳定性较好，制动效能稍差。四传感器三通道（前轮独立、后轮选择）控制方式如图11．7所示，使用在制动管路前后布置的后轮驱动汽车上，后轮一般采用低选控制，其控制效果是操纵性和稳定性较好，制动效能稍差。三传感器三通道（前轮独立、后轮选择）控制方式如图11．8所示，该系统适用于X型制动管路系统，由于左右后轮不共用一条制动管路，故对它们实施同时控制（一般为低选控制）需采用用两个通道。此种控制方式的操纵性和稳定性较好，制动效能稍差。四传感器二通道（前轮独立）控制方式如图11．9所示，此结构多用于X型制动系统中，前轮独立