车辆防抱死制动系统(ABS)关键技术研究

车辆防抱死制动系统(ABS)的关键技术的研究[摘要]本文介绍了车辆防抱死制动系统(abs)的基本设计原理与构造、基本结构要素和关键技术,为开发研制我国具有独立知识产权的新型车辆防抱死制动系统提供参考。[关键词]车辆防抱死制动系统(abs)基本构造基本结构要素关键技术[abstract]thisarticledescribesthebasicdesigntheory,constitution,basicframeelementandkeytechnologyofvehiclesantilockbrakingsystem,givingareferencetodevelopingthenewtypevehiclesantilockbrakingsystemhavingindependentintellectualpropertyofchina.[keywords]vehicleantilockbrakingsystem(abs)basicconstitutionbasicframeelementkeytechnology1.前言车辆防抱死制动系统(antilockbrakesystem),通常叫车辆防抱制动系统,简称abs系统。它是车辆上的一种主动安全装置,其作用是在车辆制动时,防止车轮抱死在路面上滑拖,以提高车辆制动过程中的方向稳定性、转向控制能力和缩短制动距离,使车辆制动更为安全有效。我国对车辆防抱死制动系统的研究和开发正处在起步阶段。本文将对国外车辆防抱死制动系统的组成及关键技术进行分析研究,为开发研制我国具有独立知识产权的新型车辆防抱死制动系统提供参考。2.车辆防抱死制动系统(abs)设计原理车辆一在制动过程中,车轮制动器产生的摩擦阻力,会使车轮转速减慢,而车轮与地面间产生摩擦力会使车辆减速,前者称为制动器制动力,后者称为地面制动力。在车轮未抱死前,地面制动力始终等于制动器制动力,此时制动力全部转化为地面制动力,在车轮抱死后,制动力等于地面附着力,它不再随制动器制动力的增加而增加。由车辆理论可知:地面附着力为,式中——地面对轮胎的法向反作用力;——附着系数。由理论和试验研究表明,附着系数与轮胎滑动率的变化关系,可用图1所示的曲线来表示。其中滑动率的定义是。在纯滚动时,;在纯滑动时,;在边滚边滑时,0s100%。显然滑动率说明了车轮运动中,滑动成分所占的比例大小。滑动率愈大,滑动成分就愈多。从图1可知,轮胎纵向随着系数在s=20%左右达到最大值,而在车轮抱死时,车轮的附着系数反而有所降低。另外,从图中还可以看出侧向附着系数在纯滚动时为最大,附着滑动率的增加而迅速地减小,特别是在车轮抱死时,侧向附着系数将下降到零。由此可知,车辆制动时,如果车轮完全抱死,不但纵向附着系数下降而达不到最佳效能,而且还会丧失转向和抵抗侧向力的作用,而造成制动时方向不稳定。车辆装防抱死装置的目的,就是要达到能自动调节制动器的制动力,使车轮滑动率保持在20%的最佳状态,以充分利用峰值附着系数,提高车辆的制动效能,并且车辆还要具有较好的转向和低抗侧向力的作用,以提高车辆制动时的方向稳定性。3.车辆防抱死制动系统(abs)的基本组成车辆防抱死制动系统(abs)是集车辆、液压技术、计算机技术、控制技术和测试技术等高新技术为一体的创新技术,它主要由机械系统(制动器)、电子信息处理系统(电子控制装置ecu)、动力系统(动力源)、传感检测系统(车速传感器、轮速传感器和减速传感器)、执行元件(制动压力调节装置、轮缸、液压泵、回油泵和警告灯)系统等五个子系统组成,如图2所示。其工作原理是每个车轮都有一个车轮速度传感器。将4个车轮变化的速度信号及时输送给电脑;电脑连续检测4个车轮的速度信号,经过计算后适时发出控制指令给液压调节器,以控制制动分泵的液压迅速变大或变小。防止4个车轮被完全抱死,获取最佳制动力,最大限度地保证了制动时车辆的稳定性,增大了安全性,缩短了制动距离。abs系统是通过传感器直接检测目标运动并进行反馈控制的系统,是一个全闭环控制系统。其基本特征是给“车轮制动器”增添了头脑(计算机信息处理与控制),因此是要求传感器技术、控制用接口元件、机械结构、控制软件水平较高的系统。4.车辆防抱死制动系统(abs)的功能构成车辆防抱死制动系统(abs)是由具有特定功能的机械与微电子要素组成的有机整体,具有满足车辆制动使用要求的功能(目的功能)。因此,abs系统必须具有以下三大“目的功能”:①变换功能;②传递功能;③储存功能。因此,abs系统内部必须具备图3所示的五种内部功能,即主功能、动力功能、检测功能、控制功能、构造功能。其中“主功能”是实现系统“目的功能”直接必需的功能,主要是对物质、能量、信息或其相互结合进行变换、传递和存储。“动力功能”是向系统提供动力、让系统得以运转的功能。“检测功能和控制功能”的作用是根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制,使系统正常运转,实施“目的功能”。而“构造功能”则是使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必需的功能。从系统的输入/输出来看,除有主功能的输入/输出之外,还需要有动力输入和控制信息的输入/输出。此外,还有因外部环境引起的干扰输入以及非目的性输出。5.车辆防抱死制动系统(abs)的基本结构要素abs系统由下述五个基本要素构成:l)机械系统,是指车轮制动器,属于基础部分,实现abs系统的构造功能。在abs产品中,要求尽量采用新结构、新材料、新工艺,以适应abs系统在高效、可靠和节能、小型、轻量等方面的要求。2)动力源向系统提供能量,并将输入的能量转换成需要的形式,实现动力功能。abs系统电能利用为主,其目的功能是通过机械动作来实现,因此动力源为发动机、执行元件及其驱动电路。效率高、可靠性好是对动力源的主要要求。3)检测与传感装置包括车速传感器、轮速传感器和减速传感器及其信号检测电路。用于对车辆制动时的运行状态进行检测,提供运行控制所需的各种信息,实现检测功能。体积小、便于安装与联接、检测精度高、抗干扰、受环境变化影响小是abs系统对检测与传感装置的主要要求。4)控制与信息处理装置根据产品的功能和性能要求以及传感器的反馈信息,进行处理、运算和决策,对车辆制动器运行施以相应的控制,实现控制功能。abs系统中,这一组成要素主要是指由计算机及其相应硬、软件所构成的控制系统,目前正向着高可靠性、柔性和智能化方向发展。5)执行机构包括机械传动(如轮缸)与操作机构(如制动压力调节装置)。在控制信息作用下完成车辆防抱死要求的动作,实现abs系统的主功能。执行机构是实现产品目的功能的直接参与者,其性能好坏决定着整个产品的性能。因而,它是abs系统中最重要的组成要素之一。abs系统的五个基本组成要素之间并非彼此无关或简单拼凑、叠加在一起,工作中它们各司其职,互相补充、互相协调,共同完成所规定的目的功能,即在机械系统的支持下,由传感器检测车辆的运行状态及环境变化,将信息反馈给控制及信息处理装置,控制及信息处理装置对各种信息进行处理,并按要求控制动力源驱动执行机构进行工作。在结构上,各组成要素通过各种接口及相关软件有机地结合在一起,构成一个内部合理匹配、外部效能最佳的完整产品。6.车辆防抱死制动系统(abs)的关键技术abs技术是多种技术学科相互交叉、渗透而形成的一门综合性边缘技术学科,所涉及的技术领域非常广泛。要深入进行abs系统研究及产品开发,就必须了解并掌握这些技术。概括起来,abs系统关键技术包括检测传感技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、接口技术、精密机械技术及系统总体技术等。1)检测传感技术传感器技术是abs系统的第一位关键性技术。传感器技术自身就是一门多学科、知识密集的应用技术。传感原理、传感材料及加工制造装配技术是传感器开发的三个重要方面。作为一个独立器件,传感器的发展正进入集成化、智能化研究阶段。把传感器件与信号处理电路集成在1个芯片上,就形成了信息型传感器;若再把微处理器集成到信息型传感器的芯片上,就是所谓的智能型传感器。与微电子技术、计算机技术的迅速发展相比较,传感器无论是种类、数量,还是性能、规格远不能满足生产、科研与人民生活的需要。不仅制约信息处理技术的发展,妨碍控制技术的进一步实施,而且也影响计算机技术的普及应用。是造成计算机“假饱和”现象并形成所谓。“头脑发达,五官迟钝”被动局面的主要原因。随着人类对自然界的不断探索,对客观世界研究的逐渐深入,待测信息的类型日益增多,待测信息的内容日益丰富,加之微机应用技术的迅速发展,人们已充分认识到了传感器技术的战略地位与重要作用。传感器技术需要研究开发的内容很多,例如:探索新的传感机理;开发各种传感功能的敏感材料;提高传感器灵敏度、可靠性、抗干扰等技术的研究;信息型、智能型传感器的开发;新型传感器,如模糊量传感器、光纤传感器、模式识别用传感器等的研究;传感器结构、制造加工与制造工艺超精化技术的开发研究等等。2)信息处理技术信息处理技术包括信息的输入、识别、变换、运算、存储及输出技术。信号的处理是否及时、准确,直接影响abs系统的质量和效率,因而也是abs系统的关键技术。信息处理的硬件设备主要有输入/输出设备、显示器、磁盘、计算机、可编程序控制器及数控装置等。以微电子技术为基础的微机技术与信号处理机的迅速发展极大地丰富了信息处理硬件。在信息处理技术方面尚需研究开发的课题有:提高硬件制造工艺,保证产品的可靠性;提高信号处理速度;研究汉字输入/输出装置;人机接口装置信息处理的智能化;软盘机、可编程序控制器的标准化等。3)自动控制技术所谓自动控制,就是在没有人直接参与的情况下,通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。自动控制技术的广泛应用,不仅大大提高了劳动生产率和产品质量,改善了劳动条件,而且在人类征服大自然、探索新能源、发展空间技术与改善人类物质生活等方面起着极为重要的作用。主要以传递函数为基础,研究单输入、单输出一类线性自动控制系统分析与设计问题的古典控制技术发展较早,且已臻成熟。在工程上,比较成功地解决了诸如何服系统自动控制的实践问题。随着科学技术发展和工程实践的需要而发展起来的现代控制技术主要以状态空间法为基础,研究多输入、多输出、变参量、非线性、高精度、高效能等控制系统的分析和设计问题。最优控制、最佳滤波、系统识别、自适应控制等都是这一领域研究的主要课题。近年来,由于计算机技术和现代应用数学研究的快速发展,促进了现代控制技术在系统工程和模仿人装袭动的智能控制等领域的重大进展。在abs技术中,诸如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、再现、检索等自动控制技术皆是重要的关键技术。现代控制理论的工程化与实用化以及优化控制模型的建立、复杂控制系统的模拟仿真、自诊断监控技术及容错技术等都是有待进一步开发研究的课题。为了提高车辆防抱死制动系统(abs)计算机控制系统的可靠性,需装一个模拟备用系统,保证控制系统有冗余。4)伺服驱动技术这里说的伺服驱动技术,主要是指执行系统与abs系统中的技术问题。执行机构主要包括油泵、轮缸、回油泵等。执行机构的性能、精度、响应速度及可靠性对车辆防抱死制动系统(abs)的性能与质量同样具有至关重要的影响。例如工作可靠问题;机电、液压与气动执行机构的精度、响应速度等技术问题都是abs系统设计中必须研究的技术。对于液压系统应能有效地防尘、防漏。5)接口技术abs系统是车辆、电子和信息等性能各异的技术融为一体的综合系统,其构成要素或子系统之间的接口极其重要。从系统外部看,输入/输出是系统与人、环境或其它系统之间的接口;从系统内部看,abs系统是通过许多接口将各组成要素的输入/输出联系成一体的系统。因此,各要素及各子系统之间的接口性能就成为综合系统性能好坏的决定性因素。多数abs系统的设计其实就是接口设计。6)精密机械技术精密机械加工技术对发展车辆防抱死制动技术的重要作用。这里要说的是abs系统的精密机械技术。abs系统对机械部分的零部件的静、动态刚度、热变形有更高的要求。而且