本科生畢業(yè)設計 第 1 頁 摘 要 統(tǒng)可以顯著提高或改善汽車緊急制動時的操控性和穩(wěn)定性，縮短了制動距離，是一種新型的汽車電子控制產品，并得到了越來越廣泛的應用。 本文以轎車為研究對象，展開對汽車 研究。主要完成了以下的工作： 通過對單個車輪時的受力分析確定了影響車輪附著系數(shù)的主要因素； 通過比較電磁感應式輪速傳感器和霍爾效應傳感器的性能優(yōu)缺點，采用并設計了霍爾效應式輪速傳感器； 通過對控制結構的分析設計了以 0括信號輸入電路、控制輸出電路、驅動電路等硬件部 分； 經比較各種控制方案，確定了“邏輯門限制法”作為控制方案，并選用加速度和滑移率的組合作為控制參數(shù)。采用事件門限來計算車輪的轉速。 本文通過學習比較根據(jù)所學只是設計了 制系統(tǒng)。從理論上實現(xiàn)了 成了設計要求。在設計過程中對汽車制動理論和制動裝置有了較為深入的了解，擴大了自己的知識面，自己解決問題的能力也得到了提高。 關鍵詞： 防抱死制動系統(tǒng) 電子控制單元 門限值滑移率 輪速傳感器 本科生畢業(yè)設計 第 2 頁 is an to of of is as BS a of of of BS By of we a of we a 0It of of of as as to In on I a in my I a of It my my of 錄 1 防抱死制動系統(tǒng)概述 . 1 . 1 防抱死制動系統(tǒng)的發(fā)展歷史 . 2 防抱死制動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 . 3 本科生畢業(yè)設計 第 3 頁 國內 統(tǒng)研究的理論狀態(tài)和具有 代表的 品公司 . 5 2 防抱死制動系統(tǒng)基本原理 . 7 制動時汽車的運動 . 7 動時汽車受力分析 . 7 輪抱死時汽車運動情況 . 8 滑移率定義 . 10 滑移率與附著系數(shù)關系 . 10 制動時車輪運動方程 . 12 采用防抱死制動的必要性 . 13 防抱死制動系統(tǒng)的基本工作原理 . 14 3 防抱死制動系統(tǒng)硬件設計 . 18 防抱死制動系統(tǒng)的布置形式與組成 . 18 . 18 . 21 80小系統(tǒng) . 23 介 . 24 鐘電路設計 . 28 防抱死制動系統(tǒng)輪速傳感器選擇 . 29 . 32 . 32 . 34 防抱死制動調壓系統(tǒng) 工作過程 9 . 35 電源設計 . 39 信號輸入電路設計 . 39 電磁閥驅動電路的設計 . 40 泵電機驅動電路的設計 . 43 . 44 . 45 . 47 . 48 . 52 4 防抱死制動系統(tǒng)軟件設計 . 54 控制方案和控制參數(shù)的選取 . 55 控制參數(shù)及其計算 . 56 . 56 . 58 . 58 . 58 本科生畢業(yè)設計 第 4 頁 控制過程 . 62 程序設計 . 65 5 結論與展望 . 67 研究工作總結 . 67 防抱死制動系統(tǒng)發(fā)展方向 . 67 參考文獻 . 70 英文翻譯 . 68 附錄 . 77 致謝 . 84 本科生畢業(yè)設計 第 5 頁 全套資料帶 ，扣扣聯(lián)系 414951605 1 防抱死制動系統(tǒng)概述 功 能 汽車 高速制動時用來防止車輪抱死， 英文 縮寫，全文的意思是防抱死制動系統(tǒng)，簡稱 凡駕駛過汽車的人都有這樣的經歷：在積水的柏油路上或在冰雪路面緊急制動時，汽車輕者會發(fā)生側滑，嚴重時會掉頭、甩尾，甚至產生劇烈旋轉。制動力過大，將使車輪抱死，汽車方向失去控制后，若是彎道就有可能從路邊滑出或闖入對面車道，即使不是彎道也無法躲避障礙物，產生這些危險狀況的原因在于汽車的車輪在制動過程中產生抱死現(xiàn)象，此時，車輪相對于路面的運動不再是滾動，而是滑動， 路面作用在輪胎上的側滑摩擦力和縱向制動力變得很小，路面越滑，車輪越容易?？傊囍苿訒r車輪如果抱死將產生以下不良影響：方向失去控制，出現(xiàn)側滑、甩尾，甚至翻車；制動效率下降，延長了制動距離；輪胎過度磨損，產生 “ 小平面 ” ，甚至爆胎。 抱死制動裝置就是為了防止上述缺陷的發(fā)生而研制的裝置，它有以下幾點好處：增加制動穩(wěn)定性，防止方向失控、側滑和甩尾；提高制動效率，縮短制動距離（松軟的沙石路面除外）；減少輪胎磨損，防止爆胎。 現(xiàn)代轎車的 輸入傳感器、控制電腦、輸出調制器及連接線等組成。輸入傳感器通常包括 死個車輪的輪速信號、剎車信號，個別車型還有減速度信號、手剎車或車油面信號。 第一個優(yōu)點是增加了汽車制動時候的穩(wěn)定性。汽車制動時，四個輪子上的制動力是不一樣的，如果汽車的前輪抱死，駕駛員就無法控制汽車的行駛方向，這是非常危險的；倘若汽車的后輪先抱死，則會出現(xiàn)側滑、甩尾，甚至使汽 本科生畢業(yè)設計 第 6 頁 車整個掉頭等嚴重事故。 以防止四個輪子制動時被完全抱死，提高了汽車行駛的穩(wěn)定性。汽車生產廠家的研究數(shù)據(jù)表明，裝有 車輛，可使因車論側滑引起的事故比例下降 8%左右。 第二個優(yōu)點是能縮短制動距離。這是因為在同樣緊 急制動的情況下，以將滑移率（汽車華東距離與行駛的比）控制在 20%左右，即可獲得最大的縱向制動力的結果。 第三個優(yōu)點是改善了輪胎的磨損狀況，防止爆胎。事實上，車輪抱死會造成輪胎小平面磨損，輪胎面損耗會不均勻，使輪胎磨損消耗費增加，嚴重時將無法繼續(xù)使用。因此，裝有 有一定的經濟效益和安全保障。 另外， 作可靠。 急制動時只有把腳用力踏在制動踏板上， 使雨雪路滑， 會使制動狀態(tài)保持在最佳點。 以充分發(fā)揮制動器的效能，提高制動減速度和縮短制動距離，并能有效地提高車輛制動的穩(wěn)定性，防止車輛側滑和甩尾，減少車禍事故的發(fā)生，因此被認為是當前提高汽車行駛安全性的有效措施。目前 經在國內外中高級轎和客車上得到了廣泛使用。 抱死制動系統(tǒng)的發(fā)展歷史 置最早應用在飛機和火車上，而在汽車上的應用比較晚。鐵路機車在制動時如果制動強度過大，車輪就會很容易抱死在平 滑的軌道上滑行。由于車輪和軌道的摩擦，就會在車輪外圓上磨出一些小平面，小平面產生后，車輪就不能平穩(wěn)地行駛， 產生噪聲和掙動。 1908 年英國工程師 J. E. 出了 “ 鐵路車輛車輪抱死滑動控制器 ” 理論，但卻無法將它實用化。接下來的 30年中，包括 剎車力控制器 ” 、 液壓剎車安全裝置 ” 與 車輪抱死防止器 ” 等嘗試都宣告失敗。在 1941 年出版的汽車科技手冊中寫到： “ 到現(xiàn)在為止，任何通過機械裝置防止車輪抱死危險的嘗試皆尚未成功，當這項裝置成功的那一天，即是交通安全史上的一個重要里程碑 ” ，可惜該書的作者恐怕沒想到這一天竟還要再等 30年之 久。 當時開發(fā)剎車防抱死裝置的技術瓶頸是什么？首先該裝置需要一套系統(tǒng)實時監(jiān)測輪胎速度變化量并立即通過液壓系統(tǒng)調整剎車壓力大小，在那個沒有集成電路與計算機的年代，沒有任何機械裝置能夠達成如此敏捷的反應！等到 統(tǒng)的誕生露出一線曙光時，已經是半導體技術有了初步規(guī)模的 1960年代早期。 精于汽車電子系統(tǒng)的德國公司 世）研發(fā) 統(tǒng)的起源要追溯到1936年，當年 請 “ 機動車輛防止剎車抱死裝置 ” 的專利。 1964年（也是集成電路誕生的一年） 后有了 “ 通 過電子裝置控制來防止車輪抱死是可行的 ” 結論，這是 本科生畢業(yè)設計 第 7 頁 名詞在歷史上第一次出現(xiàn)！世界上第一具 966年出現(xiàn)，向世人證明“ 縮短剎車距離 ” 并非不可能完成的任務。因為投入的資金過于龐大， 司從 1970 年和奔馳車廠合作開發(fā)出第一具用于道路車輛的原型機 ， 該系統(tǒng)已具備量產基礎，但可靠性不足，而且控制單元內的組件超過 1000 個，不但成本過高也很容易發(fā)生故障。 1973 年 司 購得 50的 司股權及 域的研發(fā)成果， 1975年 “” 在 3年的努力后誕生！有別于 采用模擬式電子組件， 系統(tǒng)完全以數(shù)字式組件進行設計，不但控制單元內組件數(shù)目從 1000 個銳減到 140 個，而且有造價降低、可靠性大幅提升與運算速度明顯加快的三大優(yōu)勢。兩家德國車廠奔馳與寶馬于 1978 年底決定將 這項高科技系統(tǒng)裝置在 系列車款上。 在誕生的前 3年中， 1978到 1980年底， 4000套 幸第二年即成長到 76000套。受到市場上的正面響應， 始 跡控制系統(tǒng)的研發(fā)計劃。 1983 年推出的 S 系統(tǒng)重量由 斤減輕到 斤，控制組件也減少到 70 個。到了 1985 年代中期，全球新出廠車輛安裝 統(tǒng)的比例首次超過 1，通用車廠也決定把 為旗下主力雪佛蘭車系的標準配備。 圖 1 本科生畢業(yè)設計 第 8 頁 抱死制動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 （ 1） 身控制技術的提高現(xiàn)代制動防抱死裝置多是電子計算機控制，這也反映了現(xiàn)代汽車制動系向電子化方向發(fā)展?；诨坡实目刂扑惴ㄈ菀讓崿F(xiàn)連續(xù)控制，且有十分明確的理論加以指導，但目前制約其發(fā)展的瓶頸主要是實現(xiàn)的成本問題。隨著體積更小、價格更便宜、可靠性更高的車速傳感器的出現(xiàn)， 統(tǒng)中增加車速傳感器成為可能，確定車輪滑移率將變得準確而快速。 全電制動控制系統(tǒng) 未來制動控制系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。它不同于傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)，其傳遞的是電，而不是液壓油或壓縮空氣，可以省略許多管路和傳感器， 縮短制動反應時間，維護簡單，易于改進，為未來的車輛智能控制提供條件。但是，它還有不少問題需要解決，如驅動能源問題，控制系統(tǒng)失效處理，抗干擾處理等。目前電制動系統(tǒng)首先用在混合動力制動系統(tǒng)車輛上，采用液壓制動和電制動兩種制動系統(tǒng)。 （ 2）防滑控制系統(tǒng)防滑控制系統(tǒng) 稱為牽引力控制系統(tǒng) 驅動時防止車輪打滑，使車輪獲得最大限度的驅動力，并具有行駛穩(wěn)定性，減少輪胎磨損和發(fā)動機的功耗，增加有效的驅動 牽引力。防滑控制系統(tǒng)包括兩部分 :制動防滑與發(fā)動機牽引力控制。制動部分是當驅動輪 (后輪 )在低附著系數(shù)路面工作時，由于驅動力過大，則產生打滑，當 動部分工作時，通過傳感器將非驅動輪及驅動輪的輪速信號采集到控制器 中，控制器根據(jù)輪速信號計算出驅動車輪滑移率及車輪減、加速度，當滑移率或減、加速度超過某一設定閥值時，則控制器打開開關閥，氣壓由儲氣筒直接進入 制動氣室進行制動，由于三通單向閥的作用氣壓只能進入打滑驅動輪的制動氣 室，在低附著系數(shù)路面上制動時，輪速對壓力十分敏感，壓力稍稍過大，車輪就會抱死。為此利 用 磁閥對制動壓力進行精細的調節(jié)，即用小步長增壓或減壓，以達到最佳的車輪滑移的效果 既可以得到最大驅動力，也可保持行駛的穩(wěn)定性。 （ 3）電子控制制動系統(tǒng)由于 功能方面存在許多缺陷，如氣壓系統(tǒng)的滯后，主車與接車制動相容性問題等。為改善這些，出現(xiàn)了電子制動控制系統(tǒng) 是將氣壓傳動改為電線傳動，縮短了制動響應時間。最重要的特點是各個車輪上制動力可以獨立控制。控制強度則由司機踏板位移信號的大小來決定，由壓力調節(jié)閥、氣壓傳感器及控制器構成閉環(huán)的連續(xù) 壓力控制，這樣可以在外環(huán)形成一個控制回路，來實現(xiàn)各種控制功能，如制動力分布控制、減速控制、牽引車與掛車處禍合力控制等。 （ 4）車輛動力學控制系統(tǒng)車輛動力學控制系統(tǒng) (在 基礎上通過測量方向盤轉角、橫擺角速度和側向加速度對車輛的運動狀態(tài)進行控制。 門、制動壓力，通過觀測器決定 本科生畢業(yè)設計 第 9 頁 出車輛應具有的名義運動狀態(tài)。同時由輪速、橫擺角速度和側向加速度傳感器測出車輛的實際運動狀態(tài)。名義狀態(tài)與實際狀態(tài)的差值即為控制的狀態(tài)變量，控制的目的就是 使這種差值達到最小，實現(xiàn)的方法則是利用車輪滑移率特性。車輛動力學控制系統(tǒng)目的是改善車輛操縱的穩(wěn)定性，它可以在車輛運動狀態(tài)處于危險狀態(tài)下自動進行控制。其主要作用就是通過控制車輛的橫向運動狀態(tài)，使車輛處于穩(wěn)定的運動狀態(tài)，使人能夠更容易地操縱車輛。 （ 5）控制系統(tǒng)總線技術隨著汽車技術科技含量的不斷增加，必然造成龐大的布線系統(tǒng)。因此，需要采用總線結構將各個系統(tǒng)聯(lián)系起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和資源信息實時共享，并可以減少傳感器數(shù)量，從而降低整車成本，朝著系統(tǒng)集成化的方向發(fā)展。目前多使用 于汽車內部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。 內 統(tǒng)研究的理論狀態(tài)和具有代表的 品公司 我國 研究開始于 80 年代初。從事 諸如東風汽車公司、重慶公路研究所、西安公路學院、清華大學、吉林大學、北京理工大學、上海汽車制動有限公司和山東重汽集團等。具有代表性的有以下幾個。清華大學汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室有宋健等多名博導、教授 ,有很強的科技實力 ,他們還配套有一批先進的儀器設備 ,如汽車力學參數(shù)綜合試驗臺、汽車彈射式碰撞試驗臺 及翻轉試驗臺、模擬人及標定試驗臺、 速圖像運動分析系統(tǒng)、電液振動臺、直流電力測功機、發(fā)動機排放分析儀、發(fā)動機電控系統(tǒng)開發(fā)裝置及工況模擬器、計算機工作站及 件、非接觸式速度儀、噪聲測試系統(tǒng)、轉鼓試驗臺、電動車蓄電池試驗臺、電機及其控制系統(tǒng)試驗臺等。該實驗室針對 了多方面的研究 ,其中 ,在 制量、輪速信號抗干擾處理、輪速信號異點剔除、防抱死電磁閥動作響應研究等方面的研究處于國內領先地位。 吉林大學汽車動態(tài)模擬國家重點實驗室以郭孔輝院士為代表的研究人員致力于汽車操 縱穩(wěn)定性、汽車操縱動力學、汽車輪胎模型、汽車輪胎穩(wěn)態(tài)和非 穩(wěn)態(tài)側偏特性的研究 ,在輪胎力學模型、汽車操縱穩(wěn)定性以及人 - 車閉環(huán)操縱運動仿真等方面的研究成果均達到世界先進水平。 華南理工交通學院汽車系以吳浩佳教授為代表從事汽車安全與電子技術及汽車結構設計計算的研究 ,在 術方面有獨到之處 ,能夠建立制動壓力函數(shù) ,通過車輪地面制動力和整車動力學方程計算出汽車制動的平均減速度和車速 ;還可以通過輪缸等效壓力函數(shù)計算防抱死制動時的滑移率。另外 ,在滑移率和附著系數(shù)之間的關系、汽車整車技術條件和試驗方法方面也有獨到見解 。 濟南程軍電子科技公司以 家程軍為代表的濟南程軍電子科技公司對制算法研究頗深 ,著有汽車防抱死制動系統(tǒng)的理論與實踐等專著幾本 ,專門講述 制算法 ,是國內 發(fā)人員的必備資料之一。另外 ,他們在基于 本科生畢業(yè)設計 第 10 頁 真環(huán)境實現(xiàn)防抱死控制邏輯、基于 發(fā)環(huán)境進行車輛操縱仿真和車輛動力學控制的模擬研究等方面也頗有研究。 重慶聚能公司產品包括汽車、摩托車系列 制動電子式單通道、制動電子式四通道和 壓電子式四通道等類型 置及 其相關零部件 30 多個品種 ,其 品已通過國家汽車質量監(jiān)督檢測中心和國家客車質量監(jiān)督檢測中心的認定 ,獲得國家實用新技術專利 ,并正式被列為國家火炬項目計劃。 西安博華公司主要產品是適用于大中型客車和貨車的氣壓四通道 適用中型面包車的液壓三通道 其相關零部件。其中 通過陜西省科委科技成果鑒定和陜西省機械工業(yè)局新產品鑒定 ,認為該項技術已達到國內領先水平。 山東重汽集團引進國際先進技術進行的研究也已取得了一些進展。 重慶公路研 究所研制的適用于中型汽車的氣制動 置已通過國家級技術鑒定 ,但各種制動情況的適應性還有待提高。 清華大學研制的適用于中型客車的氣制動 陶瓷材料的應用將迅速擴展 ;金剛石和 硬材料的應用將進一步擴大 ;新刀具材料的研制周期會越來越短 ,新品種新牌號的推出也將越來越快。人們所希望的既有高速鋼、硬質合金的強度和韌性 ,又有超硬材料的硬度和耐磨性的新刀具材料也完全有可能出現(xiàn)。 本文主要講述以 80成了信號輸入回路、輸出驅動回路、電 源部分及故障診斷等硬件電路設計，對輪速傳感器、電磁閥等的故障檢測電路進行了設計。 本科生畢業(yè)設計 第 11 頁 本科生畢業(yè)設計 第 12 頁 2防抱死制動系統(tǒng)基本原理 動時汽車的運動 動時汽車受力分析 汽車在制動的過程中主要受到地面給汽車的作用力、風的阻力和自身重力的作用。地面對汽車的作用力又分為 :作用在車輪上垂直于地面的支承力和作用在車輪上平行于地面的力。汽車在直線行駛并受橫向外界干擾力作用和汽車轉彎時所受到地面給汽車的力如圖 2中 的大小決定于路面的縱向附著系數(shù) 和車輪所受的載荷。所有車輪上所受地面制動力的總和作為地面給汽車的總的地面制動力，他是使汽車在制動時減 速并停止的主要作用力。 地面作用在每個車輪上的側滑摩擦力，側滑摩擦力的大小取決于側向附著系數(shù)和車輪所受的載荷，當車輪抱死時，側滑摩擦力將變得很小，幾乎為零。汽車直線制動時，若受到橫向干擾力的作用，如橫向風力或路面不平，汽車將產生側滑摩擦力來保持汽車的直線行駛方向，如圖 2a） 圖 2車直線和轉彎制動時的平面受力簡圖 所示。若汽車在轉彎時制動或在制動時轉彎，也將產生側滑摩擦力使汽車能夠轉向， 如圖 2b)所示。地面制動力決定制動距離的長短，側滑摩擦力則決定了汽車制動時的方向穩(wěn)定性。這里將作用在前輪上的側滑摩擦力稱為轉彎力，將作用在后輪上的側滑摩擦力稱為側向力。轉彎力和汽車的方向操縱性有關，它保證了汽車能夠按照駕駛員的意愿轉向 ;側向力和汽車的方向穩(wěn)定性有關，它保證了汽車的行進方向。轉彎力越大，汽車的方向操縱性越好 ;側向力越大，汽車的方向穩(wěn)定性越好。 如上所述，施加適當?shù)闹苿?，能夠有效地使汽車停下。制動強度過大，是汽車發(fā)生各種危險運動狀況的主要原因。因此，汽車行駛時，要根據(jù)冰路、雪路、 本科生畢業(yè)設計 第 13 頁 砂石路、 壞路、水濕路、干路、直路、彎曲路等道路條件，根據(jù)汽車速度、方向轉角等行駛條件進行制動操作，必須時常注意不能讓車輪完全抱死。 輪抱死時汽車運動情況 車輪抱死時汽車所受到的側滑摩擦力將會變的很小，這將使汽車制動時保持方向操縱性和方向穩(wěn)定性的轉彎力和側向力變的很小，使汽車在制動時出現(xiàn)一些危險的運動情況。對 統(tǒng)來說，就是要防止這些危險情況的出現(xiàn)。下面從汽車在一種路面上直線和轉彎制動兩方面簡單討論一下當車輪抱死時汽車的運動情況。 （ 1）汽車在一種路面上直線運動制動車輪抱死時可能出現(xiàn)的運動情況如圖2 2a)為只有前輪抱死時，由于前輪的轉彎力基本為零，無法進行正常的轉向操作。為制動時前輪全部抱死而后輪不抱死汽車的運動情況示意，當前輪抱死時轉彎力為零，駕駛員無法控制汽車的方向使汽車轉向來避讓前方的障礙物，這時由于汽車后輪不抱死，所以汽車仍具有側向力來維持方向穩(wěn)定性。圖2b)為只有后輪抱死時，后輪的側向力接近于零，汽車仍具有方向操縱性，但會因后輪抱死而失去方向穩(wěn)定性使汽車側滑。汽車不能保持原來的行駛方向，由于離心力和前輪轉向力的作用，汽車將一面旋轉一面沿曲線行駛 (這種運動叫外旋轉 )。圖 2c)為前后車輪全部抱死時時轉彎力和側向力都為零，這種狀態(tài)很不穩(wěn)定，路面不均勻、左右輪地面制動力不相等時，即使對汽車施加很小的偏轉力矩，汽車就會產生不規(guī)則運動而處于危險狀態(tài)，在不規(guī)則旋轉的過程中將制動釋放，汽車就會沿著瞬時行駛方向急速駛出，這也是很危險的。 （ 2）汽車在一種路面上轉彎制動車輪抱死時可能出現(xiàn)的運動情況如圖 2有這些運動情況若在制動時出現(xiàn)，都是極其危險的 。 從上面對出現(xiàn)這些危險運動情況的簡單分析可以看出，制動時車輪抱死導致汽車出現(xiàn)各種危險運動情況，實質上是汽車因失去相應的 維持本身方向穩(wěn)定性方向操縱性的側滑摩擦力而使汽車出現(xiàn)這些運動情況，即車輪抱死導致汽車的側滑摩擦力為零。車輪的抱死程度和汽車的地面制動力及汽車的側滑摩擦力之間存在一定的關系， 所以能防止汽車制動時出現(xiàn)危險的運動情況，就是根據(jù)這個關系來調整車輪的運動狀態(tài)，以避免側滑摩擦力為零。 本科生畢業(yè)設計 第 14 頁 圖 2車直線制動車輪抱死時的運動情況 圖 2車轉彎制動車輪抱死時的運動情況 本科生畢業(yè)設計 第 15 頁 通常 ,汽車在制動過程中存在著兩種阻力 :一種阻力是制動器摩擦片與制動鼓或制動盤之間產生的摩擦阻力 ,這種阻力稱為制 動系統(tǒng)的阻力 ,由于它提供制動時的制動力 ,因此也稱為制動系制動力 ;另一種阻力是