10710116-陳凱-汽車防抱死制動系統(tǒng)中的力學(xué)分析-許成科

1、汽車防抱死制動系統(tǒng)中的力學(xué)分析物理與電子信息科學(xué)系 物理學(xué)專業(yè)10710116 陳凱 指導(dǎo)老師： 許成科摘 要: 隨著汽車行業(yè)高速的發(fā)展，汽車安全已越來越受到重視，汽車防抱死制動它的主要作用是在汽車緊急制動時(shí)，防止車輪抱死，提高汽車制動的穩(wěn)定性和方向的可控性，縮短制動距離，延長輪胎壽命。本文首先闡述了汽車防抱死制動系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r，引出其研究的意義，介紹了其工作原理，然后根據(jù)流體力學(xué)利用拉氏變換對液壓制動系統(tǒng)進(jìn)行分析得出其傳遞函數(shù)，并根據(jù)滑移率與附著系之間的關(guān)系分析出最小的制動安全距離，最后還分析了汽車制動時(shí)軸水平、上坡以及下坡時(shí)的受力情況。關(guān)鍵詞: 汽車防抱死制動系統(tǒng)；流體力學(xué)；最小安全距離；

2、軸目 錄1.引言（1）1.1課題研究的背景（1）1.2課題研究的意義（2）2.汽車防抱死制動系統(tǒng)作的工作原理（3）2.1理想的制動系統(tǒng)（3）2.2 ABS系統(tǒng)的工作過程（4）2.2.1常規(guī)的制動過程（4）2.2.2減壓過程（5）2.2.3保壓過程（5）2.2.4增壓過程（6）3. 汽車防抱死制動系統(tǒng)中的力學(xué)分析（6）3.1 ABS液壓系統(tǒng)研究分析（6）3.1.1線性定常系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（7）3.1.2驅(qū)動機(jī)構(gòu)模型的建立（7）3.1.3車輪的制動模型（9）3.2安全距離的研究分析（10）3.2.1車輛制動過程的動力學(xué)模型（11）3.2.2車輛行駛最小安全距離的確定（12）3.3.ABS汽車制動時(shí)軸

3、的受力分析（15）3.3.1制動時(shí)車輪受力分析（15）3.3.2汽車水平制動受力分析（16）3.3.3汽車下坡制動受力分析（18）3.3.4汽車上坡制動受力分析（19）4. 結(jié)論（20）參考文獻(xiàn)（21）致謝(23）1.引言1.1課題研究的背景汽車防抱死制動系統(tǒng)(anti-lock braking system)簡稱ABS，它是國家十五規(guī)劃中重點(diǎn)發(fā)展的汽車電子產(chǎn)品，主要的作用就是在汽車緊急制動時(shí)，防止車輪抱死，提高汽車制動的穩(wěn)定性和方向的可控性，縮短制動距離，延長輪胎的使用壽命。國內(nèi)研究ABS雖然起步晚較晚，也取得了一定的成果。比如在ABS的氣壓方面，國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)取得了一定的發(fā)展規(guī)模。而液壓AB

4、S，由于技術(shù)難度較大，國外技術(shù)成果封鎖嚴(yán)密，國內(nèi)企業(yè)暫時(shí)還不能獨(dú)立的生產(chǎn)，但在液壓ABS方面我們也在不斷努力的做自主研究，決心突破國外跨國公司的技術(shù)壁壘，而且也取得了一定的新的進(jìn)展和突破。比如清華大學(xué)和浙江亞太等承擔(dān)的汽車液壓防抱死制動系統(tǒng)(ABS)“九五”國家科學(xué)技術(shù)攻關(guān)課題，在ABS控制理論和方法、電子系統(tǒng)控制單元、液壓系統(tǒng)控制單元、開發(fā)裝置和匹配技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)方面均取得了重大成果。采用的耗散功理論，去除了過去邏輯門規(guī)定值的研究技術(shù)的局限性，理論取得較大突破，成功地讓ABS研發(fā)進(jìn)入結(jié)構(gòu)化，生產(chǎn)批量階段。在南京其式樣全面達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)(GB12676-1999)歐洲法規(guī)EECR13的要求在I

5、VECO輕型客車上使用。對提高國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)和汽車零件，有夸時(shí)代的意義，代表著國內(nèi)的液壓汽車系統(tǒng)技術(shù)有了質(zhì)的飛越。國內(nèi)的液壓ABS技術(shù)含量相比國外雖有一定的差距，但是在政府大力支持和國內(nèi)豐富人力資源配合下，相信國內(nèi)能再較短的時(shí)間內(nèi)在ABS技術(shù)的某些領(lǐng)域趕超國際水平。在國外，當(dāng)我們進(jìn)入90年代后，ABS不斷與時(shí)俱進(jìn)發(fā)展成熟，控制的精度，和原理不停地提高。目前很多發(fā)達(dá)國家已廣泛運(yùn)用制動技術(shù)而且比較成熟國家對于這一塊的資金投入也比較大，防抱死裝置變?yōu)槠嚤匦栉锲芬呀?jīng)在很多種類型的車上使用成功?，F(xiàn)在南美和東歐85%左右的各種大型客車與小型的運(yùn)車制動系統(tǒng)的安裝率達(dá)到了，普通轎車的ABS裝備率大約在65%以

6、上，制動系統(tǒng)安裝為100%的貨車輸送危險(xiǎn)物品。制造制動裝置的企業(yè)有：博世德國公司(SCHBO)日、歐、韓、美國采用較多：德科美國公司(LCDE),韓國的大宇和美國的通用汽車采用：本迪克斯美國公司(BENELX)，美國的克萊斯勒車運(yùn)用：還有德國載維斯公司(STEVEH)、德國的瓦布科(OWABC)、凱爾西海斯美國公司(SKELSEYAYE)等，他們的防抱死裝置應(yīng)用廣泛，而且還不斷地進(jìn)展、升級與換代1。1.2課題研究的意義傳統(tǒng)的制動控制系統(tǒng)主要的控制特點(diǎn)是能均勻地分配油液壓力，踏下制動板時(shí)，定量的油液被主缸送回到制動器缸輪中，再用一個(gè)比率閥讓前后達(dá)到平衡，但制動器或別的制動系統(tǒng)則是按照每個(gè)ABS需

7、要來進(jìn)行油液壓力的調(diào)節(jié)，當(dāng)前ABS裝置已經(jīng)發(fā)展成為比較完善的產(chǎn)品，并且得到廣泛的應(yīng)用在很多車上，問題是這些裝置基本都建立在車輪加、門限的減速與利用滑移率的方法來設(shè)計(jì)，方法實(shí)用且簡單，但其調(diào)試較比較困難，車輛需不同則需要不同的技術(shù)來匹配，然后加以驗(yàn)證在不一樣的路上。制動控制系統(tǒng)的重要問題在于控制的穩(wěn)定性，即系統(tǒng)的魯棒性(robustness),應(yīng)保證在各種情況下制動系統(tǒng)的控制作用不消失，防抱死系統(tǒng)要求更高的可靠行，否則會導(dǎo)致人身傷亡和車輛損壞。因此，發(fā)展魯棒性的ABS系統(tǒng)成為關(guān)鍵所在。目前，成熟的魯棒性制動系統(tǒng)應(yīng)用到制動的控制邏輯里，除傳統(tǒng)方法的邏輯門限以外，魯棒系統(tǒng)控制是用的較多的，包括PID

8、增益控制調(diào)度、變動控制與模糊控制，基于滑移率作為目標(biāo)的連續(xù)系統(tǒng)控制是目前最常所用的?？刂颇：ㄊ墙⒔?jīng)驗(yàn)的規(guī)則和控制，和模型系統(tǒng)沒關(guān)系。擁有較好的靈活性在魯棒性和規(guī)則的控制上，但調(diào)整參數(shù)比很困難，且無在理論上沒公式定理，大多上是用試湊的方法，然而對大多數(shù)建立在目標(biāo)值的控制來說，控制是有規(guī)律的2。另一方面，目前幾乎所有的的文件、論文、雜志、報(bào)刊等，關(guān)于汽車防抱死制動系統(tǒng)的研究，不外乎兩種情況：一、對ABS進(jìn)行全面的分析解說，包括物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等；二、對ABS中涉及物理的某一方面進(jìn)行詳細(xì)的解說。為了讓讀者更好地了解ABS中的力學(xué)知識，本文將幾個(gè)方面進(jìn)行有關(guān)汽車防抱死制動系統(tǒng)的力學(xué)分析。2

9、.汽車防抱死制動系統(tǒng)工作原理2.1理想制動系統(tǒng)汽車的實(shí)際速度與輪胎滾動的圓周速率的差異叫作滑移率，滑移率定義公式為3式 (1)式中：-中心速度、-角速度、r-滾動的半徑?；坡剩?）圖1 附著系數(shù)與滑移率的曲線變化4不制動時(shí)，車輪會作純滾動，這時(shí)候滑移率;抱死時(shí)的車輪有，滑移率。制動的過程中路面和輪胎的附著的系數(shù)實(shí)是個(gè)變量，如圖1所示為橫向和縱向的附著系數(shù)變化與滑移率的變化曲線4。從圖1中我們可以看出滑移率時(shí)，附著的系數(shù)比較小在縱向上，地面的制動的力也不是最大，這時(shí)制動的距離不最短，同時(shí)這時(shí)側(cè)向的附著系數(shù)為零，能承受側(cè)向的力是零。這時(shí)的汽車極易甩尾、掉頭、和消去前輪的轉(zhuǎn)向的能力等等危險(xiǎn)的現(xiàn)象。

10、理想ABS系統(tǒng)應(yīng)該能避免車輪的抱死，能自動保持滑移率在之間內(nèi)工作，能夠利用最大的附著系數(shù)來獲得最大的地面制動力和最短的制動距離。同時(shí)還要有較高的側(cè)向附著系數(shù)，可以承受較大的側(cè)向力而且不導(dǎo)致側(cè)滑，并可以保持汽車方向的制動能力，具有良好的制動方向穩(wěn)定性5。2.2.ABS系統(tǒng)的工作過程ABS主要由傳感器、ECU和執(zhí)行器三部分組成，其功能見圖1。汽車在制動過程，如果出現(xiàn)抱死會造成很嚴(yán)重的后果。為了避免這種情況，我們可以將控制滑移率在之間，此時(shí)候路面和車輪間縱向的附著系數(shù)最大，可獲得最大地面的制動力，讓制動距離縮短；并且車輪和地面間的橫向的附著系數(shù)很大，使汽車在制動時(shí)能夠地維持方向的穩(wěn)定和轉(zhuǎn)向控制的能力

11、6。汽車在制動過程中，ABS會調(diào)節(jié)制動力，控制滑移率在之間，避免車輪抱死，以獲得最佳的性能制動。ECU先接受傳感器傳來得輸入信號，判斷分析后控制命令輸出，控制制動壓力調(diào)節(jié)器來進(jìn)行壓力的調(diào)節(jié)。2.2.1常規(guī)的制動過程如圖2，電磁閥不通電，銜鐵在圖示位置，輪缸與主缸之間管路相通，主缸可以隨時(shí)控制制動壓力的增加和減少。此時(shí)的液壓泵不啟動7。圖2常規(guī)的制動過程7其中：1-主缸11、5、2-單向閥3-電動機(jī)與液壓泵總稱4-ECU 6-儲液器7-前輪傳感器8-輪缸 9-回位彈簧10-磁化線圈12-三位電磁定位閥2.2.2減壓過程如圖3，這時(shí)ECU給電磁閥拘于比較大的電流，柱塞往上移動，輪缸與主缸之間的通道

12、被切斷。這時(shí)儲液器通過的通路把輪缸被接通，儲液器接收制動液，這時(shí)制動的壓力被降低。此時(shí)，電動機(jī)帶動液壓泵啟動，把儲液器里的制動液經(jīng)加壓再送到主缸7。圖3減壓過程72.2.3保壓過程如圖4，這時(shí)輪缸的制動管壓力會降低（或升壓的過程壓力被升高），讓車速升到預(yù)定值，這時(shí)傳感器就會給ECU發(fā)送相應(yīng)的信號，接到信號后的ECU就會控制線圈通過較小電流，相應(yīng)的線圈所產(chǎn)生的磁力跟著會相減小，這時(shí)三相電磁換的向閥的閥芯被彈簧拉移至中心的位置，C孔與B孔都會關(guān)閉，單向閥也關(guān)閉，所以輪缸中制動液被封閉，壓力得以保持7。圖4保壓過程72.2.4增壓過程如圖5，只有輪缸的制動液壓力升高時(shí)，才能產(chǎn)生更大的制動力，從而使車

13、速盡快地降低。這時(shí)ECU使磁化線圈斷電，三位電磁換向閥被回位彈簧拉下，主缸中的制動液經(jīng)B孔和A孔流入輪缸當(dāng)中，從而使輪缸中的制動液壓力升高，制動力增大7。圖5增壓過程7當(dāng)制動力增大到一定程度時(shí)，車輪有會出現(xiàn)即將抱死的狀態(tài)，這時(shí)候又需要對輪缸進(jìn)行降壓，從而開始下一個(gè)降壓-保壓-升壓的循環(huán)。防抱死制動系統(tǒng)裝置室一個(gè)以脈沖的形式（脈沖頻率為4HZ到10HZ)對制動壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，原則是始終把車輪的滑移率控制在之間的范圍內(nèi)，防止輪胎抱死、脫滑，最大限度地保證了汽車制動時(shí)的穩(wěn)定性，縮短了制動距離。3.ABS系統(tǒng)中的力學(xué)分析3.1.ABS液壓系統(tǒng)研究分析目前ABS技術(shù)已日趨成熟，但ABS建立實(shí)時(shí)的模型卻變?yōu)?/p>

14、ABS技術(shù)難題突破的限制，本節(jié)將從制動系統(tǒng)的液壓來入手，建立ABS控制的模型為ABS的未來研究和系統(tǒng)控制的實(shí)施給予技術(shù)的參考。3.1.1線性定常系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型線性化：自動元件的控制和運(yùn)動方程的系統(tǒng)是非線性，但用非線性的微分方程來研究運(yùn)動的規(guī)律比較難，所以會盡進(jìn)行線性化的處理，對研究的系統(tǒng)。再進(jìn)行分用線性理論。小偏差的線性化法是常用線性化的方法8。小偏差的線性化方法是把非線性的函數(shù)，在它的工作點(diǎn)變臺勞級數(shù)，高階項(xiàng)出去，替代原先非線性的函數(shù)的方法。一個(gè)有自變量非線性的線性化小偏差增量的方程公式為： (2)對于變量較多的非線性化函數(shù)它線性化小偏差的增量方程為： (3)根據(jù)線性化的理論能構(gòu)建液壓系統(tǒng)機(jī)

15、構(gòu)方程，下面我根據(jù)同樣方法對ABS理論模型進(jìn)行系統(tǒng)的分析。3.1.2驅(qū)動機(jī)構(gòu)模型的建立依據(jù)體力學(xué)，進(jìn)入制動鋼輪的流量為Q(如圖6所示)： (4)其中：流量的系數(shù)；A閥流過的面積；油源的壓力；P為缸壓力；為油液密度，開始制動時(shí)(忽略油液壓縮性)，根據(jù)流量連續(xù)方程的連續(xù)性求出活塞運(yùn)動的速度： (5)圖6車輪系統(tǒng)制動示意圖8作用的面積，制動間隙為,那么去除間隙的時(shí)間為，是制動器的響應(yīng)和滯后間隔。 (6)間隙被制動消除后，進(jìn)入制動鋼輪的油液有三種表態(tài)：增壓、保壓、減壓。A:增壓規(guī)律變化： (7)管路與油缸的容積：油液彈性的模量，將(2)式帶入(5)式得： (8)B:減壓規(guī)律變化；減壓的過程里，制動缸流

16、出的油液為： (9)油缸壓力下降變化率為： (10)C：保壓時(shí)的變化規(guī)律： (11)將三種狀態(tài)按統(tǒng)一公示描述，并進(jìn)行線性化處理得： (12)-閥的線性化系數(shù)(僅與狀態(tài)有關(guān)與時(shí)間無關(guān)，故用常量描述)，由油壓的變化引起的車輪上制動力的變化為： (13)-是與制動器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和線性化系數(shù)有關(guān)的常數(shù)。3.1.3車輪的制動模型采用單輪車輛系統(tǒng)模型，忽略了空氣阻力與滾動的阻力，其方程為9：車輛的運(yùn)動方程： (14)車輪的運(yùn)動方程： (15)縱向的摩擦力：F=N (16)制動力矩： (17)M-車的質(zhì)量、V-車的速度、F-摩擦力、I-轉(zhuǎn)動的慣量、R-滾動的半徑、-角速度、-附著系數(shù)、N-地面給車輪的向反力、

17、-制動力對系數(shù)采用雙線性的模型滑移率曲線(即曲線，如圖2.1中的圖1所示)進(jìn)行簡化它表達(dá)式： (18) (19)-峰值，依據(jù)汽車的理論，得出滑移率的定義為： (20)根據(jù)線性化分段，動力和系統(tǒng)可分穩(wěn)定的區(qū)域()和不穩(wěn)定的區(qū)域()分析解析：(1)在區(qū)域，令斜率曲線可近似為： (21)將(16)，(17)，(18)，(19)，(21)帶入(17)中，計(jì)算出車輪運(yùn)動的方程： (22)對(22)式求導(dǎo)得： (23)對(23)式做拉氏變換，根據(jù)拉氏算子變換s代替上式的得： (24)所傳遞的函數(shù)為：,顯然特征根,得出這特征的系統(tǒng)，在收到干擾的情況下，系統(tǒng)可自動的恢復(fù)至平衡。(2)同理，時(shí)，令,經(jīng)過替換得運(yùn)

18、動的方程： (25)對(24)式用拉氏變換，得出傳遞的函數(shù)： (26)該函數(shù)的特征根，則系統(tǒng)很不穩(wěn)定。當(dāng)汽車制動的時(shí)候，可利用線性化理論可以建立液壓機(jī)構(gòu)的微分方程，將用這種方法對ABS系統(tǒng)的理論模型進(jìn)行分析如果ABS控制器通過對三通閥電磁線圈電流(或電壓)的控制能使車輪的滑移率始終處于范圍內(nèi)(一般取在15%-25%),則系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，其傳遞函數(shù)為： (27)3.2安全距離的研究分析車輛在正常行駛時(shí)使用各種傳感器不斷給駕駛員傳遞各種環(huán)境信息，如道路狀況、交通狀況、車輛的運(yùn)行情況。在故障面前，檢驗(yàn)與前方車輛或障礙物的距離，必要時(shí)還要實(shí)現(xiàn)自動智能，以主動避免各種撞擊，主動安全性是目前車輛最重要的

19、研究領(lǐng)域之一，而安全距離的研究和計(jì)算是評價(jià)車輛安全性的重要方面。3.2.1車輛制動過程的動力學(xué)模型以四輪車做為例子，忽略空氣的阻尼懸和動力學(xué)系統(tǒng)的和的影響，現(xiàn)在分析輪制動的情況的出動力學(xué)方程得10： (28) (29)式中：M是承載質(zhì)量：mg為車輪和路面之間的摩擦力：是路面和車輪之間縱向的摩擦系數(shù)：為車輪與路面間的滑移率： (30)J、R分別為轉(zhuǎn)動慣量、半徑以及角速度：V為汽車的的速度：為施加在車輪上的制動力矩,k為比率系數(shù)，F(xiàn)為制動力。當(dāng)制動時(shí)，是車輪逐漸減速，直至停車。在制動過車中路面和車輪即存在滾動，又存在滑動，有式(28)可見，時(shí)，而,制動的力矩過大發(fā)生抱死，地面相對車輪作純滑動而讓車

20、輛失控，當(dāng)滾動的速度等于車速時(shí)，即,沒有路面和車輛的滑動，這種情況是正常行駛時(shí)，想要讓車輛盡快在盡最短的距離內(nèi)剎住車，主要依賴路面間和車輛之間相對滑動的時(shí)候所出現(xiàn)生的摩擦力，當(dāng)時(shí)縱向的摩擦系數(shù)最大(見圖8(a)11,盡管很多路面之間條件有較大差異，但是最大值一般發(fā)生在處，圖8(b)所示出當(dāng)時(shí)側(cè)向間摩擦的系數(shù)還有比較大的值，保證車輛不會發(fā)生側(cè)滑或失控。所以，在許多不同條件下能保持是具有防抱死性能車輛智能的控制系統(tǒng)技術(shù)要求之一。當(dāng)智能制的動系統(tǒng)輸出自動運(yùn)行信號時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)制動過程中制動力的變化如圖1所示其中味單面機(jī)發(fā)出自動制動的啟動命令后制動器開始動作的延時(shí)時(shí)間(通常在0.2s至0.5s之間)，

21、為制動力F有0增至所需時(shí)間(通常小于0.1s)，為持續(xù)制動時(shí)間，這段時(shí)間認(rèn)為車輛的減速度保持不變。tF圖7制動力的變化11(a)(b)圖8摩擦系數(shù)與化率曲線的關(guān)系11,為持續(xù)制動力。期間，保持，由(29)式和(30)式推得最大減速度為： (31)又最大摩擦力為： (32)帶入式(29)有： (33)所以： (34)將式(32)帶入(31)式得 (35)3.2.2車輛行駛最小安全距離的確定當(dāng)車輛進(jìn)行中發(fā)現(xiàn)前方有障礙物，這時(shí)在最小的安全距離的地方，智能系統(tǒng)制動自動地啟動制動裝置，分為兩種情況在制動過程時(shí)考慮，第一前方的障礙物勻速地運(yùn)動，第二前方的障礙變速地運(yùn)動。(1)前方障礙勻速運(yùn)動：制動的過程主

22、要分兩部分(障礙物相對車輛行駛的距離)，即時(shí)行駛的相對的距離和時(shí)行駛相對的距離,由于較小，忽略它的影響，則時(shí)間段 行駛相對的距離為： (36)是制動開始的時(shí)候車相對前方車或障礙所行駛相對的速度，：是開始時(shí)行駛時(shí)絕對的速度：為開始時(shí)障礙運(yùn)動絕對的速度，當(dāng)時(shí)，車輛和障礙同向地運(yùn)動，當(dāng)時(shí)，車輛和障礙反向地運(yùn)動，而在時(shí)行駛相對的距離為： (37)為結(jié)束時(shí)車行駛絕對的速度，則有持續(xù)的制動時(shí)間： (38)又因?yàn)?，所以?(39)車輛進(jìn)行中智能啟動制動最小的安全距離(前方障礙和車輛物的距離）為： (40)將(31)式帶入得： (41)D是安全的余量，即停止了制動與障礙間的位移，對計(jì)算的誤差與安全的余量要求決

23、定，D用鍵盤來輸入，當(dāng)前方得障礙停止時(shí)，車停止制動停止，這時(shí)智能啟動制動最小的安全距離是： (42)當(dāng)前方的車同向地行駛，而且前方的車行駛的速度比該車絕對的行駛速度慢時(shí)，當(dāng)最小安全的距離開始制動，制動以后要使，就能除去碰撞，此時(shí)的D是安全的余量保持兩車之間的距離。(2)前方的障礙物變速地運(yùn)動設(shè)制動剛開始時(shí)至自動過程任意的時(shí)刻為t,前方的障礙速度的變化量為v(t),根據(jù)(41)式，所以有車進(jìn)行中智能啟動制動最小的安全距離(車輛與前方障礙物的相對距離)： (43)當(dāng)v(t)>0時(shí)，障礙物做加速運(yùn)動，當(dāng)v(t)<0時(shí),障礙做減速的運(yùn)動。智能系統(tǒng)制動的傳感器測本車的行駛絕對的速度，和本車與

24、前方車間相對的速度。車運(yùn)行的情況就可以得出，是減速行駛或加速行駛，設(shè)開始制動前和時(shí)刻兩次相鄰之間的采樣可得到本車運(yùn)動絕對的速度為和，本車和前方車間相對的速度和，采樣間隔為T,有啟動前智能制動的系統(tǒng)，前方的車或障礙運(yùn)動的加速度： (44)和為開始制動前。前方的車兩次相鄰的采樣時(shí)刻行運(yùn)動絕對的速度，可知智能系統(tǒng)制動的過程前方的車均以加速地行駛，由(44)分析得知，當(dāng),前方的車加速運(yùn)動，會讓智能系統(tǒng)制動最小的安全距離變大，增加或減小的量如下計(jì)算： (45)t為制動時(shí)間，由系統(tǒng)制動的機(jī)械性決定，如圖7，由式（40）確定，考慮安全情況，制動結(jié)束時(shí)，本車的決對速度，由式(40)和式(41)，但實(shí)際制動的過

25、程大小可依據(jù)實(shí)際的情況具體地控制。由式(44)分析還可以看出制動臨界的距離,根據(jù)制動前車運(yùn)動速度，剛制動時(shí)障礙與車運(yùn)動相對的速度，ABS的機(jī)械狀態(tài)（），讓滑移率在20%之間保持，不一樣況情的路況摩擦的系數(shù)，制動時(shí)前方的障礙速度變的化量v(t)決定，不同車型的參數(shù)都不同，參數(shù)部分存在內(nèi)存里，有些用鍵盤來設(shè)定，例如，不相同路況摩擦的系數(shù)存于內(nèi)存，路況情況（冰路面、濕路面、干路面）可由司機(jī)在鍵盤里選擇，車輛系統(tǒng)智能制動在時(shí)報(bào)警(，t是司機(jī)反的映時(shí)間，小于3秒)，提示司機(jī)采用防衛(wèi)的措施，司機(jī)不能恰當(dāng)?shù)刈龀龇从硶r(shí)，當(dāng)時(shí)，自動的制動部分將投入工作中。3.3.ABS汽車制動時(shí)軸的受力分析當(dāng)緊急制動時(shí)會出現(xiàn)3

26、種情況及所產(chǎn)生的3種狀況:前輪最先拖滑抱死，然后是后輪拖滑抱死，制動時(shí)汽車轉(zhuǎn)向的能力會失去。后輪最先拖滑抱死，然后再是前輪拖滑抱死，這時(shí)后軸的側(cè)滑很可能會產(chǎn)生。前輪和后輪一起拖滑抱死則可讓后軸不側(cè)滑，這時(shí)前輪轉(zhuǎn)向輪只有當(dāng)制動的強(qiáng)度最大才會讓車消去轉(zhuǎn)向的能力12。所以，制動器制分配動力的比例決定著汽車制動的性能，同時(shí)也是防抱死系統(tǒng)制動(ABS)基礎(chǔ)的理論。分析裝有ABS制動裝置的汽車制動的前和后軸受力就是它研究的依據(jù)。3.3.1制動時(shí)車輪受力分析汽車要想讓速度制動至比較小的車速或者到停車，就必須受一個(gè)和運(yùn)動的方向相反的力，且外力必須由地面與空氣提供，但是空氣阻力較小，所以外力主要還是以地面作為來

27、源。和輪胎直接接觸的地面給予相應(yīng)的車輪建立了地面的制動力?？傻孛娈a(chǎn)生制動力決定于摩擦力，一為制動器的制動摩擦片和制動鼓面間產(chǎn)生摩擦力制動力，二為路面和輪胎產(chǎn)生的摩擦力附著力(地面制動力)。圖輪胎制動的受力示意圖，地面的制動力確定如下： (46)式(46)中：為制動力(N):M為制動摩擦力矩(NM)，制動器產(chǎn)生的制動力就相當(dāng)把汽車架開路面，并且踩穩(wěn)踏板，并在輪胎的周邊按照切線方向推車輪至它能夠轉(zhuǎn)動所比需的力，具體可以由(47)式確定： (47)其中：為制動器的制動力(N),當(dāng)制動踏板制動力比較小的時(shí)候，制動器摩擦力矩不大。圖1vGOMW圖9車輪在制動時(shí)的受力情況12圖9為車輪在制動時(shí)的受力情況示

28、意圖，地面制動力確定如下： (48)式(48)中：地面的制動力(N):M為制動摩擦力矩(NM)，制動器制動力相當(dāng)于將汽車架離路面，并踩住制動踏板，在輪胎周邊沿切線的方向推動車輪直到它能轉(zhuǎn)動所需要的力，具體可以由(49)式確定： (49)其中：制動器的制動力(N),當(dāng)制動踏板制動力比較小的時(shí)候，制動器摩擦力矩不大，路面與車輪胎間的摩擦力地面的制動力足以克服制動器就相當(dāng)于制動器的動力，而且跟著踏板力的升高而增大，但是滑動摩擦力是地面的制動力的反向約束力，且值可以大于附著力，即： (50)其中：為地面的附著力(N):G為垂直的載荷：為地面附著系數(shù)(附著力和垂直的載荷比)。制動器的制動力相當(dāng)把將車架離

29、了路面，并且踩住制動踏板，在輪胎周邊沿切線的方向推動車輪直到它。3.3.2汽車水平制動受力分析是汽車在水平路面上制動時(shí)的受力情況，圖中忽略了汽車的滾動阻路偶矩、空氣阻力以及旋轉(zhuǎn)質(zhì)量。由圖10得對后輪的接地點(diǎn)去力矩得：圖10水平制動時(shí)的受力情況12 (51)(51)中：G為汽車中重力(N)：b汽車質(zhì)心至后軸中心線的距離(m)：m為車的質(zhì)量(kg)Hg為汽車質(zhì)心高度(m):為汽車的減速度(m/),對前輪接力點(diǎn)去力矩得： (52)其中：為地面對后輪法向反的作用力：a為質(zhì)心至前軸中心線的距離。令， (53)由于裝有ABS系統(tǒng)，所以前、后的輪胎都會處在最佳的滑移率，也叫邊滑邊滾的狀態(tài)，此時(shí)(總制動力)=

30、(附著力)或。地面產(chǎn)生的前、后輪胎法向的作用力是： (54)在所有附著系數(shù)為路面，前、后輪胎一起抱死條件為：前、后的輪制動力相加為附著力，而后輪輪胎制動器的制動力與 各自的附著力相等，即 (55)將(54)帶入(55)式得： (56)消去變量得13： (57)3.3.3汽車下坡制動受力分析圖11是汽車在下坡制動時(shí)的受力情況，跟圖10相同圖中也是忽略車的滾動阻力的偶矩，空氣阻力和旋轉(zhuǎn)的質(zhì)量在減速時(shí)所產(chǎn)生的慣性力。另外，下面分析中也會忽略制動時(shí)車輪邊滑邊滾過程，附著系數(shù)是個(gè)定值。圖11下坡制動時(shí)的受力情況12根據(jù)圖11對前、后輪胎接地的點(diǎn)取力矩有： (58)則法向的地面反作用力是： (59)據(jù)前輪

31、和后輪同時(shí)處于最佳的滑移率時(shí)，即邊滑邊滾的臨界條件得： (60)將(59)式帶入(60)式，并消去變量可得13：(61)3.3.4汽車上坡制動受力分析圖12是汽車上坡時(shí)制動受力分析，圖中同樣也是忽略車的滾動阻力的偶矩，空氣阻力和旋轉(zhuǎn)的質(zhì)量在減速時(shí)所產(chǎn)生的慣性力。另外，下面分析中也會忽略制動時(shí)車輪邊滑邊滾過程，附著系數(shù)是個(gè)定值。圖12汽車上坡時(shí)制動受力分析12根據(jù)圖11前后輪在接地點(diǎn)取力矩為： (62)則法向的地面反向作用力為: (63)根據(jù)前后輪同時(shí)處于最佳的滑移率，即邊滑邊滾的臨界條件為： (64)將(63)式帶入(64)式，并消去變量可得13： (65)因?yàn)橹苿悠鳒p速的影響，制動的過程時(shí)，

32、汽車前輪和后輪垂直的載荷始終變化。所以，路面給前輪和后輪所供給的附著力跟著在變化。就得讓前輪和后輪制動器的制動力也要應(yīng)該跟著路面的附著力變化而變化，避免制動的過程，盲目地去增大制動器的制動力。本文分析并計(jì)算裝有防抱死汽車水平運(yùn)動、上坡、下坡制動緊急的時(shí)候前輪和后車輪一起處在最佳的滑移率時(shí)受力的情況，并且推出了理想前輪和后輪制動器的制動力關(guān)系式，給計(jì)算車輛在制動過程中制動力對前、后軸的分配上，給予可行了可行性的方法。4.結(jié)論為了適應(yīng)汽車行業(yè)不斷地更新和發(fā)展，汽車防抱死制動系統(tǒng)就必須跟上時(shí)代的步伐，不斷地進(jìn)行優(yōu)化、改良、和升級，發(fā)展汽車防抱死制動系統(tǒng)已經(jīng)成為一個(gè)世界性的研究課題，本文將從物理學(xué)方面

33、對防抱死制動系統(tǒng)進(jìn)行一個(gè)較為全面的力學(xué)分析，論文主要完成了以下工作：闡述了選題的背景、目以及意義，綜述了國內(nèi)外汽車防抱死制動系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)研究進(jìn)展。(1) 介紹了汽車防抱死制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成、工作原理以及各部分的簡要制動情況，并建立了理想的制動系統(tǒng)。(2) 對ABS液壓制動系統(tǒng)進(jìn)行研究分析，采用線性定長系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)流體力學(xué)建立驅(qū)動結(jié)構(gòu)，并對車輪的制動情況進(jìn)行分析，利用拉氏變換得出其傳遞函數(shù)。(3) 對ABS制動系統(tǒng)的制動安全距離進(jìn)行研究分析，根據(jù)附著系數(shù)與滑移率之間的關(guān)系，建立制動過程的動力學(xué)模型，得出前方障礙物勻速運(yùn)動、前方障礙物變速運(yùn)動的最小安全距離。(4) 對ABS汽車制

34、動時(shí)軸的受力情況進(jìn)行分析，得出：汽車水平制動、上坡制動以及下坡制動時(shí)的具體受力情況及結(jié)果。希望通過本文對汽車防抱死制動系統(tǒng)中的力學(xué)分析，能夠?yàn)樽x者更好地了解ABS制動系統(tǒng)中所涉及的力學(xué)知識，對于本文中的不足之處，還有待日后不斷地進(jìn)行深入研究，敬請諒解。參考文獻(xiàn)1 李進(jìn)原. 汽車安全之ABS發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢J. 中國高新技術(shù)企業(yè), 2010,(31):31-32.2 鄭家杰, 孟春玲, 張力. 汽車制動控制系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)展J. 北京工商大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2005,(05):24-27.3 葉星寧 ,劉偉. 汽車防抱死制動系統(tǒng)(ABS)分析J. 中國集成電路, 2004,(07):40-43.

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37、hysical application analysisDepartment of Physics and Electronic Information Science, physics10710116 Chenkai Instructor: Xu ChengkeAbstract: With the development of automobile industry high-speed, auto safety has been more and more be taken seriously, automotive anti-lock brake it in the car is the main purpose of the emergency brake, to prevent wheel lock, improve the direction of the vehicle braking stability and controllable, shorten braking distance, extend the life of the tyre.At first, this paper expounds the dev