汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)控制方式的探索

1、 畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文系（部） 汽車工程系 專 業(yè) 汽車制造與裝配 班 級(jí) 2008級(jí)汽車制造與裝配四班 指導(dǎo)教師 趙力寧 姓 名 謝明偉 學(xué)號(hào) 200814081010147 汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)控制方式的探索【摘要】隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人們物質(zhì)生活水平的提高，人類社會(huì)對(duì)汽車的安全性，特別是制動(dòng)安全性能提出了越來越高的要求。汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)是一種在制動(dòng)時(shí)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)車輪制動(dòng)力，防止車輪抱死以取得最佳制動(dòng)效果的制動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠有效的縮短制動(dòng)距離、提高制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性，對(duì)汽車的行駛安全具有重要的意義。本文對(duì)汽車防抱制動(dòng)系統(tǒng)的核心部件電子控制單元(ECU)的控制方法進(jìn)行了研究，首先剖析

2、了防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的控制原理，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了ABS的結(jié)構(gòu)以及各部分的作用，并建立了模型。模型充分考慮了車體的動(dòng)力學(xué)模型、輪胎力學(xué)模型。分別對(duì)滑模變結(jié)構(gòu)控制、自尋優(yōu)控制、模糊控制理論、耗散功率控制、PID控制、四相邏輯門限控制算法進(jìn)行研究，可以看出自優(yōu)先控制用于汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)不僅具有理論意義，而且具有實(shí)用價(jià)值，是一種簡單、方便、具有較好操縱性、制動(dòng)性，并且有較好適應(yīng)性的方法。進(jìn)一步的研究工作一定要繼續(xù)開展下去?！娟P(guān)鍵詞】ABS PID 滑移率 附著系數(shù)27 / 30【目 錄】第一章緒論11.1 ABS系統(tǒng)發(fā)展歷程概述11.1.1ABS系統(tǒng)的發(fā)展歷程11.1.2 ABS未來發(fā)展趨勢(shì)11.2

3、本文研究的工作意義和主要容21.2.1本文研究意義21.2.2本文主要容安排3第二章 ABS系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理42.1汽車ABS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和各部分的作用42.1.1 ABS的基本組成42.1.2 液壓控制總成結(jié)構(gòu)52.1.3 ABS控制總成結(jié)構(gòu)52.2車輛制動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)分析62.2.1 汽車制動(dòng)時(shí)車輪受力分析62.2.2 車輪的滑移率與附著系數(shù)的關(guān)系72.3 ABS的工作原理92.3.1 ABS的工作過程92.3.2 ABS整體工作過程92.4 小結(jié)11第三章車輛ABS系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型123.1概述123.1.1 車輛動(dòng)力學(xué)建模意義123.1.2 車輛動(dòng)力學(xué)模擬概況123.1.3車輛動(dòng)力學(xué)模型研究

4、概況133.2車輛動(dòng)力學(xué)模型143.2.1雙輪車輛模型143.2.2輪胎模型153.2.3制動(dòng)系統(tǒng)模型173.3汽車ABS機(jī)械動(dòng)力學(xué)模型183.4汽車ABS的控制模型203.5小結(jié)21第四章汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的控制方法研究224.1滑模變結(jié)構(gòu)控制224.2自尋優(yōu)控制224.3模糊控制理論234.4耗散功率控制244.5 PlD 控制方法244.6四相邏輯門限控制方法的研究254.7小結(jié)26第五章結(jié)論27參考文獻(xiàn)28致 29第一章 緒論1.1 ABS系統(tǒng)發(fā)展歷程概述  1.1.1ABS系統(tǒng)的發(fā)展歷程ABS系統(tǒng)的發(fā)展可以追溯到本世紀(jì)初期，早在1928年制動(dòng)防抱理論就被提出，在3

5、0年代機(jī)械式制動(dòng)防抱系統(tǒng)就開始在火車和飛機(jī)上獲得應(yīng)用，博世（BOSCH）公司在1936年第一個(gè)獲得了用電磁式車輪轉(zhuǎn)速傳感器獲取車輪轉(zhuǎn)速的制動(dòng)防抱系統(tǒng)的專利權(quán)。進(jìn)入50年代，汽車制動(dòng)防抱系統(tǒng)開始受到較為廣泛的關(guān)注。福特（FORD）公司曾于1954年將飛機(jī)的制動(dòng)防抱系統(tǒng)移置在林肯（LINCOIN）轎車上，凱爾塞·海伊斯（KELSEHAYES）公司在1957年對(duì)稱為"AUTOMATIC"的制動(dòng)防抱系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明制動(dòng)防抱系統(tǒng)確實(shí)可以在制動(dòng)過程中防止汽車失去方向控制，并且能夠縮短制動(dòng)距離；克萊斯勒（CHRYSLER）公司在這一時(shí)期也對(duì)稱為"SKI

6、DCONTROL"的制動(dòng)防抱系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。由于這一時(shí)期的各種制動(dòng)防抱系統(tǒng)采用的都是機(jī)械式車輪轉(zhuǎn)速傳感器的機(jī)械式制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置，因此，獲取的車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)不夠精確，制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)的適時(shí)性和精確ABS防抱制動(dòng)系統(tǒng)由汽車微電腦控制，當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)，它能使車輪保持轉(zhuǎn)動(dòng)，從而幫助駕駛員控制車輛達(dá)到安全的停車。這種防抱制動(dòng)系統(tǒng)是用速度傳感器檢測車輪速度，然后把車輪速度信號(hào)傳送到微電腦里，微電腦根據(jù)輸入車輪速度，通過重復(fù)地減少或增加在輪子上的制動(dòng)壓力來控制車輪的打滑率，保持車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。在制動(dòng)過程中保持車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，不但可保證控制行駛方向的能力，而且，在大部分路面情況下，與抱死鎖死車輪相比，能提供更高的

7、制動(dòng)力量。ABS與常規(guī)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)相比有三個(gè)顯著的擾點(diǎn)：1.車輛控制-裝備有ABS的汽車駕駛員在緊急制動(dòng)過程中，保持著很大程度的操縱控制。在緊急制動(dòng)過程中，用標(biāo)淮的液壓制動(dòng)器產(chǎn)生的打滑使駕駛員失去對(duì)車輛的控制。ABS恢復(fù)穩(wěn)定性并使駕駛員恢復(fù)對(duì)車輛的控制。2.減少浮滑現(xiàn)象-潮濕、光滑道路和抱死車輛縱使形成被稱為浮滑現(xiàn)象的狀態(tài)，當(dāng)車輛駕駛員行駛在具有一層水和油薄膜的路面之上時(shí)，出現(xiàn)與浮滑現(xiàn)象相仿。由于ABS減少了車輪抱死的機(jī)會(huì)，因此，也減少了制動(dòng)過程中出現(xiàn)浮滑現(xiàn)象的機(jī)會(huì)。 3.改善了輪胎的磨損-使用ABS防止車輪抱死，消除了在緊急制動(dòng)過程中輪胎平斑的可能性。1.1.2ABS未來發(fā)展趨勢(shì)

8、（1）ABS和驅(qū)動(dòng)防滑控制裝置ASR一體化。ABS以防止車輪抱死為目的，ASR是防止車輪過分滑轉(zhuǎn)，ABS是為了緩解制動(dòng)，ASR是為了施加制動(dòng)。由于二者技術(shù)上經(jīng)較接近，且都能在低附著路面上充分體現(xiàn)它們的作用，所以將二者有機(jī)地結(jié)合起來。（2）動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)VDC（或電子穩(wěn)定控制（ESP）。VDC主要在ABS/ASR基礎(chǔ)上解決汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)的方向穩(wěn)定性問題。ABS與電子全控式（或半控式）懸架、電子控制四輪轉(zhuǎn)向、電子控制液壓轉(zhuǎn)向、電子控制自動(dòng)變速器等控制系統(tǒng)在功能、結(jié)構(gòu)上有機(jī)地結(jié)合起來，保證汽車在各種惡劣情況下行駛時(shí)，都具有良好的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。（3）ABS/ASR與自動(dòng)巡航系統(tǒng)（ACC）集成。自動(dòng)巡航

9、控制系統(tǒng)（ACC）的目的是在巡航行駛時(shí)自動(dòng)把車速限制在一個(gè)設(shè)定的速度，并且能夠根據(jù)前方車輛的行駛善，自動(dòng)施加制動(dòng)或加速使其保持在一定的安全距離行駛。在遇到障礙物時(shí)，可以自動(dòng)施加制動(dòng)，把車速調(diào)整到安全圍。由于ABS/ASR和ACC都要用到相同的輪速采集系統(tǒng)，制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置以及發(fā)動(dòng)機(jī)輸出力矩調(diào)節(jié)裝置，因此ABS/ASR/ACC集成化系統(tǒng)，不僅可以大大降低成本，而且可以提高汽車的整體安全性能。（4）減小體積，降低重量。為了提高汽車的安全性能，增加了一些裝置，汽車的重量了隨之增加，對(duì)燃料經(jīng)濟(jì)性不利。所以新增設(shè)的各種裝置必須在保證安全性的前提下，盡量地減少重量。另外，不論是大型車還是小型車，發(fā)動(dòng)機(jī)的安

10、裝空間都是非常緊湊的，因此，也要求ABS控制器的體積盡可能的小一些。（5）隨著ABS與新一代制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)合，如電子液壓制動(dòng)EHB、電子機(jī)械制動(dòng)EMB、ABS有了更快的響應(yīng)速度，更好的控制效果，而且更容易與其他電子系統(tǒng)集成。ABS將成為集成化汽車底盤系統(tǒng)中不可缺少的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。（6）在ABS系統(tǒng)中嵌入電子制動(dòng)力分配裝置（EBD）構(gòu)成了ABS+EBD系統(tǒng)。EBD的功能就是在汽車ABS開始制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)之前，高速計(jì)算出汽車四個(gè)輪胎與路面間的附著力大小，然后調(diào)節(jié)車輪與附著力的區(qū)配，進(jìn)一步提高車輛制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性，同時(shí)盡可能地縮短制動(dòng)距離。（7）在ABS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展成車速記錄儀（VSR），又稱汽車黑匣

11、子。該裝置通過實(shí)時(shí)采集的四個(gè)車輪輪速信號(hào)，再現(xiàn)交通事故發(fā)生過程中汽車的實(shí)際運(yùn)行軌跡以及駕駛員對(duì)車輛的操作情況，便于公安交通管理部門能準(zhǔn)確判斷事故的責(zé)任。1.2本文研究的工作意義和主要容1.2.1本文研究意義隨著世界汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，舒適性日益成為人們選購汽車的重要依據(jù)。目前廣泛采用的防抱制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）使人們對(duì)安全性要求得以充分的滿足。 汽車制動(dòng)防抱系統(tǒng)，簡稱為ABS，是提高汽車被動(dòng)安全性的一個(gè)重要裝置。有人說制動(dòng)防抱系統(tǒng)是汽車安全措施中繼安全帶之后的又一重大進(jìn)展。汽車制動(dòng)系統(tǒng)是汽車上關(guān)系到乘客安全性最重要的二個(gè)系統(tǒng)之一。隨著世界汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車的安全性越來越為人們重視。

12、汽車制動(dòng)防抱系統(tǒng)，是提高汽車制動(dòng)安全性的又一重大進(jìn)步。ABS防抱制動(dòng)系統(tǒng)由汽車微電腦控制，當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)，它能使車輪保持轉(zhuǎn)動(dòng)，從而幫助駕駛員控制車輛達(dá)到安全的停車。這種防抱制動(dòng)系統(tǒng)是用速度傳感器檢測車輪速度，然后把車輪速度信號(hào)傳送到微電腦里，微電腦根據(jù)輸入車輪速度，通過重復(fù)地減少或增加在輪子上的制動(dòng)壓力來控制車輪的打滑率，保持車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。在制動(dòng)過程中保持車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，不但可保證控制行駛方向的能力，而且，在大部分路面情況下，與抱死鎖死車輪相比，能提供更高的制動(dòng)力量。掌握ABS核心技術(shù)不但是非常必要的而且具有深遠(yuǎn)意義，可有力地推動(dòng)我國汽車工業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程。1.2.2本文主要容安排結(jié)合前面對(duì)ABS發(fā)展現(xiàn)狀以

13、及發(fā)展趨勢(shì)的介紹，本文的主要研究容如下： (1)詳細(xì)分析ABS的基本原理，組成及結(jié)構(gòu)； (2)研究ABS直線制動(dòng)時(shí)的車輛模型； (3)研究控制算法，分析目前國際上流行的控制算法(邏輯門限值控制，PID控制， 自尋優(yōu)控制，滑模變結(jié)構(gòu)控制，模糊控制，耗散功率控制)，并對(duì)各種控制算法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)； 第二章 ABS系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理2.1汽車ABS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和各部分的作用2.1.1ABS的基本組成在汽車上普遍采用的ABS防抱死制動(dòng)系統(tǒng)是以控制車輪的角減速度為對(duì)象，控制車輪的制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)防抱死制動(dòng)的。主要由傳感器、控制器（電腦）及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。如下圖2-1：圖2-11.傳感器ABS采用的傳感器包括輪

14、速傳感器、車速傳感器和汽車減速度傳感器。在各種控制方式的ABS中均有輪速傳感器，它利用電磁感應(yīng)原理檢測車輪速度，并把輪帶轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)送至ABS電腦。一般輪速傳感器都安裝在車輪上，有些后輪驅(qū)動(dòng)的車輛，檢測后輪速度的傳感器安裝在差速器，通過后軸轉(zhuǎn)來檢測，故又稱為軸速傳感器。車速傳感器用在以車輪滑移率為控制參數(shù)的ABS中，用來檢測車速并向ABS電腦輸送車速信號(hào)，此信號(hào)還同時(shí)用于速度表、里程表及自動(dòng)變速器控制等。汽車減速度傳感器僅用在四輪驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)中，它用來檢測汽車制動(dòng)時(shí)的減速度，識(shí)別是否是冰雪等易滑路面。2.執(zhí)行機(jī)構(gòu)ABS執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器和ABS警報(bào)燈組成。制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器根據(jù)ABS

15、電腦指令來調(diào)節(jié)各車輪制動(dòng)器的制動(dòng)壓力。不同制動(dòng)系統(tǒng)的ABS所采用的制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器也不同，可分為液壓式、氣壓式和空氣液壓加力式。在目前應(yīng)用廣泛的液壓制動(dòng)系統(tǒng)中，制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器的主要元件是電動(dòng)泵和液壓控制閥。ABS警報(bào)燈的功用是在ABS出現(xiàn)的故障時(shí)，由ABS電腦控制使其點(diǎn)亮，駕駛員發(fā)出警報(bào)信號(hào)，并可由ABS電腦控制閃爍顯示故障碼。3、ABS電腦ABS電腦接收傳感器信號(hào)，比較各輪轉(zhuǎn)速和汽車行駛速度，判斷各車輪的滑移情況后，向ABS執(zhí)行機(jī)構(gòu)下達(dá)指令來調(diào)節(jié)各車輪制動(dòng)器的制動(dòng)壓力。當(dāng)ABS出現(xiàn)故障時(shí)，ABS電腦使ABS電腦使ABS警報(bào)燈點(diǎn)亮，同時(shí)切斷通往執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源，使ABS停止工作。2.1.2液壓控制

16、總成結(jié)構(gòu)ABS液壓控制總成是在普通制動(dòng)系統(tǒng)的液壓裝置基礎(chǔ)上經(jīng)設(shè)計(jì)后加裝ABS制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器而形成的。.普通制動(dòng)系統(tǒng)的液壓裝置一般包括制動(dòng)助力器、雙腔式制動(dòng)主缸、儲(chǔ)液室、制動(dòng)輪缸和雙液壓管路等。除了普通制動(dòng)系統(tǒng)的液壓部件外，ABS制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器通常由電動(dòng)泵、儲(chǔ)能器、主控制閥、電磁控制閥和一些控制開關(guān)等組成。實(shí)質(zhì)上，ABS系統(tǒng)就是通過電磁控制閥體上的控制閥控制分泵上的油壓迅速變大或變小，從而實(shí)現(xiàn)了防抱死制動(dòng)功能。(1)電動(dòng)泵電動(dòng)泵是一個(gè)高壓泵，它可在短時(shí)間將制動(dòng)液加壓(在儲(chǔ)能器中)到1518MPa，并給整個(gè)液壓系統(tǒng)提供高壓制動(dòng)液體。電動(dòng)泵能在汽車起動(dòng)一分鐘完成上述工作。電動(dòng)泵的工作獨(dú)立于ABS電腦

17、，如果電腦出現(xiàn)故障或接線有問題，電動(dòng)泵仍能正常工作。(2)儲(chǔ)能器儲(chǔ)能器的結(jié)構(gòu)形式多種多樣。用得較多的為活塞-彈簧式儲(chǔ)能器，該儲(chǔ)能器位于電磁閥與回油泵之間，由輪缸來的液壓油進(jìn)入儲(chǔ)能器，進(jìn)而壓縮彈簧使儲(chǔ)能器液壓腔容積變大，以暫時(shí)儲(chǔ)存制動(dòng)液。(3)電磁控制閥 電磁控制閥是液壓調(diào)節(jié)器的重要部件，由它完成對(duì)ABS的控制。ABS系統(tǒng)中都有一個(gè)或兩個(gè)電磁閥體，其中有若干對(duì)電磁控制閥，分別控制前、后輪的制動(dòng)。常用的電磁閥有三位三通閥和二位二通閥等多種形式。(4)壓力控制、壓力警告和液位指示開關(guān)壓力控制開關(guān)(PCS)獨(dú)立于ABS電腦而工作，監(jiān)視著儲(chǔ)能器下腔的壓力。壓力報(bào)警開關(guān)(PWS)和液位指示開關(guān)(FLI)的

18、功能是，當(dāng)壓力下降到一定值(14MPa以下)時(shí)或制動(dòng)液面下降到一定程度時(shí)，點(diǎn)亮制動(dòng)系統(tǒng)故障指示燈和ABS故障指示燈，同時(shí)讓ABS電腦停止防抱死制動(dòng)工作。5 新汽車液壓防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)的理論與實(shí)踐M：中南大學(xué)，20052.1.3ABS控制總成結(jié)構(gòu)ABS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，防抱制動(dòng)系統(tǒng)通常由傳感器、電子控制器(ECU)和執(zhí)行器(或稱調(diào)節(jié)器)三部分組成，并通過線路連接成一個(gè)有機(jī)體，形成一個(gè)以控制滑移率在1030為目標(biāo)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。 圖2-2防抱制動(dòng)系統(tǒng)各主要組成部件的結(jié)構(gòu)與作用為：傳感器：由一個(gè)永磁式傳感器和勵(lì)磁環(huán)組成。傳感器一般固定在車軸或制動(dòng)底板上，勵(lì)磁環(huán)則固定在輪轂上，它們以非

19、接觸式將車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖信號(hào)連續(xù)不斷的傳給控制器。電子控制器(ECU)：電子控制器是ABS控制邏輯的載體j是ABS的核心部件。電子控制器監(jiān)測、處理傳感器輸送來的車輪的速度、減速度、加速度信號(hào)，計(jì)算出滑移率，并按照預(yù)先設(shè)定的減速度、加速度和滑移率的門限值，將指令發(fā)給連接在制動(dòng)管路上的調(diào)節(jié)器，從而實(shí)施加氣、保持和放氣功能，調(diào)節(jié)管路的壓力，以滿足多個(gè)車輪在不同路面狀態(tài)下的最大制動(dòng)的要求。執(zhí)行器(或稱調(diào)節(jié)器)：執(zhí)行器是ABS的執(zhí)行部分，它負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)壓力，以滿足多個(gè)車輪在不同路面狀態(tài)下的最大制動(dòng)力的要求。執(zhí)行器安裝在主缸與輪缸之間，接受電子控制器的指令，由其部的電磁閥、液壓泵、驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接或間接地控制制動(dòng)壓

20、力的增減。2.2車輛制動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)分析2.2.1汽車制動(dòng)時(shí)車輪受力分析汽車受到與行駛方向相反的外力時(shí)，才能從一定的速度制動(dòng)到較小的速度或直至停車。這個(gè)外力只能由地面和空氣提供。但由于空氣阻力相對(duì)較小，所以實(shí)際上外力是由地面提供的。我們把制動(dòng)過程中在地面與輪胎之間產(chǎn)生的與行進(jìn)方向相反的摩擦力稱之為地面制動(dòng)力，。地面制動(dòng)力愈大，制動(dòng)減速度愈大，制動(dòng)距離也愈短，所以地面制動(dòng)力對(duì)汽車制動(dòng)性能具有決定性的影響。1地面制動(dòng)力F地面制動(dòng)力F是使汽車制動(dòng)而減速行駛的外力，但是它又取決于兩個(gè)摩擦副的摩擦一個(gè)是制動(dòng)器制動(dòng)摩擦片與制動(dòng)鼓或制動(dòng)盤問的摩擦力，即制動(dòng)器制動(dòng)力；另一個(gè)是輪胎與地面問的摩擦力，即附著力。 2制

21、動(dòng)器制動(dòng)力制動(dòng)器制動(dòng)力E是在輪胎周緣克服制動(dòng)器摩擦力矩所需的力。相當(dāng)于把汽車架離地面，踩住制動(dòng)踏板，在輪胎周緣沿切線方向推動(dòng)車輪直至它能轉(zhuǎn)動(dòng)所需的力。顯然， (2-1) 式中，L為制動(dòng)器的摩擦力矩(單位：N·m)；R為車輪半徑(單位：m)。 制動(dòng)器制動(dòng)力僅由制動(dòng)器參數(shù)所決定，即取決于制動(dòng)器的形式、結(jié)構(gòu)尺寸、制動(dòng)器摩擦副的摩擦系數(shù)以及車輪半徑，并與制動(dòng)踏板力(即制動(dòng)系的液壓或空氣壓力P)成正比。 3附著力附著力是汽車輪胎和道路在接觸面上無相對(duì)位移時(shí)的切向地面反作用力的極限值。其大小等于地面對(duì)輪胎的垂直反作用力N與附著系數(shù)的乘積，即 (2-2)地面附著系數(shù)越大，附著力也越大。地面附著系數(shù)

22、妒的大小除了與路面的情況、輪胎的結(jié)構(gòu)和胎面花紋有關(guān)外，還與車輪的運(yùn)動(dòng)狀況(即運(yùn)動(dòng)中的滑移程度)有關(guān)。 4地面制動(dòng)力、制動(dòng)器制動(dòng)力與附著力之間的關(guān)系如圖2-3所示，在制動(dòng)時(shí)，若只考慮車輪的運(yùn)動(dòng)為純滾動(dòng)與滑動(dòng)兩種情況，當(dāng)制動(dòng)踏板力較小時(shí)，制動(dòng)器摩擦力矩不大，地面制動(dòng)力F足以克服制動(dòng)器摩擦力矩而使車輪滾動(dòng)。雖然，車輪滾動(dòng)時(shí)的地面制動(dòng)力F就等于制動(dòng)器制動(dòng)力，且隨踏板力增長成正比地增長。但地面制動(dòng)力F是滑動(dòng)摩擦的約束反力，最大值不能超過附著力，即F。因此，地面制動(dòng)力的最大值即為地面附著力，或者說附著力是地面?zhèn)鬟f制動(dòng)力的極限。 圖2-3制動(dòng)過程中地面制動(dòng)力、制動(dòng)器制動(dòng)力及附著力的關(guān)系當(dāng)制動(dòng)器踏板力或制動(dòng)系

23、液壓力P上升到某一值(圖2-3中制動(dòng)系液壓力P上升到兒值)，地面制動(dòng)力F達(dá)到最大值即附著力時(shí)，車輪被抱死而出現(xiàn)拖滑現(xiàn)象。此時(shí)，如果繼續(xù)增大制動(dòng)踏板力(或繼續(xù)升高制動(dòng)系液壓力P)，則制動(dòng)器制動(dòng)力由于摩擦力矩的增大而仍按直線關(guān)系繼續(xù)上升。但如果作用在車輪上的法向載荷為常數(shù)且地面附著系數(shù)不變，賊地面制動(dòng)力F達(dá)到附著力的值后就不再增加。要提高地面制動(dòng)力F，改善汽車的制動(dòng)效果，則須利用地面附著系數(shù)與車輪滑移程度有關(guān)的特點(diǎn)來提高地面附著系數(shù)，從而提高地面附著力。 由此可見，汽車的地面制動(dòng)力F首先取決于制動(dòng)器制動(dòng)力疋，但同時(shí)又受到地面附著條件限制。要想獲得足夠的地面制動(dòng)力F，首先汽車要具有足夠的制動(dòng)器制動(dòng)力

24、，同時(shí)地面還要提供較高的附著力。 2.2.2車輪的滑移率與附著系數(shù)的關(guān)系1、滑移率在汽車制動(dòng)過程中，隨著制動(dòng)強(qiáng)度的增加，車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)逐漸從滾動(dòng)向抱死的拖滑變化，車輪滾動(dòng)成分逐漸減少，而滑動(dòng)成分逐漸增加。制動(dòng)過程中車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一般用滑移率來說明?；坡适侵钢苿?dòng)時(shí)，在車輪運(yùn)動(dòng)中滑動(dòng)成分所占的比例，用S表示。S=(v)/v×100%式中 v車輪中心的速度（m/s） r車輪滾動(dòng)半徑（m) w車輪角速度（)車輪純滾動(dòng)時(shí)，S=0；純滑動(dòng)時(shí)，S+100%，邊滾動(dòng)邊滑動(dòng)時(shí)，0<S<100%。2、附著系數(shù)在汽車制動(dòng)過程中，車輪與路面間的附著系數(shù)隨車輪滑移率的變化而變化。在滑移率為Spo

25、t（20%左右）時(shí)縱向附著系數(shù)最大，制動(dòng)時(shí)能獲得的地面制動(dòng)力也最大，汽車的制動(dòng)效能最高，）0S Spot稱為穩(wěn)定區(qū)域，SpotS100%稱為非穩(wěn)定蕩然區(qū)域，Spot稱為穩(wěn)定界限。此外，隨著滑移率的增加，側(cè)向附著系數(shù)減小，當(dāng)車輪抱死滑移率為100%時(shí)，側(cè)向附著系數(shù)接近零，此時(shí)很小的側(cè)向力即會(huì)導(dǎo)致側(cè)滑，同時(shí)還會(huì)失去轉(zhuǎn)向能力。ABS電子控制單元根據(jù)（1）和(2)計(jì)算出的參數(shù)，通過液壓控制單元調(diào)節(jié)制動(dòng)過程的制動(dòng)壓力，達(dá)到防止車輪抱死的目的。在ABS不起作用時(shí)，電子制動(dòng)力分配系統(tǒng)仍可調(diào)節(jié)后輪制動(dòng)力，保證后輪不會(huì)在先于前輪抱死，以保證車輛的安全，如圖2-4所示。 圖2-4只要有制動(dòng)器摩擦力矩存在,就有路面

26、制動(dòng)力存在,但路面制動(dòng)力的值要受到輪胎與路面間附著性能的限制.當(dāng)車輪所受的外力超過了輪胎與路面的附著力時(shí),車輪就抱死,造成嚴(yán)重后果.大量試驗(yàn)表明,輪胎與路面間的附著性能受眾多因素的影響,如路面種類和狀況、輪胎及磨損程度、車速、側(cè)偏角等,但最重要的一個(gè)影響因素是車輪的運(yùn)動(dòng)狀況,即車輪制動(dòng)時(shí)的滑移率,目前尚無理論計(jì)算方法.如圖1所示為不同道路狀況下縱、側(cè)向附著系數(shù)與滑移率的關(guān)系曲線,滑移率在10%35%之間具有較大的縱、橫向附著系數(shù).如能把滑移率控制在A,B,C點(diǎn)附近,可得到理想的制動(dòng)效果,既不抱死制動(dòng)距離又最短。11程軍國外防抱制動(dòng)系統(tǒng)及其法規(guī)的歷史、現(xiàn)狀、未來J客車技術(shù)，1995，11(2)：

27、26-282.3 ABS的工作原理2.3.1ABS的工作過程1.建壓階段制動(dòng)時(shí)，通過助力器和總泵建立制動(dòng)壓力。此時(shí)常開閥打開，常閉閥關(guān)閉，制動(dòng)壓力進(jìn)入車輪制動(dòng)器，車輪轉(zhuǎn)速迅速降低，直到ABS電子控制單元通過轉(zhuǎn)速傳感器得到識(shí)別出車輪有抱死的傾向?yàn)橹埂?2保壓階段ABS電子控制單元通過轉(zhuǎn)速傳感器得到信號(hào)，識(shí)別出車輪有抱死的傾向時(shí)，ABS電子控制單元即關(guān)閉常開閥，此時(shí)常閉閥仍然關(guān)閉。 3降壓階段 如果在保壓階段，車輪仍有抱死傾向，則ABS系統(tǒng)進(jìn)入降壓階段。此時(shí)，電子控制單元命令常閉閥打開，常開閥關(guān)閉，液壓泵開始工作，制動(dòng)液從輪缸經(jīng)低壓蓄能器被送回到制動(dòng)總泵，制動(dòng)壓力降低，制動(dòng)踏板出現(xiàn)抖動(dòng)，車輪抱死程

28、度降低，車輪轉(zhuǎn)速開始增加。 4升壓階段為了達(dá)到最佳制動(dòng)效果，當(dāng)車輪達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，ABS電子控制單元再次命令常開閥打開，常閉閥關(guān)閉。隨著制動(dòng)壓力增加，車輪再次被制動(dòng)和減速。 2.3.2 ABS整體工作過程在ABS中，每個(gè)車輪上各安置一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器，將關(guān)于各車輪轉(zhuǎn)速的信號(hào)輸入電子控制裝置。電子控制裝置根據(jù)各車輪轉(zhuǎn)傳感器輸入的信號(hào)對(duì)各個(gè)車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和判定并形成相應(yīng)的控制指令。制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置主要由調(diào)壓電磁閥總成、電動(dòng)泵總成和儲(chǔ)液器等組成一個(gè)獨(dú)立的整體，通過制動(dòng)管路與制動(dòng)主缸和各制動(dòng)輪缸相連，制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置受電子控制裝置的控制，對(duì)各制動(dòng)輪缸的制動(dòng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。ABS的工作過程可以分為常規(guī)

29、制動(dòng)、制動(dòng)壓力保持、制動(dòng)壓力減小和制動(dòng)壓力增大等階段。在常規(guī)制動(dòng)階段，ABS并不介入制動(dòng)壓力控制，調(diào)壓電磁閥總成中的各進(jìn)液電磁閥均不通電而處于開啟狀態(tài)，各出液壓電磁閥均不通電而處于關(guān)閉狀態(tài)，電動(dòng)泵也不通電運(yùn)轉(zhuǎn)，制動(dòng)主缸至各制動(dòng)輪缸的制動(dòng)管路均處于溝通狀態(tài)，而各制動(dòng)輪缸至儲(chǔ)液器的制動(dòng)管路均處于封閉狀態(tài)，各制動(dòng)輪缸的制動(dòng)壓力將隨制動(dòng)主缸的輸出壓力而變化，此時(shí)的制動(dòng)過程與常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)過程完全相同。 在制動(dòng)過程中，電子控制裝置根據(jù)車輪轉(zhuǎn)速傳感器輸入的車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)判定有車輪趨于抱死時(shí)，ABS就進(jìn)入防抱死制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)過程。例如，電子控制裝置判定右前輪趨于抱死時(shí)，電子控制裝置就使控制右前輪制動(dòng)壓力的進(jìn)

30、液電磁閥通電，使右前進(jìn)液電磁閥轉(zhuǎn)入關(guān)閉狀態(tài)，制動(dòng)主缸輸出的制動(dòng)液不再進(jìn)入右前制動(dòng)輪缸，此時(shí)，右前出液電磁閥仍未通電而處于關(guān)閉狀態(tài)，右前制動(dòng)輪缸中的制動(dòng)液也不會(huì)流出，右前制動(dòng)輪缸的制動(dòng)壓力就保持一定，而其它未趨于抱死車輪的制動(dòng)壓力仍會(huì)隨制動(dòng)輪缸的制動(dòng)主缸輸出壓力的增大而增大，如果在右前制動(dòng)輪缸的制動(dòng)壓力保持一定時(shí)，電子控制裝置判定右前輪仍然趨于抱死，電子控制裝置又使右前出液電磁閥也通電而轉(zhuǎn)入開啟狀態(tài)，右前制動(dòng)輪缸中的部分制動(dòng)液就會(huì)經(jīng)過處于開啟狀態(tài)的出液電磁閥流回儲(chǔ)液器，使右前制動(dòng)輪缸的制動(dòng)壓力迅速減小，右前輪的抱死趨勢(shì)將開始消除，隨著右前輪的抱死趨勢(shì)已經(jīng)完全消除時(shí)，電子控制裝置就使右前進(jìn)液電磁閥

31、和出液電磁閥都斷電，使進(jìn)液電磁閥轉(zhuǎn)入開啟狀態(tài)，使出液電磁閥轉(zhuǎn)入關(guān)閉狀態(tài)，同時(shí)也使電動(dòng)泵通電運(yùn)轉(zhuǎn)，向制動(dòng)輪缸送制動(dòng)液，由制動(dòng)主缸輸出的制動(dòng)液和電動(dòng)泵通電運(yùn)轉(zhuǎn)，向制動(dòng)輪缸泵送制動(dòng)液，由制動(dòng)主缸輸出的制動(dòng)液和電動(dòng)泵通電運(yùn)轉(zhuǎn)，向制動(dòng)輪缸泵送制動(dòng)液，由制動(dòng)主缸輸出的制動(dòng)液和電動(dòng)泵泵送的制動(dòng)液都經(jīng)過處于開啟狀態(tài)的右前進(jìn)液電磁閥進(jìn)入右前制動(dòng)輪缸，使右前制動(dòng)輪缸的制動(dòng)壓力迅速增大，右前輪又開始減速轉(zhuǎn)動(dòng)。ABS通過使趨于抱死車輪的制動(dòng)壓力循環(huán)往復(fù)地經(jīng)歷保持減小增大過程，而將趨于抱死車輪的滑動(dòng)率控制在峰值附著系數(shù)滑動(dòng)率的附近圍，直至汽車速度減小到很低或者制動(dòng)主缸的輸出壓力不再使車輪趨于抱死時(shí)為止，制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)循環(huán)

32、的頻率可達(dá)320HZ。在該ABS中對(duì)應(yīng)于每一個(gè)制動(dòng)輪缸各有一對(duì)進(jìn)液和出液電磁閥，可由電子控制裝置分別進(jìn)行控制，因此，各制動(dòng)輪缸的制動(dòng)壓力能夠被獨(dú)立地調(diào)節(jié)，從而使四個(gè)車輪都不發(fā)生制動(dòng)抱死現(xiàn)象。盡管各種ABS的結(jié)構(gòu)形式和工作過程并不完全相同，但都是通過對(duì)趨于抱死車輪的制動(dòng)壓力進(jìn)行自適應(yīng)循環(huán)調(diào)節(jié)，來防止被控制車輪發(fā)生制動(dòng)抱死的，而且，各種ABS在以下幾個(gè)方面都是相同的。（1）ABS只是汽車的速度超過一定以后（如5km/h或8km/h），才會(huì)對(duì)制動(dòng)過程中趨于抱死的車輪進(jìn)行防抱死制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)。當(dāng)汽車速度被制動(dòng)降低到一定時(shí)，ABS就會(huì)自動(dòng)中止防抱死制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)，此后，裝備ABS汽車的制動(dòng)過程將與常規(guī)制動(dòng)系

33、統(tǒng)的制動(dòng)過程相同，車輪被制動(dòng)抱死對(duì)汽車制動(dòng)抱死。這是因?yàn)樵谄嚨乃俣群艿蜁r(shí)，車輪被制動(dòng)抱死對(duì)汽車制動(dòng)性能的影響已經(jīng)很小，而且要使汽車盡快制動(dòng)停車，應(yīng)必須使車輪制動(dòng)抱死。（2）在制動(dòng)過程中，只有當(dāng)被控制車輪趨于抱死時(shí)，ABS才會(huì)對(duì)趨于抱死車輪的制動(dòng)壓力進(jìn)行防抱死調(diào)節(jié)；在被控制車輪還沒有趨于抱死時(shí)，制動(dòng)過程與常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)過程完全相同。（3）ABS都具有自診斷功能，能夠?qū)ο到y(tǒng)的工作情況進(jìn)行監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)存在影響系統(tǒng)正常工作的故障時(shí)將自動(dòng)地關(guān)閉ABS，并將ABS警示燈點(diǎn)亮，向駕駛發(fā)出警示信號(hào)，汽車的制動(dòng)系統(tǒng)仍然可以像常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)一樣進(jìn)行制動(dòng)。3防抱死系統(tǒng)（ABS）應(yīng)用原理分析與探討，科技與經(jīng)濟(jì)2

34、005年08期2.4 小結(jié)ABS可在汽車制動(dòng)時(shí)根據(jù)車輪的運(yùn)動(dòng)養(yǎng)成自動(dòng)調(diào)節(jié)車輪的制動(dòng)壓力，防止車輪抱死，其實(shí)質(zhì)就是使傳統(tǒng)的制動(dòng)過程變?yōu)樗查g的控制過程，即在制動(dòng)時(shí)使車輪與地面達(dá)到“抱而不死，死而不抱”的狀態(tài)，其目的是使車輪與地面的摩擦力達(dá)到最大，同時(shí)又可以避免后輪側(cè)滑和前輪喪失轉(zhuǎn)向能力，以使汽車取得最的制動(dòng)效能。因此，ABS具有以下優(yōu)點(diǎn)： 縮短制動(dòng)距離。ABS能保證汽車在雨后、冰雪及泥濘路面上獲得較高的制動(dòng)效能，防止汽車側(cè)滑甩尾（松散的沙土和積雪很深的路面除外）；保持汽車制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性； 保持汽車制動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性；減少汽車制動(dòng)時(shí)輪胎的磨損。ABS能防止輪胎在制動(dòng)過程中產(chǎn)生劇烈的拖痕

35、，提高輪胎使用壽命；減少駕駛員的疲勞強(qiáng)度（特別是汽車制動(dòng)時(shí)的緊情緒）。第三章 車輛ABS系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型3.1概述3.1.1車輛動(dòng)力學(xué)建模意義汽車的制動(dòng)過程是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的研究，如果僅采用試車試驗(yàn)的方法，將要做大量的道路試驗(yàn)或臺(tái)架試驗(yàn)，這意味著大量的資金和時(shí)間的投入。如果僅考慮制動(dòng)過程的主要因素，忽略次要因素對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的影響，就能反映汽車實(shí)際制動(dòng)過程的抽象模型。用系統(tǒng)模型的方法進(jìn)行研究，不但能得到較好的研究結(jié)論，也能節(jié)省大量的資金和時(shí)間，ABS研究就是如此。因此，本章重點(diǎn)容之一就是建立即能反映實(shí)際制動(dòng)過程，又能滿足計(jì)算機(jī)仿真要求的汽車動(dòng)力學(xué)仿真模型,3.1.2車輛動(dòng)力學(xué)模擬概況

36、車輛動(dòng)力學(xué)模擬一般包括兩個(gè)方面的容：一是建立描述車輛動(dòng)力學(xué)性能的微分方程，即建模；二是采用數(shù)值方法解微分方程，即計(jì)算?，F(xiàn)在常用的動(dòng)力學(xué)模擬方法有三種：人工建模與計(jì)算、圖形建模和計(jì)算機(jī)模擬。 1人工建模及編程計(jì)算方法 它是最為傳統(tǒng)的方法，即首先通過對(duì)車輛的力學(xué)分析建立車輛運(yùn)動(dòng)的微分方程組，然后采用數(shù)值積分方法，通過VC、FORTRAN、VB等計(jì)算機(jī)語言編制相應(yīng)程序。求解微分方程組。這種方法工作量比較大，要求設(shè)計(jì)者具有一定的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)，對(duì)車輛系統(tǒng)各部件的聯(lián)系十分清楚。并且計(jì)算工作和方程的調(diào)試非常困難，設(shè)計(jì)周期長。但通過人工對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的建模和計(jì)算，能對(duì)系統(tǒng)各參數(shù)變量的動(dòng)特性和物理意義有深入的了解。

37、2圖形建模計(jì)算方法 此方法的建模與日口一種方法相同，用力學(xué)原理推導(dǎo)出車輛運(yùn)動(dòng)方程。計(jì)算則采用專用軟件包，如：ACSL模擬語言、MATLAB語言及MATRIX仿真語言等。其中，MATLAB語言是由美國Math Works公司于1967年推出的“Matrix Laboratory”軟件包，它是一款功能強(qiáng)、效率高、便于進(jìn)行科學(xué)與工程計(jì)算的交互式軟件包。而SIMULINK是MATLAB專用于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬的工具箱，它集建模、分析、模擬、控制于一體，具有數(shù)值計(jì)算與圖形功能。SIMULINK將各種標(biāo)準(zhǔn)的物理環(huán)節(jié)做成圖形模塊，提供給用戶進(jìn)行圖形建模及系統(tǒng)的計(jì)算仿真，免去了用戶從底層編程開發(fā)的麻煩，徹底改變了

38、過去人工編程的方式。它為用戶提供了眾多標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)圖形模塊庫，包括輸入源庫、接收器庫、線性系統(tǒng)庫、非線性系統(tǒng)庫、離散系統(tǒng)庫及連續(xù)系統(tǒng)庫等。另外，S1MULINK不僅實(shí)現(xiàn)了可視化動(dòng)態(tài)仿真，也實(shí)現(xiàn)了與MATLAB、C甚至硬件之間的相互數(shù)據(jù)傳遞，極擴(kuò)展了它的功能。因此，不但可以進(jìn)行仿真計(jì)算，也可以進(jìn)行模型分析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等等舊。 3計(jì)算機(jī)模擬 該方法的建模和計(jì)算完全由計(jì)算機(jī)軟件完成，如著名的ADAMS(Automatic DynamicAnalysis ofMechanical System)軟件。ADAMS采用多剛體力學(xué)圖形建模方法，從物理系統(tǒng)的剛體結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)每一個(gè)構(gòu)件定義形狀、質(zhì)量、受力

39、、約束及連接情況，可以在三維狀態(tài)下建立模型，這樣能夠比較真實(shí)的反映車輛動(dòng)力學(xué)特性，得到精確的模擬結(jié)果。其最大的好處在于不必去關(guān)心如何建立車輛的運(yùn)動(dòng)方程，如何去解方程，而只需要去努力使建立的模型真實(shí)地反映實(shí)際車輛的狀態(tài)就可以了，特別適于描述帶有機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)問題，如自口軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、各種操縱機(jī)構(gòu)、懸架系統(tǒng)等，更易了解這些機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的細(xì)節(jié)，但這種詳細(xì)的車輛模型所需的物理參數(shù)較多，且模擬的J下確還取決于許多技巧和經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)以上分析并基于課題研究的主要目的，我們采用人工與計(jì)算機(jī)混合的圖形建模方法進(jìn)行汽車防抱制動(dòng)系統(tǒng)的車輛動(dòng)力學(xué)模擬。另外，我們采用的仿真軟件為MATLAB65版本及其自帶的SIMULIN

40、K工具。3.1.3車輛動(dòng)力學(xué)模型研究概況汽車車輛動(dòng)力學(xué)模型可以采用牛頓力學(xué)建立各個(gè)剛體的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，由于應(yīng)用的目的不同，各種模型的繁簡程度也不相同。目前，經(jīng)常采用的車輛模型主要有一般車輛模型、四輪車輛模型、雙輪車輛模型以及單輪車輛模型。1一般車輛模型 在對(duì)車輛建立運(yùn)動(dòng)方程前，作如下假設(shè)： 汽車由4個(gè)輪子、簧上質(zhì)量、簧下質(zhì)量(含駕駛室)等6個(gè)剛體組成，忽略彈簧和阻尼器的質(zhì)量。 路面是光滑且水平的，不考慮汽車的垂直運(yùn)動(dòng)。 左右兩輪的轉(zhuǎn)向角位移相等，側(cè)傾軸沿汽車的水平方向，且在其對(duì)稱面上。只考慮簧上質(zhì)量的側(cè)傾，不考慮簧下質(zhì)量的側(cè)傾和俯仰。 建立固定在車輛系統(tǒng)上的準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)，并將坐標(biāo)固定在汽車底盤上。

41、 在上述假設(shè)的前提下，根據(jù)BOLTMANNHAMEL方程，并簡化車輛模型的受力分析，即可推導(dǎo)出汽車在準(zhǔn)坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)方程，這就是一般車輛模型。2四輪車輛模型 在般的車輛模型中忽略車輛側(cè)傾的影響，將簧上質(zhì)量和簧下質(zhì)量合為車輛整車質(zhì)量，忽略輪胎的滾動(dòng)阻力和車輛風(fēng)阻。考慮縱向、橫向和繞車輛慣性軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，由此可以建立一個(gè)四輪車輛模型。 以上這兩種車輛模型主要描述復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)性能場合，如轉(zhuǎn)彎制動(dòng)、橫向動(dòng)力學(xué)控制模擬等。 3雙輪車輛模型 在四輪車輛模型的基礎(chǔ)上，將車輛的左右兩輪合并為一個(gè)車輪，實(shí)際上是一個(gè)摩托車模型。這種模型主要描述車輛的直線制動(dòng)和驅(qū)動(dòng)的場合，考慮車輛加、減速度的影響，用于車輛動(dòng)力學(xué)模擬與

42、控制分析。 4單輪車輛模型 在很多場合下，為了簡化問題，可以采用四分之一車體模型，也就是個(gè)單輪的車輛模型。這個(gè)模型主要描述的是制動(dòng)性能，用于基于模型控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)等。 由上所述，根據(jù)本課題研究的主要目的是對(duì)汽車防抱制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)及制動(dòng)性能分析，我們選擇建立汽車的單輪車輛模型。4 程軍汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的理論與實(shí)踐M：理工大學(xué)，19993.2車輛動(dòng)力學(xué)模型3.2.1雙輪車輛模型在四輪車輛模型的基礎(chǔ)上，將車輛的左右兩輪合并為一個(gè)車輪，實(shí)際上是一個(gè)摩托車模型。此模型把整個(gè)汽車看成一個(gè)剛體忽略輪胎及懸架的彈性和阻尼，同時(shí)也不考慮底盤部分與車身連接的所有彈性與阻尼，并把汽車看作一個(gè)質(zhì)量與受

43、力沿縱軸線對(duì)稱，且質(zhì)量與受力都集中在該平面的模型。這種模型常用來模擬直線制動(dòng)和驅(qū)動(dòng)問題，研究車輛制動(dòng)時(shí)的軸荷轉(zhuǎn)移、防抱死控制邏輯問題。不但考慮了制動(dòng)時(shí)軸荷的轉(zhuǎn)移而且與實(shí)際問題擬合度較高，且使問題相對(duì)簡化，便于研究。在綜合考慮精度與可操縱性的同時(shí)，本文以雙輪車輛模型來構(gòu)建仿真系統(tǒng)，并進(jìn)行了以下假設(shè)： (1)汽車行駛在水平路面上，不考慮輪胎阻力的影響。 (2)忽略空氣阻力，不考慮汽車的橫向運(yùn)動(dòng)。 (3)不考慮制動(dòng)過程中零部件的變形和振動(dòng)及由此引起的法向載荷的變化。 建立的雙輪車輛模型如圖3-1所示。 圖3-1雙輪車輛模型 由此建立一個(gè)雙輪運(yùn)動(dòng)模型如下： 前軸：(3.1) 后軸：(32) 前輪對(duì)地面

44、正壓力： (33) 后輪對(duì)地面正壓力：（3.4）對(duì)于整車而言照大制動(dòng)力： (35) 把式(3.3)、(3.4)代入式(35)得： 車輛最大制動(dòng)減速度：(36) 當(dāng)制動(dòng)器制動(dòng)力小于地面附著力時(shí)，此時(shí)車輪制動(dòng)力等于制動(dòng)器制動(dòng)力，忽略輪胎變形的影響，則有 (37) 式中： 前輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 以后輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；前輪制動(dòng)器制動(dòng)力矩；后輪制動(dòng)器制動(dòng)力矩；前輪角速度； 吐后輪角速度；-汽車質(zhì)心高度； 重心距前軸距離：b重心距后軸距離； 前輪路面附著系數(shù)； 后輪路面附著系數(shù)；汽車質(zhì)量。3.2.2輪胎模型汽車運(yùn)動(dòng)依賴于輪胎所受的力，例如，縱向制動(dòng)和驅(qū)動(dòng)力、側(cè)偏力和側(cè)傾力、回正力矩及翻轉(zhuǎn)力矩等，所有這些都是滑移率、側(cè)

45、偏角、側(cè)傾角、垂直載荷、道路摩擦系數(shù)和汽車運(yùn)動(dòng)速度的函數(shù)。輪胎模型一般分為兩種，一種是物理模型(理論模型)，即通過對(duì)輪胎結(jié)構(gòu)和形變機(jī)制的數(shù)學(xué)描述，建立剪切力和回正力矩與相應(yīng)參數(shù)的函數(shù)關(guān)系。與理論模型相對(duì)應(yīng)的是經(jīng)驗(yàn)公式和半經(jīng)驗(yàn)公式，它是通過對(duì)大量的輪胎力特性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將輪胎力特性通過含有擬合參數(shù)的公式有效地表達(dá)出來。常用的經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式是魔術(shù)公式和雙線性公式。 1.理論模型 理論模型主要描述單獨(dú)縱向力、單獨(dú)橫向力以及縱向和橫向聯(lián)合作用力情況下與輪胎回正力矩、橫向附著系數(shù)、縱向附著系數(shù)、側(cè)偏角等參數(shù)的關(guān)系。該模型物理意義明確，所需要的參數(shù)都有明確的物理意義，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得。但是，由于模

46、型對(duì)輪胎物理機(jī)制過于簡化，使回正力矩的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)誤差較大，在大側(cè)偏角下計(jì)算的回正力矩為零，沒有反應(yīng)出大側(cè)偏角下回正力矩可能為負(fù)值的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，由于計(jì)算所需的許多參數(shù)都與垂直載荷有關(guān)系，只能通過實(shí)驗(yàn)獲得，因此該模型用起來不太方便。 2.魔術(shù)公式 魔術(shù)公式是由Pacejka等人提出并發(fā)展起來的，它是用三角函數(shù)的組合公式擬合試驗(yàn)輪胎數(shù)據(jù)，用套形式相同的公式就可以完整的表達(dá)縱向力、橫向力、回正力矩以及縱向力、橫向力的聯(lián)合作用工況，故被稱為魔術(shù)公式。魔術(shù)公式如下： 1)輪胎橫向力(側(cè)偏力)計(jì)算公式 (38)2)輪胎回正力矩計(jì)算公式 (39) 3)輪胎縱向力計(jì)算公式 (310)由于魔術(shù)公式計(jì)算量大，因此更適

47、合于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、汽車動(dòng)態(tài)模擬及試驗(yàn)對(duì)比等要求精確描述輪胎力特性的領(lǐng)域。6 Martin，Maier and KlausMuller,ABS53：The New and pact ABS5 Unit for Passenger CarsSAE 950757 3.雙線性模型由于魔術(shù)公式計(jì)算量大，因此更適合于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、汽車動(dòng)態(tài)模擬及試驗(yàn)對(duì)比等要求精確描述輪胎力特性的領(lǐng)域。 （3-11）式中：最佳滑移率； 車輪滑移率； 滑移率為100時(shí)的附著系數(shù)； 峰值附著系數(shù)； 附著系數(shù)。 圖3-2雙線性模型示意圖 雙線性模型公式物理意義明確，擬合精度較高，較適合計(jì)算機(jī)模擬仿真，基于本論文研究的實(shí)際情況，本文采用雙線

48、性模型模擬各種路面的|lS曲線，并應(yīng)用于防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型中。3.2.3制動(dòng)系統(tǒng)模型1.液壓系統(tǒng)建模ABS通過控制電磁閥的開閉狀態(tài)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器的增壓、減壓和保壓等壓力調(diào)節(jié)，其液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型為： (312) 式中：輪缸壓力； 主缸壓力； 儲(chǔ)液室壓力； 電磁閥管路滯后時(shí)間； C進(jìn)油閥閥口形狀、液體流態(tài)，油液性質(zhì)決定的系數(shù)； 進(jìn)油閥的流通截面積； K液壓油體積彈性模量； 增壓閥及減壓閥之間的管路加上輪缸的總?cè)莘e： 由進(jìn)油閥閥口形狀決定的節(jié)流閥指數(shù)，一般在0.51.0之間； 回油閥閥口形狀、液體流態(tài)，油液性質(zhì)決定的系數(shù)； 回油閥閥口的流通截面積； 由回油閥閥口形狀決定的節(jié)流閥指數(shù)，一般在0.5

49、1.0之間； 電磁閥控制指令信號(hào) 2.制動(dòng)器模型 制動(dòng)器模型指制動(dòng)器力矩與制動(dòng)系氣液壓力之間的關(guān)系模型。為了便于對(duì)控制過程的仿真研究，在進(jìn)行仿真時(shí)假設(shè)制動(dòng)器為理想元件，認(rèn)為其非線性特性較弱并忽略了其滯后帶來的影響。因此，制動(dòng)力矩可以表達(dá)為： (313)式中：制動(dòng)器制動(dòng)因數(shù)； 制動(dòng)器制動(dòng)力矩； 制動(dòng)管路壓力； 克服制動(dòng)缸中彈簧所需壓力。 制動(dòng)因數(shù)是由制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)及使用工況所決定的，它不是一個(gè)常數(shù)，而是與溫度有關(guān)的函數(shù)。而對(duì)溫度影響最大的又是車輛速度?？捎靡粋€(gè)速度的二次多項(xiàng)式來表達(dá) (314) 式中：、為多項(xiàng)式擬合系數(shù)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以求得這些系數(shù)。 由于克服制動(dòng)缸中彈簧所需壓力相比于制動(dòng)管路

50、壓力非常小，故可忽略不計(jì)。則上式可以寫成： (315 )3.3汽車ABS機(jī)械動(dòng)力學(xué)模型汽車是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，對(duì)汽車的ABS 制動(dòng)性能進(jìn)行模擬仿真，輸入的參數(shù)包括制動(dòng)初速，路面條件如干鋪設(shè)路面、濕鋪設(shè)路面、雪路面、冰路面、對(duì)開路面、對(duì)接路面等，道路狀況如直道、彎道、上坡、下坡等和整車參數(shù)。輸出的參數(shù)包括汽車制動(dòng)過程中整車和車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如制動(dòng)時(shí)間、制動(dòng)距離、制動(dòng)減速度、車輪滑移率、車輪角減速度、制動(dòng)器制動(dòng)力、地面制動(dòng)力、地面?zhèn)认蛄?、橫擺力矩等。根據(jù)以上研究目的，對(duì)整車進(jìn)行適當(dāng)簡化。汽車懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式和轉(zhuǎn)向系結(jié)構(gòu)型式對(duì)汽車制動(dòng)性能的影響不大，仿真模型中的慣性參數(shù)由Pro/ENGINEER

51、 軟件三維實(shí)體建模計(jì)算得到，對(duì)懸架系和轉(zhuǎn)向系簡化如下： 懸架系統(tǒng)只考慮懸架的垂直變形；轉(zhuǎn)向系忽略車輪定位角和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)裝置。把汽車簡化為具有十個(gè)剛體的模型，共14 個(gè)自由度。十個(gè)剛體分別為車身、一個(gè)后非獨(dú)立懸掛組質(zhì)量、兩個(gè)前獨(dú)立懸掛組質(zhì)量（兩個(gè)前輪橫擺臂和兩個(gè)前輪轉(zhuǎn)向節(jié)）、四個(gè)車輪。兩前輪共有3 個(gè)自由度，車身具有3 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和3 個(gè)平動(dòng)自由度，兩后輪各有1 個(gè)自由度，前懸架各有一個(gè)自由度，后懸架1 個(gè)自由度，如圖3-3 所示。 圖3-3 整車仿真模型 1車身 2后輪 3后懸架 4前輪 5前懸架 6橫擺臂 7轉(zhuǎn)向節(jié)仿真模型包括以下幾個(gè)子模型： 1.轉(zhuǎn)向系模型：以轉(zhuǎn)向角約束直接作用于左轉(zhuǎn)向節(jié)。2.前

52、懸架模型：前懸架是獨(dú)立懸架，一側(cè)的簡化模型如圖3-4 所示。轉(zhuǎn)向節(jié)簡化如圖3-3 中所示，用轉(zhuǎn)動(dòng)副與前輪連接。橫擺臂與減振器以球鉸分別與轉(zhuǎn)向節(jié)和車身連接。 圖3-4 懸架的簡化模型 1車身 2橫擺臂 3轉(zhuǎn)向節(jié) 4輪胎 5前懸架 6彈簧 A轉(zhuǎn)動(dòng)副 B球鉸 C轉(zhuǎn)動(dòng)副 D滑柱鉸 E球鉸后懸架是非獨(dú)立懸架，只考慮垂直方向的自由度，懸架與車身之間用平移副表示它們之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，懸架與車身用彈簧阻尼連接，與后輪用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。 3.輪胎模型：車輛的各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要是通過輪胎與路面的作用力引起的。采用力約束方法，不考慮輪胎拖距、回正力矩以及滾動(dòng)阻力的影響。采用ADAMS 提供的非線性Pacejka 輪胎模型2

53、。4.制動(dòng)器模型：采用美國高速公路車輛仿真模型中的制動(dòng)器模型。 5.液壓模型：采用ADAMS 中液壓模塊（ADAMS/Hydraulics）建立制動(dòng)系統(tǒng)的液壓仿真模塊。 6.路面模型：設(shè)計(jì)出路面模型可進(jìn)行對(duì)開路面和對(duì)接路面制動(dòng)過程的仿真計(jì)算。利用ADAMS 中提供的平面（Plane）作為路面模型的基礎(chǔ)，定義了平面（Plane）的長、寬等參數(shù)，使得汽車制動(dòng)過程有足夠的空間，利用平面圓（Plane-Circle）接觸力（Contact）表示車輪與地面之間的法向作用力。ADAMS輪胎模型中沒有附著系數(shù)變化的路面模塊，為此在ADAMS 提供的路面模塊基礎(chǔ)上，對(duì)對(duì)接路面采用在路面模型上加入標(biāo)記點(diǎn)（Mar

54、ker）的方法，分別求出前輪和后輪質(zhì)心到標(biāo)記點(diǎn)X 方向上的距離。當(dāng)距離為正時(shí)說明輪胎已經(jīng)跨過了標(biāo)記點(diǎn)，此時(shí)根據(jù)所規(guī)定的路面情況對(duì)輪胎附著系數(shù)進(jìn)行改變，使得模型可以計(jì)算路面附著系數(shù)變化。對(duì)開路面也采取了相同的加入標(biāo)記點(diǎn)的方法，進(jìn)行計(jì)算左右側(cè)輪胎相對(duì)于標(biāo)記點(diǎn)Y 方向上的距離。2 汽車車身電子與控制技術(shù)，無畏主編，機(jī)械工業(yè)，2008年02月）3.4汽車ABS的控制模型在ADAMS 中定義了與MATLAB/SIMULINK 的接口，把ADAMS 中建立的非線性機(jī)械模型轉(zhuǎn)化為SIMULINK 的SFUNCTION 函數(shù)，再把SFUNCTION 函數(shù)加入到控制模型里，這樣就可以方便的利用SIMULINK

55、提供的各種強(qiáng)大的工具進(jìn)行控制模型開發(fā)，在MATLAB 軟件下進(jìn)行聯(lián)合仿真計(jì)算。圖3-5 所示為MATLAB/SIMULINK中表示的ADAMS 機(jī)械模型，在ADAMS 中定義四個(gè)車輪的制動(dòng)力矩為輸入變量，定義四個(gè)車輪的速度和滑移率為輸出變量，保存在.m 文件中由MATLAB 調(diào)用。 圖3-5 ADAMS子模塊圖3-6所示為在MATLAB/SIMULINK 下開發(fā)的ABS 控制模塊，圖中深色的部分為ADAMS 生成的子模塊，輸入?yún)?shù)為制動(dòng)力矩，輸出參數(shù)為車輪速度和車輪滑移率，以車輪的加速度/減速度和車輪滑移率為控制參數(shù)。1 躍今，宋健. 多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS 理論及應(yīng)用研討. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，1997.9）圖3-63.5小結(jié)本章主要闡述了建模的意義，然后從機(jī)械學(xué)的角度出發(fā)，建立了制動(dòng)過程中的數(shù)學(xué)模型。包括機(jī)械動(dòng)力學(xué)模型、魔術(shù)公式的輪胎模型和汽車ABS控制模型。第四章 汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的控制方