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1、机动车全方位安全防撞系统机动车全方位安全防撞系统 机动车全方位安全防撞系统是本着以人为本的理念，一方面根据我国的具体国情，另一方面结合汽车及相关领域如新材料等的发展和潮流，而设计的。通过对机动车原有装置的改良与创新，设计了机电式ABS刹车防抱死系统、行人防撞装置、电控缓冲底座、车厢移轨、坡道起步防倒滑装置，实现了对机动车的全方位安全防护；从而减少机动车发生碰撞，万一发生碰撞也能够有效保证乘员有足够生存空间和运动惯量的适度变化；减少车祸发生时人员的伤亡，极大提高机动车乘坐的舒适性。1 机电式ABS刹车防抱死系统汽车防抱死刹车装置的作用是在汽车进行紧急制动时，防止因制动器突然抱死车轮，从而引起制动
2、时转向不灵、扎头、甩尾、跑偏甚至翻车等事故发生。而最好是制动过程中车轮与路面存在一定的滑移，即让制动时的轮速小于车速，这样车轮才能获得路面最大的纵向附着力和较大的横向附着力，缩短刹车距离，有利于刹车过程中车辆的转向能力和稳定性。滑移率的公式为 式中v为车速，为车轮角速度，为车轮半径，图4-2为各种不同的路面，车轮的滑移率与车轮获得的路面的附着系数的关系曲线。较为先进的汽车防抱死刹车装置主要由电脑控制器、轮速传感器和执行机构构成，价格昂贵，且仍存在制动过程中得不到车速因此算法较复杂的问题。对于电子式ABS系统由于其算法复杂，外国采取保密措施，我国目前尚无自主知识产权的同类产品，而目前国内自主开发
3、的机械式ABS系统基本上就是一种刹车缓冲装置，如在制动油管上加一个缓冲阀，这些根本就控制不了制动时车轮的滑移率（详细参见后面附页），而日本本田公司开发的已装车实用的机械式ABS系统则存在滑移率的控制极不精确的问题，参见后面附页。而只有在制动时根据不同路面把车轮的滑移率控制在10%30时，车轮才能获得路面最大的纵向附着力和较大的横向附着力，这也是电子式ABS刹车防抱死系统作用的根本原理。本装置的主要部件为两个圆环、两个电磁阀和压力与车速成正比弹力器，另外工作时制动油路利用高压蓄能器提供高压油。每个ABS工作循环即控制周期由升压阶段、卸压阶段和由于机械的滞后性而相当于电子式ABS系统保压作用的保压
4、阶段，三个阶段构成。本机电式ABS系统采用双圆环结构来对车轮的滑移率进行控制；即双圆环套在车轮旁焊出的圆管上，两圆环被车轮带着转动，但两圆环之间、圆环与车轮之间都可相对转动一定角度，另一个圆环控制制动油路的卸压，一个控制制动油路的升压。压力与车速成正比弹力器槽圆管挡板槽固定于车轮旁圆环突起图 1圆管卸压圆环下面先分析控制油路卸压的圆环，简称卸压圆环。如图1圆环套在轮边焊出的圆管上，圆环和圆管接触面开有槽并放有滚珠，以减小两者相对转动的摩擦力。圆管管面上突出两块挡板，圆环左侧有一突起，车轮通过圆管管面的后挡板带动圆环转动。由于采用电元件辅助故本装置响应速度快，较好的消除了机械的滞后性，每个ABS
5、控制周期时间短，电子式的ABS每秒钟可发生十几个周期。每个ABS控制周期开始时，由于制动力矩作用，轮速急剧下降，圆环由于与圆管还存在一定的摩擦力，转速也会稍稍下降，同时在这么短的时间内，车速也稍稍下降，而圆环转速和车速的下降相对轮速下降要小得多，这在下面分析。根据不同的车辆、根据装在前轮或装在后轮等因素通过计算和跑车实验采用相应质量和转动惯量的圆环，使到在这极短的时间内圆环转速的下降接近或等于车速的下降。使到我们可以利用这一时刻圆环的转速来表征车速。为了便于理解，下面采用具体数字来说明，主要部件采用机械的ABS成本很低，但也会存在一定的误差，下面先以理想的情况加以说明。假设这一个ABS控制周期
6、发生在车速为25m/s时，每个ABS周期小于0.1S，制动发生后轮速急剧下降，而车速和圆环转速下降不多，在这里忽略，在下面讨论。当轮速下降到20m/s时，滑移率公式可代换为 其中，为圆环转速，为车轮转速，为车轮半径。此时车轮的滑移率已达到S=25202520%，即此时刻圆环转速与轮速有5m/s的速度差，刚才圆管是通过后面的小挡板带动圆环转动，车轮转速在急剧下降时圆环早有相对圆管转动的趋势了，但在圆环突出与圆管管面前挡板之间有一压力与车速呈正比弹力器，设计时其压紧力我们根据圆环的转动惯量，使到当制动发生在这一速度下，圆环转速相对圆管转速达到5m/s的差时，圆环即能克服此弹力器弹力，相对圆管和车轮
7、稍稍向前转动（换个说法，即此时压力与车速呈正比弹力器阻止圆环相对车轮向前转动的阻力矩略小于圆环由于与车轮存在转速差而产生的惯性力矩，圆环就要相对圆管向前转动），这一转动接通了工作电路，使位于连接储液罐卸压油路上的卸压电磁阀打开和位于连接高压蓄能器油路上的升压电磁阀关闭，从而使轮速重新上升，上面所述即控制了制动发生在这一车速时，本装置控制车轮的滑移率不超过20%，但由由于机械的滞后性，会有些偏差，这在后面说明装置中机械的自适应时给予说明，但也正是利用此滞后使到车轮充分利用地面的最佳附着力。圆管前挡板圆管后挡板升压圆环突起小弹簧升压圆环卸压圆环卸压圆环突起 圆管车轮图2 装置中设计了一随车速、轮速
8、下降压紧力也成正比例下降的压力与车速呈正比弹力器，即车速和圆环转速降到12.5m/s时，压紧器的压紧力能使到轮速下降到10m/s即（圆环转速与轮速有2.5m/s的差）滑移率也为20%时，圆环又能再次克服压紧器的弹力相对圆管和车轮稍稍向前转动。从而接通工作电路，使油路卸压。即使到制动过程中处于不同车速和轮速下（除了低速时）本装置所控制的车轮的滑移率不超过20%。下面介绍控制制动油路升压的圆环，简称升压圆环。如图2，即在上面讲的卸压圆环的旁边再加一个转动惯量较小的圆环，圆环依然套在圆管上，两者接触面开有槽，槽中放有滚珠，使到卸压圆环可绕圆管转动，升压圆环的右边有突起，卸压圆环的左边有突起，两个突起
9、之间夹一小弹簧，两个突起离得很近，即小弹簧很短（图2中为了表现清楚两突起离得较远），两个突起和小弹簧整体都夹在圆管管面上的两块挡板间。前面讲到制动时当车轮达到我们所限制的滑移率时，卸压圆环会相对圆管发生转动，而升压圆环由于其上突起受到圆管前挡板阻挡，不能相对圆管转动，则位于后边的卸压圆环上的突起会挤压小弹簧向升压圆环上的突起靠近，从而两个突起中的电极会接通（当然在这个过程中如前面所说的卸压圆环上的另一个突起会挤压压力与车速成正比弹力器），工作电路接通，制动油路卸压电磁阀打开，升压电磁阀关闭。下面重点分析油路重新升压的控制，紧接着车轮转速会迅速上升，而两个圆环由于刚才圆管前挡板的阻挡，转速已接近
10、刚才的轮速，故此时两个圆环都会相对于圆管和车轮向后转动，直到处在后边的卸压圆环的突起被圆管管面上的后挡板挡住，由于卸压时，车轮仍存在滑移率，地面作用于车轮上的车轮转矩使车轮有加速度，车轮转矩WR，其中W为轮载荷，R为车轮半径，为滑移率，随着车轮速度的上升，车轮的滑移率越来越小，地面作用于车轮的车轮转矩也越小，即轮速越接近车速，车轮的加速度会越小。当然，我们不能使到轮速在卸压时完全回复到车速，这样会增大了制动距离，而让车轮还存在一定的滑移率，即车轮还存在一定的加速度时停止油路卸压，开始重新升压，是通过上面讲的两个圆环突起之间夹的小弹簧来实现的。具体是：刚才已经提到了车轮加速时，卸压圆环的突起在圆
11、管后挡板带动下通过两圆环突起之间的小弹簧带动升压圆环的突起，作用给升压圆环一个加速力矩，当此加速力矩小于两突起之间小弹簧由于被压缩而作用给升压圆环的弹性力矩时，即车轮加速度已太小了（车轮的滑移率已较小），则升压圆环的突起在小弹簧作用下带动升压圆环相对卸压圆环向前转动，两个突起中的电极不再接触，工作电路断开，则升压电磁阀打开，卸压电磁阀关闭，制动油路压力重新上升，轮速重新下降，整个ABS控制周期结束，即另一个ABS控制周期开始。如图1-8，电子式的ABS轮速也同样有接近车速的过程。由于实际装置中两圆环突起离得很近，使到装置反应迅速有效。两圆环上突起中的电极通过连线，与车轴处的两个铜环相接，并通过
12、电刷与车身上的电路连接。诚然，机械式的ABS控制会存在滞后和不精确性，然而机械也有其自适应性的优点，即能适应实际中高附着路面车轮的最佳滑移率为10%左右，而低附着路面车轮的最佳滑移率为30%左右。具体是当制动开始后，作用于车轮有两种力矩，如图1-10，制动力矩和地面作用给车轮的车轮转矩，随着制动的进行，如图1-11，制动力矩随制动力的增加直线上升（车轮转矩WR，其中W 为轮载荷，R为车轮半径，为滑移率），而开始时，车轮转矩会随着车轮滑移率的增加而上升，当车轮达到最佳滑移率时，车轮与地面的附着系数最大，车轮转矩达到最大。接下来，制动力矩继续直线上升，由于车轮滑移率的继续增大，车轮与地面的附着系数
13、反而变小，车轮转矩也变小，车轮转矩与制动力矩落差越来越大（如图1-11，图中双箭头线），车轮在此时的减速度趋势开始很大，即上面所讲的卸压控制阶段，卸压圆环此时很容易相对车轮向前转动，只要卸压圆环相对车轮稍稍一转动，电元件就会使到制动油路卸压，这是本系统的灵敏之处，即本装置不管在高附着或低附着路面，较容易在车轮已获得路面最大附着力后产生卸压动作，虽然有点滞后性，但却能让车轮充分利用路面最佳附着力，即相当于电子式ABS的保压阶段。为了保障制动安全性，系统中增加了安全报警电路，当制动踏板压力开关通电，而车辆上的加速度传感器没能达到一定的加速度时，安全电路接通，则断开ABS电路，保持常规制动，并点亮A
14、BS报警灯，整个系统的工作电路原理图如图1-12。两圆环接合开关制动器开关安全开 关升压 电磁阀卸压 电磁阀图1-12今后我国的摩托车行业将得到持续快速发展,对于摩托车来说，由于其为两轮系统，重心高，制动时重心前倾严重，制动稳定性差，因而制动时的制动稳定性更为重要。而国外装在摩托车上的电子式ABS系统价格昂贵，如宝马摩托车装的价格在8000元人民币左右，这在国内相当于一部普通摩托车价格。因此本装置对于摩托车来说也有较大的意义。下图为本装置大部分零件安装在原有的制动鼓内的结构原理图。为了确保零部件工作时的稳定性，相应的地方加上隔热材料，并多加了辅助机件，使装置在不同路面，不同情况下控制更精确。制动鼓（二）行人防撞装置在一些国家里，车祸死亡的人中，行人居最高，然而由于包括成本在内的种种2 行人防撞装置在一些国家里，车祸死亡的人中，行人居最高，然而由于包括成本在内的种种原因，行人防撞方面较少涉及，所以本装置在原来轿车发动机罩的连接上进行一定的改动，旨在成为适应我国国情低成本的有效的行人被动防撞装置。根据碰撞实验和事故记录，参见后面附页汽车安全技术概论，轿车等长头车撞击行人过程中，行人受到三次严重打击：第一次是车辆的保险杆撞击行人腿部，发动机罩撞击行人腿部到腰部之间；第二次打击是
