ABS汽车防抱死制动系统设计〔三维建模CAD图纸〕 ABS 汽车防抱死制动系统设计 1 防抱死制动系统概述 1.1 ABS 的功能 汽车? ABS? 在高速制动时用来防止车轮抱死,ABS? 是英文? Anti?lock? Brake?Syetem的缩写,全文的意思是防抱死制动系统,简称?ABS 凡驾驶过汽车的人都有这样的经历:在积水的柏油路上或在冰雪路面紧急制 动时,汽车轻者会发生侧滑,严重时会掉头、甩尾,甚至产生剧烈旋转制动力 过大,将使车轮抱死,汽车方向失去控制后,假设是弯道就有可能从路边滑出或闯 入对面车道,即使不是弯道也无法躲避障碍物,产生这些危险状况的原因在于汽 车的车轮在制动过程中产生抱死现象,此时,车轮相对于路面的运动不再是滚动, 而是滑动,路面作用在轮胎上的侧滑摩擦力和纵向制动力变得很小,路面越滑, 车轮越容易总之,汽车制动时车轮如果抱死将产生以下不良影响:方向失去控 制,出现侧滑、甩尾,甚至翻车;制动效率下降,延长了制动距离;轮胎过度磨 损,产生“小平面〞,甚至爆胎ABS?防抱死制动装置就是为了防止上述缺陷的发生而研制的装置,它有以下 几点好处:增加制动稳定性,防止方向失控、侧滑和甩尾;提高制动效率,缩短 制动距离(松软的沙石路面除外);减少轮胎磨损,防止爆胎。
现代轿车的?ABS由输入传感器、控制电脑、输出调制器及连接线等组成输 入传感器通常包括死个车轮的轮速信号、刹车信号,个别车型还有减速度信号、 手刹车或车油面信号ABS?的第一个优点是增加了汽车制动时候的稳定性汽车制动时,四个轮子 上的制动力是不一样的,如果汽车的前轮抱死,驾驶员就无法控制汽车的行驶方 向,这是非常危险的;倘假设汽车的后轮先抱死,那么会出现侧滑、甩尾,甚至使汽 车整个掉头等严重事故ABS?可以防止四个轮子制动时被完全抱死,提高了汽车 行驶的稳定性汽车生产厂家的研究数据说明,装有 ABS的车辆,可使因车论侧 滑引起的事故比例下降 8%左右ABS?的第二个优点是能缩短制动距离这是因为在同样紧急制动的情况下,?ABS?可以将滑移率(汽车华东距离与行驶的比)控制在?20%左右,即可获得最大 的纵向制动力的结果ABS?的第三个优点是改善了轮胎的磨损状况,防止爆胎事实上,车轮抱死 会造成轮胎小平面磨损,轮胎面损耗会不均匀,使轮胎磨损消消耗增加,严重时 将无法继续使用因此,装有 ABS具有一定的经济效益和平安保障 另外,ABS 使用方便,工作可靠ABS 的使用与普通制动系统的使用几乎没有区别, 紧急制动时只有把脚用力踏在制动踏板上, ABS 就会根据情况进入工作状态, 即使雨雪路滑, ABS 也会使制动状态保持在最正确点。
ABS 利用电脑控制车轮制动力, 可以充分发挥制动器的效能,提高制动减速度和缩短制动距离,并能有效地提高 车辆制动的稳定性,防止车辆侧滑和甩尾,减少车祸事故的发生,因此被认为是 当前提高汽车行驶平安性的有效措施目前 ABS 已经在国内外中高级轿和客车上 得到了广泛使用 1.2 防抱死制动系统的开展历史 ABS 装置最早应用在飞机和火车上,而在汽车上的应用比拟晚铁路机车在 制动时如果制动强度过大,车轮就会很容易抱死在平滑的轨道上滑行由于车轮 和轨道的摩擦,就会在车轮外圆上磨出一些小平面,小平面产生后,车轮就不能 平稳地行驶,产生噪声和挣动1908 年英国工程师 J. E. Francis 提出了“铁路 车辆车轮抱死滑动控制器〞理论,但却无法将它实用化接下来的 30年中,包括 Karl Wessel的“刹车力控制器〞、 Werner Mhl的“液压刹车平安装置〞与Richard Trappe 的“车轮抱死防止器〞等尝试都宣告失败在 1941 年出版的?汽车科技手 册?中写到:“到现在为止,任何通过机械装置防止车轮抱死危险的尝试皆尚未 成功,当这项装置成功的那一天,即是交通平安史上的一个重要里程碑〞,可惜 该书的作者恐怕没想到这一天竟还要再等 30 年之久。
当时开发刹车防抱死装置的技术瓶颈是什么?首先该装置需要一套系统实 时监测轮胎速度变化量并立即通过液压系统调整刹车压力大小,在那个没有集成 电路与计算机的年代,没有任何机械装置能够达成如此敏捷的反响!等到 ABS 系 统的诞生露出一线曙光时,已经是半导体技术有了初步规模的 1960 年代早期 精于汽车电子系统的德国公司 Bosch(博世)研发 ABS 系统的起源要追溯到 1936 年,当年 Bosch 申请“机动车辆防止刹车抱死装置〞的专利1964 年(也是 集成电路诞生的一年)Bosch 公司再度开始 ABS 的研发方案,最后有了“通过电子 装置控制来防止车轮抱死是可行的〞结论,这是 ABS(Antilock Braking System) 名词在历史上第一次出现!世界上第一具 ABS 原型机于 1966 年出现,向世人证明 “缩短刹车距离〞并非不可能完成的任务因为投入的资金过于庞大,ABS 初期的 应用仅限于铁路车辆或航空器Teldix GmbH 公司从 1970 年和奔驰车厂合作开发 出第一具用于道路车辆的原型机??ABS 1, 该系统已具备量产根底,但可靠性 缺乏,而且控制单元内的组件超过 1000 个,不但本钱过高也很容易发生故障。
1973 年 Bosch 公司购得 50%的 Teldix GmbH 公司股权及 ABS 领域的研发成 果, 1975 年 AEG、 Teldix 与 Bosch 达成协议, 将 ABS 系统的开发方案完全委托 Bosch 公司整合执行ABS 2〞在 3年的努力后诞生!有别于 ABS 1 采用模拟式电子组 件, ABS 2 系统完全以数字式组件进行设计,不但控制单元内组件数目从 1000 个 锐减到 140 个,而且有造价降低、可靠性大幅提升与运算速度明显加快的三大优势两家德国车厂奔驰与宝马于 1978 年底决定将 ABS 2 这项高科技系统装置在 S 级及 7系列车款上 在诞生的前 3年中,ABS 系统都苦于本钱过于高昂而无法开拓市场从 1978 到1980年底, Bosch公司总共才售出24000套ABS系统 所幸第二年即成长到76000 套受到市场上的正面响应,Bosch 开始 TCS 循迹控制系统的研发方案1983 年 推出的 ABS 2S 系统重量由 5.5 公斤减轻到 4.3 公斤,控制组件也减少到 70 个 到了 1985 年代中期,全球新出厂车辆安装 ABS 系统的比例首次超过 1%,通用车 厂也决定把 ABS 列为旗下主力雪佛兰车系的标准配备。
图1-1 BOSCH防抱死制动系统 1.3 防抱死制动系统的开展趋势 (1)ABS 本身控制技术的提高现代制动防抱死装置多是电子计算机控制,这 也反映了现代汽车制动系向电子化方向开展基于滑移率的控制算法容易实现连 续控制,且有十清楚确的理论加以指导,但目前制约其开展的瓶颈主要是实现的 本钱问题随着体积更小、价格更廉价、可靠性更高的车速传感器的出现,ABS 系 统中增加车速传感器成为可能,确定车轮滑移率将变得准确而快速 全电制动控制系统 BBW Brake-By-Wire是未来制动控制系统的开展方向之 一它不同于传统的制动系统,其传递的是电,而不是液压油或压缩空气,可以 省略许多管路和传感器,缩短制动反响时间,维护简单,易于改良,为未来的车 辆智能控制提供条件但是,它还有不少问题需要解决,如驱动能源问题,控制 系统失效处理,抗干扰处理等目前电制动系统首先用在混合动力制动系统车辆上,采用液压制动和电制动两种制动系统 (2)防滑控制系统防滑控制系统 ASR Acceleration Slip Regulation或称 为牵引力控制系统 TCSTraction Control System是驱动时防止车轮打滑,使车 轮获得最大限度的驱动力,并具有行驶稳定性,减少轮胎磨损和发动机的功耗, 增加有效的驱动牵引力。
防滑控制系统包括两局部:制动防滑与发动机牵引力控 制制动局部是当驱动轮 后轮在低附着系数路面工作时,由于驱动力过大,那么 产生打滑,当 ASR 制动局部工作时,通过传感器将非驱动轮及驱动轮的轮速信号 采集到控制器 中, 控制器根据轮速信号计算出驱动车轮滑移率及车轮减、 加速度, 当滑移率或减、加速度超过某一设定阀值时,那么控制器翻开开关阀,气压由储气 筒直接进入 制动气室进行制动,由于三通单向阀的作用气压只能进入打滑驱动轮 的制动气 室,在低附着系数路面上制动时,轮速对压力十分敏感,压力稍稍过大, 车轮就会抱死为此利用 ABS 电磁阀对制动压力进行精细的调节,即用小步长增 压或减压,以到达最正确的车轮滑移的效果 既可以得到最大驱动力,也可保持行驶 的稳定性 (3)电子控制制动系统由于 ass 在功能方面存在许多缺陷,如气压系统的滞 后,主车与接车制动相容性问题等为改善这些,出现了电子制动控制系统 EBS Electronics Break System它是将气压传动改为电线传动,缩短了制动响应时 间最重要的特点是各个车轮上制动力可以独立控制控制强度那么由司机踏板位 移信号的大小来决定,由压力调节阀、气压传感器及控制器构成闭环的连续压力 控制,这样可以在外环形成一个控制回路,来实现各种控制功能,如制动力分布 控制、减速控制、牵引车与挂车处祸合力控制等。
(4)车辆动力学控制系统车辆动力学控制系统 VDC Vehicle Dynamics Control是在 ABS 的根底上通过测量方向盘转角、横摆角速度和侧向加速度对车 辆的运动状态进行控制VDC 系统根据转向角、油门、制动压力,通过观测器决定 出车辆应具有的名义运动状态同时由轮速、横摆角速度和侧向加速度传感器测 出车辆的实际运动状态名义状态与实际状态的差值即为控制的状态变量,控制 的目的就是使这种差值到达最小,实现的方法那么是利用车轮滑移率特性车辆动 力学控制系统目的是改善车辆操纵的稳定性,它可以在车辆运动状态处于危险状 态下自动进行控制其主要作用就是通过控制车辆的横向运动状态,使车辆处于 稳定的运动状态,使人能够更容易地操纵车辆 (5)控制系统总线技术随着汽车技术科技含量的不断增加,必然造成庞大的 布线系统因此,需要采用总线结构将各个系统联系起来,实现数据和资源信息 实时共享,并可以减少传感器数量,从而降低整车本钱,朝着系统集成化的方向 开展目前多使用 CAN 控制器局域网络Controller Area Network用于汽车内部 测量与执行部件之间的数据通信协议1.4 国内 ABS 系统研究的理论状态和具有代表的 ABS 产品公司 我国 ABS 的研究开始于 80 年代初。
从事 ABS 研制工作的单位和企业很多,诸 如东风汽车公司、重庆公路研究所、西安公路学院、清华大学、吉林大学、北京 理工大学、上海汽车制动和山东重汽集团等具有代表性的有以下几个 清华大学汽车平安与节能国家重点实验室有宋健等多名博导、教授,有很强的科技 实力,他们还配套有一批先进的仪器设备,如汽车力学参数综合试验台、汽车弹射 式碰撞试验台及翻转试验台、模拟人及标定试验台、Kodak 高速图像运动分析系 统、电液振动台、直流电力测功机、发动机排放分析仪、发动机电控系统。