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1、第六章 提高汽车安全性的制动控制系统提高汽车的安全性关系到多方面组合的重要课题，在事故的预防、事故回避等预防安全领域里与汽车运动性能之间有密切的关系。从事故发生的时间流程来考虑，事故预防的中心作用是驾驶员，也就是驾驶员在事故发生之前，之后的瞬间里对汽车的作用非常大。对事故发生之后瞬间的乘客保护的冲突安全部分是属于事故发生前的预防安全领域，在事故回避上与制动器控制系统有密切的关系。在汽车的预防安全领域和冲突安全领域里人-车-环境的作用是不同的。也就是事故预防、事故回避、乘客保护、救出乘客等环节中人-车-环境的作用是不同的。在事故预防环节中人和环境的作用是主要的，在事故回避环节中车的作用是主要的，
2、在事故发生之后的乘客保护环节中车的作用是主要的，在救出乘客的环节中车和环境的作用是主要的。在1970年使用的制动防抱死系统（Anti-Lock Brake System，简写为ABS）为开端，不断开发并商品化了的驱动防滑控制系统(Traction Control System，简写为TCS)、车辆稳定性控制系统(Vehicle Stability Control System，简写为VSC)、制动器辅助系统(Brake Assist System，简写为BA)等有效的制动控制系统。ABS是在紧急制动时或容易滑动的路面上制动时防止车轮抱死、保证汽车的方向稳定性和操纵性为目的的制动器控制系统。TC
3、S是在雪路和结冰路面等容易滑动的路面上进行加速时，防止发生驱动轮的打滑，提高车辆稳定性和加速性的控制系统。VSC是在急剧操纵方向盘和路面状况急剧进行变化等不可预测状态下，防止横摆运动和横向侧滑的控制系统。VSC是控制制动系统和发动机的输出转矩来维持汽车横向稳定性。BA是汽车进行紧急制动时，一般的驾驶员没有用足够的力量来踩制动踏板，为了辅助这一现象，判定为紧急制动工况时，加大制动器制动力的装置就是制动器辅助系统。6-1 汽车制动防抱死系统的基本原理在这一节里主要分两个大部分来讲述。第一部分主要讲ABS的组成部分。第二部分主要讲述ABS 的基本原理，即制动时的车辆的运动、滑移率、制动器和车轮的旋转
4、运动；影响控制技术的因素；ABS的控制技术；ABS存在的问题及其解决方法。6-1-1、 制动防抱死系统的组成ABS如图6-1所示，由三部分所组成，即传感器、电子控制总成和液压控制总成。其功能示意图如图6-2所示。图6-1 ABS系统的组成示意图1. 车轮传感器把齿轮形状转动盘安装在驱动轴或者轮毂等转动体上，和这个旋转体相邻接的固定部位上安装电磁头。当车轮旋转时发生和旋转体相位相同的脉冲信号送到电子控制总成。一般，车轮传感器利用电磁感应类型的传感器使用的较多。2. 电子控制总成（ECU） ECU接受车轮传感器送来的信号，计算车轮速度、计算滑移率、计算车轮加速度，并综合考虑这些信号，利用各种各样的
5、算法预测轮胎要抱死的前兆，向促动器发出驱动指令回避车轮抱死。有各种各样的控制算法，基本上是根据对车体速度采用合适的滑移率改变制动器油压而设定车轮速度、加速度基准与实际车轮速度、加速度之间的对比进行控制。但是，检测出车体速度是困难的。现在，根据四个车轮的速度分别进行推测演算。ABS控制的好坏很大程度上取决于车体速度的推测精度。图6-2 ABS系统功能示意图另外，监视和确认向液压总成传送去的控制功能，并且，确认和监视系统的各组成部件和整体功能。当系统发生故障时点亮警报灯和启动警报器，提醒驾驶员的同时，停止使用ABS系统，并恢复一般的制动系统。3. 液压控制总成该总成布置在主缸和轮缸之间，接受从电子
6、控制总成发出的控制命令，驱动电磁阀、泵、电机，并直接或间接地增压、减压和保持制动器的压力。过去有了各种类型的液压控制总成，但是目前主要使用如图6-3所示的，根据轮胎滑移率状态进行增压、保压、减压的三个 图6-3 促动器管路图模型重复的液压控制总成。打开A阀关闭B阀的状态是一般的工况，当踩制动踏板时主缸的油压传递到轮缸而达到增压的状态。当关闭A阀打开B阀时油流到油箱，而处于减压状态，油泵把流到油箱的制动器油送到主缸一侧。还有，当把A阀和B阀同时关闭时轮缸的油压处于保压6-1-2 、制动时的车辆运动1. 车辆运动的受力分析1）、制动时产生的力(1) 制动力：车辆行驶中进行制动时，轮胎和地面的接触面
7、上产生的和前进方向相反的摩擦力。我们把这一摩擦力称为地面制动力。和这个制动力有关的摩擦系数叫附着系数。附着系数越大，制动力就越大，制动时可以在短距离内停车。(2) 惯性力：和作用在车轮上的地面制动力合力的大小相同，方向相反的力称为惯性力，作用在质心上。当然忽略空气阻力、滚动阻力等。(3) 横摆力矩：当左右制动力对称时，车辆不跑偏。当左右制动力不对称时，产生以车辆质心为轴的横摆力矩。根据情况不同，车辆可能产生横向位移（侧滑）或跑偏。2）横向滑移摩擦力（侧偏力）车辆在行驶中进行制动时，轮胎和地面的接触面上产生和地面制动力不同的摩擦力作用在轮胎的横向方向上。我们把这个力称为横向滑移摩擦力（侧偏力）。
8、这个力是有横向风等外力作用在车轮的侧向方向时，为了维持车辆的原来行驶方向，而产生的抵抗力。另外当有侧偏现象时（车辆改变方向），也就是随着操纵方向盘的转动，各转向轮上产生侧偏角，并产生横向摩擦力。这一摩擦力是抵抗离心力维持曲线运动的力。和这一摩擦力的大小有关的摩擦系数称为横向附着系数。3）车轮被抱死时的车辆的运动（a）、直线行驶时 当直线行驶的车辆进行紧急制动，全部车轮都抱死时，横向滑移摩擦系数（侧向力系数）几乎为零。所以，保持车辆方向稳定性的侧偏力几乎为零。此时的状态是处于不稳定状态。如果，有地面或轮胎的质量不均匀，使左右轮的制动力不相等，产生横摆力矩时，车辆开始进入不规则旋转的危险状态。这一
9、现象，正如在冰上行驶的车辆被抱时发生的现象相同。车辆在不规则旋转中解除制动力时，车辆很快向着车轮指的方向行驶，这一现象是很危险的。（b）、曲线行驶时当曲线行驶的车辆进行紧急制动，全部车轮都抱死的情况。先考虑只抱死前轮的工况。因为侧偏力几乎变为零，所以，维持按照驾驶员方向盘指的方向行驶的能力没有了，车辆没有按驾驶员的意志行驶，而和驾驶员的意志毫无关系的方向滑移过去。此时，滑移过去的方向就是曲线行驶的切线方向。其次考虑只抱死后轮时。后轮的侧偏力几乎变成零。就失去了维持行驶方向的能力。于是，由于作用在汽车上的离心力，或者前轮的侧偏力，使车辆一边进行旋转一边跑出弯道路面，我们把这一运动称为自转Spin
10、-out。当全部车轮都抱死时，侧偏力同时几乎变成为零，就失去了操纵性和方向稳定性。只抱死前轮和只抱死后轮的两种工况合在一起时，车辆一边进行和驾驶员的操纵毫无关系的不规则旋转，一边沿着弯道的切线方向滑移过去。如上所述，如果用适当的制动力可以使车辆停止在预想停止的地方，但如果制动器制动力过大时，就把车轮抱死，这是引起种种危险车辆运动的最大原因。因此，在冻冰路、雪路、砂石路、坏路、干燥路、直线路、弯道等各种道路条件下，控制好车辆的速度，经常注意不要让车轮被抱死。2. 载荷的转移车辆的重量是由各个车轮所支撑着。为此，在轮胎和路面之间的接触面上作用着所谓轮胎载荷的垂直方向的作用力。这一轮胎上的载荷随着制
11、动力和离心力有以下的变化。(1) 由制动力引起的变化当进行制动时产生的地面制动力是由轮胎载荷和制动摩擦系数的乘积来表示的。和这一制动力大小相同、方向相反的力，就是作用在车辆质心上的惯性力。为此，产生车辆向前倾斜的力矩使前轮增加轮胎载荷，使后轮减小轮胎载荷。制动摩擦系数为，车辆重量为，轴距为，重心高度为，则载荷的移动量为，可见，重心越高，轴距越短时，车辆轮胎载荷变化越大。(2) 离心力引起的变化有侧倾时，车辆的质量，速度，以及转弯半径所决定的离心力作用在车辆的重心上。为此，产生侧倾力矩。外侧轮胎的载荷增加，内侧轮胎的载荷减小，设轮距为，假设离心力引起的侧倾力矩对前后轮胎的作用是相等的，则有载荷移
12、动量这一轮胎载荷的变化称为动载荷的转移。其变化量是和不同方向的加、减速度成正比例的。由于这一载荷的转移，侧倾时进行制动，就有外侧轮的制动力变大，内侧轮的制动力变小。我们研究ABS的时候必须想到这一点。6-1-3、滑移率1. 滑移率的定义车辆的速度（以后叫车体速度）是随作用于轮胎和路面之间的制动力增大而减速。这是因为在制动器上的制动力使车轮的旋转速度（以后叫车轮速度）减少，产生车体速度和车轮速度差的原因，如图6-4所示。这一产生的车体速度和车轮速度差的现象我们称为滑移现象，把滑移的大小用滑移率来表示。滑移率用来表示，即定义为，从这一式子可见，当车体速度和车轮速度相等时，滑移率为零。当进行制动使车
13、体速度和车轮速度差增大时，滑移率也增大。然而，当车辆将要停止前车轮被抱死时，车轮速度变为零，故滑移率为100%。图6-4 车体速度和车轮速度图6-5 特性2. 滑移率和摩擦系数的关系如前所述，制动力系数和侧向力系数与滑移率之间有密切的关系，具有如图6-5所示的特性。也就是，没有进行制动时（滑移率），制动力系数，开始进行制动滑移率到一定值时，变为最大，此后，随滑移率的增大制动力系数变小。制动力系数最大值所对应的滑移率称为（最佳滑移率）。另一方面，侧向力系数是滑移率时最大，随着滑移率的增大，侧向力系数变小。从而，车轮抱死时，如前所述，车辆失去了方向稳定性和操纵性。6-1-4、 制动器和车轮的旋转运
14、动1. 车轮减速度和车轮加速度在旋转中的车轮进行制动时，随着制动压力的上升，要产生同旋转方向相反的制动力矩，为此，产生如图6-6所示的由车轮速度的减少引起的滑移现象。当解除制动力时，制动力矩消失，车轮从滑移状态恢复原来的工况。即，车体速度和车轮速度达到一致为止增加车轮速度。这种或者减小或者增加的单位时间内的车轮速度的变化量称为车轮减速度或者车轮加速度。即，图6-6 车轮的减速度和加速度图6-7 制动器转矩和轮胎转矩因此，一般制动力越大，车轮减速度越大，在滑移状态中，制动力解除越快，车轮加速度就越大。2. 车轮减速度和特性当进行制动时，对车轮旋转有影响的主要因素为如前所述的制动器转矩和轮胎转矩。
15、轮胎的转矩是如图6-7所示的轮胎和路面的接触面上作用着的制动力使车轮上制动器转矩方向相反的方向旋转的力矩。和轮胎转矩大小有关的是车轮的载荷，车轮半径，以及制动力系数。即注意：严格的讲，在旋转的轮胎上作用着滚动阻力引起的滚动阻力矩，故。图6-8 车轮抱死的过程静载荷和车轮半径对车辆几乎是个常数，所以，轮胎转矩跟制动力系数成正比。由这两个力矩使车轮的旋转状态变成如下情况。制动器转矩比轮胎转矩大的时候，车轮速度开始减小。车轮减速度跟制动器转矩与轮胎转矩差的大小成正比。轮胎转矩比制动器转矩大的时候，车轮速度开始增加，车轮加速度跟轮胎转矩与制动器转矩差的大小成正比。把以上关系用车轮的旋转运动方程式来表示如下，这里，车轮的旋转角加速度车轮的转动惯量制动器转矩开始进行制动时，车轮速度的减小过程和特性一起表示的话，如图6-8所示。开始进行制动，制动器压力上升时，制动器转矩随之增大，从而，车轮速度开始减少，滑移率和轮胎转矩（即）开始上升。滑移率到最佳滑移率为止，轮胎转矩是和制动器转矩基本上成正比地增加。因此，在这一期间，车轮减速度是和制动器转矩的上升速度（倾斜）成正比。但是，其后继续增加制动器转矩时就要超过最佳滑移率。如前所述制动力系数开始减少，从而轮胎转矩也开始减少，急剧增加制动器转矩和轮胎转矩大小之差。因此，车轮速度急剧
