abs汽车防抱死制动系统设计—毕业设计

abs汽车防抱死制动系统设计—毕业设计内容摘要：

强度和韧性 ,又有超硬材料的硬度和耐磨性的新刀具材料也完全有可能出现。 本文主要讲述以 80C196KC 单片机为核心，完成了信号输入回路、输出驱动回路、电源部分及故障诊断等硬件电路设计 ，对轮速传感器、电磁阀等的故障检测电路进行了设计。 本科生毕业设计 第 12 页 2．防 抱死制动系统基本原理 制动时汽车的运动 制动时汽车受力分析 汽车在制动的过程中主要受到地面给汽车的作用力、风的阻力和自身重力的作用。 地面对汽车的作用力又分为 :作用在车轮上垂直于地面的支承力和作用在车轮上平行于地面的力。 汽车在直线行驶并受横向外界干扰力作用和汽车转弯时所受到地面给汽车的力如图 21所示。 其中 Fx为地面作用在每个车轮上的地面制动力，他的大小决定于路面的纵向附着系数和车轮所受的载荷。 所有车轮上所受地面制动力的总和作为地面给汽车的总的地面制动力，他是使汽车在制动时减 速 并停止的主要作用力。 Fy 为地面作用在每个车轮上的侧滑摩擦力，侧滑摩擦力的大小取决于侧向附着系数和车轮所受的载荷，当车轮抱死时，侧滑摩擦力将变得很小，几乎为零。 汽车直线制动时，若受到横向干扰力的作用，如横向风力或路面不平，汽车将产生侧滑摩擦力来保持汽车的直线行驶方向，如图 21（ a） 图 21 汽车直线和转弯制动时的平面受力简图 所示。 若汽车在转弯时制动或在制动时转弯，也将产生侧滑摩擦力使汽车能够转向，如图 21 (b)所示。 地面制动力决定制动距离的长短，侧滑摩擦力则决定了汽车制动时的方向稳定性。 这里将作 用在前轮上的侧滑摩擦力称为转弯力，将作用在后轮上的侧滑摩擦力称为侧向力。 转弯力和汽车的方向操纵性有关，它保证了汽车能够按照驾驶员的意愿转向。 侧向力和汽车的方向稳定性有关，它保证了汽车的行进方向。 转弯力越大，汽车的方向操纵性越好。 侧向力越大，汽车的方向稳定性越好。 如上所述，施加适当的制动，能够有效地使汽车停下。 制动强度过大，是汽车发生各种危险运动状况的主要原因。 因此，汽车行驶时，要根据冰路、雪路、 本科生毕业设计 第 13 页 砂石路、坏路、水湿路、干路、直路、弯曲路等道路条件，根据汽车速度、方向转角等行驶条件进行制动操作，必须时常注意不 能让车轮完全抱死。 车轮抱死时汽车运动情况 车轮抱死时汽车所受到的侧滑摩擦力将会变的很小，这将使汽车制动时保持方向操纵性和方向稳定性的转弯力和侧向力变的很小，使汽车在制动时出现一些危险的运动情况。 对 ABS 系统来说，就是要防止这些危险情况的出现。 下面从汽车在一种路面上直线和转弯制动两方面简单讨论一下当车轮抱死时汽车的运动情况。 （ 1） 汽车在一种路面上直线运动制动车轮抱死时可能出现的运动情况如图22所示。 图 22 (a)为只有前轮抱死时，由于前轮的转弯力基本为零，无法进行正常的转向操作。 为制动时前 轮全部抱死而后轮不抱死汽车的运动情况示意，当前轮抱死时转弯力为零，驾驶员无法控制汽车的方向使汽车转向来避让前方的障碍物，这时由于汽车后轮不抱死，所以汽车仍具有侧向力来维持方向稳定性。 图22 (b)为只有后轮抱死时，后轮的侧向力接近于零，汽车仍具有方向操纵性，但会因后轮抱死而失去方向稳定性使汽车侧滑。 汽车不能保持原来的行驶方向，由于离心力和前轮转向力的作用，汽车将一面旋转一面沿曲线行驶 (这种运动叫外旋转 )。 图 22 (c)为前后车轮全部抱死时时转弯力和侧向力都为零，这种状态很不稳定，路面不均匀、左右轮地面制 动力不相等时，即使对汽车施加很小的偏转力矩，汽车就会产生不规则运动而处于危险状态，在不规则旋转的过程中将制动释放，汽车就会沿着瞬时行驶方向急速驶出，这也是很危险的。 （ 2） 汽车在一种路面上转弯制动车轮抱死时可能出现的运动情况如图 23所示。 所有这些运动情况若在制动时出现，都是极其危险的。 从上面对出现这些危险运动情况的简单分析可以看出，制动时车轮抱死导致汽车出现各种危险运动情况，实质上是汽车因失去相应的维持本身方向稳定性方向操纵性的侧滑摩擦力而使汽车出现这些运动情况，即车轮抱死导致汽车的侧滑摩擦力为零。 车 轮的抱死程度和汽车的地面制动力及汽车的侧滑摩擦力之间存在一定的关系， ABS 之所以能防止汽车制动时出现危险的运动情况，就是根据这个关系来调整车轮的运动状态，以避免侧滑摩擦力为零。 本科生毕业设计 第 14 页 图 22 汽车直线制动车轮抱死时的运动情况 图 23 汽车转弯制动车轮抱死时的运动情况 本科生毕业设计 第 15 页 通常 ,汽车在制动过程中存在着两种阻力 :一种阻力是制动器摩擦片与制 动 鼓或制动盘之间产生的摩擦阻力 ,这种阻力称为制动系统的阻力 ,由于它提供制动时的制动力 ,因此也称为制动系制动力。 另一种阻力是轮胎与道路表面之间产生的摩擦 阻力 ,也称为地面制动力。 地面对轮胎切向反作用力的极限值称为轮胎 道路附着力 ,大小等于地面对轮胎的法向反作用力与轮胎 道路附着系数的乘积。 如果制动系制动力小于轮胎 道路附着力 ,则汽车制动时会保持稳定状态 ,反之 ,如果制动系制动力大于轮胎 道路附着力 ,则汽车制动时会出现车轮抱死和滑移。 地面制动力受地面附着系数的制约。 当制动器产生的制动系制动力增大到一定值 (大于附着力 )时 ,汽车轮胎将在地面上出现滑移。 汽车的实际车速与车轮滚动的圆周速度之间的差异称为车轮的滑移率。 滑移率 S的定义式为 : 1VV rS     （ 23） 式中 :S — 滑移率。 Vt — 汽车的理论速度 (车轮中心的速度 )。 ω — 汽车车轮的角速度。 r — 汽车车轮的滚动半径。 由上式可知 :当车轮中心的速度 (即汽车的实际车速 ) Vt 等于车轮的角速度 ω和车轮滚动半径 r 乘积时 ,滑移率为零 ( S = 0) ,车轮为纯滚动。 当 ω = 0 时 ,S = 100 % ,车轮完全抱死而作纯滑动。 当 0 S 100 %时 ,车轮既滚动又滑动。 滑移率与附着系数的关系 图 24 给出车轮与路面纵向附着系数和横向附着系数随滑移率变化的典型曲线。 当轮胎纯滚动时 ,纵向附着系数为零。 当滑移率为 15 %～ 30 %时 ,纵向附着数达到峰值。 当滑移率继续增大 ,纵向附着系数持续下降 ,直到车轮抱死 ( S = 100 %) ,纵向附着系数降到一个较低值。 另外 ,随着滑移率增大 ,横向附着系数急剧下降 ,当车轮抱死时 ,横向附着系数几乎为零。 从图 1 可以看出 ,如果能将车轮滑移率控制在 15 %～ 30 %的范围内 ,则既可以使纵向附着系数接近峰值 ,同时又可以兼顾到较大的侧向 附着系数。 这样 ,汽车就能获得最佳的制动效能和方向稳定性。 ABS 即是基于这一原理而研制的。 本科生毕业设计 第 16 页 图 24 滑移率与附着系数关系 实验证明，道路的附着系数受车轮结构、材料，道路表面形状、材料有关，不同性质道路其附着系数变化很大。 图 纵向附着系数之间的关系。 图 25 不同路面上 纵向、侧向附着系数与 滑移率关系 曲线 由图 25可以看出，各种路面上的变化的总体趋势是一致的。 滑移率和纵向附着系数之间的关系曲线随路面类型的不同，出现峰值的滑移率的取值也会不一样， 本科生毕业设计 第 17 页 并且对应不同路面类型的滑移率 纵向附着系数曲线在峰值附着系数后曲线下降的速度也不相同，在干燥的路面上下降的快些，在湿滑的路面上略微有些下降。 一般干燥洁净的平整水泥、沥青路面纵向峰值附着系数高达 ，而冰雪路面的纵向峰值附着系数低至。 如果这种差别随路面类型的不同变化比较明显，则在设计 ABS系统控制方法时，就必须考虑到随路面类型的不同而采取不同的控制目标和策略。 若汽车在同一种类型路面上制动时的初速度不一样，车轮的纵向附着系数和滑移率之间的关系曲线也会略有不同，制动时的车速越高，车轮的纵 向附着系数越低。 但在同一路面上以不同制动初速度制动时车轮的附着系数 滑移率关系曲线不会有太大变化。 总之，对于在一种路面上制动的汽车，车轮附着系数和滑移率之间的非线性特性是决定汽车制动性能的主要因素。 实际上，汽车的制动过程就是车轮和路面之间的一种非线性变化过程，即车轮附着系数随车轮运动状态非线性变化的过程，所以说汽车的制动过程是一种非线性的制动过程。 制动时汽车通过制动系统改变车轮的运动状态，从而改变车轮的滑移率，形成整个非线性的制动过程。 制动时车轮运动方程 制动过程单轮受力如图 26所示。 图 26 制动过程车轮受力简图 制动车轮轴荷与支撑力 N平衡，该轮转动惯量 J，半径 r:，轴心平移速度 V，转动角速度  ，制动器制动力矩 M，通常与车轮制动压力成正比系数 K, 则有地面制动力bF ，紧急制动不计滑动阻力。 则有 本科生毕业设计 第 18 页 制动时制动力远大于空气阻力和滚动阻力， ， ，分别为右侧前后轮制动力，汽车初速为 ，质量为 m(重力 G)，质心 c到前后轴距离 , ，轴距 L,轮距 B,质心高hg,汽车制动减速为 前轴载荷 后轴载荷 制动时附加转向力矩 从式 (24)可知，调节制动压力可以使 车轮角减速度产生变化 :从式 (210)计算制动时的瞬时车速 V，可计算各车轮滑移率，从式 (27) (28)及各轴载荷可以判断道路附着系数，并进行调节，故知 ABS可以用 dW/dt(角加速度 )或滑移率 S，或滑移率与角加速度联合作为控制参数。 采用防抱死制动系统的必要性 汽车直线行驶过程中，突然紧急制动，汽车车轮一下子抱死，汽车仍然向前行滑，轮胎和地面之间发出吓人的磨擦声，汽车最后终于停了下来。 在日常生活中，大家都可能遇到过这种现象。 如果汽车发生交通事故，交通警察来了之后首先总是检查一下汽车制动痕迹 ，判断司机在事故中是否采取了制动措施。 然后再测量一下制动距离，看一看该车制动效果好不好。 当轮胎的滑移率在 8%~25%时，轮胎和她面的摩擦力 (附着力 )最大。 如果轮胎的滑移率过大的话，附着力反而要降低。 如果司机能控制轮胎的滑移率，使其在制动期间始终处于 8%^25%范围之内，汽车将在更短的制动距离内停车。 本科生毕业设计 第 19 页 当汽车转向时，如果汽车紧急制动的话，和直线行驶一样会出现车轮抱死现象。 由于车轮抱死，汽车的侧向附着力变成了零，汽车轮胎出现侧向滑动，汽车丧夫了控制方向的能力，这是十分危险的。 汽车的侧向附着力和制动力之间的关系十分紧密。 在不制动的时候，轮胎前后方向的滑动为零，这时车轮侧向附着力最大。 司机踏动制动踏板，随着制动力的加大，轮胎的滑移率增加，侧向附着力逐渐减速小。 最后，当轮胎的滑移率达到 100%时，轮胎抱死。 这样汽车的侧向附着力几乎等于零。 此时汽车正在转弯中，轮胎开始出现侧向滑动。 在车轮抱死之后，方向盘己经不起作用了，汽车陷入了不能控制方向的困境，只有前轮抱死的汽车沿着直线前进最后停车，只有后轮抱死的汽车发生旋转现象最后停车，如果前后轮都抱死的话，汽车一边转一边沿直线前进最后停车。 上述各种状态是极其危险的。 为了避免 发生这些现象，司机在踏动制动板时，必须谨慎从事。 在制动过程中，如果始终能使轮胎的滑移率处于 8%～ 25%范围之内的话，汽车将在最短的制动距离内停车并具有良好的控制方向的能力。 为了达到上述目的，要求司机在操作时应十分精心，即踏动制动踏板使车轮抱死，然后在轮胎抱死的一瞬间放松制动踏板，轮胎一旦开始转动再踏动制动踏板使车轮抱死，如此反复操作。 在摩擦系数小的光滑路面上，司机在制动时都很小心，唯恐使车轮抱死，但仍很难做到，原因是司机不知道车轮什么时候抱死。 除此之外，汽车行驶 的许多条件也都在变化之中，如道路的路面状况 时时刻刻都在变化，轮胎着地状 态也每时每刻各不一样，前后轮胎的载荷分配更是如此。 要完成上述制动要求确实难上加难。 当然技术熟练的司机在某种程度上能根据各种条件合理地操作制动，如采用点制动。 可是一旦遇上紧急状态，大多数人都是一脚踏死制动踏板，使轮胎抱死为此。 上述司机做不到的许多事，利用传感器就能办到。 将传感器的数据进行整理、判断、变成执行机构所必需的信息，这部分工作对于电脑来说是很简单的，按照 电脑的指令执行操作，这在机械结构上也不会有什么大问题。 ABS 系统调节作用到每个车轮制动缸的制动液压力，以防止无论任何 时由于制动过猛而可能引起的车轮抱死。 当不再有可能抱死车轮时，再恢复正常压力。 使滑移率控制在一定范围之内。 这样不但提高了车辆行驶的稳定性，增强了车辆方向的可控性，而且缩短了制动距离。 防抱死制动系统基本工作原理 ABS 系统是通过在制动时按一定规律不断改变制动液压力使车轮不产生抱死状态的。 这种对制动液压力的改变过程实际上就是 ABS 系统控制方法实施的过程。 下面以基于车轮加减速度逻辑门限值的控制方法对直线单一路面的制动过程的控制为例，简单说明 ABS的基本工作原理。 ABS 系统在制动时对制动油 压的控制过程如图 27 所示。