收稿日期:2005-12-13作者简介:卞化梅(1969-),女,山西矿业学院机械制造工艺与设备专业毕业,北京工商大学机械制造自动化专业在读硕士,讲师。
汽车防抱死制动系统的原理与发展卞化梅(北京工业职业技术学院,北京100042)摘 要:汽车用制动防抱死制动系统(简称ABS )是汽车主动安全性能的一项重要技术,目前在国内外已经得到广泛应用,介绍了ABS 的工作原理、发展历史、现状以及发展趋势,并着重介绍了国内ABS 的现状及发展趋势。
关键词:汽车;制动防抱死系统;滑移率;附着系数中图分类号:U463.52+6 文献标识码:A 文章编号:1671-6588(2006)01-21-04Concept and Development of the Anti -lock Braking SystemBian Huamei(Beijing Vocational &Technical Institute of Industry ,Beijing 100042,China )Abstract :The Anti 2lock Braking System (ABS ),which is a great importance to active safety of vehicles ,has been widely used in home and abroad.This paper introduces the control concept ,the history of development ,the status in quo and the trend of development of ABS.It emphasizes the domestic status and trend of ABS.Key words :automobile ;Anti 2Lock Braking System ;slip ratio ;adhesion coefficient0引言随着汽车工业的飞速发展和道路交通设施的不断完善,汽车己逐渐成为人们的代步工具,人们在享受汽车带来舒适、便捷的同时,也对汽车行驶的安全性能提出了更高的要求,改善汽车的制动性能始终是汽车设计、制造部门的重要任务。
制动性能是汽车主要的安全性能之一。
评价一辆汽车的制动性能最基本的指标是制动加速度、制动距离、制动时间及制动时方向的稳定性。
制动时方向的稳定性,是指汽车制动时仍能按指定的方向的轨迹行驶。
如果因为汽车的紧急制动(尤其是高速行驶时)而使车轮完全抱死,那是非常危险的。
若前轮抱死,将使汽车失去转向能力;若后轮抱死,将会出现甩尾或调头(跑偏、侧滑),尤其在路面湿滑的情况下,对行车安全造成极大的危害。
汽车防抱死制动系统(Anti -lock Braking Sys 2tem )简称ABS ,是一种机电液一体化装置,它在传统制动系统的基础上,采用电子控制技术,以实现制动力的自动调节,防止制动车轮抱死,以期获得最有效的制动效果,并大大提高车辆主动安全性。
ABS 能够利用轮胎和路面之间的峰值附着性能,提高汽车抗侧滑性能,充分发挥制动效能,同时增加汽车制动过程中的可控性,从而减少事故发生的可能性,是一种具有防滑、防锁死等优点的安全刹车控制系统。
1控制原理1.1滑移率的定义第5卷 第1期2006年1月 北京工业职业技术学院学报JOURNAL OF BEIJ ING VOCATIONAL &TECHNICAL INSTITU TE OF INDUSTRY №.1Vol.5Jan.2006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:S =V t -r ×ωV t×100%式中:S —滑移率;V t —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)V t 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。
1.2滑移率与附着系数的关系图1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,纵向附着系数达到峰值;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。
图1 滑移率与附着系数关系1.3工作原理ABS 系统主要由车轮速度传感器、电子控制系统ECU 和执行元件(压力调节器)等三大部件组成,其工作原理是:在汽车需要全力制动时,通过控制所有车轮的滑移率,以获得轮胎与路面之间的最大纵向附着力,有效缩短制动距离,并保持一定的横向附着力,有效克服紧急制动时的跑偏、侧滑、甩尾等情况,防止车身失控,提高车辆的制动稳定性。
其组成22 北京工业职业技术学院学报 第5卷及工作过程如图2所示。
图2 ABS 组成和工作原理示意图2ABS 的发展历史及现状2.1发展史制动力调整装置设计思想的提出在20世纪20年代末,故ABS 最早应用于30年代以前的火车上,是为了防止火车车轮与钢轨的早期损坏,列车制动时如果车轮抱死,将会在钢轨上滑行,使制动距离延长,同时造成车轮与钢轨磨损。
随后又应用于飞机,为防止飞机着陆后制动跑偏、甩尾,缩短滑行距离,开发了飞机用的ABS 。
1950年,世界上第一台防抱死系统(ABS )研制成功并首先被应用于航空领域的飞机上。
50年代中期福特汽车首先将它装在汽车上,成为汽车上最早使用ABS 的公司;德国博世(Bosch )公司是汽车ABS 的发明、研制单位,60年代初就开始ABS 的开发工作,于1978年正式生产出ABS1(采用模拟式电子组件)型汽车防抱死制动系统。
1984年推出ABS2(完全采用数字式组件)型,1986年开始生产ABS3型,以后相继开发出ABS2S 型及将汽车防抱死制动系统与驱动力自动调节装置有机结合的ABS/ASR (防车轮抱死和驱动轮防打滑控制)系统。
目前,最新的ABS 已发展到第5代,现今的ABS 还有结合了多方面的功能,比如:电子牵引系统(ETS )、驱动防滑调整装置(ASR )、电子稳定程序(ESP )、辅助制动器。
2.2国际上ABS 的发展趋势2.2.1控制方法的发展趋势目前应用的主流ABS 产品基本都是基于车轮加、减速的逻辑门限值及参考滑移率方法设计的。
但是它的控制逻辑复杂,不同路况下各种门限值没有十分明确的理论依据,难以适应各种制动工况,而且控制过程中逻辑门限总是处于波动状态,因此控制效果不太好,制动距离也稍长。
对系统的稳定性等品质无法评价。
因此汽车ABS 的控制方法出现了滑动模态变结构控制方法、PID 控制方法、鲁棒控制方法和模糊控制方法等。
滑动模态变结构控制可获得较高的制动效率,但是在换节线附近切换时,由于系统的惯性,在滑动运动中叠加了一个抖动,如何选定参数及消除相轨迹在沿曲线滑移过程中存在的抖动现象,有待进一步研究;对于PID 控制,只要现场整定的PID 参数合适,就会得到较好的控制效果,但其性能效果仍有待改进和提高;鲁棒控制在系统稳定性和抗干扰能力上有所提高,但鲁棒控制需要知道模型传递误差的上限,选择加强函数具有一定的难度。
而模糊控制采用类似于人脑的模糊推理方法,遵循一定的控制规则,结合实际经验,对系统进行动态调控,具有不依赖对象的数学模型、便于利用人的经验知识、原理简单、容易实现、鲁棒性好,只要赋子控制器足够的控制能力,就能很好地适应各种路况及车型结构参数的变化,是一种很有前途的ABS 控制方法。
2.2.2结构的发展随着人们对制动性能要求的不断提高,防抱死制动系统(ABS )中逐渐融入了驱动防滑系统(ASR )、牵引力控制系统(TCS )、电子稳定程序(ESP —有的公司称之为汽车动力学稳定性控制VDC )、主动避撞技术(ACC )等功能。
其中,每种结构功能侧重不同,ABS 减速制动防滑移,ASR 加速驱动防滑转,而牵引力控制系统(TCS )能有效解决车辆在湿滑路面起步或加速时出现的车轮打滑问题,结合动力学控制VDC 的最佳ABS 是以滑移率为控制目标,它是以连续量控制形式,使制动过程中保持最佳的、稳定的滑移率,理论上是一种理想的ABS 控制系统。
这些结构逐渐实现了在各种工况下提高汽车的动力学性能:全部、部分制动,滑移,驱动,发动机反拖,换档等各种过程。
一定程度上大大提高了汽车的主动安全性。
但是越来越多的附加机构安装于制动线路上,这使得制动系统结构更加复杂,也增加了液压回路泄漏的隐患以及装配、维修的32第1期 卞化梅:汽车防抱死制动系统的原理与发展 难度。
因此结构更简捷,功能更可靠的线控制动系统BBW(Brake-By-Wire)最终取代传统的液压制动系统已经成为汽车行业发展的共识。
随着电子技术的发展,特别是大规模、超大规模集成电路的发展,汽车制动系统的形式也将发生变化;由于技术发展程度的局限,目前主要有2种形式的BBW系统,即EHB和EMB。
EHB(Electro-hy2 draulic brake)即线控液压制动器,是在传统的液压制动器基础上发展来的。
EHB与传统的液压制动器相比有了显著进步,结构紧凑,改善了制动效能,控制方便可靠,制动噪声显著减小,不需要真空装置等;节省了车内制动系统的布置空间。
但是EHB还是有其局限性,整个系统仍然需要液压部件,离不开制动液。
而电子机械制动系统EMB(Elcctro-Me2 chanical Brake)是一种全电制动不同于传统的制动系统,因为其传递的是电,而不是液压油或压缩空气,可以省略许多管路和传感器,缩短制动反应时间。