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汽车防滑控制系统

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第十章汽车的防滑控制系统

第一节概述

一、制动过程分析

驾车经验告诉我们, 当行车在湿滑路面上突遇紧急情况而实施紧急制动时, 汽车会发生侧滑, 严重时甚至会出现旋转调头, 相当多的交通事故便由此而产生。当左右侧车轮分别行驶于不同摩擦系数的路面上时, 汽车的制动也可能产生意想不到的危险。弯道上制动遇到上述情况则险情会更加严重。所有这些现象的产生, 均源自于制动过程中的车轮抱死。汽车防抱死制动装置就是为了消除在紧急制动过程中出现上述非稳定因素, 避免出现由此引发的各种危险状况而专门设置的制动压力调节系统。

图11．l是汽车在水平路面上制动时汽车的受力示意图, 图中G是汽车的重力, FZ1和FZ2是前后轮上作用的地面支承力, FJ是汽车制动时作

用在质心上的减速惯性力, Fxbl和Fxb2。是地面作用在车轮边缘上的摩擦力。汽车制动减速的过程实际上就是汽车在行驶方向上受到地面制动力Fxb而改变运动状态的过程。制动效果的好坏完全取决于这种外界制动力的大小及其所具有的特性。

由于地面制动力是地面与轮胎之间的摩擦力, 因此, 它具有一般摩擦力的特性。即: 那车减速度( 即惯性力) 较小时, 地面摩擦力未达到极限值, 它可随所需惯性力增加而增加; 稍汽车减速度( 即惯性力) 达到一定数值后, 地面摩擦力达到其极限值, 以后便不再增大。按照摩擦的物

理特性可知, 此时

Fxbmax＝Fz·φ

式中:

Fxbmax——地面制动力( 摩擦力) 的最大值;

Fi——作用在车轮上的法向载荷;

φ——摩擦系数( 一般称为附着系数) 。

由此能够看出, 在汽车紧急制动情况下, 若欲提高制动效能, 即缩短制动距离或增大制动减速度, 必须设法增大Fxbmax。为此, 能够采取两条途径: 一方面, 能够经过提高正压力Fz来增大Fxbmax; 另一方面, 也能够经过提高摩擦系数φ中使Fxbmax得以提高。考虑到汽车具体使用情况, 后一种途径更具有实际意义。

大量试验已经证明, 轮胎与路面之间的附着系数主要受到三方面要素影响, 即: ①路面的类型、状况; ②轮胎的结构类型、花纹、气压和材料; ③车轮的运动方式和车速。

经过观察汽车制动过程中车轮与地面接触痕迹的变化( 图11．2) ,

能够知道制动车轮的运动方式一般均经历了三个变化阶段, 即开始的纯滚动、随后的边滚边滑和后期的纯滑动。这三种不同运动所具有的特征能够归纳为表 11．l。

为能够定量地描述上述三种不同的车轮运动状态, 即对车轮运动的滑动和滚动成分在比例上加以量化和区分, 便定义了如下的车轮滑动率:

S＝v－ r.w

V

式中: S——车轮滑动率; V——车速;

r——车轮半径; ω——车轮角速度。

按照上述定义可知, 车轮运动特征可由滑动率的大小来表示, 即: 车

轮纯滑动时 s=100％, 车轮纯滚动时S＝0％, 而当车轮处于边滚边滑状态时0＜S＜100％。

图11．3是试验所获得的车轮与地面摩擦系数随车轮运动状态不同而变化的规律。从图中能够看出, 车轮纵向附着系数( 又称制动力系数)

随车轮滑动成分的增加呈先上升后下降的趋势, 附着系数最大值( 亦称峰值附着系数冲。一般出现在滑动率S＝15％－25％之间, 滑动率S达到100％( 车轮抱死) 时的附着系数( 也称滑动附着系数) φs小于峰值附着系数φp。一般情况下, ( φp一φs) 随道路状况的恶化而增大, 即滑动附着系数φs会远远低于w。同时, 当s=100％时, 车轮的横向附着系数( 又称横向力系数) 中; 趋近于0, 这时, 车轮无法获得地面横向摩擦力。若这种情况出现在前轮上, 一般发生侧滑的程度不甚严重, 可是却会导致前轮无法获得地面侧向摩擦力, 导致转向能力的丧失; 若这种状况出现在后轮上, 则会导致后轮抱死, 此时, 后轴极易产生剧烈的侧滑, 使汽车处于危险的失控状态。

综上所述, 理想制动系统的特性应当是: 当汽车制动时, 将车轮滑动率S控制在峰值系数滑动率( 即S＝20％) 附近, 这样既能使汽车获得较高的制动效能, 又可保证它在制动时的方向稳定性。

汽车防抱死制动系统( ABS) 便是一套能在制动过程中随时监控车轮滑转程度, 并依此自动调节作用在车轮上的制动力矩, 防止车轮抱死的电子控制装置。它不但能缩短制动距离。有效避免各种因制动引起的事故, 还可减少轮胎磨损, 使其达到使用寿命。

二、防抱死制动系统的发展历史

20世纪初, 原始的防抱死制动系统( ABS) 用在铁路机车上, 借此来避免机车车轮因制动导致的”平面现象”和钢轨的早期损坏。1936年德国Robert Bosch公司取得了ABS专利权。40年代ABS系统被应用于飞机上, 以防止飞机着陆时偏离航道及轮胎的爆破。

1954年美国Ford汽车公司首次将法国生产的民航机用ABS系统应用在Lincoln牌高级轿车上, 由此拉开了汽车采用ABS系统的序幕。同一时期, Kelsey Hayes公司与Hydro Aire公司开始联合生产用于载货车的ABS 系统。1957年Ford公司与Kelsey HayeS公司开始了ABS系统的开发合作。1969年Ford汽车公司推出了后二轮控制方式的防抱死制动系统, 并在美国和日本的高级轿车上得到应用。进人70年代, 随着电子控制技术

及精密液压元器件加工制造技术的进步, 逐步奠定了复杂而精确的控制技术基础, 1978年德国Benz汽车公司首次推出了四轮控制式防抱死制动系统。随着电子技术的进步和电器件价格的迅速降低, 自80年代后期起ABS在汽车上应用得到普及, 并逐渐已成为现代汽车上的一种标准装备。

从ABS出现到今天在汽车上广泛应用, 已经经历了半个多世纪的发展过程。至今为止, ABS系统的整体结构已日渐趋于成熟, 今后的发展将集中体现在以下几个方面。

①实时跟踪路面特性变化, 采用更加有效的控制算法, 实现真正意义上优化控制, 以弥补现今汽车上广为采用的逻辑控制的不足。

②提高关键元件的性能指标和可靠性, 消除系统控制过程的不平滑,

易振动, 噪声大的缺陷。

③由单一ABS控制目标转向多目标综合控制, 全面提高汽车整体动力

学水平。

④进一步降低系统装车成本。

三、 ABS的基本组成

一般来说, 带有ABS的汽车制动系统由基本制动系统和制动力调节系统两部分组成, 前者是制动主缸、制动轮缸和制动管路等构成的普通制

动系统, 用来实现汽车的常规制动, 而后者是由传感器、控制器。执行器等组成的压力调节控制系统( 如图11．4所示) , 在制动过程中用来确保车轮始终不抱死, 车轮滑动率处于合理范围内。