汽车防抱死制动系统及驱动防滑控制系统

单元十三汽车防抱死制动系统及驱动防滑控制系统课题13.1防抱死制动系统(ABS)基础知识学习目标鉴定标准教学建议1.了解车辆制动时车轮的受力情况2.了解制动力与附着系数的关系3.掌握滑移率的概念及对附着系数的影响应知：车辆制动时车轮的受力分析、制动力与附着系数的关系、滑移义的定义及与附着系数的关系建议：借助多媒体课件进行理论教学为主目前，ABS已经成为轿车及客车的标准配置。那么什么是ABS？ABS是英文Anti-lockBrakingSystem的缩写，汉语意思为防抱死制动系统。本课题介绍ABS的基础知识。下面让我们先了解一下车辆制动过程中车轮抱死后车辆的运动情况。当对行驶中车辆进行适当制动时，如果制动力左右对称产生，车辆能够在行驶方向上停止下来。但当左右制动力不对称时，就会发生车辆绕重心旋转的力矩。此时，如果轮胎与地面的侧向反力能阻止旋转力矩的作用，则车辆仍能保持直线行驶，如果轮胎与地面的侧向反力很小，则车辆就有可能出现如图13-1所示的不规则运动。图13-1车轮抱死后车辆的运动情况a)车辆直线行驶车轮抱死时b)车辆弯道行驶仅前轮抱死时c)车辆弯道行驶仅后轮抱死时如图13-1a)所示，当车辆直线行驶车轮抱死时，车辆出现了制动跑偏或甩尾侧滑的现象。如图13-1b)所示，当车辆弯道行驶仅前轮抱死时，车辆出现了失去转向能力的现象。如图13-1c)所示，当车辆弯道行驶仅后轮抱死时，车辆出现了甩尾侧滑的现象。想一想：制动时车轮的抱死引起了车辆不规则的运动，而车轮是如何抱死的？它与哪些因素有关呢？一、制动时车轮的受力分析1．地面制动力（FB）如图13-2所示是汽车在良好的路面上制动时，车轮的受力情况。图中忽略了滚动阻力矩和减速时的惯性力矩。图13-2制动时车轮受力分析Tμ-制动中的摩擦力矩VF-汽车瞬时速度FB-地面制动力G-车轮垂直载荷GZ-地面对车轮的反作用力r-车轮的滚动半径VR-车轮的圆周速度FS-侧向力ω-车轮的角速度α-侧偏角汽车制动时，由于制动鼓（盘）与制动蹄摩擦片之间的摩擦作用，形成了摩擦力Tμ，此力矩与车轮转动方向相反。车轮在Tμ的作用下给地面一个向前的作用力，与此同时地面给车轮一个与行驶方向相反的切向反作用力FB，这个力就是地面制动力，它是迫使汽车减速或停车的外力。提示：地面制动力的大小取决于制动器制动力的大小和轮胎与地面之间的附着力。2．制动器制动力当汽车制动时，阻止车轮转动的是制动器摩擦力矩Tμ。将制动器的摩擦力矩Tμ转化为车轮周缘的一个切向力，称其为制动器制动力Fμ。提示：制动器制动力是由制动器的结构参数决定的，并与制动踏板力成正比。3．地面制动力、制动器制动力和附着力的关系如图13-3所示为不考虑制动过程中附着系数变化的地面制动力、制动器制动力以及附着力三者的关系。在制动过程中，车轮的运动只有减速滚动和抱死滑移两种状态。当驾驶员踩制动踏板的力较小，制动摩擦力矩较小时，车轮只作减速滚动，并且随着摩擦力矩的增加，制动器制动力和地面制动力也随之增长，且在车轮未抱死前地面制动力始终等于制动器的制动力。此时，制动器的制动力可全部转化为地面制动力。但地面制动力不可能超过附着力。图13-3地面制动力、制动器制动力和附着力的关系当制动系液压力（制动踏板力）增大到某一值，地面制动力达到附着力，即地面制动力达到最大值。此时，车轮即开始抱死不转而出现拖滑的现象。当再加大制动系液压力时，制动器制动力随着制动器摩擦力矩的增长仍按直线关系继续上升，但是，地面制动力已不再随制动器制动力的增加而增加。要想获得好的制动效果，必须同时具备两个条件，即汽车具有足够的制动器制动力，同时又要有附着系数较高的路面提供足够的地面制动力。提示：影响附着系数的因素很多，如路面的状况、轮胎的花纹、车辆的行驶速度、轮胎与路面的运动状态等。在诸因素中，车轮相对于路面的运动状态对附着力有着重要的影响，特别是在湿路面上其影响更为明显。二、滑移率1．滑移率的定义汽车匀速行驶时，汽车的实际车速与车轮滚动的圆周速度（也称车轮速度）是相同的。在驾驶员踩制动踏板使车轮的轮速降低时，车轮滚动的圆周速度（轮胎胎面在路面上移动的速度）也随之降低了，但由于汽车自身的惯性，汽车的实际车速与车轮的速度不再相等，使车速与轮速之间产生一个速度差。此时，轮胎与路面之间产生相对滑移现象，其滑移程度用滑称率表示。滑移率是指车轮在制动过程中滑移成分在车轮纵向运动中所占的比例，用“S”表示。其定义表达式为：S=（ν-ωr）/v×100%式中：S—车轮的滑移率；r—车轮的滚动半径；ω—车轮的转动角速度；ν—车轮中心的纵向速度。由上式可知：当汽车的实际车速等于车轮滚动时的圆周速度时，滑移率为零，车轮为纯滚动；当汽车制动时，逐渐踩下制动踏板，车轮边滚动边滑动，滑移率在0%～100%之间；当制动踏板完全踩到底，车轮处于抱死状态，而车身又具有一定的速度时，车轮滚动圆周的速度为零，则滑移率为100%。2．附着系数与滑移率的关系大量的实验证明，在汽车的制动过程中，附着系数的大小随着滑移率的变化而变化。如图13-4所示为在干路面上时附着系数与滑移率的关系。对于纵向附着系数，随着滑移率的迅速增加，并在S=20%左右时，纵向附着系数最大；然后随着滑移率的进一步增加，当S=100%，即车轮抱死时，纵向附着系数有所下降，制动距离会增加，制动效能下降。对于横向附着系数，S=0时，横向附着系数最大；然后随着滑移率的增加，横向附着系数逐渐下降，并在S=100%，即车轮抱死时横向附着系数下降为零左右。此时车轮将完全丧失抵抗外界侧向力作用的能力。稍有侧向力干扰（如路面不平产生的侧向力、汽车重力的侧向分力、侧向风力等），汽车就会产生侧滑而失去稳定性。而转向轮抱死后将失去转向能力。因此，车轮抱死将导致制动时汽车的方向稳定性变差。图13-4附着系数与滑移率的关系曲线从以上分析可知，制动时车轮抱死，制动效能和制动方向稳定性都将变坏。而如果制动时将车轮的滑移率S控制在15%~30%左右，即如图13-4所示的Sopt处，此时纵向附着系数最大，可得到最好的制动效能；同时横向附着系数也保持较大值，使汽车也具有较好的制动方向稳定性。在汽车的制动过程中，若能将滑移率控制在最大附着系数所对应的滑移率范围，汽车将处于最佳制动状态。但如何才能控制滑移率呢？要控制滑移率就要对作用于车轮上的力矩进行瞬时的自适应调节。防抱死制动系统就是通过电子控制单元、车轮转速传感器和制动压力调节器，对作用于制动轮缸内的制动液压力进行瞬时的自动控制（每秒约10次），从而控制制动车轮上的制动器压力，使制动车轮尽可能保持在最佳的滑移率范围内运动，从而使汽车的实际制动过程接近于最佳制动状态成为可能。测试题：1．说明滑移率的定义及对附着系数的影响。课题13.2ABS的基本组成和工作原理学习目标鉴定标准教学建议1.了解ABS的基本组成、工作应知：ABS的基本组建议：结合多媒体课件和实原理及分类成、工作原理及分类应会：ABS各组成部件的名称。物讲解ABS的基本组成和工作原理一、ABS的基本组成和工作原理如图13-5所示，ABS通常由轮速传感器、制动压力调节器、电子控制单元（ECU）和ABS警示装置等组成。图13-5ABS的基本组成1-轮速传感器2-右前轮制动器3-制动主缸4-储液罐5-真空助力器6-电子控制单元7-右后轮制动器8-左后轮制动器9-比例阀10-ABS警告灯11-储液器12-调压电磁阀总成13-电动泵总成14-左前轮制动器每个车轮上安置一个轮速传感器，它们将各车轮的转速信号及时的输入电子控制单元（ECU）；电子控制单元（ECU）是ABS的控制中心，它根据各个车轮轮速传感器输入的信号对各个车轮的运动状态进行监测和判定，并形成响应的控制指令，再适时发出控制指令给制动压力调节器；制动压力调节器是ABS中的执行器，它是由调压电磁阀总成、电动泵总成和储液器等组成的一个独立整体，并通过制动管路与制动主缸和各制动轮缸相连，制动压力调节器受电子控制单元（ECU）的控制，对各制动轮缸的制动压力进行调节；警示装置包括仪表板上的制动警告灯和ABS警告灯。制动警告灯为红色，通常用“BRAKE”作标识，由制动液面开关、手制动开关及制动液压力开关并联控制；ABS警告灯为黄色，由ABS电子控制单元控制，通常用“ABS或ANTILOCK”作标识。ABS具有失效保护和自诊断功能，当电子控制单元（ECU）监测到系统出现故障时，将自动关闭ABS，仅保留常规制动系；同时存贮故障信息，并将ABS警告灯点亮，提示驾驶员尽快进行修理。提示：为掌握ABS系统的组成，此处可结合实物进行讲解。二、ABS的分类1．按控制方式分类ABS按控制方式可分预测控制方式和模仿控制方式两种。1)预测控制方式预测控制方式是预先规定控制参数和设定值等条件，然后根据检测的实际参数与设定值进行比较，对制动过程进行控制。控制参数有车轮减速度、车轮加速度及车轮滑移率。根据控制参数不同，预测控制可分为以车轮减速度为控制参数的控制方式、以车轮滑移率为控制参数的控制方式、以车轮减速度和车轮加速度为控制参数的控制方式、以车轮减速度、加速度以及滑移率为控制参数的控制方式。2)模仿控制方式模仿控制方式是在控制过程中，记录前一控制周期的各种参数，再按照这些参数值规定出下一个控制周期的控制条件。此类控制方式在控制时需要准确和实时测定汽车瞬时速度，其成本较高，技术复杂，已较少使用。2．按控制通道及传感器数目分类根据控制通道数可分为四通道、三通道、二通道和一通道四种；根据传感器数主要可分为四传感器和三传感器两种。控制通道是指能够独立进行制动压力调节的制动管路。如果一个车轮的制动压力占用一个控制通道，可以进行单独调节，称为独立控制；如果两个车轮的制动压力是一同调节的，称为一同控制；两个车轮一同控制时有两种方式：如果以保证附着系数较小车轮不发生抱死为原则进行制动压力调节，则称这两个车轮按低选原则一同控制；如果以保证附着系数较大车轮不发生抱死为原则进行制动压力调节，则称这两个车轮按高选原则一同控制。按低选原则一同控制较常见。目前汽车上应用较多的为三通道（前轮独立控制、后轮低选控制）四传感器式、三通道三传感器式和四通道四传感器式。1)三通道四传感器式三通道四传感器ABS如图13-6所示，一般采用两个前轮独立控制，两个后轮按低选原则进行一同控制。对两个前轮进行独立控制，主要是考虑轿车，特别是前轮驱动的汽车，前轮制动力在汽车总制动力中所占的比例较大（可达70%左右），可以充分利用两前轮的附着力。这种形式的ABS制动方向稳定性较好，但制动效能稍差。图13-6三通道四传感器ABSa)双管路交叉布置b)双管路前后布置2)三通道三传感器式三通道三传感器ABS如图13-7所示，也是采用两个前轮独立控制，两个后轮按低选原则进行一同控制。与三通道四传感器ABS的不同是后桥只有一个轮速传感器，装在差速器附近。这种形式的ABS制动方向稳定性较好，但制动效能稍差。图13-7三通道三传感器ABS3)四通道四传感器式四通道四传感器ABS如图13-8所示，每个车轮都有一个轮速传感器，且每个车轮的制动压力都是独立控制。这种形式的ABS制动效能好，但在不对称路面上制动时的方向稳定性差。图13-8四通道四传感器ABSa)双管路前后布置b)双管路交叉布置三、ABS的优点1．缩短制动距离ABS可以将滑移率控制在最大附着系数范围内，从而可获得最大的纵向制动力。2．改善了轮胎的磨损状况ABS可以防止车轮抱死，从而避免了因制动车轮抱死造成的轮胎局部异常磨损，延长了轮胎的使用寿命。3．提高了汽车制动时稳定性ABS可防止车轮在制动时完全抱死，能将车轮侧向附着系数控制在较大的范围内，使车轮具有较强的承受侧向力的能力，以保证汽车制动时的稳定性。4．使用方便、工作可靠ABS的运用与常规制动系统的运用几乎没有区别，制动时驾驶员踩下制动踏板，ABS就根据车轮的实际转速自动进入工作状态，使车轮保持在最佳工作状态。测试题：1．ABS按控制通道和传感器数目如何进行分类？课题13.3轮速传感器学习目标鉴定标准教学建议掌握电磁式车轮转速传