汽车电器辅助制动系统控制研究

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  随着汽车制造技术的发展及道路条件的改善,汽车的行驶速度逐步提高,速度的加快与之对应的制动性能要求也就越高。由于道路状况的不同,常常需要改变车速;或紧急停车。要使汽车在较高的车速下以较短的时间内稳定停车,避免事故的发生,这就需要车辆要有较高的制动性能。汽车制动性能是汽车的最重要的性能之一,交通事故的发生往往与制动距离过长、制动时发生严重侧滑或方向失控、下长坡制动稳定性差等因素有关,据美国交通安全局统计,由车辆侧滑而引起的交通事故中,潮湿路面占到了总事故量的30%,雪地及结冰路面则高达70%~80%,在侧滑事故中则有50%与制动性能有关,因此对制动系统的研究一直是汽车设计制造部门的重要任务?2]。制动系统是汽车最为重要的部件之一,其主要作用是:首先,保证能在高速行驶状态下稳定停车。这在路面出现突发状况时,对其性能要求尤为重要。其次,就是保证车辆在遇到路况不佳,需降低车速时,可以缓慢停车;或者在下坡的路段,需要以恒定的速度行驶时,要保证制动器有较高的可靠度,不因摩擦片过热而失效。最后,就是驻车功能,驻车就是以恒定的制动力,保证行驶结束后的车辆停留原地,不以地形等原因移动。这些都是制动系统应有的作用,制动系统主要由传动机构和制动执行机构组成。制动传动机构可分为人力式与动力式两种方式。人力式,即以单纯的人力施加于制动踏板,然后以机械传递的方式作用于车轮,这种方式适用于对制动力要求不大的情形。动力式,是目前应用最为广泛的一种方式,这是将发动机作为动力源,驾驶员可以用较小的力即可产生较大的制动力。制动传动机构按照传递方式还可分为机械传动与液压传动,单纯的机械传动目前应用较少,液压传动是目前应用最为广泛的一种传递方式。但随着智能系统发展,电子控制系统的数量逐渐提高,这就使得以管路传输的液压系统变的结构复杂,维修难度也逐步加大。因此,研究一种系统结构简洁、功能可靠的制动系统,成为人们面对的重要问题。20世纪60年代以来,ABS技术得到了广泛应用,当时主要集中在控制装置和制动力调节装置的研究上。随着电子技术的发展,如今出现了一种结构简洁、高效、节能的线控技术(x-by-wire),线控技术的出现是ABS在汽车上广泛应用以来的又一次飞跃式发展。
  线控制动系统,线控制动即传递方式的改变,制动踏板和制动器之间的机械连接减少,动力传递相互分离,以传统管路进行液压传动的方式变为以电线传递能量,数据线传递信号的方式。除此之外,在供能方式上,制动能源釆用蓄电池或其它供能方式,取代了传统的液压栗;根据供能方式的不同,线控制动技术可分为两大类,即电液式制动系统EHB ( Elctro-hydraulic Brake )和电子机械式制动系统 EMB ( Electro-MechanicalBrake)。电液制动系统即机械制动与液压制动两种方式的组合,由于两种方式同时存在,在结构布局上仍较为复杂,因此,可以看作是从传统制动向电子制动的一种过渡方案,不会得到较长时间的应用。而电子机械制动系统具有结构简单、制动响应快、维修方便、易于改进和功能扩展等优势,将最终取代以液压为主的制动系统以及电子液压复合制动系统,成为未来线控制动系统发展的主要方向。
  汽车防抱死控制系统(Anti-lock Braking System,简称ABS)是一种主动安全装置,在制动过程中可以根据车辆的运动状态,采用电子控制的方式主动调节车轮制动力矩以此达到防止车轮抱死的目的。在常规制动系统作用下,当驾驶员紧急制动时,车轮会迅速抱死,由于受到汽车惯性力的影响,通常情况下轮胎会在地面上出现抱死拖滑的现象,而这种纯滑动的过程使得轮胎不能充分利用地面附着系数(即车轮对地面的附着力与地面对车轮的法向反作用力的比值,该数值大小主要取决于道路的材料、路面的状况与轮胎材料、胎面花纹及汽车运动速度等因素),这样就无疑增加了制动距离,降低了行驶安全性;另外车轮从滚动到抱死拖滑的过程中,轮胎对路面的侧向附着系数会逐渐下降,而导致侧向附着力(地面对车轮的法向反作用力与附着系数的乘积)逐渐减小,当有侧向力干扰时,车辆就会产生侧向滑移,失去侧向稳定性。当汽车在弯道紧急制动时,如若前轮先抱死,车辆就会失去转向能力,汽车会沿运动轨迹方向滑出;若后轮先抱死,通常会发生甩尾等失稳现象。也就是说,在这种状态下,汽车不但没有充分利用路面的纵向附着系数,而且侧向附着系数也很小,尤其是在潮湿、较滑的路面制动时,若有侧向力(如风力、道路不平度等)的干扰,汽车就极易发生严重的失稳现象。据统计为了减少交通事故的发生,釆用防抱死制动系统就显的至关重要。要提高汽车制动时的稳定性,同时尽可能的减小制动距离,就必须在车辆制动时使车轮获得较大的纵向附着力,以及较大的侧向附着力。试验证明,当把车辆的滑移率(表示汽车在制动过程中,轮胎相对于地面滑动成分的多少)保持在15%~30%之间,就可以实现这一控制目标,传统的制动系统无法做到,而防抱死制动系统(ABS)就可以轻易实现。
  结合电子机械制动系统的结构特点与采用ABS系统的必要性,研究电子机械制动防抱死控制对提高汽车行驶安全性具有重要意义。首先,在制动距离方面。当制动初速度一定的情况下,决定汽车制动距离主要有两方面的因素,一是制动器的响应时间,二是车轮对地面最大减速的利用率。由于电子机械制动系统采用了全线路的传输方式,制动踏板与制动器之间无任何机械连接,得EMB控制简单精确,且电信号的传输要比液压或气压迅速的多,一旦接到制动指令,每个车轮的制动器都会在较短的时间内产生制动作用力,因此会大大加快制动器的响应时间,这样就会有效缩短制动距离。其次,当采用较为有效的ABS控制,使车辆最大程度利用路面附着力时,就会使制动距离进一步缩短。其次,在燃油经济性方面。电子机械制动,除去了复杂、沉重的液压管路,电磁阀与液压栗等装置,使得制动系统的结构大大简化,便于布局、检测和维修,此外,系统质量明显降低,从而减轻了车身重量。据资料显示,汽车每减少10%的重量,就可以降低3%~4%的油耗,这对改善当今的能源危机具有重要意义。同时,车身质量的下降可使汽车运动惯性力降低,提高汽车的行驶安全性。
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