汽车ABS系统设计毕业论文答辩.docx

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汽车ABS系统设计毕业论文答辩

毕业论文（设计）

论文题目：

汽车ABS系统设计论文

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摘要

ABS（Anti-lockedBrakingSystem）系统可以显著提高或改善汽车紧急制动时的操控性和稳定性，缩短了制动距离，是目前汽车上制动效果最佳的制动装置，并得到了越来越广泛的应用。

本文以一汽大众速腾汽车为研究对象，展开对汽车ABS系统的研究：

通过对单个车轮时的受力分析确定了影响车轮附着系数的主要因素；

通过对控制结构的分析设计了以INTEL公司生产的80C196KC单片机为核心的实时控制系统，包括信号输入电路、控制输出电路、驱动电路等硬件部分，并画出电子线路图；

通过设计液压调节系统，画出液压传动原理图，以及系统图；

经比较各种控制方案，确定了“逻辑门限控制法”作为控制方案，并选用加速度和滑移率的组合作为控制参数。

采用事件门限来计算车轮的转速；

本文通过学习比较根据所学只是设计了ABS控制系统。

从理论上实现了ABS的控制功能，完成了设计要求。

在设计过程中对汽车制动理论和制动装置有了较为深入的了解，扩大了自己的知识面，自己解决问题的能力也得到了提高。

关键词：

防抱死制动系统 电子控制单元 门限值滑移率轮速传感器液压传动控制统

Abstract

ABS（Anti-lockedBrakingSystem）systemcansignificantlyenhanceorimprovehandlingandstabilityduringvehiclecontrolemergencybraking,shorterbrakingdistance,brakingeffectisthebestonthebrakes,andhasbeenmoreAndmorewidelyused.

Inthispaper,FAW-VolkswagenJettacarsastheresearchobject,expandtheABSsystemofthecar:

Bythetimetheforceanalysisonasinglewheelofthewheelfrictioncoefficientdeterminedthemainfactors;

ThroughtheanalysisanddesignofthecontrolstructureproducedbyINTEL80C196KCmicrocontrollerasthecorereal-timecontrolsystem,includingthesignalinputcircuit,thecontroloutputcircuit,drivecircuitandotherhardwareparts,anddrawcircuitdiagrams;

Throughthedesignofthehydrauliccontrolsystem,hydraulicschematicdrawing,andthesystemdiagram;

Thecomparisonofdifferentcontrolschemestodeterminethe"logicthresholdcontrolmethod"asthecontrolprogram,anduseacombinationofaccelerationandsliprateasthecontrolparameter.Thresholdusedtocalculatetheeventthewheelspeed.

BycomparisonstudyisdesignedaccordingtotheABScontrolschoolsystem.TheoreticallyachievetheABScontrolfunctionstocompletethedesignrequirements.Inthedesignprocessforautomotivebrakesystemwithbraketheoryanddeeperunderstandingandexpandtheirknowledge,theirproblem-solvingabilityhasbeenimproved.

Keywords:

Anti-lockbrakingsystemElectroniccontrolunitSlipratiothresholdWheelSpeed​​SensorHydrauliccontrolsystem

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1课题背景1

1.2ABS防抱死控制系统的发展历史及发展趋势1

1.2.1ABS系统发展概况1

1.2.2ABS系统发展趋势3

1.2.3国内ABS系统研究的理论状态和具有代表的ABS产品公司4

1.3本文主要研究任务5

第2章防抱死制动系统基本原理6

2.1汽车制动时的运动6

2.1.1制动时汽车受力分析6

2.1.2滑移率定义8

2.1.3滑移率与附着系数的关系8

2.2汽车车轮抱死时运动情况10

2.3制动时车轮运动方程11

2.4采用防抱死制动系统的必要性12

2.5防抱死制动系统基本工作原理13

第3章速腾汽车ABS系统的硬件设计16

3.1防抱死制动系统的基本组成16

3.2防抱死制动系统的布置形式18

3.3防抱死制动系统轮速传感器选择20

3.3.1轮速传感器的分类20

3.3.2霍尔式传感器的设计21

3.4电子控制单元设计22

3.4.180C196KC最小系统简介23

3.4.2时钟电路和复位电路设计25

3.4.3EPROM和RAM的扩展26

3.5ABS液压调节系统设计27

3.6电源设计28

3.7信号输入电路设计29

3.8电磁阀驱动电路30

3.9泵电机驱动电路的设计32

3.10ABS系统报警LED灯设计33

3.11故障诊断硬件电路设计34

3.12硬件抗干扰设计35

第4章速腾汽车ABS系统的软件设计36

4.1控制方案和控制参数的选取37

4.2控制参数及其计算38

4.2.1门限角减速度的求取38

4.2.2门限角加速度的求取39

4.2.3路面识别技术39

4.2.4车身参考速度的确定40

4.2程序设计41

第5章结论与展望43

5.1研究工作总结43

5.2防抱死制动系统发展方向43

致谢45

参考文献46

附录47

第1章 绪论

1.1课题背景

汽车ABS系统是在车辆制动过程中用来防止车轮抱死造成危险，ABS系统是英文Anti-lockBrake System的缩写，全文的意思是防抱死制动系统。

凡驾驶过汽车的人都有这样的经历：

在积水的柏油路上或在冰雪路面紧急制动时，汽车轻者会发生侧滑，严重时会掉头、甩尾，甚至产生剧烈旋转；制动力过大，将使车轮抱死，汽车方向失去控制后，若是弯道就有可能从路边滑出或闯入对面车道，即使不是弯道也无法躲避障碍物，产生这些危险状况的原因在于汽车的车轮在制动过程中产生抱死现象，此时，车轮相对于路面的运动不再是滚动，而是滑动，路面作用在轮胎上的侧滑摩擦力和纵向制动力变得很小，路面越滑，车轮越容易。

总之，汽车制动时车轮如果抱死将使制动效率下降，延长了制动距离；轮胎过度磨损，产生“小平面”，甚至爆胎。

ABS防抱死制动装置就是为了防止上述缺陷发生而研制的装置，它有以下几点作用：

ABS的第一个作用是增加了汽车制动时候的稳定性。

汽车制动时，四个轮子上的制动力是不一样的，如果汽车的前轮抱死，驾驶员就无法控制汽车的行驶方向，这是非常危险的；倘若汽车的后轮先抱死，则会出现侧滑、甩尾，甚至使汽车整个掉头等严重事故。

ABS可以防止四个轮子制动时被完全抱死，提高了汽车行驶的稳定性。

汽车生产厂家的研究数据表明，装有ABS的车辆，可使因车论侧滑引起的事故比例下降8%左右。

ABS的第二个作用是能缩短制动距离。

这是因为在同样紧急制动的情况下，ABS可以将滑移率（汽车滑移距离与行驶比）控制在20%左右，即可获得最大的纵向制动力的结果。

ABS的第三个作用是改善了轮胎的磨损状况，防止爆胎。

事实上，车轮抱死会造成轮胎小平面磨损，轮胎面损耗会不均匀，使轮胎磨损消耗费增加，严重时将无法继续使用。

因此，装有ABS具有一定的经济效益和安全保障。

另外，ABS使用方便，工作可靠。

ABS的使用与普通制动系统的使用几乎没有区别，紧急制动时只有把脚用力踏在制动踏板上，ABS就会根据情况进入工作状态，即使雨雪路滑，ABS也会使制动状态保持在最佳点。

ABS利用电脑控制车轮制动力，可以充分发挥制动器的效能，提高制动减速度和缩短制动距离，并能有效地提高车辆制动的稳定性，防止车辆侧滑和甩尾，减少车祸事故的发生，因此被认为是当前提高汽车行驶安全性的有效措施。

目前ABS已经在国内外中高级轿和客车上得到了广泛使用。

1.2ABS防抱死控制系统的发展历史及发展趋势

1.2.1ABS系统发展概况

ABS装置最早应用在飞机和火车上，而在汽车上的应用比较晚。

铁路机车在制动时如果制动强度过大，车轮就会很容易抱死在平滑的轨道上滑行。

1908年英国工程师J.E.Francis提出了“铁路车辆车轮抱死滑动控制器”理论，但却无法将它实用化。

接下来的30年中，包括KarlWessel的“刹车力控制器”、WernerMhl的“液压刹车安全装置”与RichardTrappe的“车轮抱死防止器”等尝试都宣告失败。

在1941年出版的《汽车科技手册》中写到：

“到现在为止，任何通过机械装置防止车轮抱死危险的尝试皆尚未成功，当这项装置成功的那一天，即是交通安全史上的一个重要里程碑”，可惜该书的作者恐怕没想到这一天竟还要再等30年之久。

当时开发刹车防抱死装置的技术瓶颈是什么？

首先该装置需要一套系统实时监测轮胎速度变化量并立即通过液压系统调整刹车压力大小，在那个没有集成电路与计算机的年代，没有任何机械装置能够达成如此敏捷的反应。

等到ABS系统的诞生露出一线曙光时，已经是半导体技术有了初步规模的1960年代早期。

精于汽车电子系统的德国公司Bosch（博世）研发ABS系统的起源要追溯到1936年，当年Bosch申请“机动车辆防止刹车抱死装置”的专利。

1964年（也是集成电路诞生的一年）Bosch公司再度开始ABS的研发计划，最后有了“通过电子装置控制来防止车轮抱死是可行的”结论，这是ABS（AntilockBrakingSystem）名词在历史上第一次出现！

世界上第一个ABS原型机于1966年出现，向世人证明“缩短刹车距离”并非不可能完成的任务。

因为投入的资金过于庞大，ABS初期的应用仅限于铁路车辆或航空器。

图1-1BOCSH防抱死控制系统

TeldixGmbH公司从1970年和奔驰车厂合作开发出第一具用于道路车辆的原型机--ABS1，该系统已具备量产基础，但可靠性不足，而且控制单元内的组件超过1000个，不但成本高也很容易发生故障。

1973年Bosch公司购得50％的TeldixGmbH公司股权及ABS领域的研发成果，1975年AEG、Teldix与Bosch达成协议，将ABS系统的开发计划完全委托Bosch公司整合执行。

“ABS2”在3年的努力后诞生！

有别于ABS1采用模拟式电子组件，ABS2系统完全以数字式组件进行设计，不但控制单元内组件数目从1000个锐减到140个，而且有造价降低、可靠性大幅提升与运算速度明显加快的三大优势。

两家德国车厂奔驰与宝马于1978年底决定将ABS2这项高科技系统装置在S级及7系列车款上。

在诞生的前3年中，ABS系统都苦于成本过于高昂而无法开拓市场。

从1978到1980年底，Bosch公司总共才售出24000套ABS系统。

所幸第二年即成长到76000套。

受到市场上的正面响应，Bosch开始TCS循迹控制系统的研发计划。

1983年推出的ABS2S系统重量由5.5公斤减轻到4.3公斤，控制组件也减少到70个。

从此以后，欧美日许多的制动器专业公司和汽车公司相继开始了各式各样的ABS系统的研发。

到了1985年代中期，全球新出厂车辆安装ABS系统的比例首次超过1％。

1.2.2ABS系统发展趋势

ABS技术虽然在20世纪90年代初期就已成熟，但随着电子技术和汽车技术的快速发展，ABS技术也得到了不断完善。

今后，ABS技术将沿以下几个方面继续发展。

1.2.2.1ABS本身控制技术的提高

现代制动防抱死装置多是电子计算机控制，这也反映了现代汽车制动系向电子化方向发展。

基于滑移率的控制算法容易实现连续控制，且有十分明确的理论加以指导，但目前制约其发展的瓶颈主要是实现的成本问题。

随着体积更小、价格更便宜、可靠性更高的车速传感器的出现，ABS系统中增加车速传感器成为可能，确定车轮滑移率将变得准确而快速。

全电制动控制系统BBW（Brake-By-Wire）是未来制动控制系统的发展方向之一。

它不同于传统的制动系统，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，维护简单，易于改进，为未来的车辆智能控制提供条件。

但是，它还有不少问题需要解决，如驱动能源问题，控制系统失效处理，抗干扰处理等。

1.2.2.2防滑控制系统

防滑控制系统ASR（AccelerationSlipRegulation）或称为牵引力控制系统TCS（TractionControlSystem）是在驱动时防止车轮打滑，使车轮获得最大限度的驱动力，并具有行驶稳定性，减少轮胎磨损和发动机的功耗，增加有效的驱动牵引力。

防滑控制系统包括两部分:

制动防滑与发动机牵引力控制。

制动部分是当驱动轮（后轮）在低附着系数路面工作时，由于驱动力过大，则产生打滑，当ASR制动部分工作时，通过传感器将非驱动轮及驱动轮的轮速信号采集到控制器中，控制器根据轮速信号计算出驱动车轮滑移率及车轮减、加速度，当滑移率或减、加速度超过某一设定阀值时，则控制器打开开关阀，气压由储气筒直接进入制动气室进行制动，由于三通单向阀的作用气压只能进入打滑驱动轮的制动气室，在低附着系数路面上制动时，轮速对压力十分敏感，压力稍稍过大，车轮就会抱死。

1.2.2.3电子控制制动系统

由于ass在功能方面存在许多缺陷，如气压系统的滞后，主车与接车制动相容性问题等。

为改善这些，出现了电子制动控制系统EBS（ElectronicsBreakSystem）它是将气压传动改为电线传动，缩短了制动响应时间。

最重要的特点是各个车轮上制动力可以独立控制。

控制强度则由司机踏板位移信号的大小来决定，由压力调节阀、气压传感器及控制器构成闭环的连续压力控制，这样可以在外环形成一个控制回路，来实现各种控制功能，如制动力分布控制、减速控制、牵引车与挂车处合力控制等。

1.2.2.4车辆动力学控制系统

车辆动力学控制系统VDC（VehicleDynamicsControl）是在ABS的基础上通过测量方向盘转角、横摆角速度和侧向加速度对车辆的运动状态进行控制。

VDC系统根据转向角、油门、制动压力，通过观测器决定出车辆应具有的名义运动状态。

同时由轮速、横摆角速度和侧向加速度传感器测出车辆的实际运动状态。

名义状态与实际状态的差值即为控制的状态变量，控制的目的就是使这种差值达到最小，实现的方法则是利用车轮滑移率特性。

车辆动力学控制系统目的是改善车辆操纵的稳定性，它可以在车辆运动状态处于危险状态下自动进行控制。

其主要作用就是通过控制车辆的横向运动状态，使车辆处于稳定的运动状态，使人能够更容易地操纵车辆。

1.2.2.5ABS/ASR与自动巡航系统（ACC）集成

自动巡航控制系统（ACC）的目的是在巡航行驶时自动把车速限制在一个设定的速度，并且能够根据前方车辆的行驶善，自动施加制动或加速使其保持在一定的安全距离内行驶。

在遇到障碍物时，可以自动施加制动，把车速调整到安全范围内。

由于ABS/ASR和ACC都要用到相同的轮速采集系统，制动压力调节装置以及发动机输出力矩调节装置，因此ABS/ASR/ACC集成化系统，不仅可以大大降低成本，而且可以提高汽车的整体安全性能

1.2.2.6控制系统总线技术

随着汽车技术科技含量的不断增加，必然造成庞大的布线系统。

因此，需要采用总线结构将各个系统联系起来，实现数据和资源信息实时共享，并可以减少传感器数量，从而降低整车成本，朝着系统集成化的方向发展。

目前多使用CAN控制器局域网络（ControllerAreaNetwork）用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。

1.2.3国内ABS系统研究的理论状态和具有代表的ABS产品公司

我国ABS的研究始于20世纪80年代初，随着我国市场经济的不断发展及汽车保有量和车速的不断提高，行车安全问题变得越来越突出。

ABS系统的研究在我国成为热门课题，许多髙校、科研单位和生产厂家正在加快研究攻关和技术引进步伐。

国内研制ABS的单位主要有东风汽车公司、交通部重庆公路研究所、重庆宏安ABS有限公司、陕西兴平514厂、西安公路学院、清华大学、西安艾韦机电科技公司等单位和部门。

东风公司从80年代初就开始研究旭3，是较早研究ABS的厂家之一，现研究工作的主要目标是对国外的产品进行消化吸收。

重庆公路研究所相继开发出了两代ABS产品，第一代ABS的ECU采用了280芯片。

第二代ABS产品为FKX-ACI型，该装置的ECU中的CPU微处理器采用了美国INTEL公司的MCS-96系列8098单片机。

我国前己着手制定有关车辆安全性方面的法规，并决定首先在重型汽车和大客车上安装ABS系统。

清华大学和浙江亚太等承担的汽车液压防抱死制动系统（ABS）“九五”国家科技攻关课题，在ABS控制理论与方法、电子控制单元、液压控制单元、开发装置和匹配方法等关键技术方面均取得了重大成果。

采用的耗散功率理论，避免了传统的逻辑门限值研究方法的局限性，取得了理论上的突破，研发ABS成功且进入产业化、批量生产阶段。

其试样在南京IVECO轻型客车上匹配使用全面达到了国家标准（GB12676-1999）和欧洲法规EECR13的要求。

这对振兴我国汽车工业与汽车零部件业具有划时代意义，标志着我国汽车液压ABS国产化已迈出坚实的一步。

国内液压ABS技术含量与国外虽有一定的差距，但在政府的大力支持和国内丰富的人力资源配合下，相信国内可以在较短的时间内在ABS技术某些领域达到国际水平。

1.3本文主要研究任务

根据速腾汽车的主要技术参数，给出了相应的ABS设计方案，并进行了初步试验，理论和试验结果都表明，此设计方案能够将汽车在制动时车轮的滑移率限制在一定范围之内，避免车轮抱死，满足了控制耍求。

第二章首先给出了汽车防抱死系统工作原理，分析了ABS制动系统的特点、附着系数与滑移率的关系曲线;通过本章对ABS制动系统主耍组成部分的原理和模型进行的研究，对ABS的工作原理有一个初步的了解。

第三章对防抱死制动系统ABS的电子控制单元ECU的硬件电路和故障诊断电路进行了设计。

对所选用的器件和电路进行了分析。

实践表明，控制电路能够满足ABS的实时性控制要求，故障诊断电路能够准确的检测出元器件故障，为维修人员提供便利。

第四章对基于角加减速度和滑移率门限值控制策略进行了深入研究，该方案能够满足设计精度，并且成本较低。

给出了控制系统流程图，并在模拟试验台上进行试验。

第五章对研究工作进行总结，展望未来ABS系统的发展方向。

第2章防抱死制动系统基本原理

ABS系统能够通过控制制动过程中车轮的运动状态，使车轮不产生抱死，保证汽车制动时处于最佳的制动状态，即保持方向稳定性、方向操纵性和缩短制动距离。

所以要对ABS系统进行研究，就必须先了解汽车制动时的制动特性。

2.1汽车制动时的运动

2.1.1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。

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（2-1）所示。

其中Fx为地面作用在每个车轮上的地面制动力，其大小取决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2-1（a）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2-1（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。

图2-1汽车直线和转弯制动时的平面受力简图

汽车单车轮在良好的硬路面上制动时受力状况如图（2-2）所示。

图中Tµ是制动器制动盘与制动钳之间的摩擦力矩；Fxb是轮胎与地面之间作用的地面制动力；G是汽车车体作用于车轮的垂直载荷；Ft是车轴作用于车轮的推力；N是地面对车轮的法向反作用力；ν是车体速度；ω是车轮转动角速度；r是车轮半径。

图2-2单个车轮在制动时的受力分析

若定义制动器制动力Fµ为作用于车轮周缘上克服制动器摩擦力矩Tµ所需要的力，则：

（2-1）

制动器制动力仅由制动器结构参数所决定，其大小取决于制动器的形式、结构尺寸、制动器摩擦副的摩擦系数以及车轮半径。

通常制动器制动力与制动踏板力，即制动系的液压或气压成正比。

真正直接使汽车减速停止的外力是路面作用于车轮轮胎上的路面制动力，路面制动力取决于制动器制动力及车轮轮胎与路面间的摩擦力。

轮胎与路面间的最大摩擦力称为路面附着力F

。

（2-2）

式中

––车轮轮胎与路面之间的摩擦系数，通常称为附着系数。

制动器制动力是生成路面制动力的源泉，路面制动力的大小，首先取决于制动器制动力，只有足够的制动器制动力才能产生足够的路面制动力。

但是，路面制动力的最大值受车轮与路面间的摩擦力的限制，不可能大于路面附着力。

路面制动力、制动器制动力及路面附着力的关系如图（2-3）所示。

从图中可见，当制动管路压力P或制动踏板力Fp较小，未达到某一极限值时，制动器摩擦力矩不大，路面与轮胎间的摩擦力（路面制动力）足以克服制动器摩擦力矩而使车轮转动，此时路面制动力的值与制动器制动力的值相等，且随制动踏板力的增长成正比地增长。

当制动系管路压力P上升到某一足够大的值时，路面制动力达到路面最大附着力，汽车车轮即抱死停转而出现拖滑现象，且路面制动力路面附着力之间的关系动力不再增加，但制动器制