早在1928年防抱死制动理论就被提出.BOSCH公司在1936年第一个获得了防抱死制动系统的专利权.1954年,FORD公司将ABS装在林肯轿车上.这一时期的各种ABS的轮速传感器和制动压力调节装置都是机械式,因此,获取的轮速信号不够精确,制动压力调节的适时性和精确性也难以保证.
随着电子技术的发展,ABS进进电子控制时代.20世纪60年代后期到70年代初期,凯尔塞·海伊斯公司研制生产的两轮制动的ABS、克莱斯勒公司与BENDIX公司合作研制的四轮制动的ABS、BOSCH和TEVES公司研制的ABS、WABCO公司与BENZ公司合作研制的装备在气压制动的载货汽车上的ABS,都是由模拟式电子控制装置对设置在制动管路中的电磁阀进行控制,直接对各制动轮以电子控制压力进行调节.由于模拟式电子控制装置反应速度慢、控制精度低、易受干扰,致使各种ABS均未达到预期的控制效果.
20世纪70年代后期,ABS采用数字式电子技术,反应速度、控制精度和可靠性都显着进步,ABS进人实用化阶段.BOSCH公司在1978年首先推出了采用数字式电子控制装置的ABS--BOSCH ABS2.自此,欧、美、日的很多公司相继研制了形式多样的ABS.自1985年起,BOSCH、TEVES、BENDIX、WABCO等公司开始对ABS的生产大力投资,以满足汽车对ABS需要量增加的要求.
目前,国际上ABS在汽车上的应用越来越广泛,已成为尽大多数汽车的标准装备,北美和西欧的各类客车和轻型载货汽车,ABS的装备率已达90%以上,轿车ABS的装备率在60%左右,运送危险品的载货汽车ABS的装备率为100%.
1971年BUICK公司研制了由电子控制装置自动中断发动机点火,以减小发动机输出转矩,防止驱动车轮发生滑转的驱动防抱死系统,成为ASR的雏形.1985年,VOLVO公司试制了电子牵引力控制系统ETC(Electronic Traction Control),通过调节燃油供给量来调节发动机输出转矩,以控制驱动轮滑转率,产生最佳驱动力.1986年,BOSCH推出了该公司的第一个牵引力控制系统TCS.
仅依靠调节发动机输出转矩不能解决汽车在对开路面上很好地起步加速的题目.为了解决这一题目,需要对附着不好的一侧驱动轮施加部分制动,以充分发挥附着条件较好的一侧的地面驱动力.随着ABS技术的不断发展和成熟,利用ABS压力调节系统可实现这一目标.采用制动干预控制的ASR系统通常都是同ABS集成在一起的,形成ABS/ASR系统.1986年12月,BOSCH公司第一次将ABS与ASR结合起来,率先推出了具有防抱死制动和驱动防滑转功能的防滑控制系统ABS/ASR 2U装置.同期,BENZ公司与WABCO公司也联合开发出了应用在载货汽车上的ABS/ASR系统.
此后,各大汽车公司纷纷开始应用ABS/ASR系统,使其成为顶级豪华车的标准配置.随着各至公司不断开发出结构更紧凑、本钱更低、可靠性更强、功能更全面的ABS/ASR系统,ABS/ASR系统也逐渐应用于中、低档汽车上.到1997年时,已经有23家汽车厂商的近50种车型使用了ABS/ASR系统.
2国内发展概况
国内研究开发ABS起步较晚,约始于20世纪80年代中期.但我国对ABS的系统开发十分重视,制定相应的法规力促ABS的发展.1993年4月1日开始实施的GB 13594-92《汽车防抱死制动系统性能要求和试验方法》,为ABS成为标准装备提供了试验方法和依据.1999年10月1日实施的GB 12676--1999《汽车制动系统结构、性能和试验方法》规定:2003年10月1日以后,大型客车和大型载货汽车必须安装符合GB 13594中规定的一类ABS.
目前,国内研究ABS有代表性的科.研机构有以下几个:吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室、北京理工大学汽车动力性与排放测试国家专业实验室、清华大学汽车安全与节、能国家重点实验室、华南理工交通学院汽车系、济南程军电子科技公司等.这些单位在ABS的仿真、控制量、轮速信号抗干扰处理、轮速信号异点剔除、防抱电磁阀动作响应等方面的研究取得了很多成果.同时对防抱死制动时、的滑移率的计算、滑移率和附着系数之间的关系及ABS的控制算法也有很深的研究.
国内现在生产ABS的公司不少,但大多数公司是和国外着名ABS公司合作生产.完全自主生产开发ABS的有代表性的国内公司有:广州市科密汽车制动技术开发有限公司、重庆聚能汽车技术有限责任公司、东风科技汽车制动系统公司、西安博华机电股份有限公司等.已开发生产的产品有单通道、三通道、四通道、六通道的气压和液压式的,适用于摩托车、轿车、大中型客车一、重型载货汽车、挂车的ABS及相关零部件.这些ABS的制动性能指标达到了国外同类产品的水平,部分试验数据优于国外公司同类产品,在国内占有一定的市场.
估计2005年我国新生产的中、重型载货汽车,大、中型客车ABS的装车率为100%,而小、微型客车ABS的装车率为20%,轿车ABS装车率为50%.
国内对ASR的研究,大约开始于20世纪90年代.一些科研单位如清华大学、吉林产业大学、北京理工大学、同济大学、上海交通大学、济南重汽技术中心等对ASR技术的发展进行跟踪、研究,并取得了阶段性进展.目前,我国科研职员主要针对ASR控制系统的控制策略、控制算法、逻辑等关键环节进行研究.由于受电控发动机的限制,我国目前在ASR系统的控制理论方面大多侧重于采用以制动控制为主、发动机控制为辅的控制方法.总的来说,间隔产品化研究还有一定的差距.因此国内尚无自主研发的集ABS和ASR为一体的ABS/ASR防滑控制系统产品出现.
3 ABS/ASR的发展趋势
ABS/ASR控制技术的进步
目前,固然ABS/ASR已经广泛应用,但控制方法还是以逻辑门限值控制为主.该控制方法虽比较简单,但逻辑复杂,所有的门限值都需要大量的实验来确定,调试起来很困难.而且,采用逻辑门限值控制的ABS/ASR系统通用性比较差,需要针对不同的车型重新开发.随着各种现代控制理论不断发展和完善,采用优化控制理论,可实现伺服控制和高精度控制.将智能控制技术如模糊控制、神经网络控制技术应用到ABS/ASR系统中,可以进步系统的自适应性和可靠性.相对于目前的基于滑移率的控制算法,基于路面附着系数的控制算法轻易实现连续控制,能适应各种路面变化,控制滑移率在最佳滑移率四周,使ABS/ASR的控制效果得以改善.
通过先进的测试手段可进一步完善ABS/ASR功能.例如,ABS控制车轮制动防滑时,车速没有直接丈量,而是通过轮速的波动情况估取参考车速作为车速,然后计算滑移率用以控制,所以,ABS控制时的滑移率不能保证其正确性.随着传感器制造和集成技术的发展,添加车身速度传感器来丈量车身速度,可进步ABS/ASR的控制效果.
线制动系统BBW(Brake-by-Wire)是制动控制系统的发展方向之一.BBW将传统制动系统中的液压油或空气等传力介质完全由电制动取代,电能作为能量来源.制动时由电动机驱动制动钳块,整个系统内没有液、气压管路,可省略很多管路和传感器,因而结构简捷.BBW由电线传递能量,数据线传递信号,制动反应时间缩短,极大地进步了汽车的制动安全性,并为将来的智能汽车控制提供条件.此外,在电子控制系统中设计相应程序,操纵电控元件来控制制动力的大小及各轴制动力分配,可完全实现ABS及ASR等功能.BBW是一种全新的制动理念,但仍有一些题目需要解决:目前车辆的12 V/24 V电源系统无法提供如此大的能量,需采用高品质的42 V电源;由于不存在独立的主动备用制动系统,因此需要一个备用系统保证制动安全;车辆在运行过程中会有各种干扰信号,如何消除这些干扰信号造成的影响是急需解决的题目.
电子制动系统EBS(Electronically ControlledBraking System)是适应对汽车及挂车制动系统稳定性逐步进步的要求,在ABS/ASR基础上发展起来的一套综合电子控制系统.它除了包含ABS/ASR的基本功能外,还具有以下特点:①EBS优化了各车轮间、主车与挂车或半挂车间的制动力分配.通常,对于常规制动系统而言,牵引车和挂车之间的制动协调性不能总是处于理想的匹配状态,尤其在与牵引车相配的挂车经常更换的情况下.EBS会在任何状态下监控到主车与挂车的不兼容性,自动调整主车与挂车之间的制动力分配,满足主车和挂车制动协调性的要求,改善车辆的安全性.前后桥衬片磨损协调,总磨损量达到最小,所有衬片更换间隔一致,缩短了维修时间,降低运行本钱.同时,制动力的协调还可以增加制动舒适性.②EBS通过制动治理系统将辅助制动和行车制动同一治理.它确保在每一次制动时,实现无磨损制动(缓速器、发动机制动承担大部分的制动工作,因此可以使行车制动器的温度保持在一个最低的水平,制动衬片的磨损降低).③改善了ABS/ASR的功能,改善了制动响应时间和车辆的制动反应,缩短了制动间隔,改善制动稳定性.舒适的制动感应,几乎达到轿车的制动感受.④EBS具有完善的诊断和自检测功能,可提供关于制动系统的即时信息,任何故障都可以被系统监测到,并正确显示以提示维修.维修专家据此排除故障.
目前,EBS在载货汽车和客车上得到应用,是ABS/ASR在商用车领域的替换产品.ABS/ASR市场将逐渐减少,由于EBS将考虑用于轻型车.
减小体积与质量,简化结构
汽车上加装一些安全装置,质量随之增加,对燃油经济性不利.所以,在保证安全性的条件下,尽量减少质量.另外,不论是大型车还是小型车,其安装空间都是非常紧凑的,因此要求ABS/ASR装置的体积尽可能的小.减小ABS/ASR体积的主要途径是优化结构设计(如减小压力调节器尺寸)、增加集成度.目前,经过优化的ABS已将制动主缸、压力调节器和电控单元等集成为一体,从而大大减小了体积和本钱.
控制功能的扩展和集成
将各个功能不同的汽车电子控制系统集成,在实现各自基本功能的条件下,形成新的具有更强大功能的集成电控系统是汽车电子控制的必然趋势.把其它控制系统扩展进来,成为综合的汽车控制系统,是ABS/ASR系统的发展方向.目前,ABS/ASR向以下几个方向发展.
a.和电子制动力分配EBD(Electric Brake force Distribution)集成,形成ABS/ASR/EBD系统,可以明显改善并进步ABS的功效.EBD的功能就是在汽车制动的瞬间,高速计算出4个轮胎由于附着力不同而导致的摩擦力数值,然后调整制动装置,使其按照设定的程序在运动中高速调整,达到制动力与摩擦力(牵引力)的匹配,以保证车辆的平稳和安全.当紧急制动车轮抱死的情况下,EBD在ABS动作之前就已经平衡了每一个轮胎的有效地面附着力,可以防止甩尾和侧移,并缩短汽车制动间隔.
b.和电子稳定性程序ESP(Electronic Stability Program)系统集成,形成ABS/ASR/ ESP综合控制系统,可解除汽车制动、起步和转向时对驾驶员的高要求.ESP又称汽车动态控制VDC(Vehicle Dynamics Control).1995年,BOSCH推出基于ABS/ASR系统开发出的电子稳定性程序ESP.ESP在吸收ABS/ASR优点的基础上,添加转向传感器、侧滑传感器、横向加速度传感器和横摆角速度传感器等传感器,具有启动对制动力和汽车行驶方向进行修正、补偿的功能.ESP通过对各传感器传来的车辆行驶状态信息进行分析,使ABS/ASR自动地向一个或多个车轮施加制动力,将车辆保持在驾驶者所选定的车道内,来帮助车辆维持动态平衡.因此,可以使车辆在各种状况下保持最佳的稳定性,在转向过度或转向不足的情形下效果更加明显.
c.和汽车巡航自动控制ACC(Adaptive Cruise Control)系统集成,形成ABS/ASR/ACC综合控制系统,可解除汽车制动、起步和保持安全车距方面对驾驶员的高要求.ACC装置是近年来发展起来的一项汽车主动安全技术.装备ACC装置,可自动根据主目标车辆与主车车辆的相对间隔、相对速度和路面状况参数,判定主车的理想安全间隔,并实时自动调节主车车速,使之实际车距不小于理想安全间隔,因而,可在较大程度上避免碰撞事故发生,具有良好的安全行驶效果.由于ABS/ASR和ACC都要用到相同的轮速采集系统、制动力调节装置以及发动机调节装置,在汽车ABS/ASR集成装置的硬件基础上,添加一个车距传感器及相应的电磁阀即可实现ACC功能.因此ABS/ASR与ACC的集成,不仅可以降低本钱,而且可以进步汽车的整体安全行驶性能.
与其他控制系统的信息交换和共享,进步整体控制性能
随着汽车电子化程度不断进步,汽车上ECU数目越来越多.为了进步信号的利用率,要求大量的数据信息能在不同的ECU中共享,汽车综合控制系统中大量的控制信号也需要实时交换.传统的电器系统大多采用点对点的单一通讯方式,已远不能满足这种需求.为此,总线技术被引人到汽车电控系统中.今后,ABS/ASR控制系统的开发将基于总线技术进行,实现与其他控制系统的信息共享.例如,利用CAN总线和SAE J1939,可以很轻易实现机械式自动变速器AMT(Automatic Mechanical Transmission)和ABS/ASR之间的数据传输,实现资源共享.ABS采集的汽车轮速信号,可以通过变换得到变速器的输出轴转速为AMT所用,可减少传感器,降低控制系统的本钱.同时,减少了插接件,使AMT和ABS/ASR系统的可靠性和实时性进步.ABS工作时,可向AMT发出控制信息,要求AMT挂空档,进步ABS的工作性能,使车辆制动更平稳、更有效.ASR工作时可要求AMT向上换档减少力矩,使ASR的控制效果更好.ASR可使AMT避免在低附着路面起步和加速时出现反复换档现象.因此,信息交换和共享可以使两个控制系统的功能比它们单独控制的功能更丰富和有效,使每个控制器的功能都更加完善,便于进行更复杂的控制,为整车控制奠定基础.
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