第九章 自动制动控制外文翻译资料

外文翻译（中文）

第九章 自动制动控制

9.1简介

自动制动控制（ABC）系统是一个辅助驾驶系统。它包含两种基本情况，即驾驶员踩下制动踏板和没有踩下制动踏板。不论何种情况，在一些极端的操作条件下，都会有部分或全部的制动自动发挥功能。

在驾驶员踩下制动踏板的情况下，ABC与制动踏板力的关系又分为驾驶员有或者没有自行调整的能力。前者为制动系统组件（如全力制动阀或制动线路油压比例调控阀）帮助驾驶员在人力极限内有效地实现制动。后者为驾驶员提供踏板力，在某些特定条件下（例如路面湿滑），制动管路压力会自动调节以防止车轮锁死，这就是防抱死制动系统（ABS）。电控制动力分配技术是基于ABS的后轮制动系统的改进和提升。制动辅助系统(BAS)减少了在紧急情况下制动距离。当司机迅速踩下制动踏板但踏板力不够的紧急情况下，BAS将采取行动。在这些不利情况下，BAS自动产生最大的制动管路压力，进而产生最大的制动效能。

在驾驶员没有踩下制动踏板的情况下，ABC系统又可分为两类，即通过采集车辆内部传感信息或外部传感信息进行调控。电子稳定控制（ESC）系统使用车辆特定的运动数据来执行某些自动制动功能。雷达控制使用从路面形状、公路形态或车辆行人方面采集的车辆外部数据，通过降低发动机功率和（或）采取制动的方式自动降低车速或让车辆停下来。

目前美国在售的几乎所有乘用车和轻型卡车上，ABS制动都是标准配置。在欧洲，很多年前就已经要求安装ABS制动，其中关于商用车要求标准指令（71/320 EEC指令）是自1991年开始的。ESC系统是一项建立在ABS系统基础上的重大安全开发项目。跟据国家公路交通安全管理局估计，ESC在单辆汽车方面使SUV的意外事故发生率下降了63%，使乘用车意外事故发生率下降了30%（参考文献9.1、9.2）。联邦机动车辆安全标准126（FMVSS 126）要求在美国出售的所有乘用车到2013年须全被配备ESC。在美国，总重量大于44500 N（10000 lb）的商用车必须配备ABS制动装置（根据FMVSS 121和FMVSS 105）。

关于ABS和ESC的更深一步的研究进展是电控制动。司机控制制动踏板的输入信号被传输到一个强大的计算机中，该计算机处理的数据来源于ESC关于当下的驾驶状况信号，如横摆角速度和横向加速度，然后计算机为每个车轮计算出最优的制动管路压力。之后安装在每个车轮上的制动阀会电控检测是否真正达到上述最佳制动管路压力。图7-34给出了制动和转弯时的最佳制动管路压力。

9.2 车轮制动抱死分析

下面对防抱死制动系统和电子稳定控制作简要回顾。国际自动机工程师学会发表了“行车安全系统”，这其中就包括了ABS和ESC分析（参考文献9.3）。ABS系统防止车轮制动期间抱死。正常制动条件下，司机可以正常的进行制动行为；然而，在湿滑的路面上或恶劣的制动条件下，当司机动作导致车轮接近抱死时，ABS系统将考试工作，调节制动管路压力，进而使得此时制动力独立于踏板力。而一旦司机降低踏板力使其达到一定的值，自动制动系统将停止动作，正常的制动系统将恢复制动控制的作用。

制动管路压力调节系统的有效性是由时间决定的，在此期间控制过程必须发生。只有在关乎车辆重要行驶安全的意外发生前，自动制动控制系统已经介入运作并且变得活跃，它才能保证车辆运行安全。因此，一个轮胎开始制动到达到最大制动力并继续制动直至抱死（100%滑移）所需的时间，对ABS和ESC系统来说，或对汽车改善方向不稳定性来说都是至关重要的。

9.2.1轮胎（车轮）制动分析

轮胎特性在机动车的制动和转向的轮胎响应中发挥着至关重要的作用。对于装有ABS 的车辆，轮胎的性能具有至关重要的意义。所有制动和转向所需的力都必须由小轮胎或胎面在车辆和路面间产生。轮胎的牵引力，例如纵向力或制动力以及侧向力只有当相对于地面的轮胎圆周速度和车速之间存在差距时才能产生。因而轮胎制动力的大小和轮胎制动时的滑移现象是有关联的。制动滑移被定义为轮胎圆周速度和轮胎绝对速度（或车速）的差值和轮胎绝对速度的比。轮胎侧滑同样以类似的方式来定义。因为轮胎是有弹性的充气结构，弹性轮胎变形和胎面滑移均能造成速度差。只有当轮胎为100％滑移时，制动力才能完全由胎面和路面之间的滑移或滑转来产生。

轮胎和路面接触的胎面沿x轴方向移动，而制动力的方向正与之相反，如图9-1所示。由轮胎胎面移动方向线和轮胎中心线形成的角度alpha;通常称为偏航角。轮胎侧向力的作用方向与x轴方向垂直。

滑动率根据下列表达式计算：

(9-1)其中，—车辆前行速度，m/s(ft/s)

—轮胎滚动半径，m(ft)

—轮胎角速度，rad/s

图9-1 转向时相对速度以及轮胎滑移制动

测量车辆准确运动速度是很困难的，因为这要求轮胎自由滚动，没有任何制动力和（或）侧向力；也就是说，需要车轮作真正的零滑移运动。第五轮仪因近乎满足上述条件而被用于汽车试验中的车速测量。然而，由于所有的车轮均安装有制动器，所谓的参考速度必须要重复计算。参考速度稍低于实际车速。

车辆行进方向下的滑动率可由下式确定

(9-2)

其中，x-方向—轮胎运动方向

y-方向—与x-方向垂直

—偏航角，度（°）

同理，侧向滑动率可由下式确定

(9-3)

图9-2为典型的没有任何侧向力情况下的附着系数和滑动率间的关系曲线（参考文献9.4）。一般情况下，附着系数—滑动率曲线的特征体现在，当100％轮胎滑移即制动抱死时，出现最佳滑动率和最佳滑动附着系数，进而出现峰值附着系数。并非所有的轮胎都有一个明确的峰值附着系数。该曲线形状是由轮胎设计造型、胎面设计造型和橡胶成分、道路状况和某些路面条件（例如有水的作用）等共同作用形成的。较低的轮胎滑动率是主要与轮胎胎面的变形滑移和轮胎气压等因素有关。

图9-2 干燥混凝土路面上的纵向附着系数与滑动率关系曲线

纵向附着系数与滑动率关系曲线中，当滑动率为零时的曲线斜率，对ABS来说是一个进行分析计算时的重要的轮胎参数（参考文献2.1、9.4、9.5、9.6、9.7）。大多数轮胎的值在20～30之间的范围内，这表明1％的滑动率可使轮胎与路面间的附着系数为0.2～0.3。对于大多数轮胎来说，实现零滑动斜率意味着需要不与路面（包括湿滑道路）接触，这再次表明在较低滑动率的条件下，轮胎变形滑移控制着附着力的产生。

图9-2表示了特定轮胎的实际附着系数和滑动率的关系曲线。检查结果显示，峰值附着系数出现在较低的速度曲线上，但不是50mph的速度。为了研究影响轮胎附着系数的基本因素，我们假定附着系数—滑动率曲线具有明显的峰值。如图9-3所示，附着系数—滑动率曲线可以理想化为两段线性关系。假定曲线保持零滑动率时的斜率不变，并一直延续到达到峰值附着系数时的点。达到峰值后，逐渐增加的轮胎滑移使得轮胎路面间的附着系数线性减少，直至达到100％的轮胎滑移。

图9-3 理想化的附着系数—滑动率关系曲线

在范围内，两者的关系可以表达为下面的微分方程的形式（参考文献1.6）：

(9-4)

其中，

—微分运算符

—车轮总成的转动惯例，

—制动转矩率，

—轮胎半径，

—峰值附着系数时的轮胎滑动率

—时间，

—轮胎转角，

—峰值附着系数

—车轮的初始角速度，

公式(9-4)是一个非齐次微分方程，可根据峰值附着系数利用下式求出时间的解为：

(9-5)

出现最大制动力矩时的车轮角减速度常被称为极限角减速度，可根据下式计算得到：

(9-6)

峰值附着系数时能达到的车辆角速度为：

(9-7)

其中，与公式(9-5)中的相同。

图9-3的第二段为线性关系（下降）曲线的区域，在该段曲线区间内车轮逐渐趋近锁定，滑动附着系数影响了达到锁定所需的时间。车轮从峰值附着系数点到锁止点所需要的时间可由下列公式近似确定：

(9-8)

其中，—滑动附着系数

—峰值附着系数时的车轮角速度，（公式(9-8)）

例9-1：

根据下列一辆小汽车的数据，计算出其所有的峰值附着和滑动附着的基本参数。轮胎法向力，轮胎转动惯例，半径，，，，，。

解：

将代入公式(9-5)，求得

或

根据公式(9-6)求得

或

根据公式(9-7)求得

或

根据(9-8)求得

或

上述结果表明轮胎在0.222s以后达到峰值附着系数，此时的角减速度为46.8 rad/ssup2;，而角速度值有初始时的66 rad/s降低至55.6 rad/s。轮胎的附着系数将在0.167 s内由峰值附着系数降至滑动附着系数。从自由滚动开始产生制动力矩到轮胎抱死的时间共为0.222 0.167=0.389 s。

若一辆重型汽车的制动系统参数为，，，，，，，则根据公式(9-5)、(9-6)、(9-7)、(9-8)计算得，，，。

根据上述分析，可以得出如下结论：

1、当车辆角减速度值与峰值附着系数相对应时，ABS制动器的制动管路压力调节器将会接收到稳压信号脉冲。即不管制动踏板会引起压力如何变化，制动管路压力将保持不变。

2、调节器必须保证制动管路压力在时间内不会增加以防止车轮抱死。

3、分析公式(9-6)发现，在给定汽车参数（和）的情况下，汽车车轮极限角减速度是汽车速度和、随制动滑动率变化增加的轮胎道路间的附着系数、与驾驶员制动踏板力直接相关的制动转矩率以及制动系统转动惯量的函数。因此，准确计算汽车速度几乎是存在一定问题的。

4、车轮极限角减速度会因外部参数的改变而变化巨大，可使的比值达到100甚至更大。因此，尽管角减速度可能是防止制动抱死的第一道防线，它的作用还是不够的。下文将详细讨论如何利用车轮旋转减速度和轮胎滑动控制参数调控制动管路压力降低，以防止车轮抱死。

在包括峰值附着系数点和完全滑移点在内的直线上升阶段内，摩擦过程一直都是持续的。但是在峰值附着点和滑动附着过程中，摩擦过程都是不稳定的。ABS控制系统必须限制轮胎滑动率在一个稳定的区域内以防止车轮抱死，因为轮胎处于不稳定滑移区域进而达到抱死的时间很短，仅仅为达到峰值附着系数时间的一小部分。

在干燥路面上，相对滑动附着，轮胎若要有一个较高的峰值附着系数，则此时的滑动率大约在20%～30%之间时。最佳的滑动率随着附着系数的降低而降低。通常，当轮胎滑动附着与峰值附着系数的比值为0.8左右时，我们认为车辆操纵稳定性较好，但是制动性不理想。

当滑动率大于30%时，在峰值附着和滑动附着之间轮胎的附着系数很少甚至没有降低，这对制动滑移几乎是无关紧要的。前轮的最大附着西施一般大于滑动摩擦系数。通常认为这种轮胎的制动性能要优于操作性能。

相较转向桥上的轮胎，联邦机动车辆安全标准121（FMVSS121）允许其他车桥上的轮胎可以抱死最多可达1秒。当汽车以112km/h（70mph）速度行驶时，若ABS没有进行恰当有效的车轮滑移控制，制动痕迹可能达到30m（100ft）。

为了实现定向稳定制动策略，必须把轮胎侧向力和制动力都考虑在内。如上文所述，只有当轮胎出现侧偏，即轮胎胎面移动方向线和轮胎中心线之间有偏航角时，轮胎才可能有侧向力。如图9-4所示为典型的自由滚动轮胎的侧向力系数和偏航角的关系曲线。轮胎侧向力的方向是与轮胎胎面运动方向成90度角的。大多数轮胎的最大侧向附着系数在偏航角为8°～12°之间出现，并且随着偏航角的增大，侧向附着系数会减小。在曲线斜率为零以及远离斜率为零的点出，侧向力的变化是不稳定的。原点处的曲线斜率即为轮胎的侧偏刚度，它的范围是0.25～0.4每偏航角度。因此，每一度的偏航角就可以达到0.25～0.4的侧偏刚度，数值的大小具体取决于轮胎结构。其他运行参数，如轮胎充气压力、车轮外倾角、载荷以及其他参数豆浆影响轮胎侧向力。

图9-4 自由滚动轮胎的侧向附着系数与偏航角的函数关系曲线

图9-4所示的关系曲线仅仅适用于作纯滚动、没有制动的轮胎。如图7-24所示，当在进行车轮转向时采取制动，轮胎的侧向附着系数将会随着滑动率的增加而降低。图7-24显示，对于一给定的偏航角，制动滑移将显著地降低侧向附着系数。相对于轮胎的自由滚动时的水平，当制动滑动率达

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