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防抱死制动技术的探讨

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防抱死制动技术的探讨
课题成员:朱立基邓伟彦指导老师:陶举兰课题背景随着经济和科技的发展,汽车工业和交通运输业迅猛发展起来.这给人们的生产和生活带来极大方的便.同时,也为人们添加了不少交通事故的威胁.为此,有人针对由于制动的问题引发交通事故的问题研制出了ABS防抱死制动系统.近年来,ABS越来越受到人们的关注它频频出现在各类报刊,电视节目,互联网网页中.那么,它究竟是什么,它有什么神奇之处我们研究小组对它展开了研究.
研究目的交通事故培养自己的创新精神和实践能力初步了解一下科研的途径,增强对科学的热爱,并从研究中学会学习,学会合作.
使自己深入了解ABS防抱死制动技术,并把研究结果公布、让别人也能对这项技术有比较深入的了解.
通过研究分析,希望能为防抱死制动技术的发展提出一些可行的建议.
研究过程资料搜集我们分头到学校图书馆,阅览室,各大书店去找有关资料,但学校的图书馆根本就没有这方面的书籍、只在阅览室的杂志里发现了一小篇相关的文章.书店里关于ABS防抱死制动技术的资料也不多,而且相当一部分是过时的.同时,我们也通过互联网获取资料.用google,百度等搜索引擎搜索十分方便,有好几万条记录,我们不可能逐一去点击,只精挑了一些图片及最新动态方面的资料.
物理实验我们的课题要用实验验证某些理论.本来打算用自行车进行防抱死制动效果的测试,但考虑到危险性大而且测试效果也不佳而取消了.后来我们设计了一个摩擦对比实验.通过与本校物理实验室的交涉、借得了实验器材,我们共同协作,成功地完成了实验.
社会调查首先我们到学校附近松岗路的那些摩托车行里去了解一下摩托车的价格以及装用ABS的情况.然后文访问一些汽车驾驶员,了解一下汽车的ABS装用情况和驾驶汽车的一些体验.再到汽车修理厂里了解一下汽车的刹车装置.我们还通过电话远程访问了佛山市佛斯弟摩托车厂的技术员,商讨了一下摩托车与ABS的情况.
资料整理与分析我们先大量阅读所得的文献资料,阅读过程中我们发现有相当一部分资料是相互冲突的,这本书有这本书的说法,那个网站有那个网站的说法.我们要对其进行鉴定,然后筛选出一些有用的资料,并对其进行归纳,最后写出研究成果报告.
研究成果什么是ABSABS(英文全称Anti Lock Break System)是一种安全制动装置,这种系统可以在汽车制动过程中自动调节制动力的大小,防止车轮完全被抱死,以获得最佳的制动效果.
ABS防抱死制动系统模拟图ABS系统实物图ABS的发展概况1965年,德国首先开发出了ABS防抱死制动系统,随着现代电子工业的发展和技术的进步,以及高速发展的汽车工业的需要、这项技术于1978年在欧洲,80年代在全世界推广开了.
ABS的特点众所周知,当车辆行驶中遇到突然情况采取紧急制动时,车轮极易被抱死.后轮抱死则极易倒滑甩尾,前轮抱死会使操纵失灵,总之,车辆十分危险.而ABS则可以防止车轮抱死,并能在最短距离内把车停下来,保证最佳制动效果.这种优越性在淋雨后或冰雪路面上更加突出.日本曾对汽车进行过测试,下面简单对测试进行简单介绍:
试验车:1,加装ABS的宝马R1100RS
2,未装ABS的宝马R1100GS
试验路面:1,良好的普通路面
2,每隔2米撒一片细沙的低摩擦路面
试验车速:50kmh
结果:
第一次
第二次
第三次平均低摩擦系数路面RS(有ABS)GS(无ABS)普通路面
7.37
通过测试数据,我们可以看到:对于有沙的路面,即路面摩擦因数变化很大时,ABS很有效,比未装ABS的车的制动距离平均减少2m以上.对于普通路面,即摩擦因数较高且稳定时,情况相反、无ABS的车的制动距离比有ABS的反而短、ABS的效果并未显出.
ABS防抱死制动的原理(一)汽车制动时的受力分析当汽车在良好的路面上制动时,制动器与车轮间产生摩擦力F,此摩擦力与车轮转动的方向相反.车轮在摩擦力F的作用下,给地面一个向前的作用力、即地面也给车轮一个与汽车行驶方向相反的反作用力、这个反作用力就称为地面制动力、它是迫使汽车减速或停车的外力(忽略空气阻力).而这个地面制动力则取决于制动器和车轮共同作用产生的摩擦力F和轮胎与地面间的附着力、它是由地面提供的外力.
如果车轮不接触地面,同时踩住制动踏板,沿车轮切线方向刚好推动车轮转动所需的力、就称为制动器制动力(实质上是克服制动器与车轮间的最大静摩擦力的力).制动器制动力是由制动器本身所决定的,与踩制动踏板的力成正比.
汽车制动时,如果制动器制动力比较小,则车轮只作减速滚动.随着制动器制动力加大,地面制动力也随之成正比例增大.在车轮未被抱死前、地面制动力始终等于制动器制动力.当地面制动力达到或超过轮胎与路面的最大附着力时,车轮开始抱死不转而出现拖滑现象.即使再加大制动器制动力、地面制动力也不会再增大.
地面制Fmax动力制动器制动力地面制动力示意图由上述分析可知,只要汽车具有足够的制动器制动力、同时有附着系数高的路面提供足够的地面制动力就能获得良好的制动效果.
(二)汽车的最佳制动状态在研究物体的相互摩擦时,有静摩擦和滑动摩擦之分.经我们研究性学习小组做实验证明:物体的静摩擦因数往往比滑动摩擦因数大.
摩擦因数对比实验
实验目的:验证物体将要运动时受到的最大静摩擦力比运动时受到的滑动摩擦力大.
器材:弹簧秤,钩码、小木块,沙子等{过程与方法}
实验结果:钩码实验一个二个三个最大静摩擦力滑动摩擦力在干净的水泥地上有沙子的水泥地上在有水的水泥地上数据均为平均值
结论:静物体将要运动时受到的最大静摩擦力比运动时受到的滑动摩擦力大,即静摩擦因数比滑动摩擦因数大.
静摩擦因数与滑动摩擦因数之别、反映了物体间的最大(锋值)附着系数之别.汽车在实际制动过程中、道路附着系数是变化的(与路面状况有关),因此地面制动力也是变化的.为了研究制动过程中附着系数的变化对制动效果的影响、我们引入滑移率概念.
汽车在匀速行驶时,汽车的实际车速与车轮速度(即车轮滑动的圆周速度)是相同的.当驾驶员踩制动踏板使车轮速度降低时,但由于汽车自身惯性,汽车的实际车速就与车轮的速度不再相等、于是车速与车轮速度之间就产生一个速度差.此时,轮胎与路面间产生的现象就叫相对滑移现象,其滑移程度用滑移率S表示、实际车速用VF表示、车轮速度用VR表示.则滑移率表达式为S= ×100.由此表达式可知:当汽车的实际速度等于车轮速度时(VF=VR),滑移率为零,车轮为纯滚动,当车轮速度VR为零时(即抱死)滑移率为100,车轮作纯滑动.那么,滑移率在0到100%之间时,车轮既滑动又滚动.
在干路面或湿路面上,当滑移率在15~30%的范围内时,车轮具有最大的纵附着系数,即产生的地面制动力最大,制动距离也就相对最短、这就是最佳的制动效果了.而在冰雪的路面上,最佳制动滑移率则在20~30%之间.总之,不论在什么样的道路条件下,当车在最大的纵向附着系数所对应的滑移率范围内制动时,效果最佳.
根据我们所调查的驾驶员的经验:当车轮处在纯滚动状态时,侧向附着系数最大(即汽车保持转向和防止侧滑的能力最强).滑移率越大,侧向附着力越小.车轮抱死时(即滑移率为100%),侧向附着系数变得极小,此时,稍有侧向干扰(如路面不平,风吹等)、汽车就会产生侧滑从而失去稳定.
综合以上分析,汽车制动时,若能将滑移率控制在最大附着系数范围内(一般为15~30%),汽车处在最佳制动状态、这时,不仅车轮的纵向附着系数最大,而且车轮的侧向附着系数也较大,因此可以使高速行驶的汽车快速,稳定地停下来.
(三)防抱死制动系统控制原理ABS的控制原理,是ABS系统根据车轮滑移率,车轮角减速度为参数将车轮滑移率控制在20%左右,使制动车轮处在最佳制动状态.目前、ABS系统的控制参数有以下三种:
(1)以制动车轮滑移率作为控制参数有些ABS制造公司使用非接触传感器(如雷达)准确测出汽车本身的瞬时速度,同时用车轮速度传感器测出车轮圆周速度.然后由电子控制器ECU的程序计算滑移率,判断其是否为最佳滑移率,若不是则由电子控制器ECU发出指令适当调节汽车的制动力、控制汽车的滑移率,使汽车达到最佳的制动状态.
采用雷达控制方式的防抱死制动系统,由于系统直接对制动车轮的滑移率进行控制,故防抱死性能较好,但制动系统增加电路结构的复杂性,而且制造成本也高,所以这种方式实际运用较少. 电子控制器ECU(2)以车轮角减速度作为控制参数在汽车制动过程中、车轮抱死通常出现在汽车减速度相当大时.如果选择一个适当的减速度限值(经反复试验测得),当ECU测出汽车的减速度达到或超过此值时,就立即发出指令,减少汽车制动力、使车轮加速转动.当然也要选一个加速度限值,当汽车加速度达到此值时,电子控制器又发出指令,加大汽车的制动力、车轮又减速转动.这样,只要一个车轮速度传感器测量车轮速度(角速度)并输送给ECU,同时在ECU中设置适当的加减速度限值,就能实现制动时防抱死工作循环.如此循环下去,当汽车速度低于某一值时,ABS系统停止自动调节,制动力加大,直到汽车停止.
该方式以车轮角减速度作控制参数,控制精度稍差,但系统结构简单,易于安装和维护.
(3)以车轮角减速度及滑移率作为控制参数这种控制方式把车轮角减,加速度限值和滑移率限值组合起来作为控制参数,有利于对路面状况的识别、提高系统的自身适应能力.
由于该控制方式的ABS系统结构简单,成本低,并集成了以上两种控制方式的优点、所以它是目前ABS产品中广泛采用的控制方式.
ABS系统的应用状况目前、日本,美国,德国等发达国家的轿车和轻型汽车已有95%装用了ABS系统.我国近年来在奥迪200,桑塔纳2000GSI型等轿车和中德合资的YBL6120H型亚星奔驰豪华大轿车上也装用了ABS系统.
按照ABS系统的工作原理,ABS系统除了可以安装在轿车上之外,还可以安装在其它车辆上,如货车,客车,摩托车等.但是,根据我们研究小组的访问调查,本市的车辆除了小汽车和极为小数的豪华大客车外其它的车辆基本上都没有装用ABS系统.摩托车不装用ABS的原因是受价格限制,据我们调查:一辆普通摩托车才售4000元人民币左右,再加装2000多元的ABS后就不具竞争力了.而且、ABS的重量也会成为摩托车的负担、所以除了日本,欧美的一些豪华摩托车装用了ABS外,国产的摩托车都没有安装ABS.货车和客车方面,日本,欧美国家都比较普及,但我国的国产车却较罕见.原因很多,与国家政策,我国本身的汽车工业技术等有很大的关系.
ABS系统的发展前景ABS防抱死制动技术有相当大的发展潜能.根据《汽车工业产业政策》及汽车零部件的发展目标,战略和措施,ABS属国内空白的高新技术产品、是涉及主动安全的重要部件,已列入汽车工业九五期间重点发展的第一类关键零部件.目前、国内虽有几家单位开始研制,但起步较晚,均未进入批量生产.根据九五汽车发展纲要、我国1996~2000年为汽车工业基础能力形成期,2001年2010年为发展期,将形成600万辆的年生产能力.加之96年12月交通部发布配套发展高速公路主干道1万公里的战略计划,同年已着手制定车辆安全性方面的法规,并决定首先在重型车和大客车上安装符合GB13594规定的ABS,九五期间重型车和大客车将形成15万辆左右.目前、国内汽车ABS的装有率低于2.且全部为进口ABS,因而市场发展前景极为广阔.其次人们出于对预防交通事故和保证行车安全的重要性,强烈要求在汽车上装用ABS系统.由此可见、ABS制动技术的发展很有前途.
人们还根据ABS的工作原理开发出了另一种同类产品ASR驱动防滑系统.
我们的建议根据我国目前的ABS技术及其应用状况,我们针对其不足之处,提出了以下建议:适当降低ABS系统的价格,吸引汽车主装用.加大宣传力度,并由国家制定相关法律法规,鼓励并强制车主装用ABS系统.
根据ABS的工作原理,研制更先进的ABS系统,或开发其它同类产品.
使用ABS要注意的问题(1)防止碰撞电子控制器ECU,否则ECU会损坏.
(2)施行制动时,驾驶员会感到制动踏板抖动,这是ABS系统正常的工作现象.
(3)用外电源给汽车的蓄电池充电时要先断开蓄电池上的电缆线,以免损坏ECU.
(4)蓄电池应经常保持充足电状态、若电压过低,将使ABS系统不能正常工作.
(5)经常保持车轮速度传感器头,齿圈清洁.否则,将影响系统工作,以致控制精度差.
(6)选用合适的制动液和轮胎.
参考文献:《汽车防抱死制动系统(ABS)结构与使用维护》北京金盾出版社《摩托车》杂志张金生研究心得通过大半年时间的探讨,我们的研究成果终于出来了,我们对ABS防抱死制动技术也有了个深刻的认识.在研究过程中、我们经历了的重重困难,挫折一言难尽,但在研究过程中、我们学会了许多课堂上学不到的东西.如:学会了通过多渠道获取知识;学会了自己设计物理实验;学会了利用互联网获取资料;学会了与陌生人打交道,锻炼了我们的胆量,心理承受能力和社会交往能力;我们还熟练掌握利用计算机对复杂的文档进行排版的技巧.
同时,我们终于明白了,研究性学习更注重的是过程,而不是结果,旨在培养我们走出校园、走向社会,走向科学,亲身体会发现,体验创造,学会与人交流、合作和分享.
研究性学习开阔了我们的视野,增长了我们的见识.
指导老师评语:
ABS防抱死制动知识,超出了中学课堂和课本的知识内容.本小组同学选择这个课题,有一定的难度.但一年来,他们从来没有放松过研究,特别是朱立基同学投入了很大的热情、他多次去图书馆,书店查找资料,上网搜集资料,请教汽车驾驶员,了解汽车刹车装置,获得了大量第一手资料,学到了课堂上学不到的知识.经过对资料整理,加工和认识,对ABS防抱死系统概念,原理,工作过程及ABS防抱死系统发展前景等有了更深刻的认识,文章内容丰富、图片清晰,读后增长了对ABS防抱死系统的了解,扩大了视野,同时对我国汽车工业的发展充满了信心.

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