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80C196KC三通道四传感器的液压制动防抱死制动系统设计

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软件简介

ABS总电路图A0.dwg
ABS总装图A0.dwg
制动盘A3.dwg
制动器安装图A1.dwg
制动液压系统A1.dwg
制动主缸与真空助力器A1.dwg
ABS汽车防抱死制动系统设计.doc
扉页.doc
摘要.doc

      我国ABS 的研究开始于80 年代初。从事ABS研制工作的单位和企业很多,诸如东风汽车公司、重庆公路研究所、西安公路学院、清华大学、吉林大学、北京理工大学、上海汽车制动有限公司和山东重汽集团等。具有代表性的有以下几个。清华大学汽车安全与节能国家重点实验室有宋健等多名博导、教授,有很强的科技实力,他们还配套有一批先进的仪器设备,如汽车力学参数综合试验台、汽车弹射式碰撞试验台及翻转试验台、模拟人及标定试验台、Kodak 高速图像运动分析系统、电液振动台、直流电力测功机、发动机排放分析仪、发动机电控系统开发装置及工况模拟器、计算机工作站及ADAMS、IDEAS 软件、非接触式速度仪、噪声测试系统、转鼓试验台、电动车蓄电池试验台、电机及其控制系统试验台等。该实验室针对ABS 做了多方面的研究,其中,在ABS 控制量、轮速信号抗干扰处理、轮速信号异点剔除、防抱死电磁阀动作响应研究等方面的研究处于国内领先地位。
   吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室以郭孔辉院士为代表的研究人员致力于汽车操纵稳定性、汽车操纵动力学、汽车轮胎模型、汽车轮胎稳态和非
   稳态侧偏特性的研究,在轮胎力学模型、汽车操纵稳定性以及人- 车闭环操纵运动仿真等方面的研究成果均达到世界先进水平。
   华南理工交通学院汽车系以吴浩佳教授为代表从事汽车安全与电子技术及汽车结构设计计算的研究,在ABS 技术方面有独到之处,能够建立制动压力函数,通过车轮地面制动力和整车动力学方程计算出汽车制动的平均减速度和车速;还可以通过轮缸等效压力函数计算防抱死制动时的滑移率。另外,在滑移率和附着系数之间的关系、汽车整车技术条件和试验方法方面也有独到见解。
   济南程军电子科技公司以ABS 专家程军为代表的济南程军电子科技公司对ABS 控制算法研究颇深,著有《汽车防抱死制动系统的理论与实践》等专著几本,专门讲述ABS 控制算法,是国内ABS 开发人员的必备资料之一。另外,他们在基于MAT2LAB 仿真环境实现防抱死控制逻辑、基于VB 开发环境进行车辆操纵仿真和车辆动力学控制的模拟研究等方面也颇有研究。
   重庆聚能公司产品包括汽车、摩托车系列JN111FB 气制动电子式单通道、JN144FB 气制动电子式四通道和JN244FB 液压电子式四通道等类型ABS 装置及其相关零部件30 多个品种,其ABS 产品已通过国家汽车质量监督检测中心和国家客车质量监督检测中心的认定,获得国家实用新技术专利,并正式被列为国家火炬项目计划。
   西安博华公司主要产品是适用于大中型客车和货车的气压四通道ABS 和适用中型面包车的液压三通道ABS 及其相关零部件。其中BH1203 -FB 型ABS 和BH1101 - FB 型ABS 已通过陕西省科委科技成果鉴定和陕西省机械工业局新产品鉴定,认为该项技术已达到国内领先水平。
   山东重汽集团引进国际先进技术进行的研究也已取得了一些进展。
   重庆公路研究所研制的适用于中型汽车的气制动FKX - ACI 型ABS 装置已通过国家级技术鉴定,但各种制动情况的适应性还有待提高。
   清华大学研制的适用于中型客车的气制动ABS由于资源价格和性能上的优势,陶瓷材料的应用将迅速扩展;金刚石和CBN 超硬材料的应用将进一步扩大;新刀具材料的研制周期会越来越短,新品种新牌号的推出也将越来越快。人们所希望的既有高速钢、硬质合金的强度和韧性,又有超硬材料的硬度和耐磨性的新刀具材料也完全有可能出现。
   本文主要讲述以80C196KC单片机为核心,完成了信号输入回路、输出驱动回路、电源部分及故障诊断等硬件电路设计,对轮速传感器、电磁阀等的故障检测电路进行了设计。
               2.防抱死制动系统基本原理
2.1 制动时汽车的运动
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。地面对汽车的作用力又分为:作用在车轮上垂直于地面的支承力和作用在车轮上平行于地面的力。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,他的大小决定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)
   
         图2-1 汽车直线和转弯制动时的平面受力简图
   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。
   如上所述,施加适当的制动,能够有效地使汽车停下。制动强度过大,是汽车发生各种危险运动状况的主要原因。因此,汽车行驶时,要根据冰路、雪路、砂石路、坏路、水湿路、干路、直路、弯曲路等道路条件,根据汽车速度、方向转角等行驶条件进行制动操作,必须时常注意不能让车轮完全抱死。
2.1.2 车轮抱死时汽车运动情况
   车轮抱死时汽车所受到的侧滑摩擦力将会变的很小,这将使汽车制动时保持方向操纵性和方向稳定性的转弯力和侧向力变的很小,使汽车在制动时出现一些危险的运动情况。对ABS系统来说,就是要防止这些危险情况的出现。下面从汽车在一种路面上直线和转弯制动两方面简单讨论一下当车轮抱死时汽车的运动情况。
   (1)汽车在一种路面上直线运动制动车轮抱死时可能出现的运动情况如图2-2所示。图2-2 (a)为只有前轮抱死时,由于前轮的转弯力基本为零,无法进行正常的转向操作。为制动时前轮全部抱死而后轮不抱死汽车的运动情况示意,当前轮抱死时转弯力为零,驾驶员无法控制汽车的方向使汽车转向来避让前方的障碍物,这时由于汽车后轮不抱死,所以汽车仍具有侧向力来维持方向稳定性。图2-2 (b)为只有后轮抱死时,后轮的侧向力接近于零,汽车仍具有方向操纵性,但会因后轮抱死而失去方向稳定性使汽车侧滑。汽车不能保持原来的行驶方向,由于离心力和前轮转向力的作用,汽车将一面旋转一面沿曲线行驶(这种运动叫外旋转)。图2-2 (c)为前后车轮全部抱死时时转弯力和侧向力都为零,这种状态很不稳定,路面不均匀、左右轮地面制动力不相等时,即使对汽车施加很小的偏转力矩,汽车就会产生不规则运动而处于危险状态,在不规则旋转的过程中将制动释放,汽车就会沿着瞬时行驶方向急速驶出,这也是很危险的。
   (2)汽车在一种路面上转弯制动车轮抱死时可能出现的运动情况如图 2-3所示。所有这些运动情况若在制动时出现,都是极其危险的。
   从上面对出现这些危险运动情况的简单分析可以看出,制动时车轮抱死导致汽车出现各种危险运动情况,实质上是汽车因失去相应的维持本身方向稳定性方向操纵性的侧滑摩擦力而使汽车出现这些运动情况,即车轮抱死导致汽车的侧滑摩擦力为零。车轮的抱死程度和汽车的地面制动力及汽车的侧滑摩擦力之间存在一定的关系,ABS之所以能防止汽车制动时出现危险的运动情况,就是根据这个关系来调整车轮的运动状态,以避免侧滑摩擦力为零。
      
   图2-2 汽车直线制动车轮抱死时的运动情况
      
图2-3 汽车转弯制动车轮抱死时的运动情况

2.2滑移率定义
   通常,汽车在制动过程中存在着两种阻力:一种阻力是制动器摩擦片与制动鼓或制动盘之间产生的摩擦阻力,这种阻力称为制动系统的阻力,由于它提供制动时的制动力,因此也称为制动系制动力;另一种阻力是轮胎与道路表面之间产生的摩擦阻力,也称为地面制动力。地面对轮胎切向反作用力的极限值称为轮胎- 道路附着力,大小等于地面对轮胎的法向反作用力与轮胎- 道路附着系数的乘积。如果制动系制动力小于轮胎- 道路附着力,则汽车制动时会保持稳定状态,反之,如果制动系制动力大于轮胎- 道路附着力,则汽车制动时会出现车轮抱死和滑移。
   地面制动力受地面附着系数的制约。当制动器产生的制动系制动力增大到一定值(大于附着力)时,汽车轮胎将在地面上出现滑移。汽车的实际车速与车轮滚动的圆周速度之间的差异称为车轮的滑移率。
滑移率S的定义式为:
 -------------------------------(2-3)
 
式中:S —滑移率;
   Vt —汽车的理论速度(车轮中心的速度) ;
   ω—汽车车轮的角速度;
   r —汽车车轮的滚动半径。
   由上式可知:当车轮中心的速度(即汽车的实际车速) Vt 等于车轮的角速度ω和车轮滚动半径r 乘积时,滑移率为零( S = 0) ,车轮为纯滚动;当ω = 0时,S = 100 % ,车轮完全抱死而作纯滑动;当0 < S <100 %时,车轮既滚动又滑动。
2.3 滑移率与附着系数的关系
   图2-4 给出车轮与路面纵向附着系数和横向附着系数随滑移率变化的典型曲线。当轮胎纯滚动时,纵向附着系数为零;当滑移率为15 %~30 %时,纵向附着数达到峰值;当滑移率继续增大,纵向附着系数持续下降,直到车轮抱死( S = 100 %) ,纵向附着系数降到一个较低值。另外,随着滑移率增大,横向附着系数急剧下降,当车轮抱死时,横向附着系数几乎为零。从图1 可以看出,如果能将车轮滑移率控制在15 %~30 %的范围内,则既可以使纵向附着系数接近峰值,同时又可以兼顾到较大的侧向附着系数。这样,汽车就能获得最佳的制动效能和方向稳定性。ABS 即是基于这一原理而研制的。

   图2-4 滑移率与附着系数关系
   实验证明,道路的附着系数受车轮结构、材料,道路表面形状、材料有关,不同性质道路其附着系数变化很大。图2.5给出了不同类型路面上滑移率--纵向附着系数之间的关系。
         
图2-5 不同路面上纵向、侧向附着系数与滑移率关系曲线
   由图2-5可以看出,各种路面上的变化的总体趋势是一致的。滑移率和纵向附着系数之间的关系曲线随路面类型的不同,出现峰值的滑移率的取值也会不一样,并且对应不同路面类型的滑移率--纵向附着系数曲线在峰值附着系数后曲线下降的速度也不相同,在干燥的路面上下降的快些,在湿滑的路面上略微有些下降。一般干燥洁净的平整水泥、沥青路面纵向峰值附着系数高达0.8-0.9,而冰雪路面的纵向峰值附着系数低至0.1-0.2。如果这种差别随路面类型的不同变化比较明显,则在设计ABS系统控制方法时,就必须考虑到随路面类型的不同而采取不同的控制目标和策略。若汽车在同一种类型路面上制动时的初速度不一样,车轮的纵向附着系数和滑移率之间的关系曲线也会略有不同,制动时的车速越高,车轮的纵向附着系数越低。但在同一路面上以不同制动初速度制动时车轮的附着系数---滑移率关系曲线不会有太大变化。
   总之,对于在一种路面上制动的汽车,车轮附着系数和滑移率之间的非线性特性是决定汽车制动性能的主要因素。实际上,汽车的制动过程就是车轮和路面之间的一种非线性变化过程,即车轮附着系数随车轮运动状态非线性变化的过程,所以说汽车的制动过程是一种非线性的制动过程。制动时汽车通过制动系统改变车轮的运动状态,从而改变车轮的滑移率,形成整个非线性的制动过程。
目    录
1 防抱死制动系统概述 1
1.1  ABS的功能 1
1.2  防抱死制动系统的发展历史 2
1.3  防抱死制动系统的发展趋势 3
1.4  国内ABS系统研究的理论状态和具有代表的ABS产品公司 5
2 防抱死制动系统基本原理 7
2.1  制动时汽车的运动 7
2.1.1 制动时汽车受力分析 7
2.1.2 车轮抱死时汽车运动情况 8
2.2  滑移率定义 10
2.3  滑移率与附着系数关系 10
2.4  制动时车轮运动方程 12
2.5  采用防抱死制动的必要性 13
2.6  防抱死制动系统的基本工作原理 14
3 防抱死制动系统硬件设计 18
3.1  防抱死制动系统的布置形式与组成 18
3.1.1防抱死制动系统的布置形式 18
3.1.2防抱死制动系统的基本组成 21
3.2  80C196KC最小系统 23
3.2.1 CPU简介 24
3.2.2 时钟电路设计 28
3.3  防抱死制动系统轮速传感器选择 29
3.3.1霍尔传感器的设计 32
3.3.2霍尔开关电路的选择 32
3.3.3传感器齿盘的设计 34
3.4  防抱死制动调压系统工作过程9 35
3.5  电源设计 39
3.6  信号输入电路设计 39
3.7  电磁阀驱动电路的设计 40
3.8  泵电机驱动电路的设计 43
3.9  ABS系统报警LED灯设计 44
3.10 EPROM和RAM的扩展 45
3.11故障诊断硬件电路设计 47
3.12硬件抗干扰设计 48
3.13车轮制动器的选择 52
4 防抱死制动系统软件设计 54
4.1  控制方案和控制参数的选取 55
4.2  控制参数及其计算 56
4.2.1门限减速度的求取 56
4.2.2门限加速度的求取 58
4.2.3路面识别技术 58
4.2.4车身参考速度的确定 58
4.3  控制过程 62
4.4  程序设计 65
5 结论与展望 67
5.1  研究工作总结 67
5.2  防抱死制动系统发展方向 67
参考文献 70
英文翻译 68
附录 77
致谢 84

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