汽车工程手册：德国版-制动功能与辅助系统概述

当前汽车生产在舒适性、主动安全性方面已达到完美程度，这要归功于电子闭环控制（图7.2-45）。在未来，这些电子闭环控制系统还将会在多方面扩展。由于综合性能的不断增多，为保证制动系的安全性和可靠性，电子闭环控制系统包含复杂和较贵的安全性电路、模块化结构的安全性算法。如在部分系统失效时，还仍然保留下来的较低层面、甚至机械/液压系统的一些功能。

制动操纵要一直保持到整个闭环控制系统完全失效时，如由于出现供电故障。

1.防抱死制动系统（ABS）

在制动系和发动机管理系统中通过有效的干预改变制动力和牵引力，以在给定的环境下达到最好的行驶动力学性能的防滑转闭环控制系统。这一任务可由多种方式实现。从基本特征出发，各闭环控制系统的生产厂家在方法和算法上是相似的。因为它们所用的输入参数和控制参数是一样的。控制工程结构上的显著差别是程序设计。重要方面是电子闭环控制系统（无论是硬件还是软件）要与各种传感器（如不同的工作原理）、系统的执行器、所有参与部件的特殊性能和与汽车的匹配^[6]。

图7.2-45 影响因素和闭环控制系统接口

（1）在纵向制动滑转率/横向制动滑转率的附着　适用于轮胎和路面间的附着原理要比库伦（Coulomb）摩擦复杂，其原因是橡胶轮胎的性能（见7.3节）。

轮胎只在出现滑转时才将这些力传给路面。制动车轮的圆周速度要比汽车的速度低。为简化轮胎与路面的关系，专门采用制动滑转率（百分率）λ_B和驱动滑转率（百分率）λ_T：

式中，λ_B为制动滑转率（%）；v_F为汽车行驶速度（车轮中心平均速度）；v_U为车轮圆周速度。

式中，λ_T为驱动滑转率（%）。

（2）制动附着系数和其他影响参数　汽车制动能量的特征参数是附着系数或称制动附着系数μ_B。

式中，μ_B为制动附着系数；F_B为制动力；F_A为车轮支撑力。

对轮胎和路面的每一种组合存在着制动附着系数和制动滑转率的一定的性能关系（图7.2-46）。

在几乎是所有的条件下，制动附着系数随制动滑转率有一个相似的特性变化。在车轮自由转动时，制动附着系数和制动滑转率为零。在通常的制动滑转率为8%～30%时，附着系数达到最大。进一步增大制动滑转率，制动附着系数或多或少下降。在制动滑转率达100%时车轮抱死。

在制动附着系数上升范围为稳定范围。汽车行驶时保持稳定和可操控。在临界制动滑转率时汽车出现不稳定行驶状态。如果在临界制动滑转率范围的制动压力没有足够快的降低，则在较短时间内车轮就会抱死。行驶道路表面对制动附着系数有重要影响。另外，制动附着系数曲线与轮胎有关。重要的影响参数是轮胎结构型式和胎面花纹（如橡胶混合物、花纹形状和磨损程度）、尺寸、充气压力、温度和车轮支撑力。

图7.2-46 制动附着系数随制动滑转率的变化 λ_B—制动滑转 率μ_B—制动附着系数

1—干沥青路面 2—湿沥青路面 3—新的雪地 4—水面

特别是在松软的新的雪地和粗卵石地上的附着系数曲线，它们的制动附着系数最大值是在制动滑转率100%，这个特点是在这时是由雪楔或粗卵石楔产生的。随着制动滑转率的增加，在车轮抱死前已建立雪楔或粗卵石楔，但这时也存在一个临界的制动滑转率。一旦达到临界制动滑转率，不只是制动能力下降，汽车也失去稳定性和操控性。

（3）在横向方向的附着系数　正如在制动和驱动时的相似关系决定汽车的纵向动力学，轮胎变形或力的传递之间的相似关系，也决定了横向动力学。如为使汽车保持在所希望的车道上，轮胎只能在侧向变形并建立起防侧向滑转的情况下才可能。

图7.2-47 侧向附着系数

μS随侧偏角α的变化

为此，车轮中心的运动方向和轮胎的纵向方向会相互偏离。这两个方向的夹角称为侧偏角α（图7.2-47）。

为表示侧向引导能力，需要定义侧向附着系数：

式中，μ_S为侧向附着系数；F_S为侧向引导力；F_A为车轮支撑力。

图7.2-47是侧向附着系数μ_S随侧偏角α的变化关系。

（4）在纵向和横向方向的制动附着系数的组合在给定轮胎、路面和车轮支撑力的条件下，车轮只能传递有限的总作用力。总作用力可以分解成两个分力：制动力和侧向引导力，并可近似地用卡姆（Kamm）摩擦圆（图7.2-48）的图形表示。

两个力的分量的几何向量之和不应大于轮胎可传递的最大的总作用力。由此可得到：

1）只有在直线行驶时才能得到最大的制动力。

2）在过分弯曲的弯道行驶时可传递的制动力要大大地小于直线行驶时的制动力。

3）与汽车未制动状态不同，在急剧减速时要限制汽车转向。

对已抱死车轮全制动会完全丧失汽车的稳定性和操控性。由图7.2-49可见，由于对纵向方向的制动附着系数的要求，侧向附着系数是如何随制动滑转率的增加而减小的。

图7.2-48 卡姆（Kamm）摩擦圆

F_N—法向力 F_max—可传递的最大总作用力 Frad—车轮上的总作用力 μ—轮胎与路面的附着系数 F_B—制动力 F_S—侧向引导力 α—侧偏角

1—车轮中心点的运动方向 2—车轮纵向方向 3—车轮横向方向 4—卡姆摩

擦圆（半径为最大力F_max的值）

图7.2-49 在干燥的水泥路面上不同侧偏角时制动附着系数和侧向附着系数随制动滑转率的变化

λ_B—制动滑转率 μ_B—附着系数 μ_S—侧向附着系数

1—在侧偏角α=2°时的制动附着系数

2—在侧偏角α=5°时的制动附着系数

3—在倾偏角α=5°时的侧向附着系数

4—在侧偏角α=2°时的侧向附着系数

（5）ABS功能　未配备ABS的汽车在紧急制动时，根据路面状况和行驶状态会引起很大的车轮滑转，甚至抱死，使汽车偏离车道或破坏操控性。从少数例外的情况看，也会延长制动距离。ABS系统可以全制动而车轮不抱死，不会发生由于抱死而出现的各种危险。利用制动踏板不能定量地、单独地优化各个车轮上的制动力。特别明显的是在不同附着系数的路面（如左、右轮），因为在各个车轮上的最佳制动力有很大的差别。ABS系统可改善：

1）行驶稳定性。当在全制动时提高制动压力并达到抱死边界就可防止车轮抱死，从而在后桥车轮丧失侧向引导力时就可阻止汽车绕垂直轴转动（甩尾）。

2）操控性。即在全制动和不同的路面状况（不同的附着系数）的操控性。在全制动时汽车在弯道行驶时还可转向或躲避障碍物。

3）制动距离。实现短的制动距离就要充分利用轮胎和路面间可用的制动附着系数。特别是要对如从干燥的沥青路面到潮湿的沥青路面的不同附着系数作出自适应反应。配备ABS系统的制动距离要比未配备ABS系统的汽车制动距离短。

驾驶人可以专注于处理交通状况而不需思考最佳的、定量的确定制动功率（如绕过障碍物的制动）。此外，ABS系统可防止轮胎工作面上出现扁平区域（制动图案）。

（6）ABS系统的边界　特殊情况下，如新的雪地或粗鹅卵石路面，它们在车轮抱死时在车轮前形成一个楔，这在平常情况没有什么影响。这里指的是利用ABS系统改善操控性和稳定性要比在最短时间、在车轮抱死时可能短的制动距离更重要。ABS系统仍然符合物理规律。在光滑路面ABS闭环控制的制动距离仍要比在干燥路面上的制动距离长，因为可能的最大制动力总是取决于轮胎与路面间的附着系数，即便配备ABS系统，在高速弯道行驶时制动不能增大侧向引导力，汽车仍会离开弯道。

（7）ABS系统工作范围 最好的滑转率和最好的制动效果不是利用最大的制动力，而是利用定量的制动力达到的（图7.2-50）。ABS闭环控制的目标是不要超过当时轮胎和路面确定的条件下的临界滑转率。ABS系统工作范围的选择应同时有尽可能好的行驶稳定性和操控性。如果一个车轮制动，它已超过最佳的滑转率范围，则ABS系统开始闭环控制。

图7.2-51是未配备ABS系统的制动过程。范围Ⅰ是汽车未制动行驶。车轮圆周速度等于汽车行驶速度，这时车轮没有滑转。范围Ⅱ是轻微制动，制动压力很小。这时车轮圆周速度要比汽车行驶速度稍低些，且一直保持，车轮滑转率仍在稳定范围。范围Ⅲ是全制动情况。这时车轮制动压力超过车轮抱死边界。车轮圆周速度不断降低直至车轮静止，汽车行驶速度也减小。这时的车轮抱死的制动附着系数决定汽车的减速度。

图7.2-50 ABS闭环控制的制动 滑转率λ_B范围（A）

μ_B—制动附着系数（曲线1）

μ_S—侧向附着系数（曲线2）

车轮转速很快下降是车轮抱死危险的征兆，因为车轮减速度大于可能的汽车减速度。如果电控单元通过车轮转速传感器识别出车轮转速失效，则电控单元向电磁阀发出相应的命令，以调节制动压力。每个控制回路总有两个电磁阀实施制动压力调节。一个是常开的进液阀（无电流时开启）；另一个是常闭的排液阀（无电流时关闭），如图7.2-52所示。

（8）ABS闭环控制的三个阶段ABS闭环控制循环在原理上分三个阶段（图7.2-52）。

1）制动压力保持（阶段1）。在操纵制动踏板时，制动压力增加，车轮圆周速度递减。如果车轮出现抱死的危险，则进液阀关闭，甚至再操纵制动踏板增加脚踏力时车轮制动压力也不再增加。

图7.2-51 未配备ABS的制动过程（一个车轮）

t—时间 v—速度 p—压力

Ⅰ—未制动行驶 Ⅱ—部分制动 Ⅲ—未配备ABS全制动

v_F—汽车速度 v_R—车轮圆周速度（线速度） p_B—操纵压力

2）制动压力降低（阶段2）。如果车轮圆周速度在车轮制动压力不变时继续下降，车轮滑转率增加，则电控单元使进液阀关闭和排液阀开启，车轮制动压力降低，制动力矩随着减小。根据车轮的减速度可以估计，制动压力降低的脉冲需持续多长时间，并在这时间后车轮又开始加速（预见性的闭环控制）。如果车轮在这时间后转速没有达到期待那样高，则电控单元进一步降低制动压力。在极端情况，如从沥青路面的附着系数跳跃到水路面的附着系数，制动压力降低要延长到希望车轮重新加速的程度。

图7.2-52 ABS闭环控制过程（一个车轮）

t—时间 p—压力 v—速度 Ph—相位

Ⅰ—未制动行驶 Ⅱ—部分制动 Ⅲ—ABS制动

v_F—汽车速度 p_B—操纵压力 v_R—车轮圆周速度 p_R—车轮制动缸压力

A—压力建立 B—压力保持 C—压力降低(www.xing528.com)

3）制动压力建立（阶段3）。如果车轮圆周速度不断提高，到低于最佳的滑转率范围，则电控单元就要渐进地重建制动压力，这时进液阀多次短时间开启，排液阀处于关闭状态。

制动压力保持、降低和建立的这三个阶段的闭环控制循环在1s内要重复多次。三个阶段的顺序是可变的。

（9）专门的控制算法　通过连续处理车轮转速传感器信号，电控单元不断作出与汽车车轮行驶状况相匹配的控制策略。前桥车轮的闭环控制是分别对车轮控制。后桥车轮采用“低选”原则，即有严重抱死危险的一个后轮决定两个后轮的制动压力大小。这会减小后桥车轮上的制动力充分利用，但有利于建立较高的侧向力，从而提高汽车行驶稳定性。通过专门开发的控制算法，ABS电控单元可适应各种特殊的路面和行驶状况，如水路面、不同附着系数的路面（μ-Split）、弯道行驶、汽车甩尾过程、使用备用车轮等情况。

2.电子制动力分配（EBV）

通过ABS软件中的附加软件算法，电子制动力分配可替代液压制动力分配阀（见7.2.2小节）。在部分制动范围，这种软件算法可优化前、后桥之间的制动力分配。在保持同样的行驶稳定性时可充分和最佳地利用后桥车轮的附着系数^[7]。

EBV算法利用从测量的4个车轮速度算出的汽车减速度和横向加速度两个参数。如果电控单元识别到后桥车轮过制动，则电控单元关闭相应的后轮进液阀并阻止制动压力的进一步升高。在继续过制动时，可开启后轮排液阀，以降低制动压力。为充分利用附着系数潜力，在过制动时EBV将后轮制动器以脉冲方式重新调整到制动主缸压力水平。EBV功能不需要附加部件，它利用ABS系统中现有的部件。与液压控制单元（HCU）不同，集成在ABS安全性方案中的EBV用以监控制动力分配效果。

3.扩展的稳定性制动系统（ABS⁺）

有针对性地调整汽车两侧的不同制动力，ABS⁺（ABSplus）可以控制汽车横摆力矩，以改善汽车的稳定性和操纵性。扩展ABS控制算法是熟知的ABS+或转向制动控制（CBC-Cor-nering Brake Control）。该扩展的稳定性制动系统仅从车轮转速的变化过程就可识别汽车行驶状态，特别是识别在弯道时的行驶状态，而不需要横摆率传感器或横向加速度传感器。ABS⁺可优化制动滑转率并由此分配制动力，同时还可补偿横摆率。在动态行驶时，如在极限范围的弯道行驶和变换车道，ABS⁺十分奏效。ABS⁺也适用于在全制动（主动ABS闭环控制）和尤其是在部分制动的场合^[8]。

4.驱动防滑转控制（ASR）

通过有针对性的制动干预（BASR）和/或发动机管理中的发动机干预（MASR），ASR可阻止驱动轮的不必要的滑转。

驱动防滑转控制，无论是在硬件方面（液压系统、传感技术）还是软件方面都基于ABS系统^[9]。为主动建立制动压力，需在液压控制单元（HCU）基础上扩展排液阀和进液阀（图7.2-17、图7.2-53）。

图7.2-53 驱动防滑转控制方案

（1）ASR功能　驱动防滑转控制的功能包括：

1）保证后驱动汽车的行驶稳定性或前驱动汽车的操控性。

2）起着闭锁差速器作用。

3）牵引力与路面状况相适应。

4）在达到不稳定的物理边界前通过信息指示灯报警。

5）减小轮胎磨损。

（2）ASR的制动控制（BASR）在不同附着系数的路面（μ-Split）不能充分利用路面较大附着系数侧的牵引力。其原因在于驱动桥车轮间的差速器传动。在差速传动时较小附着系数侧车轮传递的力矩限制与它相对的另一侧车轮传递更大的力矩。利用车轮转速传感器，BASR可识别超过附着系数边界的车轮，并利用相应的主动的制动干预减小车轮滑转。这样，施加的、作为附加支持的制动力矩可影响差速器，并作为驱动力矩提供给与它相对的另一侧车轮。

制动干预ASR（BASR）主要是控制汽车起步范围。为避免制动器过高的热负荷，通过温度模块电控单元可以限制制动干预时间。

（3）ASR的发动机控制 为减轻制动器负荷，在汽车低速行驶时除采用制动控制，ASR要附加地减小发动机转矩，直至两侧的驱动轮没有制动干预而充分利用牵引附着系数。在汽车行驶速度的较高范围，约大于40km/h，几乎不用制动干预。因为发动机控制提早地降低驱动力矩，以提高行驶稳定性。

（4）发动机倒拖力矩控制（MSR）高的发动机倒拖力矩（如在松开加速踏板或换到低档时），在驱动轮上产生制动力矩而没有操纵制动踏板。特别是在低附着系数路面会引起驱动轮的明显滑转。首先在后驱动汽车上会导致不稳定的行驶性能。MSR通过定量地、主动地供油可以减轻由于发动机倒拖力矩产生的车轮滑转。在发动机管理系统中，发动机干预都是通过CAN总线。

5.电子稳定性程序（ESP）

电子稳定性程序（图7.2-54）将车轮滑转控制（ABS、EBV、ASR）与横摆力矩控制（GMR）组合在一起。横摆力矩控制是一个电子闭环控制，以改善汽车行驶的横向动力学性能，它与是否操纵制动踏板无关。通过制动干预和发动机干预可稳定汽车行驶的纵向和横向动力学性能^[7，10]。

利用实时模拟模型，电子稳定性程序（ESP）可从车轮转速、转向盘角度和制动主缸压力计算所希望的汽车行驶性能。利用横摆率和横向加速度，电子稳定性程序可得到实际的行驶状态。

首先，在快速转向时，电子稳定性程序不再将转向盘偏转转换为期盼的汽车方向的变化。不然会出现不足转向或过度转向，在极端情况甚至“甩尾”。但在不是很快转向时出现的驾驶人的希望（方向、速度）和汽车状态（横摆率、横向加速度）之间的偏差可通过横摆力矩（利用同时可对多达3个车轮的制动干预）加以校准。

横摆力矩控制（GMR）首先通过弯道内的后轮校准不足转向，通过制动弯道外的前轮校准过度转向。主动和有选择的制动可有效地建立纵向力并达到所希望的横摆力矩和由于由制动力矩建立起来的纵向力，可通过有针对性地降低侧向引导力而形成这种辅助的校准作用。

如果需要，电子稳定性程序通过对发动机管理系统的发动机干预可降低过高的驱动力矩。

扩展的ABS/ASR液压控制单元和组合的电子控制单元是电子稳定性程序的核心部件。液压控制单元可以主动地、各个车轮可以独立地建立制动压力，而与是否操纵制动踏板无关。

在很低温度时，由于制动液粘度变化，单靠ABS制动液泵的进液量不够。利用制动液的各种预压装置，可保证在低温环境下达到必要的泵送量。外部可控的制动助力器（主动助力器）可保证在很低的环境温度下为制动液泵进行必要的预压。另一个可能方案是采用电动预压泵。它将制动液从补偿容器中吸出，并输到串联制动主缸（THz）出口，通过孔板形成一个滞止压力。作为预压力的滞止压力靠近ESP制动液泵前，这样可保证所需的输送量。

图7.2-54 电子稳定性程序系统控制图 SV1/SV2—进液阀 ASR1/ASR2—排液阀

6.制动辅助（MBA、EBA、HBA）

制动辅助（BA—Bremsassistent）是在汽车危险状态帮助驾驶人紧急制动的一个系统。只要制动辅助识别到驾驶人没有及时作出反应的紧急制动情况，制动辅助会在制动过程中进行干预。当在评估制动踏板的操纵特性（在电子制动系统中它与汽车行驶速度结合在一起）的时候，这种紧急制动情况是可以识别的。这时，由于制动辅助能尽快建立起制动压力而可缩短制动距离（见图7.2-55中的减速度实线）。

当前，通过下列一些系统实现制动辅助功能^[11]。

（1）机械制动辅助（MBA）作为支持全制动的机械制动辅助（见7.2.2小节和图7.2-9）采用专门的制动助力器。它利用在快速操纵制动踏板时制动助力器部件的惯性使盘形阀超出规定的开启行程，从而阻止盘形阀关闭，并一直保持开启状态到脚踏力再次少许下降时。与电子制动辅助不同，机械制动辅助功能通过踏板位置可以调整制动力。机械制动辅助机构是一个整体，它保持真空制动助力器特性。

（2）电子制动辅助　利用行程传感器检测的制动踏板操纵速度可以识别汽车的紧急状况。通过制动助力器中的驱动电磁铁可以放大驾驶人的脚踏力（见7.2.2小节）。为扩展现代制动系的功能，采用电控的“主动助力器（增力器）”（图7.2-8）：

1）在ESP系统中（见7.2.4小节）作为预压泵，以建立高的制动液压力，特别是在低温下。

2）紧急状态时进行全制动辅助。

图7.2-55 配备和未配备制动辅助时汽车速度、减速度和制距离随时间的变化

3）在自适应巡航速度控制（ACC）中（见7.2.4小节），可轻松地、与操纵制动踏板无关地调整部分制动状况。

主动制动助力器有一个组合在控制体中的驱动电磁铁。利用电控的驱动电磁铁，通过滑套可以控制盘形阀。其过程是：先切断真空室和工作室的通路连接，继续增大电流，工作室与外部空气的通路打开，制动助力器工作。

（3）液压制动辅助（HBA）ESP液压控制单元的工作能力，在车轮制动器中建立制动压力而与是否操纵制动踏板无关，还可用于“液压制动辅助（HBA）”的另一功能上。HBA也利用车上的现有传感技术和装置。电控单元根据压力传感器信号识别紧急状态下的全制动。如果超出设定的临界的制动压力梯度，电控单元关闭ASR排液阀（图7.2-54），打开电动的进液阀并触发制动液泵。制动液泵将通过制动踏板施加的制动压力提高到车轮抱死的压力水平。与机械制动辅助不同，车轮制动压力与驾驶人希望的串联制动主缸（THz）压力类似，由电控单元调节。在低于最低制动压力时重新切断HBA功能。

7.制动助力器辅助

制动助力器辅助受到所提供的真空度和制动助力器型式的限制。这些限制或边界称为控制点，它可用附加的传感技术识别。这些制动助力器辅助特性要用在下面介绍的一些功能上。

制动助力器辅助功能在于车轮制动缸中的制动液压力会超过串联制动主缸的制动液压力。电磁阀将串联制动主缸（THz）与车轮制动器液压部件的通路分开。液压泵是可控的，车轮制动回路中的制动液压力是可调的。下面是制动助力器辅助的几种功能（图7.2-56）。

1）制动衰减辅助：利用液压制动辅助可以提高真空制动助力器的控制点。

2）液压制动辅助。

3）低真空度辅助：在内燃机冷起动时真空度低。

4）制动助力器失效辅助：利用ABS/ESP电控单元建立制动压力，以补偿制动助力器失效。

8.主动翻滚保护（ARP）

处于危险侧倾状态的汽车（如高的汽车重心、“软”底盘），在极端条件下会翻滚。作为ESP系统软件扩展的ARP，在高的横向加速度时通过主动的制动干预可阻止汽车翻滚^[12]。

利用专门的汽车模型和附加的翻滚识别功能（如侧倾传感技术和装置）以及有效的算法，在出现翻滚危险时过制动弯道外的前桥车轮使汽车不足转向，通过降低横向力可减小翻滚的危险。

图7.2-56 制动助力器辅助的几种功能（F为脚踏力）

9.自适应巡航速度控制（ACC）

作为距离控制的ACC系统，也称“智能速度仪（intelligenter Tempomat）”，将本车的行驶速度自动地与交通流适应，并与前车保持设定的动态距离。这可通过自动改变发动机转矩或制动实现。作为安全性系统，在加速和制动时ACC还没有利用它的全部潜力。当前市场上提供的能检测汽车周围环境的雷达和红外线传感器（图7.2-44）见7.2.3小节和8.5.5小节。

10.外力操纵的驻车制动器（电子驻车制动器EPB）

为不断提高主动安全性、改善操作安全性和舒适性，机械驻车制动器不断被机电制动器替代。电子驻车制动器（EPB）的基本功能是在汽车静止状态操纵或松开驻车制动器。动态地、与定义的最大制动力有关地压紧或松开驻车制动器是靠按钮压力实现的。对其他的一些重要功能可利用其内部的安装空间。

在电子驻车制动器中，机械驻车制动器驻车制动杆由仪表板附近的一个开关替代。该开关通过电控单元控制：

1）在车轮制动器中的机电车轮制动器执行器。

2）通过软套管拉索操纵后轮制动器中央执行器（双向伺服钳或组合钳）。

执行器中的机械自动闭锁在切断发动机点火后还可保证驻车制动器功能。通过电控单元可实现下列功能（图7.2-57）：

1）控制压紧力。

2）识别制动摩擦衬片磨损状况。

3）在离开汽车前若未操纵驻车制动器的报警功能。

4）控制仪表板上的报警灯和控制灯。

5）安全性逻辑功能。

图7.2-57 电子驻车制动器系统布置

6）诊断功能。

除点火钥匙位置外，通过摆动键电控单元检测驾驶人停车愿望或通过上一级的ABS/ESP电控单元接口检测汽车当前的行驶状态。

在汽车行驶时操纵EPB进入防抱死功能，就是将行车制动器功能组合到驻车制动器功能，从而进入上一级的主动驻车制动器（APB）的功能方向。从简单的驻车制动器或滚动闭锁（在自动变速器中）经定量的山区起步保持（山区上坡起步控制）直到防盗闭锁和停车入位辅助的各种延伸都与距离传感技术和装置息息相关。