汽车制动防抱死系统|应用力学

在各类制动力辅助调节装置中，当数制动防抱死系统（antilock brake system，ABS）为最好，运用也是最广泛。因此，将它单列作重点介绍。

汽车制动时，车轮滑动率在15%～20%（也有资料称10%～30%）的范围内，轮胎与路面间有着最大的纵向附着系数和较大的侧向附着系数，制动性能最好和侧向稳定性也很好。这正是ABS所要实现的控制目标。

1.组成与工作原理

通常，制动防抱死系统（ABS）是在普通制动系统的基础上加装轮速传感器、ABS控制单元、制动压力调节器等组成，如图3-72所示。

ABS工作原理：汽车制动时，首先由轮速传感器1检测出车轮转速信号，并传输给电控单元（ECU）3。ECU中的运算单元根据轮速信号按一定的逻辑计算出车轮速度、滑动率及车轮加速度；然后由ECU中的控制单元对这些信号进行分析比较后，向制动压力调节器2发出制动压力控制指令。压力调节器在接收到ECU的控制直流后，执行相应的操作，从而改变制动管路中的油压（或气压）以调节制动器的制动力矩，使之与地面附着状况相适应，防止制动车轮抱死。

图3-72 制动防抱死系统（ABS）分布图

1—轮速传感器 2—制动压力调节器 3—ABS电控单元 4—ABS警告灯 5—制动灯开关 6—制动主缸 7—制动轮缸 8—蓄电池 9—点火开关

2.控制通道的布置形式

ABS系统中，能够独立进行制动压力调节的管路称为通道。如果对某车轮的制动压力单独进行调节，则称这种控制方式为独立控制；对两个或两个以上车轮的制动压力一起进行调节，这种控制方式则称为一同控制。在对两个车轮的制动压力进行一同控制时，如果以保证附着力较大的车轮不发生制动抱死为原则进行制动压力调节，这种控制方式则称为按高选原则一同控制；如果以保证附着力较小的车轮不发生制动抱死为原则进行制动压力调节，这种控制方式则称为按低选原则一同控制。

按照控制通道数目的不同，ABS系统可分为四通道、三通道、双通道和单通道4种形式，而其布置形式却多种多样，如图3-73～图3-76所示。

图3-73 四通道ABS的布置形式

a）、b）布置形式

（1）四通道ABS对应于双制动管路的H形（前后）或X形（对角）两种布置形式，四通道ABS也有两种布置形式，如图3-73a、b所示。为了对4个车轮的制动压力进行独立控制，在每个车轮上各安装一个转速传感器，并在通往各制动轮缸的制动管路中各设置一个制动压力调节分装置。由于四通道ABS可以最大程度地利用每个车轮的附着力进行制动，因此汽车的制动效能最好。但在附着系数分离（两侧车轮的附着系数不相同）的路面上制动时，由于同一轴上的制动力不相等，使得汽车产生较大的偏转力矩而产生制动跑偏。因此，ABS通常不对4个车轮进行独立的制动压力调节。

（2）三通道ABS四轮汽车ABS大多为三通道系统，而三通道系统都是对两前轮的制动压力进行单独控制，对两后轮的制动压力按低选原则一同控制，其布置形式如图3-74所示。图3-74a所示的按对角布置的双管路制动系统中，虽然在通往四个制动轮缸的制动管路中各设置一个制动压力调节分装置，但两个后制动压力调节分装置却是由电子控制装置一同控制的，实际上仍是三通道ABS。由于三通道ABS对两后轮进行一同控制，对于后轮驱动的汽车可以在变速器或主减速器中只设置一个转速传感器来检测两后轮的平均转速。

图3-74 三通道ABS的布置形式

a）、b）、c）布置形式

汽车紧急制动时，会产生很大的轴荷转移（前轴荷增加，后轴荷减小），使得前轮的附着力比后轮的附着力大很多（前置前驱动汽车的前轮附着力约占汽车总附着力的70%～80%）。对前轮制动压力进行独立控制，可充分利用两前轮的附着力对汽车进行制动，有利于缩短制动距离。尽管两前轮制动压力独立控制可能会导致两前轮制动力的不平衡，但这种不平衡对汽车行驶时的方向稳定性影响较小，而且还可以通过转向操纵对此不利影响加以修正。对两后轮的制动压力按低选原则一同控制，由此造成的制动力损失并不显著，而汽车的方向稳定性却得到很大改善。

（3）双通道ABS图3-75a所示的双通道ABS在前后制动管路中各设置一个制动压力调节分装置，分别对两前轮和两后轮进行一同控制。两前轮可以根据附着条件进行高选和低选转换，当两前轮附着力相差较大时，两前轮按高选原则一同控制；当两前轮附着力相差不大时，两前轮按低选原则一同控制。两后轮则按低选原则一同控制。当在附着系数分离的路面上进行紧急制动时，两前轮的制动力相差很大，为保持汽车的行驶方向，驾驶人会通过操纵转向盘使前轮偏转，以求用转向轮产生的横向力与不平衡的制动力相抗衡，保持汽车行驶方向的稳定性。但是在两前轮从附着系数分离路面驶入附着系数均匀路面的瞬间，以前处于低附着系数路面而抱死的前轮的制动力因附着力突然增大而增大，由于驾驶人无法在瞬间将转向轮回正，转向轮上仍然存在的横向力将会使汽车向转向轮偏转方向行驶，这在高速行驶时是一种无法控制的危险状态。

图3-75b所示的双通道ABS多用于制动管路对角布置的汽车上，为两前轮独立控制，前管路压力通过比例阀（P阀）按一定比例减压后传给对角后轮。采用此控制方式的汽车在附着系数分离的路面上制动时，高附着系数路面上的前轮产生高制动压力，通过管路和比例阀传到对角低附着系数一侧的后轮，使该后轮抱死；而低附着系数一侧的前轮制动压力低，经管路和比例阀传至对角高附着系数一侧的后轮，该后轮不会抱死，从而提高了汽车制动时的方向稳定性。在两前轮从附着系数分离路面驶入附着系数均匀路面时，以前处于低附着系数路面的前轮制动力因制动压力的增大而逐渐增大到一直处于高附着系数路面前轮的制动力水平，在制动力逐渐增大的过程中，驾驶人有足够的时间将转向轮回正，使汽车的行驶方向得到控制。对于采用此控制方式的前轮驱动汽车，如果在紧急制动时离合器没有及时分离，发动机的制动力矩就会作用于前轮，因此前轮在制动压力较小时就趋于抱死，ABS开始进行制动压力调节，而此时后轮的制动力还远未达到其附着力的水平，所以汽车的制动力会显著减小。而对于采用此控制方式的后轮驱动汽车，如果将比例阀调整到正常制动情况下前轮趋于抱死时，后轮的制动力接近其附着力，则紧急制动时由于离合器往往难以及时分离，发动机的制动力矩就会作用于后轮，导致后轮抱死，使汽车丧失方向稳定性；如果将比例阀调整到即使在离合器没有分离的情况下进行紧急制动时，后轮也不会发生制动抱死，则在通常的制动情况下，后轮的制动力就会不足，汽车的制动距离会明显增加。

由于双通道ABS难以在方向稳定性、转向操纵能力和制动距离等方面得到兼顾，因此目前很少被采用。

（4）单通道ABS所有单通道ABS都是在前后布置的双管路制动系统的后制动管路中设置一个制动压力调节器，对于后轮驱动的汽车只需在传动系中安装一个转速传感器，如图3-76所示。通道ABS一般对两后轮按低选原则一同控制，其主要作用是提高汽车制动时的方向稳定性。在附着系数分离的路面上进行制动时，两后轮的制动力都被限制在处于低附着系数路面上的后轮的附着力水平，制动距离会有所增加。由于前制动轮缸的制动压力未被控制，前轮仍然可能发生制动抱死，所以汽车制动时的转向操纵能力得不到保障。但由于单通道ABS能够显著地提高汽车制动时的方向稳定性，又具有结构简单、成本低的优点。因此在轻型货车上得到广泛应用。

图3-75 双通道ABS的布置形式

a）、b）布置形式

图3-76 单通道ABS的布置形式

3.ABS各部件的工作原理

（1）车轮转速传感器 转速传感器的作用是检测车轮的速度，并将速度信号输入ABS的电控单元。目前，用于ABS系统的速度传感器主要为霍尔式。霍尔轮速传感器是由传感头和齿轮组成，如图3-77所示。

传感头由永磁体、霍尔元件和电子电路等组成，如图3-78所示。永磁体的磁力线穿过霍尔元件通向齿轮，这里齿轮相当于一个集磁器。当齿轮位于图3-78a所示位置时，穿过霍尔元件的磁力线分散，磁场相对较弱；而当齿轮位于图3-78b所示位置时，穿过霍尔元件的磁力线集中，磁场相对较强。齿轮转动时，使得穿过霍尔元件的磁力线密度发生变化，因而引起霍尔电压的变化，霍尔元件将输出一个毫伏（mV）级的准正弦波电压。此信号还需由电子电路转换成标准的脉冲电压。

图3-77 车轮速度传感器(www.xing528.com)

a）前轮 b）后轮

图3-78 霍尔轮速传感器示意图

a）齿间位置 b）齿顶位置

（2）电控单元 电控单元是ABS系统的控制中枢，其作用是接收轮速传感器及其他传感器输入的信号，计算出车轮速度，并与参考车速进行比较，得出制动时车轮的滑移率、加速度和减速度，进一步对这些信号进行分析、处理，向制动压力调节器发出控制指令。此外，电控单元还具有监控功能，当系统中某部件发生异常时，通过指示灯或蜂鸣器发出报警信号。ABS电控单元（ECU）的内部电路结构原理如图3-79所示。一般ABS电控单元由输入级电路、运算电路、输出级电路及安全保护电路等几个基本部分组成。

输入级电路的作用是将轮速传感器的输入转换成脉冲方波，经整形放大后输入运算电路。输入级电路主要由低通滤波器和用以抑制干扰并放大轮速信号的输入放大器组成。

运算电路的作用主要是进行车轮线速度、初始速度、滑移率、加速度及减速度等的运算，以及有关控制参数运算和监控运算。ECU中一般都设有两套运算电路，同时进行运算和传递数据，利用各自的运算结果相比较，相互监视，确保可靠性。

输出级的作用是接收微控制器输入的控制参数信号，控制制动压力调节转子执行相应的操作。

安全保护电路的作用首先是将汽车电源（蓄电池、发电机）提供的12 V或14 V的电压转变为ECU内部所需的标准稳定电压，对电源电路的电压是否稳定在规定的范围进行监控，同时还对速度传感器输入放大电路、运算电路和输出级的故障信号进行监视。当出现故障信号时，安全保护电路将关闭继动阀门，停止ABS系统的工作，转入常规制动状态；同时点亮仪表板上的ABS警告灯，提示驾驶人ABS系统出现故障；并将故障信息以故障码的形式储存在存储器中，供故障诊断时调取。

（3）制动压力调节器 制动压力调节器的作用是接收ECU的控制指令，对制动管路压力进行控制。目前，液压制动系统中大多数是循环式制动压力调节器，它主要由电磁阀、ABS泵和电动机等组成。这种制动压力调节器直接安装在制动管路中，并通过串联在制动主缸与轮缸之间的电磁阀直接控制轮缸的制动压力，如图3-80所示。

图3-79 ABS的电控单元（ECU）内部电路结构

4.制动压力调节器的工作过程

以下介绍装有该制动压力调节器的ABS系统的工作过程。

（1）常规制动 ABS未进入工作状态，电磁线圈7中无电流通过，柱塞8处于下极限位置，此时制动主缸与轮缸直通（如图3-80a所示），由制动主缸来的制动液直接进入轮缸，轮缸压力随主缸压力而增减。

（2）减压过程 当ECU检测到车轮有抱死趋势（车轮滑动率超出最佳范围）时，便向电磁线圈通入一个最大电流，柱塞移至上极限位置，此时制动轮缸与主缸的通路被切断而与回油接通（如图3-80b所示），轮缸中制动液经电磁阀流入储液器，轮缸压力下降。与此同时，ECU驱动电动机工作，带动ABS泵将流回储液器的制动液加压后送回制动主缸，为下一制动过程作准备。

（3）保压过程 当ECU分析判断出车轮滑动率处于最佳范围时，便向电磁线圈通入一个较小的保持电流（约为最大电流的1/2），柱塞处于中间的“保压”位置（如图3-80c所示）。此时，制动主缸、轮缸和储液器相互隔离密封，制动轮缸中保持恒定的制动压力。

（4）增压过程 当车轮滑动率趋于零时，ECU使电磁阀断电，柱塞又回到上极限位置，制动轮缸与主缸再次相通，使制动轮缸压力增加（如图3-80d所示）。

制动时，上述过程反复进行，直到解除制动为止。上述过程的压力调节是脉动式的，其频率约为4～10 Hz。

另一种制动压力调节器 上述制动压力调节器中，增压和减压由同一个电磁阀执行。但有些制动压力调节器的加压和减压分别由充液电磁阀和放液电磁阀执行，如图3-81所示。充液电磁阀1位于制动主缸与轮缸的通路中，放液电磁阀2位于制动轮缸与储液罐的通路中。减压过程中，放液电磁阀开启，充液电磁阀关闭；保压过程中，放液和充液电磁阀都关闭；常规制动和增压过程中放液电磁阀关闭，充液电磁阀开启。

图3-80 ABS的工作过程

a）常规制动 b）减压过程 c）保压过程 d）增压过程

1—踏板机构 2—制动主缸 3—液压单元 4—电动机 5—ABS泵 6—储液器 7—线圈 8—柱塞 9—电磁阀 10—制动轮缸 11—车轮 12—轮速传感器 13—电控单元

5.ABS系统的优点

ABS系统的显著优点是防止车轮制动时被完全抱死，提高了汽车行驶的操纵稳定性。资料表明，装有ABS系统的车辆，可使因车轮侧滑引起的事故比例下降8%左右。

ABS系统可以缩短制动距离。这是因为在同样紧急制动的情况下，ABS系统可以将滑动率控制在20%左右，从而可获得最大的纵向制动力。

ABS系统还可以改善轮胎的磨损状况。事实上，车轮抱死会加剧轮胎磨损，而且轮胎胎面损耗不均匀，使轮胎磨损消耗增加。经测定，汽车在紧急制动时，车轮抱死所造成的轮胎累加磨损消耗，已超过一套防抱死制动系统的成本。因此，装用ABS系统具有一定的经济效益。

图3-81 另一种制动压力调节器

a）增压过程 b）保压过程 c）减压过程

1—充液电磁阀 2—放液电磁阀 3—轮速传感器 4—进油阀 5—电动机 6—ABS泵 7—出油阀 8—柱塞 9—偏心凸轮 10—储液罐 11—制动踏板位置传感器 12—制动主缸 13—制动轮缸（制动钳） 14—电控单元

ABS系统还有一个优点就是使用方便，工作可靠。ABS系统的使用与普通制动系统的使用几乎没有区别，制动时只要把脚踏在制动踏板上，ABS系统就会根据情况自动进入工作状态，如遇雨雪路滑，驾驶人也没有必要用一连串的点制动方式进行制动，ABS系统会使制动状态保持在最佳点。