汽车制动系统工作过程与稳定控制简析

1.汽车制动防抱死系统的结构与工作原理；

2.电子稳定程序控制系统的结构与工作过程；

1.能够向客户讲解汽车制动防抱死系统的结构及其工作过程；

2.能够向客户讲解电子稳定程序控制系统的结构及其工作过程；

3.树立以客户为中心的理念，增强服务意识；

4.具有与客户沟通交流的能力；

5.具备信息搜集和处理的能力。

汽车制动防抱死系统（Antilock Braking System，ABS）是在制动过程中防止车轮出现抱死，避免车轮在路面上进行纯粹的滑移，提高汽车在制动过程中的方向稳定性和转向操纵能力，缩短制动距离。ABS已经成为现代汽车的标准配备。ESP（Electronic Stability Programe，电子稳定程序）系统，在丰田车系中也称VSC（Vehicle Stability Control，车辆稳定性控制）系统，是改善汽车行驶性能的一种控制系统。利用与ABS系统一起的综合控制可防止汽车在制动时车轮抱死；利用驱动防滑系统（TCS或ASR）可阻止汽车在起步时驱动轮滑转（空转）。只要汽车在行驶时不超出物理极限，ESP是兼有防止汽车转向时滑移、不稳定和侧向驶出车道的综合功能。

汽车制动防抱死系统（ABS）和电子稳定程序（ESP）都是汽车的主动安全装置，事关行车安全，避免事故发生。请你就某一装备该装置的车辆绘制一个ABS和ESP工作原理简图，并讲解其工作过程，在学习小组或班级里进行交流汇报。

一、汽车制动防抱死系统的结构与工作原理

（一）ABS基本理论

1.车轮滑移率

汽车正常行驶时，车速v（即车轮中心的纵向速度）与车轮速度vw（即车轮圆周速度）相同，可以认为车轮在路面上做纯滚动。当驾驶员踏下制动踏板时，由于地面制动力的作用，使车轮速度减小，车轮处在既滚动又滑动的状态，实际车速与车轮速度不再相等，人们将车速和车轮速度之间出现的差异称为滑移。随着制动系压力的增加，车轮滚动成分越来越小，滑移成分越来越大。当车轮制动器抱死时，车轮已不再转动，而是在地面上做完全滑动。

为了表征滑移成分所占的比例的多少，常用滑移率S表示。

式中，S为车轮滑移率；v为车速（车轮中心纵向速度，m/s）；vw为车轮速度（车轮瞬时圆周速度，vw=rω，m/s）；r为车轮半径（m）；ω为车轮转动角速度（rad/s）。

车轮在路面上纯滚动时，v=vw，车轮滑移率S=0；车轮抱死在地面上纯滑动时，vw=0，车轮滑移率S=100%；车轮在路面上边滚动边滑动时，v>vw，车轮滑移率0＜S＜100%。车轮滑移率越大，说明车轮在运动中滑动的成分所占的比例越大。

2.附着系数与滑移率的关系

车轮滑移率的大小对车轮与地面间附着系数有很大影响。图11-25给出了干燥硬实路面上附着系数与滑移率的关系。图中实线为制动时纵向附着系数和车轮滑移率的一般关系，虚线为横向附着系数和车轮滑移率的一般关系。由图11-25可以看出，当滑移率在10%～30%时，纵向附着系数φx和横向附着系数φy都很大，在此区间制动时，既可以获得较大的制动力，得到良好的制动效能，又能保证汽车具有良好的操纵性能。ABS系统的功用就是在汽车制动时，自动地将滑移率控制在该区域内。

图11-25　干燥硬实路面上附着系数与滑移率的一般关系

φ—附着系数；φx—纵向附着系数；φy—横向附着系数；S—车轮滑移率；φp—峰值附着系数；Sp—峰值附着系数时的滑移率；φs—车轮抱死时纵向滑动附着系数。

（二）ABS组成与工作原理

电子控制制动防抱死系统（ABS）均由传感器、电子控制单元（ECU）和执行器三部分组成。制动时，ABS电控单元（ECU）从轮速传感器获取车轮的转速信息，经分析处理后，判断是否有车轮处于即将抱死拖滑状态。如果车轮未处于上述状态，制动压力调节器不工作，制动系统按照普通制动过程工作。制动轮缸的压力继续增大，此即系统的增压过程。如果电控单元判断出某一车轮即将抱死拖滑，即刻向制动压力调节器发出命令，关闭制动主缸及相关轮缸的通道，使得该轮缸的压力不再增加，此即ABS的保压状态。若电控单元判断出该车轮仍将处于抱死拖滑状态，它将向制动压力调节器发出命令，打开该轮缸与储液室或储能器的通道，使得该轮缸的油压降低，此即ABS的减压状态。ABS制动系统的制动就是在高频地进行增压、保压和减压的往复过程中完成的。

下面以轿车上广泛采用的MK20—Ⅰ型ABS为例介绍ABS的组成与工作原理。

1.ABS的组成

MK20—ⅠABS由车轮转速传感器、液压电子控制器等组成，如图11-26和图11-27所示。

图11-26　MK20—Ⅰ型制动防抱死系统的组成

图11-27　MK20—Ⅰ型制动防抱死系统原理

（1）车轮转速传感器

MK20—ⅠABS是磁脉冲式传感器，传感器不能互换。

前轮速度传感器安装在轮毂邻近，后轮速度传感器安装在制动鼓附近。单个传感器失灵后，ABS功能中断，EBD仍保持工作，ABS报警灯亮；两个以上传感器失灵后，ABS/EBD功能中断，ABS报警灯亮。

（2）控制器

控制器包括液压控制单元（执行器）和电子控制单元。液压控制单元由泵电动机、液压储能器和电磁阀组成。液压泵采用柱塞式结构，经永磁直流电动机驱动，将第二回路的制动液泵回制动总泵；液压储能器采用弹簧活塞式结构，暂存液压泵一时来不及泵出的制动液。MK20—ⅠABS每个车轮制动器的制动力由一组二位二通的常开阀（进液电磁阀）和常闭阀（出液电磁阀）控制，电磁阀的电磁线圈集成于控制器内。

2.工作原理

MK20—ⅠABS属于三通道四传感器系统，控制原则是前轮独立控制，后轮按“低选原则”集中控制，即ABS对后轴液压的控制是依据两后轮中附着系数较低的车轮来进行调节的。

下面以一个车轮为例介绍ABS工作时制动压力的调节过程。

（1）常规制动阶段

制动时，通过助力器总泵建立制动压力。常开阀打开，常闭阀关闭，制动压力进入车轮制动器，车轮速度迅速降低，直到ABS电子控制单元通过转速传感器得到的信号识别出车轮有抱死的倾向时为止，如图11-28所示。

图11-28　常开阀开、常闭阀关，制动压力增大

1—泵电动机；2—常开电磁阀；3—常闭电磁阀；4—液压储能器。

（2）制动压力保持阶段

随着制动压力的增加，车轮被制动和减速。当被制动的车轮趋于抱死时，车轮转速传感器发出车轮有抱死危险的信号，电子控制单元向液压控制单元发出“保持压力”的指令，给常开阀通电使其关闭，常闭阀处于无电状态仍保持关闭。制动液通往轮缸的通道被切断，在常开阀和常闭阀之间，制动压力保持不变，如图11-29所示。

图11-29　常开阀和常闭阀均关闭，保持压力

1—泵电动机；2—常开电磁阀；3—常闭电磁阀；4—液压储能器。

（3）制动压力下降阶段

即使制动压力保持不变，如果车轮进一步减速，仍出现车轮抱死趋势，则必须降压，如图11-30所示。电子控制单元发出“减小压力”的指令，给常开阀通电使其关闭，常闭阀通电开启，制动液通过回液通道进入储能器，同时，电动泵工作，将多余的制动液送回制动主缸。这时制动踏板轻微地向上抖动。轮缸制动液减少，制动压力下降，车轮转速上升。

图11-30　常开阀关、常闭阀开，制动压力下降

1—泵电动机；2—常开电磁阀；3—常闭电磁阀；4—液压储能器。

（4）制动压力上升阶段(www.xing528.com)

轮缸制动压力下降后，车轮转速上升太快，电子控制单元指令液压控制单元“增加制动压力”，使常开阀断电打开，常闭阀断电关闭，制动液在泵电动机和制动踏板力的作用下又进入轮缸，轮缸制动压力上升，车轮转速又下降，进入下一个循环，重复上述过程。

二、电子稳定程序控制系统的结构与工作过程

（一）电子稳定程序的功能

电子稳定程序（ESP）是改善汽车行驶性能的一种控制系统。该控制系统分成两个系统：一个系统在制动系统中；另一个系统在驱动-传动系统中。利用与ABS系统一起的综合控制，可防止汽车在制动时车轮抱死；利用驱动防滑系统（TCS或ASR），可阻止汽车在起步时驱动轮滑转（空转）。只要汽车在行驶时不超出物理极限，ESP兼有防止汽车转向时滑移、不稳定和侧向驶出车道的综合功能。

ESP可在以下几个方面改善汽车行驶安全性：

①扩大了汽车行驶稳定性范围。在汽车的各种行驶状况下，如全制动、部分制动、车轮空转、驱动、滑行和负载变化，仍可保持汽车在车道中行驶。

②扩大了汽车在极端情况时的行驶稳定性，如在恐惧和惊恐时要求的特别的转向技巧，从而降低了汽车横甩的危险。

③在各种路况下，通过ABS、TCS系统和发动机倒拖转矩控制（在发动机制动力矩过高时，可自动地提高发动机转速），还可进一步利用轮胎与路面间的附着潜力，从而缩短制动距离、增大牵引力、改善汽车的操控性和行驶稳定性。

（二）基本工作原理

ESP工作的基本原理是利用汽车上的制动系统使汽车能“转向”。车轮制动器的原本任务是使汽车减速或让汽车停下来。在允许的物理极限范围内，ESP系统通过控制车轮制动器的工作，使汽车在各种行驶状况下在车道内保持稳定行驶。

ESP通过横摆角速度传感器，识别车辆绕垂直于地面轴线方向的旋转角度及侧向加速度传感器识别车辆实际运动方向。例如，ESP判定为出现不足转向时，将制动内侧后轮，使车辆进一步沿驾驶员转弯方向偏转，从而稳定车辆（图11-31）；ESP判定为出现过度转向时，ESP将制动外侧前轮，防止出现甩尾，并减弱过度转向趋势，稳定车辆（图11-32）。

图11-31　避免“漂出”的原理

图11-32　避免“甩尾”的原理

（三）电子稳定程序的组成

图11-33所示是宝来轿车电子稳定程序相关部件的组成。电子稳定程序是建立在其他防滑控制系统之上的一个非独立的系统。系统的大部分元件可与ABS、驱动防滑转系统（TCS）共用。ESP电控系统由传感器、控制单元和执行元件三部分组成。

图11-33　宝来轿车电子稳定程序的组成

E256—ASR/ESP按键；F—制动灯开关；F47—制动踏板开关；G44—右后车轮转速传感器；G45—右前车轮转速传感器；G46—左后车轮转速传感器；G47—左前车轮转速传感器；G85—转向角传感器；G200—横向加速度传感器；G201—制动压力传感器；G202—偏转率传感器；J105—ABS回液泵继电器；V39—ABS回液泵；J106—ABS电磁阀继电器；N99、N101、N133、N134—ABS进液阀；N100、N102、N135、N136—ABS出液阀；N225、N226—行驶动态调节阀；N227、N228—行驶动态调节高压阀；V156—用于驱动动态控制的液压泵；J285—组合仪表内带显示屏的控制单元；K47—ABS指示灯；K118—制动装置指示灯；K155—ASR/ESP指示灯。

1.传感器

ESP特有传感器主要包括转向角传感器、横向加速度传感器、转向率传感器和制动压力传感器等。

（1）转向角传感器

安装位置：转向柱上，转向开关与转向盘之间，与安全气囊时钟弹簧集为一体。

作用：向带有EDL/TCS/ESP的ABS控制单元传递转向盘转角信号。

失效影响：系统将不能识别车辆的预期行驶方向（驾驶员意愿），导致ESP不起作用。

（2）横向加速度传感器

安装位置：转向柱下方偏右侧，与转向率传感器一体。

作用：确定侧向力。

失效影响：如果没有该信号，则无法识别车辆状态，ESP失效。

（3）转向率传感器

安装位置：转向柱下方偏右侧，与横向加速度传感器一体。

作用：该传感器感知作用在车辆上的扭矩，识别车辆围绕垂直于地面轴线方向的旋转运动。

失效影响：如果没有此信号，则控制单元不能识别车辆是否发生转向，ESP功能失效。

（4）制动压力传感器

安装位置：在主缸上，计算制动力，控制预压力。

失效影响：ESP功能不起作用。

2.控制单元与执行元件

控制单元是带有EDL/TCS/ESP功能的ABS控制单元，执行元件与ABS共用。

打开点火开关后，控制单元将做自测试，所有的电器连接都将被连续监控，并周期性检查电磁阀功能，支持自诊断系统。

3.TCS/ESP开关

安装位置：在仪表板上。

作用：按此开关可关闭ESP/TCS功能，并由仪表上的警告灯指示出来，再次按压此开关，可重新激活TCS/ESP功能。如果驾驶员忘记重新激活TCS/ESP，再次起动发动机后，系统可被重新激活。

下列情况下，有必要关闭ESP：

①在积雪路面或松软路面上，让车轮自由转动，前后移动车辆。

②安装了防滑链的车辆。

③在测功机上检测车辆。

ESP正在介入时，系统将无法被关闭；E256失效，ESP将不起作用。

4.ESP仪表警报灯

如果打开点火开关且检测结束后，ESP仪表警报灯K155不熄灭，说明ASR/ESP系统有故障，此故障只影响ASR/ESP安全系统，车上的ABS安全系统功能正常。车辆在行驶中，如稳定程序警报灯K155闪亮，说明ASR及ESP正在工作。

随堂测试

1.车轮滑移率越大，说明车轮在运动中滑动的成分所占的比例________。

2.当滑移率在________时，纵向附着系数φx和横向附着系数φy都很大，在此区间制动时，既可以获得较大的制动力，得到良好的制动效能，又能保证汽车具有良好的________性能。ABS系统的功用就是在汽车制动时，自动地将________控制在该区域内。

3.ABS制动系统的制动就是在高频地进行________、________和________的往复过程中完成的。

4.ESP工作的基本原理是利用汽车上的制动系统使汽车能“________”，通过控制车轮制动器的工作，使汽车在各种行驶状况下在车道内保持________。

5.ESP通过________传感器，识别车辆绕垂直于地面轴线方向的旋转角度及________传感器识别车辆实际运动方向。

任务实施

任务工单