汽车底盘电控技术：制动防抱死系统概述

驾车经验告诉我们，行车时若紧急踏下制动踏板，车轮可能会在车辆停止前抱死。在这种情况下，若前轮抱死则汽车的操纵性能会降低，若后轮抱死则汽车的稳定性便会降低，从而可能导致汽车行车事故的出现。这些现象的产生，均源自于制动过程中车轮的抱死。汽车防抱死制动装置就是为了消除在紧急制动过程中出现的上述不稳定因素，避免出现由此引发的各种危险状况而专门设置的制动压力调节系统。

汽车制动过程分析：汽车在水平路面上制动时汽车的受力包括：汽车的重力G，前后轮上作用的地面支承力F_Z1和F_Z2，汽车制动时的减速惯性力F_j，地面作用在车轮边缘上的摩擦力F_xb1和F_xb2。汽车制动减速过程实际上就是汽车在行驶方向上受到地面制动力F_xb而改变运动状态的过程。制动效果的好坏完全取决于这种外界制动力的大小及其所具有的特性。

由于地面制动力是地面与轮胎之间的摩擦力，因此，它具有一般摩擦力的特性，即汽车减速度较小时，地面摩擦力未达到极限值，它可随所需惯性力增加而增加；汽车减速度达到一定数值后，地面摩擦力达到其极限值，以后便不再增大。按照摩擦的物理特性可知，此时

式中 F_xbmax——地面制动力（摩擦力）的最大值；

F_Z——作用在车轮上的法向载荷；

ϕ——摩擦系数（通常称为附着系数）。

由此可以看出，在汽车紧急制动情况下，若欲提高制动效能，即缩短制动距离或增大制动减速度，必须设法增大F_xbmax。为此，可以采取两条途径：一方面，可以通过提高汽车的正压力F_Z来增大F_xbmax；另一方面，也可以通过提高摩擦系数ϕ而使F_xbmax得以提高。考虑到汽车具体使用情况，后一种途径更具有实际意义。

大量试验证明，轮胎与路面之间的附着系数主要受到三方面要素影响：路面的类型、状况；轮胎的结构类型、花纹、气压和材料；车轮的运动方式和车速。

通过观察汽车制动过程中车轮与地面接触痕迹的变化（图1-1），可知制动车轮的运动方式一般均经历了三个变化阶段，即开始的纯滚动、随后的边滚边滑和后期的纯滑动。

图1-1 汽车制动过程中车轮与地面接触痕迹的变化

为能够定量地描述上述三种不同的车轮运动状态，即对车轮运动的滑动和滚动成分在比例上加以量化和区分，便定义了车轮滑转率

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式中 S——车轮滑转率；

v——车速；

r——车轮半径；

ω——车轮角速度。

按照上述定义可知，车轮运动特征可由滑转率的大小来表达，即：车轮纯滑动时S=100%，车轮纯滚动时S=0%，而当车轮处于边滚边滑的状态时0%<S<100%。试验所获得的车轮与地面摩擦系数随车轮运动状态不同而变化的规律如图1-2所示，可以看出，车轮纵向附着系数（又称制动力系数）随车轮滑动成分的增加呈先上升后下降的趋势，附着系数最大值（亦称峰值附着系数）一般出现在滑转率S=15%～25%之间，滑转率S达到100%车轮抱死时的附着系数（也称滑动附着系数）φ_s小于峰值附着系数φ_p。一般情况下，（φ_p-φ_s）随道路状况的恶化而增大，即滑动附着系数φ_s会远远低于φ_p。同时，当S=100%时，车轮的横向附着系数（又称横向力系数）趋近于0，这时，车轮无法获得地面横向摩擦力。若这种情况出现在前轮上，通常发生侧滑的程度不甚严重，但是此时前轮无法获得地面侧向摩擦力，导致转向能力丧失；若这种状况出现在后轮上，则会导致后轮抱死，此时，后轴极易产生剧烈的侧滑，使汽车处于危险的失控状态。综上所述，理想制动系统的特性应当是：当汽车制动时，将车轮滑转率S控制在峰值系数滑转率（S=20%）附近，这样既能使汽车获得较高的制动效能，又可保证它在制动时的方向稳定性。

图1-2 附着系数与滑转率关系图

从ABS出现到今天在汽车上广泛应用，已经历了半个多世纪的发展过程。至今为止，ABS的整体结构已日渐趋于成熟，今后的发展将集中体现在以下几个方面：

1）实时跟踪路面特性变化，采用更加有效的控制方法，实现真正意义上优化控制。

2）提高关键元件的指标和可靠性，消除系统控制过程的不平滑、易振动、噪声大的缺陷。

3）由单一ABS控制目标转向多目标综合控制，全面提高汽车整体动力学水平。

4）进一步降低系统装车成本。