汽车底盘结构与检修-防抱死制动系统

【任务引入】

案例：某排量为2.6L的轿车出现仪表板上的制动灯常闪亮的故障。制动灯对制动系统的主要监控对象是制动液液面、前轮制动摩擦中的磨损情况等。但维修人员检查发现该车制动液并不缺少，且摩擦片磨损也未超标。试验发现，此车如果在原地不动着车，则制动灯不闪烁，但车辆行驶一段距离后，制动灯便会闪动，并且伴有ABS故障指示灯点亮的现象。维修人员用汽车电脑解码器检测仪检测发现为左前轮转速传感器故障，并且为偶发性故障。为排除此故障，将左前轮转速传感器拆下来，发现有大量灰尘覆盖在左前轮转速传感器上面。将左前轮转速传感器上的灰尘擦干净后，重新装上车，进行行车试验，故障排除。

进一步分析可知，由于左前轮转速传感器沾上了泥土，该车在行驶后因无左前轮转速传感器传来的转速信号，故制动防抱死系统不起作用，并用制动报警灯闪烁来提醒驾驶员制动系统有故障，需要进行维修。此例故障告诫我们，在车辆的维护过程中，对各传感器一定要小心，要按维护规范进行操作，避免引起人为的故障和更严重的事故。

本任务对防抱死制动系统进行全面介绍，要求掌握ABS的分类、组成、工作原理、控制过程以及常见故障诊断与排除。

【任务相关知识】

5.3.1　防抱死制动系统概述

目前，防抱死制动系统（ABS，Anti-lock Braking System）在大多数车辆上已经是标准配置了，其主要作用是防止车轮制动抱死，它可以像经验丰富的驾驶人员一样，根据轮胎和路面之间的摩擦情况和车轮的运动状况自动进行制动力的调整，避免车轮在汽车制动过程中抱死而失去方向控制能力，实现最佳的制动效果。

在紧急制动过程中，为防止出现车轮抱死引起的侧滑甩尾和失去转向能力的现象，最有效的措施是反复踩下和释放制动踏板。但是，在紧急制动过程中，没有充足的时间这样做。防抱死制动系统用计算机测定制动过程中四个轮胎的制动情况，并能自动地调节制动力的大小，帮助车辆减少停车制动距离（注意：在松软的雪地上，制动距离会有所增加），同时又能防止车辆产生滑移，使驾驶人对车辆进行更好的控制，可以将注意力完全集中在汽车的操纵上。

防抱死制动系统可以为驾驶员提供以下功能：第一，在车轮打滑状态下，能增强方向稳定性控制；第二，在紧急制动时，使汽车沿驾驶人操纵的方向行驶，增强方向控制；第三，在紧急制动时，在尽可能短的距离内使汽车减速，增强制动作用。

5.3.2　ABS系统的控制方式及布置形式

（1）控制方式

汽车在行驶过程中，各车轮与路面之间的附着系数有时不一样，这可能是由于各轮胎充气压力相差较大、载荷分布很不均匀，或同一段路面的路面质量不一样所造成的。不同的附着系数使两边车轮的制动力不一样，那么制动力大小的调节也不一样。ABS系统根据制动力调节方式的不同，采用单独控制和非单独控制这两种控制方式。

1）单独控制

根据各个车轮制动所需的制动力采用单独控制，可以产生较好的制动效果。汽车采用单独控制时，每个车轮都有自身的监测和控制系统。在各种道路条件下，每个车轮都尽量处于最佳制动状态。

2）非单独控制

有两个或两个以上车轮的制动力一同进行控制的，称为非单独控制。当汽车前桥或后桥的左右两个车轮与地面之间的附着系数不一样时，附着系数较小的一侧车轮容易抱死，而只靠另一边车轮制动则整车制动力不足。当两个车轮一起控制时，为了不让车轮抱死，采用由路面附着系数小的一侧车轮的运动状态来控制制动力的方式称为低选控制。反之，采用由路面附着系数大的一侧车轮的运动状态来控制制动力的方式称为高选控制。

（2）传感器布置形式和控制通道数量

ABS传感器布置形式和控制通道数量，通常用4/3或4/4系统来描述，第一个数字为轮速传感器数目，第2个数字表示控制通道数。例如，“4/3”系统即代表4个轮速传感器/3个控制通道。汽车上常有的ABS传感器布置形式和控制通道数量为4/4、4/3和3/3这三种。

1）4/4系统

此为四传感器四通道控制系统，是如今汽车上最流行和最有效的通道系统，已得到广泛采用。这种控制系统具有4个轮速传感器和4个控制通道，对各个车轮进行独立控制，如图5.60所示。

图5.60　四传感器四通道控制系统示意图

该控制系统的制动距离和操纵性最好，但在不对称路面上制动时的方向稳定性较差，其原因是此时同一轴上左右车轮的制动力不同，使汽车产生较大的偏转力矩而产生制动跑偏。

2）4/3系统

此为四传感器三通道控制系统，也可称为前轮独立、后轮低选的控制方式，左、右前轮各一个控制通道，后桥左、右轮共用一个控制通道，如图5.61所示。

该系统适用于制动管路前后布置形式的后轮驱动汽车。这种控制方式由于采用了后轮低选控制原则，在汽车的高速行驶过程中可以防止后轮先抱死而有效地提高制动时的方向稳定性，但制动效能稍差。

图5.61　四传感器三通道控制系统示意图

3）3/3系统

此为三传感器三通道控制系统，也可称为前轮独立、后轮低选的控制方式。前轮各有一个轮速传感器，独立控制。而后轮轮速则由装于差速器上的一个测速传感器检测，按低选择的控制方式用一根制动管路对后轮进行制动控制，如图5.62所示。

图5.62　三传感器三通道控制系统示意图

该系统适用于制动管路前后布置后轮驱动的汽车，其性能与方式四传感器三通道相近。

5.3.3　ABS系统的组成结构及其原理

一般来说，带有ABS的汽车制动系统由基本制动系统和制动力调节系统两部分组成，前者是由制动总泵、制动分泵和制动管路等构成的普通制动系统，用来实现汽车的常规制动；后者是由ABS系统输入元件、控制单元以及输出执行机构等组成的制动压力调节控制系统。前者已在常规制动系部分讲述，不再介绍。

ABS制动力调节系统主要由传感器、控制单元和执行器组成，其相互关系如图5.63所示。

图5.63　ABS制动力调节系统组成及相互关系示意图

（1）ABS系统的输入元件

电控单元有各种输入信号，控制单元运用内部的程序来处理这些输入信号然后输出控制指令，实现制动防抱死功能。其中，车速传感器信号、点火和蓄电池电压信号通过CAN总线与其他电控单元实现信息共享。

1）轮速传感器

轮速传感器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，ABS系统的轮速传感器主要有电磁式和霍尔式两种。

①电磁感应式轮速传感器

电磁式轮速传感器是一种通过磁通量的变化产生感应电压的装置，主要由感应头和齿圈两部分组成。齿圈一般安装在轮毂和轴座上。后轮驱动车辆的齿圈也可安装在差速器或传动轴上。齿圈随轮毂或传动轴一起转动。传感头通过固定在车身上的支架安装在齿圈附近。

感应头由电缆、永磁体、外壳、感应线圈、极轴、齿圈组成。极轴同永磁体相连，感应线圈套在极轴的外面。极轴头部结构有凿式和柱式两种，如图5.64所示。对于不同形状极轴的传感头，一般相对于齿圈的安装方式也不同。凿式极轴轮速传感头通常径向垂直于齿圈安装，柱式极轴，安装时则须将轴向垂直于齿圈。

图5.64　电磁感应式轮速传感器结构示意图

齿圈旋转时，齿顶和齿隙交替对向极轴，当齿顶对向极轴时，磁路的磁隙最小，因此磁阻也最小，通过感应线圈的磁通量最大；当齿隙对向极轴时，磁路的磁隙最大，磁阻也最大，通过感应线圈的磁通量最小。所以在齿圈旋转过程中，感应线圈内部的磁通量交替变化从而产生感应电动势，形成一个交流正弦波信号，此信号通过感应线圈内部的电缆输入ABS电控单元。当齿圈的转速发生变化时，感应电动势的频率也随之变化。ABS电控单元即通过检测感应电动势的频率变化来检测车轮速度。

②霍尔式轮速传感器

霍尔式轮速传感器也是由传感头和齿圈组成，传感头由永磁体、霍尔元件和电子电路组成。永磁体的磁力线通过霍尔元件和齿圈，齿圈相当于一个集磁器。

当齿圈位于图5.65（a）所示位置时，穿过霍尔元件的磁力线分散，磁场相对较弱；而当齿圈位于图5.65（b）所示位置时，穿过霍尔元件的磁力线集中，磁场相对较强。齿圈转动时，穿过霍尔元件的磁力线密度发生变化，从而引起霍尔电压的变化，霍尔元件将输出一个毫伏级的准正弦波电压，然后再由电子电路转换成标准的脉冲电压。

图5.65　霍尔式轮速传感器原理示意图

目前，霍尔式传感器正在被广泛应用，因为它们更加精确，受电信号干扰较少，信号强度在任何车速时都相同，导线也不需要绞缠。

2）制动踏板开关

制动踏板开关是ABS电控单元的输入信号之一，用来启动对车轮速度的监控；使自动变速器中的变矩器锁止离合器脱开，或解除巡航控制；同时也使制动灯点亮。除了这个制动踏板开关之外，有些车还使用了一个制动踏板位置传感器。

制动踏板踩下后，制动踏板开关就闭合，电压信号被送到ABS电控单元、发动机控制模块（ECM）和后刹车灯送到ECM的信号在必要时解除巡航控制，并使自动变速器中的液力变扭器锁止离合器脱开。释放制动踏板时，制动踏板开关打开，电压信号消除。

有些车辆上有制动踏板位置传感器也称为制动行程传感器。这个传感器监控制动踏板的行程。正常制动时，通常踏板只踩下10%～20%。当防抱死制动系统工作时，油压会下降，踏板就会进一步下移。当踏板的行程达到40%，开关就打开了，液压泵开始运转。油压就会推动踏板返回。当踏板的行程小于40%时，开关闭合，液压泵被关闭。

3）制动液液面高度传感器

制动液液面高度传感器也称为浮子传感器。这个传感器检测储油箱中制动液的液面高度，以判断制动液量是否下降到某一规定数值以下。液面下降到一定高度，防抱死制动系统就不再工作，红色制动警告灯就会点亮。

（2）ABS系统的控制单元

ABS系统的主要控制部件包括ABS电控单元和液压控制单元。

1）ABS电控单元

ABS电控单元的功用是接受轮速传感器以及其他传感器输入的信号，进行测量、比较、分析、放大和判别处理，通过精确计算，得出制动时车轮的滑移率、车轮的加速度和减速度，以判断车轮是否有制动抱死趋势，再由其输出级发出控制指令，控制制动压力调节器去执行压力调节的任务，其控制作用如图5.66所示。

为确保系统工作的安全可靠性，许多ABS控制单元采用了两套完全相同的微处理器，一套用于系统控制，另一套则起监测作用，它们以相同的程序执行运算。一旦监测用控制单元发现其计算结果与控制用控制单元所算结果不相符，则ABS控制单元立即让制动系统退出ABS控制，只维持常规制动，以保证系统更加安全。

2）液压控制单元

图5.66　ABS控制作用示意图

液压控制单元（HCU）通过操纵电磁阀来控制通道内制动液的流动，安装在总泵与分泵之间，接收来自控制单元的控制指令，通过驱动电磁阀、液压泵、电机，直接或间接地控制制动力的大小，也称为液压执行机构或制动压力调节器。它能够以15次/s的速度调整液压回路的压力，避免车轮抱死。

制动压力调节器有机械柱塞式和电磁阀控制式两类。目前常用的为电磁阀控制式，其结构组成包括：每条液压回路都有进油阀和出油阀；每条制动总泵回路中都有低压蓄压器；在必要时能够增压或减压的液压泵等。此外，还包括由电控装置控制的液压泵电机继电器和电磁阀继电器。液控单元分解后的结构如图5.67所示。

图5.67　电磁阀式液压控制单元

（3）ABS系统的输出执行机构(www.xing528.com)

ABS电控单元接收从各种传感器和其他系统发来的信息数据，对信息进行处理，并向相应的执行器发送各种动作指令，这些执行器便是ABS系统的输出执行机构。

1）电磁阀

电磁阀控制制动液在液压管道中的流动，分为常开进油阀和常闭出油阀，安装于液压控制单元中，在液压系统中位于制动主缸和制动轮缸之间。每个液压回路中都有这两种类型的电磁阀。

2）泵电机及泵电机继电器

当ABS电控单元收到轮速传感器送来的车轮信号时，当需要进行制动力调节时，就会让泵电机运转，实现必要的工作状态。在防抱死系统中，泵电机比大部分其他回路需要更多电流，系统就用继电器来控制大电流。如果继电器位于泵电子模块内部，它就不能单独维修。

3）ABS警告灯

ABS系统带有两个故障指示灯，一个是红色制动故障指示灯，另一个是黄色ABS故障指示灯。

①红色制动警告灯。红色制动警告灯符号如图5.68所示。当制动液液面高度传感器检测到制动液的液面已经下降到规定值以下时，红色制动警告灯就会点亮，常规制动系统和ABS系统均无法正常工作。以下情况灯也会被点亮：驻车制动器结合时；常规制动系统中的油压不平衡时。

无论何时，当红色制动警告灯点亮后，首先应该检查常规制动系统。在排除常规制动系统故障可能性后，才开始检测ABS系统的故障。

②黄色警告灯。黄色警告灯为ABS警告灯，用来指出系统内部故障或用于诊断系统故障，其符号如图5.69所示。驾驶员将点火开关置于“ON”位时，黄色警告灯会亮大约2 s，然后熄灭，表明防抱死系统在自检，且系统工作正常。当这个警告灯在车辆行驶时点亮，就表明ABS系统不能工作或电控制动力分配系统（EBD）失效。此外，有些车上，这个警告灯上会闪烁出诊断故障代码，需要参看维修手册来解释这些代码。

图5.68　制动警告灯

图5.69　ABS警告灯

5.3.4　ABS系统的工作过程和特点

ABS的控制过程就是调节各个车轮制动油压的过程，在汽车开始制动后，系统根据车轮的滑移率大小判断是否已抱死或有抱死的趋势，如有，则系统会对相应的车轮制动分泵进行保压、减压和增压的控制。总体而言，ABS的工作包含开始制动、油压保持、油压降低及增压这四个阶段。

1）开始制动阶段（系统油压建立）

开始制动时，驾驶人踩制动踏板，制动压力由制动主缸产生，经过常开进油阀作用到车轮制动轮缸上。此时，常闭的出油阀依然关闭，ABS系统没有参与控制，整个过程和常规液压制动系统相同，制动压力不断上升，如图5.70所示。

2）油压保持阶段

当驾驶人继续踩制动踏板，油压继续升高到车轮出现抱死或抱死的趋势时，ABS电子控制单元发出指令给进油阀通电，进油阀关闭，制动液不再继续进入轮缸，出油阀仍保持关闭，系统油压保持不变，即制动力不再继续增大，如图5.71所示。

图5.70　系统油压建立阶段

图5.71　系统油压保持阶段

3）油压降低阶段

若制动压力保持不变，车轮仍有抱死趋势时，ABS控制单元则给出油阀通电，出油阀打开，系统油压通过低压储液罐降低油压，同时电动液压泵开始启动，将制动液由低压储液罐送至制动主缸。此时，进油阀继续通电保持关闭状态，系统油压降低，制动力下降，车轮转速又开始上升，如图5.72所示。

图5.72　减压阶段

图5.73　增压阶段

4）油压增加阶段

为了使制动最优化，当系统降压且车轮转速增加到一定值后，电子控制单元给出油阀断电使其关闭，进油阀断电而打开，电动液压泵继续工作，从低压储液罐中吸取制动液，泵入液压系统，使系统油压再次增大，如图5.73所示。

ABS通过这几个过程反复循环地控制（工作频率为5～6次/s），将车轮的滑移率始终控制在20%左右。如果ABS系统出现故障，进油阀始终常开，出油阀始终常闭，那么常规液压制动系统继续工作而ABS系统不工作，直到ABS系统故障排除为止。

ABS在工作过程中，会呈现出以下特点：

①某些装有ABS的汽车，在发动机发动时，踩下的制动踏板会弹起，而在发动机熄火时，制动踏板则会下沉。这属于ABS的正常反应。

②制动时，有时会感到制动踏板有轻微下沉。这是路面附着系数的变化引起的，并非ABS故障现象。

③制动时，制动踏板有明显的振动，这是ABS起作用的正常现象。

④高速行驶急转弯时，或在冰雪路面上行驶时，有时会出现制动警告灯亮起的现象。这是由于出现了车轮打滑、ABS产生保护动作引起的，并非故障。

⑤在制动后期，有些车会出现车轮被抱死、地面有拖滑印痕的现象。这是因为车速过低，ABS将不起作用，属正常现象。但是，ABS紧急制动时留下的短而淡的地面印痕与普通制动器紧急制动留下的长而明显的印痕是截然不同的。

【拓展阅读】

驱动防滑控制系统

一、驱动防滑控制系统简介

ASR是汽车驱动防滑控制系统的英文缩写，其作用是防止车轮在驱动过程中做纯粹的滑转。汽车防滑控制系统最初只是在制动过程中防止车轮被制动抱死，避免车轮在道路上做纯粹的滑移，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。随着汽车安全性能的不断提高，防滑控制系统也得到了进一步发展，不仅仅能在刹车过程中防止车轮抱死而且能够在驱动过程中（特别是起步、加速、转弯等过程中）防止驱动车轮发生滑转，从而进一步提高汽车驱动过程中的方向稳定性、转向操纵能力和加速性能。

ASR的功能是防止汽车在起步或加速时驱动轮打滑，特别防止汽车在非对称路面或转弯时驱动轮空转及在冰、雪、积水、泥等路况下的行车安全，当汽车加速时将滑动控制在一定的范围内，从而防止驱动轮快速滑动。它的功能：一是提高牵引力；二是保持汽车的行驶稳定性。当汽车快速起步、急加速，或行驶在冰雪，雨天的路面上，没有ASR的汽车加速时驱动轮容易打滑，如果是后驱动的车辆容易甩尾，如果是前驱动的车辆容易方向失控。有ASR时，汽车在坏的路面快速起步，急加速时就不会有或能够减轻这种现象。转弯时，如果发生驱动轮打滑，会导致整个车辆向一侧偏移，有ASR时就会使车辆沿着正确的路线转向。在装有ASR的车上，从油门踏板到汽油机节气门（柴油机喷油泵操作杆）之间的机械连接被电控油门装置所代替。当传感器将油门踏板的位置及轮速信号送到单元（CPU）时，控制单元就会产生控制电压信号，伺服电机依此信号重新调整节气门的位置（或者柴油机操纵杆的位置），然后将该位置信号反馈至控制单元，以便及时调整制动器。

二、驱动防滑控制系统的基本组成和工作原理

（1）驱动防滑控制系统的基本组成

驱动防滑控制系统由传感器（车轮轮速传感器、节气门开度传感器）、ASR电控单元和执行器（制动压力调节器、节气门驱动装置）组成。

1）传感器

ASR系统的传感器主要是轮速传感器和节气门位置传感器。一般轮速传感器与ABS系统共用，主要完成对车轮速度的检测，并将轮速信号传送给ABS和ASR电子控制单元。主、副节气门位置传感器用于检测节气门的开启角度，并将这些信号传送给发动机和自动变速器电子控制单元。

2）ASR的电控单元（ECU）

一般ABS和ASR共用一个电子控制单元。对于驱动防滑系统，它根据驱动车轮转速传感器输送的速度信号计算判断出车轮与路面间的滑转状态，并适时地向其执行机构发出指令，以降低发动机的输出转矩和车轮的转速，从而实现防止驱动轮滑转的目的。

此外，电子控制单元（ECU）还具有以下四种功能：车轮防滑控制、初始检测功能、故障自诊断功能、失效保护功能。

3）执行机构

ASR系统的执行机构主要是ASR制动压力调节器和节气门驱动装置。前者根据从ABS和ASR电子控制单元传来的信号，为ABS执行器提供液压；后者则根据ASR电子控制单元传来的信号控制副节气门的开启角度。

（2）驱动防滑控制系统的工作原理

ASR系统的基本工作原理如图5.74所示。车速传感器将行驶汽车驱动车轮转速及非驱动车轮转速转变为电信号，输送给电控单元ECU。ECU根据车速传感器的信号计算驱动车轮的滑移率，若滑移率超限，控制器再综合考虑节气门开度信号、发动机转速信号、转向信号等因素确定控制方式，输出控制信号，使相应的执行器动作，使驱动车轮的滑移率控制在目标范围之内。

图5.74　ASR基本控制原理图

三、驱动防滑控制系统的控制方式

控制车轮的滑转率是通过控制作用于车轮上的力矩实现的。汽车驱动轮的滑转是由于驱动扭矩超过了轮胎与路面的附着极限，所以合理地减小汽车发动机扭矩或动力传动中任一部件的扭矩都可以实现驱动防滑控制的目的。目前主要有以下几种控制方式：

（1）控制发动机输出功率

发动机是汽车的动力源，通过调节发动机输出扭矩，就可以控制传递到驱动轮上的扭矩，从而调节驱动轮的滑转率。如图5.75所示，发动机输出扭矩调节主要有三种方式：点火参数调节、燃油供给调节和节气门开度调节。点火参数调节多是指减小点火提前角。燃油供给调节是指减少供油或暂停供油。节气门开度调节是指在原节气门体的基础上，串联一个副节气门，由传动机构控制其开度，从而使其有效节气门开度获得调节，它工作比较平稳，易于与其他控制方式配合使用，但它响应较慢，需要和其他控制方式配合使用。

（2）驱动轮制动控制

驱动轮制动力矩调节就是在发生打滑的驱动轮上施加制动力矩，使车轮转速降至最佳的滑转率范围内。制动力矩调节一般与发动机输出扭矩调节结合起来应用，即干预制动后要紧接着调节发动机输出扭矩，否则可能会出现制动力矩和发动机输出扭矩之间无意义平衡引起的功率消耗。制动力矩调节的实质是控制差速作用，所以该控制方式对路面两侧附着系数差别较大，只有一个车轮打滑时，效果较好，但在高速（大于48 km/h）下，不宜使用，以避免制动摩擦片过热。图5.76中所示为带有发动机输出扭矩调节的驱动轮制动力控制的ASR系统图。

图5.75　ASR发动机功率控制方式的原理图

图5.76　驱动轮制动力调节ASR系统图

（3）防滑差速器锁止控制

普通的开式差速器在任何时刻都向左右轮输出相同的扭矩，对差速器进行锁止控制就是使左右驱动轮的输入扭矩根据控制指令（锁止比）和路面情况而有所变化。当路面两侧附着系数差别较大时，低附着系数一侧驱动轮发生滑转时，电子控制装置驱动锁止阀，一定程度地锁止差速器，使高附着系数一侧驱动轮的驱动力得以充分发挥，车速和行驶稳定性获得提高，但该方法成本较高。图5.77中所示是通过防滑差速器进行驱动防滑控制的ASR系统图。

ASR系统的本质是：控制作用在驱动轮上的转矩；在非对称路面，对传到驱动轮上的转矩实现最佳分配，从而改善汽车的加速性、方向稳定性和操纵性。实际应用中，由于各种控制方式都有一定的局限，所以一般不单独使用某一种控制手段，而应组合使用。目前应用最为广泛的控制方式是综合发动机输出扭矩调节（节气门开度调节）和驱动轮制动力矩调节。

图5.77　差速器控制ASR系统图