防抱死制动系统在汽车构造中的应用

汽车的制动性能是汽车重要的技术性能之一。重大交通事故往往与制动距离过长、紧急制动时发生侧滑等情况有关，所以汽车的制动性能是汽车安全行驶的重要保障。在车辆制动时如果车轮抱死滑移，则车轮与路面间的侧向附着能力将完全丧失。防抱死制动系统（Anti-1ock Braking System，简称ABS）的设计目的，就是在汽车制动过程中，不论道路情况如何，始终将车轮滑移率控制在20%左右，从而保证车辆能获得最佳的制动性能和转向操纵性能。ABS组成示意图如图3-217所示。ABS能使汽车在尽可能短的距离内进行制动并在制动时具有控制转向的能力，因此，在制动过程中有可能绕过障碍物，避免可能发生的事故。

图3-217 ABS组成示意图

1.防抱死制动系统的功能和分类

（1）汽车制动时的车轮运动分析 汽车在制动过程中，当制动器制动力大于轮胎与道路附着力时，车轮就会抱死滑移。只有汽车具有足够的制动器制动力，同时地面又能提供较大的附着力时，汽车才能获得良好的制动效果。轮胎滑移的程度用滑移率S来表示。车轮滑移率是指实际车速v与车轮速度v_w之差同实际车速v的比值，其表达式为

式中 S——车轮滑移率；

v——车速（车轮中心纵向速度，m/s）；

v_w——车轮速度（车轮瞬时圆周速度，v_w=rω，m/s）；

r——车轮半径（m）；

ω——车轮转动角速度（rad/s）。

当v=v_w时，滑移率S=0，车轮自由滚动；

当v_w=0时，滑移率S=100%，车轮完全抱死滑移；

当v＞v_w时，滑移率0＜S＜100%，车轮既滚动又滑移。

滑移率越大，车轮滑移程度越大。滑移率对附着系数的影响如图3-218所示。纵向附着系数大时，可以保证汽车有较大的驱动力；横向附着系数较大时，可以获得较大的侧向力，保证汽车驱动时的方向稳定性。滑移率S在10%～20%之间时，汽车的横向附着系数和纵向附着系数都比较大。

总之横向附着系数是决定汽车行驶稳定性的重要指标之一。横向附着系数越大，汽车制动时的方向稳定性和保持转向控制的能力越强。当滑移率为零时，横向附着系数最大；随着滑移率的增加，横向附着系数逐渐减小。当车轮抱死时，横向附着系数接近于零，汽车将失去方向稳定性和转向控制能力，其危害极大。如果前轮抱死，虽然汽车能沿直线向前行驶，但是失去转向控制能力。由于前轮维持转弯运动能力的横向附着力丧失，因此，汽车仍将按原行驶方向滑行，可能冲入其他车道与车辆相撞或冲出路面与障碍物相撞而发生恶性交通事故。如果后轮抱死，汽车的制动稳定性就会变差，抵抗横向外力的能力很弱，后轮稍有外力（如侧向风力或地面障碍物阻力）作用就会发生侧滑（甩尾），甚至出现掉头（即突然出现180°转弯）等危险现象，如图3-219b所示。

图3-218 干硬实路面上附着系数与滑移率的关系

图3-219 有无ABS配置车的比较示意图

综上所述，为了获得最佳制动效能和制动时的方向稳定性，应将车轮滑移率控制在最佳滑移率范围（20%左右）内。因此，通过采用ABS，使汽车在制动过程中自动调节车轮的制动力，防止车轮抱死滑移，从而缩短制动距离，提高方向稳定性，增强转向控制能力，减少交通事故的发生。ABS的工作简况如图3-220所示。

图3-220 汽车ABS工作方式示意图

（2）防抱死制动系统的作用 防抱死制动系统能防止汽车在常规制动过程中由于车轮完全抱死而出现的后轴侧滑、前轮丧失转向能力等现象，从而充分发挥轮胎与路面间的潜在附着力，最大限度地改善汽车的制动性能，以提高汽车在制动过程中的方向稳定性和转向操纵能力，从而满足行车安全的需要。行车时ABS的作用如图3-221所示。

图3-221 行车时ABS的作用示意图

目前欧、美、日、韩等国家和地区的汽车使用最多的ABS品牌有德国的博世（Bosch）、德国戴维斯公司的坦孚（TEVES），另外还有美国德尔科公司（Delco）、美国本迪克斯公司（BENDIX）等。

（3）ABS的控制方式分类

1）四通道控制方式。为了对四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（通道）。

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，ABS双制动管路四通道控制方式如图3-222所示。使用四通道控制方式的常见车型有：奥迪（前轮驱动）、红旗轿车、广州本田（X形）。

图3-222 ABS双制动管路四通道控制方式

2）三通道控制方式。四轮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起控制。ABS的三通道控制方式如图3-223所示。

图3-223 ABS的三通道控制方式

3）双通道控制方式

由于双通道ABS（图3-224）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，所以目前很少被采用。

图3-224 ABS双通道控制方式

4）单通道控制方式

单通道ABS一般对两后轮按低选原则一起控制（图3-225），其主要作用是提高汽车制动时的方向稳定性。单通道ABS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3-225 ABS单通道控制方式

图3-226 汽车ABS系统的构成和布置形式

2.防抱死制动系统的组成(www.xing528.com)

汽车ABS的构成和布置形式如图3-226所示，制动防抱死系统主要由车轮转速传感器、电控单元、液压调节器、继电器、制动主缸和制动轮缸等组成。

（1）车轮转速传感器

1）电磁式车轮转速传感器。目前大多数车轮转速传感器都采用电磁式转速传感器。车轮转速传感器由电磁感应传感头和信号转子两部分组成。电磁式车轮转速传感器实物如图3-227所示。

电磁感应传感头用来产生感应电压，通常由永久磁铁、电磁线圈和极轴等构成，根据极轴的结构不同，又可分为凿式极轴传感头和柱式极轴传感头两种，电磁式车轮转速传感器结构如图3-228所示。

图3-227 电磁式车轮转速传感器实物

图3-228 电磁式车轮转速传感器结构

车轮转速传感器的传感头一般安装在车轮附近，如制动底板、转向节、半轴套管等处，车轮转速传感器的安装位置如图3-229所示。信号转子是一个齿圈，齿数多少与车型和ABS的ECU有关，一般安装在随车轮一起转动的部件上，如轮毂、半轴、制动盘等处。齿圈随车轮同步旋转，当轮齿经过传感器时（靠近和离开），永久磁铁产生的磁场造成线圈中磁通量发生变化，此时在电磁线圈中感应出一个交流脉冲信号，脉冲信号的电压频率与车速成正比，车轮转速传感器通过两根屏蔽线将交流脉冲信号传送到ECU，ECU通过识别交流脉冲信号的频率和电压来确定车轮转速。

电磁式车轮转速传感器产生的信号如图3-230所示。当车轮转速较高时，感应电压的频率和波幅均较大；反之，感应电压的频率和波幅均较小。

图3-229 车轮转速传感器的安装位置

图3-230 电磁式车轮转速传感器输出的电压信号

电磁式车轮转速传感器结构简单，成本低，但存在以下缺点：当车速很低时，传感器输出的电压信号较弱；传感器频率响应较低；当车速过高时，传感器的频率响应跟不上，容易产生错误信号；传感器的抗电磁干扰能力较差。

2）霍尔式车轮转速传感器。霍尔式车轮转速传感器根据霍尔效应原理产生与车轮转速相对应的电压脉冲信号。霍尔车轮转速传感器也是由传感头和齿圈组成。传感头由永久磁体、霍尔元件和电子电路等组成，霍尔式车轮转速传感器如图3-231所示。

霍尔元件输出的是毫伏级的准正弦波电压，通过电子电路转换成标准的脉冲电压输出信号，电压幅值为7～14V，霍尔式车轮转速传感器电压波形如图3-232所示。

图3-231 霍尔式车轮转速传感器

图3-232 霍尔式车轮转速传感器电压波形

霍尔车轮转速传感器具有以下优点：输出信号电压幅值不受转速的影响；频率响应高，其响应频率高达20kHz，相当于车速为1000km/h时所检测的信号频率；抗电磁干扰能力强。

（2）制动压力调节器 制动压力调节器又称为ABS压力控制器，是ABS的执行机构，其功用是接受ECU的指令，通过电磁阀的动作控制车轮制动轮缸的制动压力，通常主要由电动液压泵、液压控制单元（包括储能器和电磁阀）等构成，ABS制动压力调节器如图3-233所示。制动液压调节器是ABS中的压力控制装置，它可以控制制动轮缸的制动液压，使其变大或变小，以防4个车轮被一直完全抱死。只要制动系统在制动过程中车轮没有被抱死的迹象，ABS是不工作的。制动主缸中的制动液通过液压调节器调压后进入制动轮缸，ECU从转速信号的变化中判断出车轮的运动状态，则向液压调节器发出指令，此时，液压调节器控制制动轮缸的制动液压力随着车轮的运动状态的变化而迅速变化，并始终将车轮的滑移率控制在20%左右，达到最佳制动效果。

图3-233 ABS制动压力调节器

若ABS出现故障，制动防抱死警告灯会点亮发出警告，ABS自动停止工作。但普通制动系统仍能照常工作，确保汽车安全行驶。

1）电动液压泵。在ABS运行时，电动液压泵根据ECU的信号确定是否工作，从而起到循环控制制动液油压或迅速建立制动液油压的作用。它可在汽车起动1min内将制动液压力提高到14～22MPa。柱塞式电动液压泵其基本构成如图3-234所示。电动液压泵主要由液压泵电动机、偏心轴承、柱塞、进出油阀等部件组成。电动液压泵的作用是给整个系统的制动液加压，或将制动轮缸减压时的制动液泵回制动主缸，具有回油的作用。

液压泵的偏心轮是一个偏心轴承，压装在电动机轴上。进、出油阀为单向阀。当电动机转动时，电动机轴带动偏心轮旋转，驱动柱塞上下往复运动。当柱塞下移时，出油阀关闭，进油阀打开，这时，低压制动液从储液罐进入柱塞上方的低压腔；当柱塞上移时，进油阀关闭，这时柱塞上方制动液压力升高，打开出油阀，高压制动液被压入储能器和液压调节器中。

2）电磁阀。ABS系统中通常有4～8个电磁阀，分别对应控制前后轮的制动。常用的电磁阀有三位三通电磁阀和二位二通电磁阀等多种形式。三位三通电磁阀的动作如图3-235所示。

图3-234 柱塞式电动液压泵

图3-235 三位三通电磁阀的动作

3）储能器。储能器的结构形式多种多样。活塞—弹簧式储能器一般位于电磁阀与回油泵之间，由轮缸来的液压油进入储能器，进而压缩弹簧使储能器液压腔容积变大，以暂时储存制动液。

气囊式储能器内则充满了高压氮气，可使制动液的压力保持在14～18MPa范围内。（如图3-236a所示）为了安全起见，近年来生产的部分车型中，已经取消了储能器。

囊状结构储能器内部用隔板分成上，下两个腔，上腔充有高压氮气，下腔与电动液压泵的出油腔连通，它的功用是保持制动系统高压，并向制动器提供高压制动液和减压时存储突然流回的制动液。

当电动液压泵工作时，将加压后的制动液输送到储能器的下腔，使储能器中的隔板上移，进一步压缩上腔中的氮气，由于反作用力的作用，从而保持储能器中的压力始终在14～18MPa。当车轮制动器制动时，由调节器电磁阀将高压油液分配到各轮缸，产生制动效能。

4）压力开关。压力开关主要由弹性管、微动开关、杠杆等部件组成。如图3-236b所示。压力开关安装在储能器的下方，它的功用是检测储能器中的制动液压力，控制电动液压泵开关。

当储能器中的制动液压力达到一定值时（18MPa），由于制动液压力的作用，弹性管伸张，而带动杠杆使微动开关断开。这时，电动液压泵断开而停止工作。当储能器中制动液压力下降达到一定值时（14MPa），由于制动液压力减小，使弹性管恢复原状，而接通微动开关。这时，电动液压泵通电而工作，使储能器中的压力升高。

（3）ABS的ECU（电控单元） 根据来自轮速传感器的信号，ABS的ECU测量车轮转速和车速，发出相应的控制指令。早期生产的ABS，其ABS的ECU与制动压力调节器多采用分体式安装，但接线较多。现在生产的ABS，其ABS的ECU与制动压力调节器多采用整体式安装，即ABS的ECU与制动压力调节器直接安装到一起，成为一个总成。ABS的ECU和制动压力调节器如图3-237所示。

图3-236 气囊式储能器和压力开关

图3-237 ABS的ECU和制动压力调节器

电子控制模块（ECU）是制动防抱死装置的控制中心，实际上是一个微型计算机，功用是接收车轮转速传感器的信号，并对信号进行分析、放大和识别处理，计算出转速、车速及滑移率，分析车轮制动情况，以此向液压调节器发出指令，电控单元还能监视整个制动防抱死装置的工作情况。若有故障，电控单元中止工作，关闭ABS，同时让普通制动系统进入工作，并亮起指示灯发出警告，它还能把故障存储，为故障诊断、排除提供故障码。