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1、汽车防抱死系统（ABS）的工作原理与组成结构前文摘要：ABS（自动防抱死刹车系统）可说是行车安全历史上最重要的三打发明（另外两个是安全气囊与安全带），ABS也是其他安全装置（如ESP行车动态稳定系统与EBD刹车力分配系统）的基础。驾驶过不带ABS轿车的朋友都知道，如果遇到紧急情况将制动踏板踩到底，便能听见轮胎一声尖叫，于是在路面上留下了两条黑黑的轮胎印，这就是因为车轮不能转动(专业术语称之为“车轮抱死”)而与路面发生了的滑动摩擦留下的。车轮一旦抱死，车子极易失去控制，如果前轮发生抱死，最直接的便是失去转向能力，此时打转向盘根本无济于事。如果后轮发生抱死，转向能力倒是存在，但极有可能出现后轮侧滑
2、，严重时便出现甩尾。如何才能有效地解决制动时车轮抱死这种情况呢?ABS(制动防抱死系统)就是由此而诞生的。而ABS的历史可追溯到1906年，ABS首次被授予专利，1936年博世注册了一项防止机动车辆车轮抱死的“机械”专利。Teldix公司在1964年开始研究这个项目，其ABS研究很快被博世全部接管。1964年Bosch公司再度开始ABS的研发计划，最后有了“通过电子装置控制来防止车轮抱死是可行的”结论，这是ABS（Antilock Braking System）名词在历史上第一次出现！世界上第一具ABS原型机于1966年出现，向世人证明“缩短刹车距离”并非不可能完成的任务。因为投入的资金过于庞
3、大，ABS初期的应用仅限于铁路车辆或航空器，1947年世界上第一套ABS系统首次应用于B-47轰炸机上。1968年ABS开始研究应用于汽车上。Teldix GmbH公司1970年和奔驰车厂合作开发出第一具用于道路车辆的原型机ABS 1，该系统已具备量产基础，但可靠性不足。事实上，ABS刚推出的前三年都是非常艰难的，从1978到1980年底，Bosch公司总共才售出24000套ABS系统。所幸第二年即成长到76000套。受到市场上的正面响应，Bosch开始TCS循迹控制系统的研发计划。到了1985年，全球新出厂车辆安装ABS系统的比例首次超过1，通用车厂也决定把ABS列为旗下主力雪弗莱车系的标准
4、配备。1975年，由于美国联邦机动车安全标准121款的通过，许多重型卡车和公共汽车装备了ABS，但由于制动系统的许多技术问题和卡车行业的反对，在1978年撤销了这一标准。同年博世作为世界上首家推出电子控制功能的ABS系统的公司，将这套ABS 2的系统开始安装作为选配配置，并装配在奔驰S级车上，然后很快又配备在了宝马7系列豪华轿车上。在这一时期之后美国对ABS的进一步研究和设计工作减少了，可是欧洲和日本的制造厂家继续精心研制。在介绍ABS之前我们先来了解一下滚动摩擦和滑动摩擦：滚动摩擦是一个物体在另一物体上滚动或有滚动趋势时接触面处产生的不对称变形引起的一种阻碍滚动的作用。滚动摩擦有静摩擦和动摩
5、擦两种。 放在支承面上的车轮静止而无滚动趋势时，车轮与支承面的变形是对称的，支承面对车轮的支承力通过车轮的质心，车轮保持平衡。当车轮滚动或有滚动趋势时，变形就不对称了，支承力的作用点向前移动。显示出支承面不对称形变的情形。在两个保持相对静止又相互接触的物体中，一个受到外力矩作用而对于另一个物体有相对滚动的趋势时，产生的阻碍发生相对滚动的力偶，就是滚动静摩擦的静摩擦力偶。它的力偶矩随外力矩的增大而增大，但具有一最大值。这一最大值就叫做最大静摩擦力偶矩。这个力偶矩的方向与外力矩的方向相反。最大静摩擦力偶矩的大小Mmax 与两物体的正压力N 的大小成正比，即Mmax=0N。其中0 称为滚动静摩擦系数
6、，它具有长度的量纲，近似地依赖于两物体的材料并与接触面的粗糙程度有关。当两个相互接触的物体中的一个相对于另一个作无滑动的滚动并有相对角速度时产生的阻碍相对滚动的力偶，叫做滚动摩擦力偶。在没有外力矩作用的情况下，滚动摩擦力偶矩将使相对滚动的角速度逐渐减小而趋于零。它的方向与相对角速度的方向相反。滚动摩擦力偶矩的大小M 与两物体之间的正压力N 的大小成正比，即M=N。其中称为滚动摩擦系数，它具有长度的量纲，近似地依赖于两物体的材料并与接触面的粗糙程度和滚动速率有关。初中物理教科书上说“滚动摩擦比滑动摩擦小得多”是把滚动摩擦简化为一个等效的滑动摩擦来考虑问题的。当推车匀速前进时，推力与支承面对轮的静
7、摩擦力这对力偶的力偶矩与滚动摩擦力矩平衡，即fr=N。这就是说通过轮心必须施力F(=f)才能使轮匀速滚动，所以F fr(= ) = Nd若把滚动摩擦当作一个等效的滑动摩擦，可以把叫做“滚动摩擦因dr数”（在研究车轮滚动的动力学中，常把它叫做滚动阻力因数），它是一个无纲量的量。由于远小于r，/r，比滑动摩擦系数小得多，说滚动摩擦比滑动摩擦小得多，就是说的这种意义上的滚动摩擦系数比滑动摩擦系数小得多。ABS的设计就是将汽车轮胎在抱死时的滑动摩擦变为滚动摩擦 制动力取决于制动器的摩擦力，但能使汽车制动减速的制动力，还受地面附着系数的制约。当制动器产生的制动力增大到一定值时，汽车轮胎将在地面上出现滑移
8、。其滑移率 (Vt-Va)/Vt100 式中：-滑移率； Vt-汽车的理论速度； Va-汽车的实际速度。 据试验证实，当车轮滑移率15一20时附着系数达到最大值，因此，为了取得最佳的制动效果，一定要控制其滑移率在1520范围内。没有安装ABS的汽车，在行驶中如果用力踩下制动踏板，车轮转速会急速降低，当制动力超过车轮与地面的摩擦力时，车轮就会被抱死，完全抱死的车轮会使轮胎与地面的摩擦力下降，如果前轮被抱死，驾驶员就无法控制车辆的行驶方向，如果后轮被抱死，就极容易出现侧滑现象。如图1关键词：ABS系统 结构组成 工作原理 传感器 执行器 控制电路 ECU一：ABS的工作原理图1汽车制动防抱死装置(
9、Antilock Braking System-ABS)可以感知制动轮每一瞬时的运动状态，并根据其运动状态相应地调节制动器制动力矩的大小，避免出现车轮的抱死现象，是闭环制动系统。它是电子控制技术在汽车上最有突出成就的一项应用，可使汽车在制动时维持方向稳定性和缩短制动距离，有效地提高了行车的安全性。在制动时，ABS根据每个车轮速度传感器传来的速度信号，可迅速判断处车轮的抱死状态，关闭开始抱死车轮上面的常开输入电磁阀，让制动力不变，如果车轮继续抱死，则打开常闭输出电磁阀，这个车轮上的制动压力由于出现直通制动液贮油箱的管路而迅速下移，防止了因制动力过大而将车轮完全抱死。在此同时，主控制阀通电开启，动
10、态压力的制动液可进入制动法，动态压力的制动液从动态助力管路通过主控制阀、制动总泵密封垫外缘到达前轮输入管路如此反复地工作（工作频率312次/秒），让制动状态始终处于最佳点（滑移率S为20%），制动效果达到最好，行车最安全。在制动总泵前面腔内地制动液是动态压力制动液，它推动反应套筒向右移动，反应套筒又推动助力活塞从而使制动踏板推杆向右移。因此，在ABS工作地时候，驾驶员可以感觉到脚上踏板地颤动，听到一些噪音。 汽车减速后，一旦ABS电脑检测到车轮抱死状态消失，它就会让主控制阀关闭，从而使系统转入普通地制动状态下进行工作。如果蓄压器地压力下降到安全极限以下，红色制动故障指示灯和琥珀色ABS故障指示
11、灯亮。在这种情况下，驾驶员要用较大地力进行深踩踏板地制动地方式才能对前后轮进行有效地制动。 ABS可安装在任何带液压刹车的汽车上。它是利用阀体内的一个橡胶气囊，在踩下刹车时，压给予刹车油力，充斥到ABS的阀体中，此时气囊利用中间的空气隔层将压力返回，使车轮避过锁死点。 通过安装在车轮上的传感器发出车轮将被抱死的信号，控制器指令调节器降低该车轮制动缸的油压，减小制动力矩，经一定时间后，再恢复原有的油压，不断的这样循环（每秒可达510次），始终使车轮处于转动状态而又有最大的制动力矩。 当车轮即将到达下一个锁死点时，刹车油的压力使得气囊重复作用，如此在一秒钟内可作用60120次，相当于不停地刹车、放
12、松，即相似于机械的“点刹。因此，ABS防抑死系统，能避免在紧急刹车时方向失控及车轮侧滑，使车轮在刹车时不被锁死，不让轮胎在一个点上与地面摩擦，从而加大摩擦力，使刹车效率达到90%以上，同时还能减少刹车消耗，延长刹车轮鼓、碟片和轮胎两倍的使用寿命。装有ABS的车辆在干柏油路、雨天、雪天等路面防滑性能分别达到80%90%、30%10%、15%20%。二ABS的结构组成：1 ABS系统主要由传感器、电子控制装置和执行器三个部分组成。如图2图2 1.1各传感器与其的功能：表1传感器功能车速传感器 检测车速，给ECU提供车速信号，用于滑移率控制方式 轮速传感器 检测车轮速度，给ECU提供轮速信号，各种控
13、制方式均采用减速传感器 检测制动时汽车的减速度，识别是否是冰雪等易滑路面，只用于四轮驱动控制系统 表11.2 各执行器与其的功能：表2执行器功能制动压力调节器 接受ECU的指令，通过电磁阀的动作实现制动系统压力的增加、保持和降低 液压泵受ECU控制，在可变容积式制动压力调节器的控制油路中建立控制油压；在循环式制动压力调节器调节压力降低的过程中，将由轮缸流出的制动液经蓄能器泵回主缸，以防止ABS工作时制动踏板行程发生变化。 ABS警告灯 ABS出现故障时，由EUC控制将其点亮，向驾驶员发出报警，并由ECU控制闪烁显示故障代码 表21.3 电子控制装置：ECU: 接受车速、轮速、减速等传感器的信号
14、，计算出车速、轮速、滑移率和车轮的减速度、加速度，并将这些信号加以分析、判别、放大，由输出级输出控制指令，控制各种执行器工作 2各传感器的结构与工作原理：2.1转速传感器 齿圈与轮速传感器是一组的，当齿圈转动时，轮速传感器感应交流信号，输出到ABS电脑，提供轮速信号。轮速传感器通常安装在差速器、变速器输出轴、各车轮轮轴上。 轮速传感器在车轮上的安装位置 轮速传感器是由传感头和齿圈等组成。 2.2 横向加速度传感器 有一些ABS系统中装有横向加速度传感器，因里面主要开关触点组成，因而一般称为横向加速度开关。横向加速度低于限定值时，两触点都处于闭合状态，插头两端子通过开关内部构成回路，当汽车在高速
15、急转弯过程中，横向加速度超过限定值时，开关中的一对触点在自身惯性力的作用下处于开启状态，插头两端子之间在开关内部形成断路，此信号输入ECU后可对制动防抱死控制指令进行修正，以便有效地调节左右车轮制动轮缸的液压，使ABS更有效地工作。此装置在较高级的轿车和跑车上采用较多。 2.3 减速度传感器 目前，在一些四轮驱动的汽车上，还装有汽车减速度传感器，又称G传感器。其作用是在汽车制动时，获得汽车减速度信号。因为汽车在高附着系数路面上制动时，汽车减速度大，在低附着系数路面上制动时，汽车减速度小，因而该信号送入ECU后，可以对路面进行区别，判断路面附着系数高低情况。当判定汽车行驶在雪地、结冰路等易打滑的路面上时，采取相应控制措施，以提高制动性能。 减速度传感器有光电式、水银式、差动式变压式等。 2.3.1光电式减速度传感器 汽车匀速行驶时，透光板静止不动。当汽车减速度时，透光板则随着减速度的变化沿汽车的纵轴方向摆动。减速度越大，透光板摆动位置越高，由于透光板的位置不同，允许发光二极管传送到光电晶体管的光线不同，使光电晶体管形成开和关两种状态。两个发光二极管和两个光电晶体管组合作用，可将汽车的减速度区分为四个等级，此信号送入电子控制器就能感知路面附着系数情况。图3为光电式减速度传感器图31发光二极管；2透光板；3光电三极管；4信号转换电路1
