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1、汽车电气电子技术（13）哈工大网络与电气智能化研究所2015（秋）汽车的行驶安全性分为主动安全性和被动安全性两大类。所谓行驶主动安全性是指汽车避免发生意外事故的能力；而被动安全性，则是指汽车在发生意外事故时对乘员进行有效保护的能力。通俗地讲，主动安全性就是要使汽车在行驶时“有惊无险”；而被动安全性则是要做到汽车发生事故时“车毁人不亡”。除了通过一定的法律法规保证汽车行驶的秩序，减少交通事故之外，在汽车上也必须具备相关的装置或机构（比如汽车的制动系统、安全气囊等）来保证汽车的行驶安全性。随着汽车数量的急剧增加，对汽车行驶安全性的要求也越来越高，不仅加强了对交通秩序的管制，而且对汽车这个现代交通工
2、具自身的安全性也提出了新的要求。第十一章汽车行驶安全性控制系统电子控制技术在汽车上的应用对改善和提高汽车行驶安全性起到了里程碑的作用。现代汽车上普遍装备有能够改善和提升汽车行驶主动安全性和被动安全性的电子控制系统，比如，汽车防抱死制动系统、驱动防滑控制系统、制动力分配与差速锁的电子控制、安全气囊、安全带、防/避撞系统等等。这些都为减少交通事故提供了硬件基础。第一节汽车防滑控制系统汽车防滑控制系统能够显著提高汽车行驶主动安全性能，主要包括汽车电子控制制动系统，如防抱死制动系统（Anti-lock Braking System，缩写ABS）、电子感应制动系统(Sensotronic Braking
3、 Control，缩写SBC）、电子制动系统(Electronic Braking System，缩写EBS),电子制动力分配（Electric Brake Force Distribution，缩写EBD）。驱动轮防滑转控制系统(Anti-Slip Regulation，缩写ASR)或驱动力控制系统（Traction Control System，缩写TCS）及电子差速锁(Electronic Differential System，缩写EDS或Electronic Differential Locking Traction Control，缩写EDL)。一、汽车防抱死制动系统(ABS)电控
4、防抱死制动是将传统的制动过程转变为瞬态控制的制动过程，其特点是在任何情况下都能使紧急制动的车轮保持在最佳的制动状态，获得最佳的制动效果。ABS具有以下优点：1)保持汽车制动时的方向稳定性。2)保持汽车制动时的转向能力。3)缩短制动距离。ABS能保证汽车在雨后、冰雪及泥泞路面上获得较高的制动效能，防止汽车侧滑甩尾（松散的沙土和积雪很深的路面除外）。4)减少制动时轮胎的磨损。ABS能防止轮胎在制动过程中产生严重的拖痕，提高轮胎使用寿命。5)减少驾驶员的疲劳强度（特别是汽车制动时的紧张情绪）。（一）汽车ABS的理论依据在驾驶员、汽车和环境三者所组成的闭环控制系统中，汽车与路面之间的联系是轮胎与路面之
5、间的作用力。由于汽车的行驶状态主要是由轮胎与路面之间的纵向作用力与横向作用力决定的，因此，驾驶员对汽车的控制实质是在控制车轮与路面之间的作用力。但是，车轮与路面之间的作用力必然受到轮胎与路面之间附着力的限制，汽车的加速与减速运动主要受到车轮纵向附着力的限制，而汽车的转向运动和抵抗外界横向力作用的能力则主要受车轮横向附着力的限制。在行驶的路面上，轮胎与路面之间的附着力是轮胎与路面之间的摩擦力。因此，轮胎与路面之间的附着力必然会遵循摩擦定律，即轮胎与路面之间的附着力取决于其间的垂直载荷和附着系数，其关系为式中轮胎与路面间的附着力；轮胎与路面间的垂直载荷；轮胎与路面间的附着系数。汽车在制动过程中形成
6、的主要摩擦力，包括制动器制动力和地面制动力。制动器制动力是为了克服制动器摩擦力矩在轮胎周缘所需施加的力，它取决于制动器的形式、结构尺寸、制动器摩擦副的摩擦系数和车轮半径。在制动器结构一定的情况下，制动器制动力与制动分泵的压力（液压或气压）成正比。(11-1)地面制动力是轮胎与地面之间的摩擦力，是使车轮制动而减速行驶的外力，方向与汽车行驶方向相反。地面制动力越大，制动减速度越大，制动距离就越短。制动初期，地面制动力随着制动器制动力增大而增加，但增加到一定程度就不会再增加了，有一定的限值。因为地面制动力是一个滑动摩擦约束反力，它的最大值不能超过附着力，地面制动力的最大值即为地面附着力，或者说附着力
7、是地面传递制动力的极限。因此，汽车的地面制动力首先取决于制动器制动力，但同时又受路面附着条件限制。要想获得足够的地面制动力，首先汽车应具有足够的制动器制动力，其次路面还要提供较高的附着力。由式(11-1)可知，要提高地面制动力，改善汽车的制动效果，则须提高路面附着系数。在汽车行驶过程中制动时的路面附着系数并非是一个常数，而是一个与车轮滑移程度即滑移率有关的变量。滑移即为汽车制动时出现车轮速度小于汽车车身速度而导致车轮既滚动又滑动的现象。车轮的滑移率定义为式中汽车行驶（平移）的瞬时速度；车轮的瞬时线速度；车轮旋转的角速度；车轮有效滚动半径。汽车制动效能的高低也主要反映在对地面最大附着系数的利用率
8、上。附着系数与滑移率之间的变化关系如图11-1所示。由图可见，纵向附着系数p随滑移率的增大急剧上升，并在滑移率=15%30%时达到最大值。如滑移率继续增大，纵向附着系数p逐渐缓慢减小。图11-1附着系数与滑移率的关系横向附着系数y在=0时为最大值，并随滑移率增大而 迅 速 降 低；当 车 轮 抱 死（=100%）时，横向附着系数y几乎为零，汽车将失去应有的方向稳定性及操纵性。制动时，若能使滑移率保持在15%30%之间，即达到最佳滑移率范围，便可获得最大的纵向附着系数和较大的横向附着系数，路面将提供最大的纵向附着力，使制动处于最佳状态。然而，一般的制动装置很难做到这一点，于是人们研制了电子控制防
9、抱死制动装置(ABS)。ABS可使作用在车轮制动器上的制动力按要求变化，以控制车轮的瞬时速度，确保车轮滑移率维持在上述最佳范围内，获得最好的制动效果。此外，附着系数与滑移率的关系随路面的性质和状况不同而不尽相同。图11-2所示为几种典型路面附着系数随滑移率变化的曲线。（二）汽车ABS的结构组成、工作原理与分类图11-2不同路面附着系数与滑移率的关系1汽车ABS的结构组成与控制部件的安装位置目前，世界上生产ABS的厂家较多，其产品的形式与结构不尽相同。一般来说都是在常规制动装置的基础上，增设车轮转速传感器、电子控制单元(ECU)、制动压力调节器和ABS报警灯等构成，如图11-3所示。图11-3汽
10、车防抱死制动系统的组成简图1-前轮转速传感器2-制动分泵3-ABS指示灯4-制动报警灯5-制动压力调节器6-制动总泵7-ABS继电器8-后轮转速传感器控制部件的安装位置如图11-4所示。ABS ECU与基本输入/输出信号如图11-5所示。图11-4ABS控制部件的安装位置1-制动压力调节器2-ABS ECU3-ABS指示灯4-后轮转速传感器转子5-后轮转速传感器6-制动灯开关7-前轮转速传感器转子8-前轮转速传感器图11-5ABS及基本输入、输出信号(1)车轮转速传感器车轮转速传感器通常是电磁感应式转速传感器，目前也有霍尔效应式车轮转速传感器。传感器的功用是检测车轮的转速并把转速信号送到ECU
11、。它安装在随车轮或驱动轴旋转的齿圈处，并与齿圈对准，如图11-6所示。1)电磁感应式车轮转速传感器车轮转速传感器主要由齿圈和电磁感应头两部分组成，如图11-6所示。用于感测非驱动车轮转速的传感器通常也设置在车轮处，有些车型则设置在主减速器或变速器中。图11-6车轮转速传感器车轮转速传感器的一种安装形式如图11-7所示，齿圈安装在随车轮一同转动的部件上，如半轴、轮毂、制动盘等；而电磁感应头则安装在车轮附近不随车轮转动的部件上，如半轴套管、转向节等。电磁感应头与齿圈之间的间隙很小，通常在0.51.0mm之间，多数车轮转速传感器的间隙是不可调的。一些后轮驱动的汽车只在主减速器中或变速器中安置1个电磁
12、感应式转速传感器，如图11-8所示。图11-7车轮转速传感器在车轮上的安装位置a）驱动车轮b）非驱动车轮1-半轴2-悬架支撑3-齿轮4、8-电磁感应式传感器5-轮毂6-转向节7-齿圈传感器安置在主减速器输入轴上（或者直接利用主减速器齿轮）或变速器输出轴上。转速传感器设置在传动系统中，该转速传感器感测的是两后轮的平均转速，因此，只适用于对两后轮进行同一控制的布置形式。图11-8转速传感器在传动系统中的安装位置a）主减速器b）变速器1-主减速器从动齿轮2、5-电磁感应式转速传感器3-齿圈4-变速器电磁感应头主要由永磁铁、磁极和线圈组成。传感器齿圈是由磁阻较小的铁磁性材料组成，其基本结构如图11-9
13、所示。图11-9电磁感应式车轮转速传感器的基本结构1-磁铁2-线圈3-细轮齿4-齿圈（回转）5-磁极6-电子模块如图11-9所示，该传感器的工作原理为：当齿圈的齿根与电磁感应头的端部相对时，电磁感应头端部与齿圈之间的气隙最大，通过传感线圈的磁力线最少；而当齿圈的齿顶与感应头端部正对时，气隙最小，通过传感线圈的磁力线最密。当齿圈随同车轮转动时，齿圈的齿根和齿顶交替地与传感器感应头端部相对，通过传感线圈的磁力线随之发生疏密交替变化，在传感线圈中就会感应出交变电压，交变电压的频率与齿圈的齿数和转速成正比，因此，转速传感器输出的交变电压频率就与车轮的转速成正比。另外，车轮转速也会影响传感器输出交变电压
14、的幅值的大小。2)霍尔传感器 霍尔效应式车轮转速传感器的基本原理如图11-10所示。永磁铁的磁力线穿过霍尔元件，通向齿轮，这时齿轮的作用相当于一个集磁器。当齿轮处于图11-10a所示状态时，磁力线分散，穿过霍尔元件的磁场相对较弱。当齿轮处于图11-10b所示状态时，磁力线密集，穿过霍尔元件的磁场较强，引起霍尔电压的变化。图11-10霍尔轮速传感器磁路图a）霍尔元件磁场较弱b）霍尔元件磁场较强1-永磁体2-霍尔元件3-齿圈通过齿轮的运动，霍尔元件输出mV级的准正弦波电压。若要将它变换成标准TTL脉冲电压，需通过放大、整形电路来实现。经放大整形后的转速信号波形如图11-11所示。图11-11电子线
15、路的各级输出波形(2)减速度传感器减速度传感器（也称G传感器）能测出汽车制动时的减速度，识别是否为雪路、冰路等易滑路面。目前使用的减速度传感器有差动变压器式、水银开关式和光电式传感器，下面分别介绍。G传感器通常是利用差动变压器获得减速度信号，其动作原理如图11-12、图11-13所示。图11-12差动变压器式G传感器a）差动变压器结构b）变压器输出特性1-铁心2-线圈 3-差动变压器4-印制电路板 5-片簧 6-变压器油汽车在正常行驶时，差动变压器线圈内的铁心处于线圈中部位置。当汽车制动减速时，铁心受惯性力（其惯性力与汽车的加、减速度的大小成正比，而方向相反）作用前后移动，从而使差动变压器线圈
16、内的感应电流发生变化，转换为电压作为输出信号。惯性力不同，铁心在线圈内所处的位置随之不同，输出电压信号值的大小也不同。1-差动变压器2-解调电路3-振荡电路4-基础电路图11-13差动变压器式G传感器的工作原理近年来，四轮驱动(44)汽车也开始装用ABS，它的减速度传感器主要用于检测汽车车身的减速度，一般采用的是开关型G传感器。图11-14所示是采用水银开关的G传感器的剖面图。图11-14G传感器水银开关如A-A剖面所示，水银开关与水平面有一定的夹角，汽车处于水平位置时开关处在“开”状态，可识别出路面的附着系数信息并传送到电子控制单元(ECU)。光电式减速度传感器由两只发光二极管LED、两只光
17、电晶体管、一块透光板和信号处理电路等组成，结构如图11-15a所示。图11-15光电式减速度传感器结构原理a）元件位置b）透光时c）遮光时透光板的作用是透光或遮光。当透光板上的开口位于发光二极管与光电晶体管之间时，发光二极管发出的光线能够照射到光电晶体管上，使光电晶体管导通，如图11-15b所示。当透光板上的齿扇位于发光二极管与光电晶体管之间时，发光二极管发出的光线被透光板上的齿扇挡住而不能照射到光电晶体管上，光电晶体管处于截止状态，如图11-15c所示。汽车匀速行驶时，透光板静止不动，传感器无信号输出。当汽车减速时，透光板沿汽车纵向摆动，如图11-16所示。减速度大小不同，透光板摆动角度就不
18、同，两只光电晶体管“导通”与“截止”状态也就不相同。减速度越大，透光板摆动角度越大。根据两只光电晶体管的输出信号，就可将汽车减速度区分为四个等级，如表11-1所示。ABS的ECU接收到传感器信号后，就可判定出路面状况，从而采取相应的控制措施。图11-16光电式减速度传感器工作情况表11-1 减速度率的等级减速度率等级低减速率1低减速率2中等减速率高减速率No.1晶体管导通截止截止导通No.2晶体管导通导通截止截止另外，还有采用霍尔元件的模拟方式的G传感器。a）匀速行驶b）减速行驶(3)电子控制单元(ECU)ECU是ABS的控制中枢，其作用是接受从各个车轮速度传感器送来的信号，经整形放大变换为同
19、频率的方波脉冲信号，经计算电路计算汽车参考车速、各车轮速度和减速度（或加速度），并对计算结果与设定的基准值加以比较，发出控制指令信号，经功率放大器放大，控制制动压力调节器的电磁阀动作，从而调节制动压力。此外，ECU还具有对整个ABS工作状况进行自检和安全监视警告功能。当系统发生故障时，首先停止ABS的工作，并使仪表板上的ABS报警灯点亮，将故障信息编成代码保存在存储器中，以备自诊断时读取故障码，供维修诊断参考。ABS的ECU发展到现在采用两个微处理器(CPU)，主要目的是保证ABS的安全性。虽然各种车型ABS的ECU内部电路及控制程序有所不同，但其基本组成大致相同，如图11-17所示。图11-
20、17ABS ECU电路组成框图主要由主控CPU、辅控CPU、稳压模块电路、电磁阀电源模块电路、电磁阀驱动模块电路、回液泵电动机驱动模块电路、信号处理模块电路元件以及安全保护电路等组成。ABS ECU的两个CPU接收同样的输入信号，通过通信对两个微处理器的处理结果进行比较。如果两个微处理器处理的结果不一致，微处理器立即发出控制指令使ABS退出工作，防止系统发生逻辑错误。驱动电路的主要功能是将CPU输出的数字信号（如压力控制信号）进行功率放大并驱动执行元件（电磁阀、电动机）工作，实现制动压力的“升高”、“保持”或“降低”的调节功能。安全保护电路由电源监控、故障记忆和ABS指示灯驱动电路等组成。其主
21、要功能是接收蓄电池（或发动机）的电压信号，监控电源电压是否在稳定范围内，同时将12V或24V电源电压变换为ECU工作需要的5V电压。(4)制动压力调节器制动压力调节器种类较多，其结构和工作原理也有较大的差异。可以根据动力来源、调压方式或总体结构进行分类。这里对制动压力调节器只阐述按其动力来源分类的情况，可分为液压式、真空式、气压式、机械式几种。液压式制动压力调节器主要用于小轿车和轻型载货车，气压式制动压力调节器主要用于大型客车和载货车。液压式制动压力调节器通常配置于制动主缸和车轮制动缸之间，其作用是接收ECU的控制命令，驱动电磁阀或电动机，直接或间接地调节制动压力。下面仅针对液压式制动压力调节
22、器的主要元件进行介绍。液压式（ABS/ASR）制动压力调节器主要由电磁阀、电动泵、储液器等元件构成。电磁阀主要有二位二通电磁阀、二位三通电磁阀、三位三通电磁阀。1)二 位 二 通 电 磁 阀 桑 塔 纳 2000GSi型 和 红 旗CA7220E型轿车的制动压力调节器采用了8只二位二通电磁阀，其结构如图11-18所示。图11-18二位二通电磁阀（常开）1-阀盖2-引线3-电磁线圈4-出液口5-限压阀6-阀座7-进液口8-球阀9-回位弹簧10-阀体11-限位杆12-顶杆13-缓冲垫圈14-衔铁当电磁阀的电磁线圈中没有电流通过时，衔铁在回位弹簧的作用下被推至限位杆与缓冲垫圈相抵的位置。此时，与衔铁
23、连在一起的顶杆没有将球阀压靠在阀座上，电磁阀的进液口和出液口将被连通，电磁阀处于开启状态。当电磁线圈有一定的电流通过时，电磁线圈对衔铁所产生的电磁吸力足以克服回位弹簧对衔铁的作用力，衔铁带动顶杆一起移动，顶杆将球阀顶靠在阀座上，电磁阀进液口与出液口之间的通道被关闭，电磁阀处于关闭状态。电磁阀中的限压阀用于限制电磁阀的最高压力，以免压力过高导致电磁阀损坏。因该电磁阀在电磁线圈中没有电流通过时处于开启状态，故称为二位二通常开电磁阀。电磁线圈中没有电流通过时处于关闭状态的二位二通电磁阀，称为二位二通常闭电阀。其结构和工作原理与常开电磁阀基本相同，只是在电磁线圈中没有电流流过时，球阀被压靠在阀座上，电
24、磁阀处于关闭状态；而在电磁线圈中有一定电流流过时，球阀被推离阀座，电磁阀处于开启状态。2)二位三通电磁阀二位三通电磁阀的结构如图11-19所示，其工作位置只有增压和减压两个。二位三通电磁阀中衔铁只有两个动作位置，即一个位置是电磁线圈的断电位置（图11-19中所示位置），另一个是电磁线圈的通电位置。工作时，二位三通电磁阀穿梭于两个位置，只要ECU控制线圈电流通断的占空比，就可实现制动压力的三态调整。图11-19中，保护套3既保护电磁线圈，又起密封作用（与相关元件焊接）。在阀未通电时，槽11、衔铁7处于下端位置，第一球阀5打开，允许高压制动液通过阀体13上的阀轴经环形滤网12流向制动器，实现增压状
25、态。图11-19二位三通电磁阀1-密封座2，9，14-密封圈3-保护套4-电磁线圈5-第一球阀6-弹簧7-衔铁8-第二球阀10-连接体11-槽12-环形滤网13-阀体当阀通电时，衔铁7上移，关闭第一球阀5，打开第二球阀8，高压制动液可流向低压管路，实现减压状态。若阀的通断电流的占空比在某一范围内，则制动器的压力增减保持不变，即处于保压状态。3)三位三通电磁阀图11-20所示为Bosch公司ABS的三位三通电磁阀结构。1-回液管2-滤心3-衔铁支承圈4-回液球阀5-进液球阀6-衔铁7-电磁线圈8-进液口图11-20三位三通电磁阀9-限压阀10-凹槽11-阀座12-主弹簧13-压板14-副弹簧15
26、-出液日它有三个液压孔和三种工作状态。它在制动主缸、制动轮缸和制动液回路之间建立联系，实现制动液压力升高、压力保持和压力降低的主要功能，其动作如图11-21所示。图11-21三位三通电磁阀的动作a）电流为零b）电流小c）电流大当电磁线圈中没有电流通过时，衔铁在主、副弹簧预紧力的作用下处于上极限位置，并通过其上端的凸肩带动上压板，将回油阀压靠在回油管端部的阀座上，封闭电磁阀的回液管，使其处于关闭状态；而下压板则受主弹簧的作用，未将进液球阀压靠在进液管端部的阀座上，进液阀处于开启状态。制动液可以从进液口（接制动主缸）进入电磁阀，再从出液口（接轮缸）流出(图11-21a)。当电磁线圈中通过较小的电流
27、时，电磁线圈对衔铁产生较小的电磁吸力，使衔铁向下移动一定距离。此时，主弹簧被压缩，下压板在副弹簧的作用下将进液球阀压靠在进液管端部的阀座上，而回液球阀仍然被上压板压靠在回液管端部的阀座上，电磁阀的回液口和进液口都被封闭，制动液既不流入也不流出电磁阀，保持回路中的压力不变(图11-21b)。当电磁线圈中通过较大的电磁吸力，使衔铁下移至极限位置。衔铁下移将会带动上压板下移，使回液球阀不再压靠在回液管端部的阀座上，回液管处于开启状态；而进液球阀被下压板压靠在进液管端部的阀座上，进液球阀处于关闭状态。制动液不能从进液口进入电磁阀，而从出液口流回电磁阀的制动液则从回液管流出电磁阀，从而降低制动液压力。电
28、磁阀中的限压阀防止电磁阀因压力过高而损坏。电动泵由永磁式直流电动机与柱塞泵组成。电动机根据ABS ECU的控制指令，通过凸轮驱动柱塞在泵套内上、下运动而产生压力。储液器可根据其压力范围分为低压储液器和高压储液器，分别与不同类型的制动压力调节器配用。为了区分这两种储液器，一般将高压储液器称为蓄能器，而将低压储液器称为储液器。低压储液器主要用于ABS减压过程中从制动分泵流回的制动液，同时衰减汇流制动液的压力波动。高压储液器通常用于储存制动时所需的高压制动液。电动泵的运动与储液器的关系如图11-22所示。图11-22低压储液器与电动泵ABS ECU根据需要发出控制指令，驱动电动泵转动，驱动柱塞泵的凸
29、轮随电动泵旋转。当柱塞上升时，柱塞泵的进液阀打开，回液阀在弹簧力的作用下关闭，制动液流入柱塞泵泵腔，如图11-22所示。a）柱塞上行时储液b）柱塞下行时回液当柱塞下行时，泵腔内制动液压力升高，克服出液阀弹簧力将出液阀打开，制动液被压入制动总泵。制动液流入储液器时，推动活塞并压缩弹簧向下移动，使储液器储液容积增大，暂时存储制动液，减小回流制动液的压力波动。2ABS工作原理汽车ABS工作原理与工作过程可通过图11-23予以阐述。(1)普通制动(ABS不工作状态)在制动力较小、车轮未出现滑移或车速较低时，ABS处于不工作状态，即ABS的ECU无指令给液压调节器的电磁线圈，阀体在回位弹簧力的作用下打开
30、A孔、关闭C孔，来自主缸的制动液通过A孔、B孔进入轮缸，产生制动效果；解除制动时，轮缸的制动液经B孔、A孔及单向阀流回主缸。此时，电动泵的电动机也处于不工作状态。图11-23汽车ABS工作原理示意1-主缸2-ABS ECU3-蓄电池4-储液器5，8，9-单向阀6-电动泵驱动电动机7-电动泵10-A孔11-回位弹簧12-C孔13-车速传感器14-轮缸15-B孔(2)紧急制动(ABS工作)1)减压状态当车轮要抱死时，ABS的ECU发出控制指令，给液压调节器的电磁线圈提供较大电流，电磁线圈产生强磁吸力吸引阀体，阀体克服回位弹簧力将A孔关闭，切断了主缸的进液通路。同时打开C孔，轮缸内的制动液从B孔经C
31、孔进入储液器，电动泵在这时也接收ABS的ECU指令开始运转，将储液器中的制动液泵回主缸。由于轮缸制动液经上述回路返回主缸而使压力下降，防止车轮抱死。至于液压降低的程度，由ABS的ECU根据车轮速度传感器的信号进行控制。2)保持状态轮缸减压后，如果车轮处于最佳滑移率的范围之内，ABS的ECU会根据传感器的信号发出相应指令，使液压调节器的电磁线圈通较小的电流，使阀体保持在中间位置，此时正好关闭A孔和C孔，使轮缸处于保持压力状态。3)增压状态当车轮制动器制动力不足时，通过车轮速度传感器检测信号，ABS的ECU便停止向液压调节器的电磁线圈供电，阀体在弹簧力作用下回位打开A孔，关闭C孔，主管路中的高压制
32、动液便可通过A孔、B孔到达轮缸，使其轮缸液压升高，从而加大制动力。3汽车ABS的分类汽车ABS分为机械式ABS和电子式ABS两大类。目前，纯机械式的ABS已经淘汰，主要采用机电一体化的电子控制式的ABS。汽车电子控制防抱死制动技术从20世纪60年代末以来，得到了长足的发展和广泛的应用，欧、美、日一些著名电子电器公司，诸如德国的波许(Bosch)、戴维斯(Teves)，美国的本迪克斯(Bendix)、凯尔西海斯(Kelsey-Hayes)，日本的电装(Nippondenso)等公司，都相继开发和研制了许多类型不同、档次各异的电子控制防抱死制动系统，并先后实际应用于汽车上。(1)按系统构造分类根据
33、制动压力调节器与制动总泵的结构关系分为分离式和整体式（也称ATE式）两大类。分离式ABS中的制动压力调节器自成一体，通过制动管路与制动总泵和制动轮缸相连，具有很强的布置灵活性，更适合于将ABS作为选择装备时采用。例如，Bosch 2S型、2E型，Bendix 4型、6型就属于分离式ABS，克莱斯勒、宝马、沃尔沃等车系常采用分离式的ABS。整体式ABS中的制动压力调节器与制动总泵和液压制动助力器组合为一个整体，结构紧凑，节省安装空间，一般都作为汽车的标准装备，如Teves(ATE)型、Delco型、Bosch3型均属于整体式ABS。但是，整体式ABS的结构复杂，成本较高，一般为高级轿车采用。2)
34、按系统控制方案分类根据系统控制方案，ABS可分为“轴控制”与“轮控制”，轴控制还可分为低选控制(SL)和高选控制(SH)。轴控制是指仅根据一个速度（轮速或轴速）信号共同控制同一根轴上的两轮。此方案多用于载货汽车的后轴控制。轮控制通常是指相关的两个或四个车轮全都按照各自的加、减速度（控制参数）分别进行单独控制。轮控制也称单轮控制(IC)。另外一种改进（又称变形）单轮控制(MIC)，即同一轴上的两个车轮都有自己单独的控制回路，但两者压力通道控制相互关联，只允许有限的压力差存在于同一车轴的两车轮。低选控制是指由附着系数较低的一个车轮来确定同一轴上两车轮共同的制动压力，高选控制则由附着系数较高的一个车
35、轮来确定同一轴上两轮共同的制动压力。(3)按控制通道与传感器数量分类ABS的控制通道通常是指制动压力调节器通往制动器的独立控制的液压（或气压）通路。一般来说，电磁阀数目即是系统的控制通道数。按照控制通道与车轮速度传感器数量的多少，ABS的布置可分为五类7种方式，如图11-24所示。具体是：图11-24ABS系统的布置1)单通道一传感器系统（方式7）；2)二通道二传感器系统（方式5、6）；3)二通道三传感器系统（方式4）；4)三通道三传感器系统（方式3）；5)四通道四传感器系统（方式1、2）。此外，还有一类适用于挂车的六通道六传感器系统。一般来说，通道数、传感器数越多，价格越高，性能越好（特殊情
36、况例外）。因此，应根据汽车档次的不同选用不同类型的ABS。另外，根据ABS是否与驱动防滑系统(ASR)配合使用，也可分为单独使用的ABS和ABS/ASR配合使用的行驶安全系统。还有的把ABS分为两轮系统和四轮系统。（三）ABS的控制技术ABS的形式虽然较多，但必须满足控制质量的要求。根据现代控制理论以及控制参数的不同，可提出多种控制方案，如车轮滑移率控制方式、逻辑门限值控制方式、最优化控制方式、滑模动态变结构控制方式、模糊控制方式等等，但其中历史最长和经常使用的，应属逻辑门限值控制方式。1对ABS控制质量的要求高性能的ABS必须满足下列控制质量的要求：1)汽车在各种路况下制动时，车轮应获得尽可
37、能大的侧向力，以保持汽车在制动过程中的稳定性和转向能力。2)制动压力调节必须很快地适应路面附着系数的变化。3)充分利用轮胎与道路的附着力，以取得最佳的车辆减速度，缩短制动距离。4)保证所控制的制动力矩变化幅度较低，以防止传动装置的振动（如轴的共振）。5)系统必须具备工作状态监测功能，一旦发现有损制动性能的故障，ABS自动关闭且常规制动起作用，通过指示灯告知驾驶员ABS出现故障。2控制方式和控制参数ABS的控制方式虽然较多，但都是通过调节制动力，充分利用附着能力，获得最佳的制动效果。控制参数选取是否得当，不仅关系到ABS的控制逻辑和性能，而且还关系到ABS的结构与成本。(1)车轮滑移率控制方式要
38、实现滑移率控制，需要准确测量车身速度v和车轮速，车轮速度的测量容易，准确测定车身速度v较困难。解决的办法之一是利用多普勒(Doppler)雷达，根据多普勒效应测定车身速度。制动时，将多普勒雷达测得的车身速度信号和车轮速度传感器测得的车轮速度信号同时送入电路，即采用双信息输入，形成差动控制，控制制动机构的动作。这种ABS又称为多普勒雷达式ABS。多普勒雷达的工作原理如图11-25所示。图11-25多普勒雷达工作原理振荡器产生频率为f1的等幅振荡连续波（频率大约为几十GHz)，经转换器送至天线，再以一定倾角向地面发射。当汽车行驶时，雷达天线接收到的地面反射波频率f2与发射波频率f1之间将有一差值f
39、1-f2，其数值为式中（11-3）多普勒频率和汽车的车身速度；发射波波长和天线相对地平面的发射倾角。式(11-3)所表达的物理现象称多普勒效应。由于多普勒频率fD与汽车的车身速度v成正比，因而可以用fD作为车身速度信号。滑移率=1-(/v)中的第二项正比于车轮速度信号脉冲数与车身速度多普勒信号脉冲数的比值。因此，只要适当预选这两种脉冲数的比值，就可以实现滑移率的控制。多普勒雷达ABS实现了滑移率控制，防抱死制动性能好，但制动系统须增加一个测速雷达，其电路结构复杂、成本高，因而限制了它的广泛应用。目前也使用GPS车身测速系统，成本高，信号的可靠性受卫星覆盖区域和天气的影响。(2)逻辑门限值控制方
40、式ABS发展至今，广泛采用逻辑门限值控制方式。大多数产品均选择加、减速度门限作为主要门限，以参考滑移率作为辅助门限，因为采用单独的加、减速度门限有很大局限性。如在高速、紧急制动及曲线斜率较小情况下，在图11-1中的稳定区域，车轮就可能达到减速度门限，而此时滑移率很小，防抱死控制逻辑在后续控制中就有可能失效。如果以滑移率作为单独的防抱死控制门限时，由于路况的不同，最佳滑移率将在0.080.3之间变化，选择固定的滑移率作为门限，很难在各种路况下得到最佳的控制效果。因此，需要将两种门限结合起来，以辨识不同路况，进行自适应控制。由于在确定实际滑移率时，需要多普勒雷达或加速度传感器测定车速，费用太高，欧
41、洲的Bosch和Wabco等公司均用车轮速度，通过设定的车辆制动减速度值算出参考车速，再求出参考滑移率。这样，设定的车辆制动减速度值是否合适，将直接影响控制系统品质的优劣。为使系统在较大滑移率下改变控制状态，实际选择的门限值一般要比计算值大些。大多数ABS减速度门限值选在-14.7-39.2m/s2之间。对于角加速度门限，所选择的门限值的绝对值应与计算值相同，但也有一些系统所选取的门限值，要比计算值低些。这种控制方式的优点：首先，它不涉及具体系统的数学模型，免去了大量的数学计算。这在一定程度上可提高系统的实时响应，使防抱死控制这一复杂的非线性问题得到简化；其次是它的执行机构相对来说较易实现。其
42、缺点是系统的控制逻辑比较复杂，控制不够平稳。对于前者，通过使用微处理器或单片机完全可以解决；对于后者，只要在控制逻辑中多考虑一些实际工况，且控制参数值选得合适，控制性能还是相当不错的。采用“逻辑门限值”控制方式的ABS，各类车型之间互换性不佳，因为具体控制参数值的选取往往根据具体车型而定。对于不同的车型，其控制参数值不一样。此外，控制系统的各种门限及保压时间都是经过大量反复试验确定的经验数值，而无充分的理论依据，故对系统的稳定性等品质无法进行评价。(3)最优化控制方式针对逻辑门限值控制方式的弱点，近年来国外又发展了一种最优化控制方式。最优化控制是基于状态空间法的现代控制理论方法，它可以根据车辆
43、地面系统的数学模型，用状态空间的概念，在时域内研究ABS。这是一种基于模型的控制，是一种分析型的系统。该方法根据ABS的各项控制要求，按最优化原理，得到控制系统的最优化控制指标。但控制系统的优劣很大程度上依赖于车辆地面系统数学模型的精度，而数学模型与实际工况有一定的误差，加之风阻、滚动阻力、部件转动惯量等参数在精度方面的影响，使最优化控制方式的操纵质量很难把握；另外，实现该控制方式的电伺服机构比较复杂，因而在实际应用的ABS产品中采用这种控制方式的不多。(4)滑模动态变结构控制方式针对逻辑门限值控制方式和最优化控制方式各自的弱点，国外有的学者又提出了滑模动态变结构控制系统。它以经典的数字控制理
44、论为基础，具有很强的内在自适应性。滑模动态变结构控制属于一类特殊的非线性控制系统，其结构根据系统当时的状态、偏差及其导数值在不同的控制区域，以理想开关的方式切换控制量的大小和符号。系统由受控对象和一个变结构控制器组成。控制器中含有一个逻辑环节，它操纵控制器结构的变更，其控制目标是使制动过程的实际滑移率处于最佳滑移率附近。系统具有较强的抗干扰能力和优良的防抱死制动性能，但与最优化控制方式一样，为了获取数学模型中所需的相关控制参数及状态变量，均需准确实时地确定车身速度，而通过轮速间接地求取车速，在准确性和实时性上都不能满足要求。目前能够满足要求的车速传感器（如多普勒雷达），由于其成本太高而不可能采
45、用，加之实现该控制方式的电伺服机构仍比较复杂，因此这种控制方式在ABS产品中采用较少。(5)模糊控制方式模糊控制具有不依赖对象的数学模型，便于利用人的经验知识，在汽车的ABS中正开始应用。基于滑移率的模糊控制框图如图11-26所示。图11-26ABS模糊控制器系统仿真框图采用双输入单输出型，以滑移率误差e及滑移率误差变化率ec作为输入量，经模糊计算得到的输出量u作为制动轮缸压力控制信号，确定ABS压力调节器的压力调节值。滑移率误差e为期望滑移率0和实测的滑移率之差，滑移率误差变化率ec为e的一阶导数。通过计算机仿真研究和在试验台上的试验研究结果表明，模糊控制技术在汽车ABS上的应用改善了其性能
46、，使汽车的制动性能变得更好；基于模糊控制技术的汽车ABS的预测性增强了，制动更加平稳，显示出汽车ABS模糊控制系统具有进一步研究和开发的价值，其应用前景良好。但与上述控制方式一样，也需测量车身速度。（四）ABS的控制过程ABS可以根据不同的路况实施最适宜的自动控制，达到最佳的制动效果。以波许(Bosch)公司生产的ABS为例，说明采用逻辑门限值控制方式的控制过程。设定系统的加（减）速度门限值，参考滑移率门限（1为下限，2为上限），下面对高附着系数路面的制动控制情况进行详细分析。高附着系数路面的制动控制过程如图11-27所示。图11-27高附着系数路面的制动控制汽车实限际速度汽车参考速度车轮速度
47、在制动的初始阶段，车轮制动压力升高，车轮减速度增加，在第一阶段末，车轮减速度达到设定的门限-a，使相关的电磁阀转换到“保持压力”的状态，以使车轮充分制动，控制过程进入阶段2。此时尚不需要降低制动压力，因为超过门限值-a时，制动过程还处在-曲线的稳定区，滑移率还偏小（1（任一时刻的参考滑移率可由车身参考速度计算得出），确保车轮进入-曲线峰值附近的不稳定区域。之后，电磁阀即转换到“压力降低”位置，控制过程进入阶段3。由于减压，车轮在汽车惯性作用下加速，车轮减速度回升。当车轮减速度高于门限值-a时，电磁阀开启至“压力保持”位置，控制进入阶段4。在这段时间内，由于制动系统的惯性作用，车轮继续加速，减速
48、度由负值增加到正值，直到超过加速度门限值+a，制动压力继续保持不变。在阶段4结束时，车轮加速度若由于路面附着系数突然增大而超过设定的较大加速度门限值+A时，应进行一次增压，以适应附着系数的增加，直至加速度低于门限值+A，再次保压至低于门限值+a。车轮加速度低于门限值+a，说明车轮行驶在-曲线的稳定区，并稍有制动不足。由于-曲线峰值附近的附着系数比较大，要使在这一区域内的制动时间尽量延长，因此在阶段7制动压力采用小的上升梯度，电磁阀以增压和保压的方式不断切换，直到车轮减速度再次超过门限值-a，此时制动压力降低，不再考虑滑移率门限，进入下一循环的防抱死制动，即该循环的防抱死控制结束。思考题与习题1
49、、什么是ABS？ABS与汽车制动系统有何关系？2、汽车安全装置分为哪两种类型，各有什么功用？3、车轮抱死滑移的根本原因是什么？4、什么是车轮滑移率？影响车轮滑移率的主要因素有哪些？滑移率与制动阻力的关系怎样?ABS能将滑移率控制在什么范围？怎样控制车轮滑移率？5、防抱死制动系统ABS的功用是什么？由哪两个子系统组成？采用ABS有何优点？6、在常规制动装置工作正常的情况下，当ABS出现故障时，制动系统能否起作用？7、ABS采用的传感器有哪些？其输出信号怎样？8、ABS常用的电磁阀有哪些?ECU是怎样控制液压调节器来实现调压的？谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH