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汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)

一 前言 


近二十多年來(lái),中國(guó)汽車保有量不斷增加,隨著城市交通的不斷發(fā)展,如今的道路交通也變得愈加復(fù)雜,交通事故發(fā)生的也越來(lái)越頻繁了,但道路交通死亡人數(shù)一直在下降。這不僅是由于道路限速和禁止酒駕等法律規(guī)定原因,同時(shí)也與許多汽車廠在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)汽車時(shí)非常注重它的安全性有關(guān),當(dāng)事故發(fā)生時(shí)汽車被動(dòng)安全系統(tǒng)通過(guò)使用諸如側(cè)面碰撞保護(hù)、安全帶預(yù)緊器和安全氣囊等系統(tǒng)來(lái)保護(hù)乘客,并減少事故的后果;而主動(dòng)安全系統(tǒng)則可防止發(fā)生碰撞和避免側(cè)翻甩尾等事故的發(fā)生,降低撞擊速度減少傷害,主動(dòng)安全最重要的方面之一是提升制動(dòng)系統(tǒng)性能。汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)ABS是動(dòng)系統(tǒng)重要的安全部件,它的安裝普及率提高,提高了車輛主動(dòng)安全性。


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目前我國(guó)已經(jīng)成為世界上最大的汽車生產(chǎn)和使用消費(fèi)國(guó),汽車的行駛安全以及性能穩(wěn)定對(duì)于我國(guó)的汽車行業(yè)而言尤為重要。隨著汽車技術(shù)的迅速發(fā)展,安全性能越來(lái)越來(lái)受到人們的重視,制動(dòng)系統(tǒng)作為主要主動(dòng)安全件更是備受關(guān)注。伴隨著汽車行業(yè)越來(lái)越重視汽車制動(dòng)系統(tǒng),汽車制動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)以及創(chuàng)新的過(guò)程越來(lái)越針對(duì)不同的系統(tǒng)組成部分進(jìn)行專項(xiàng)研究和創(chuàng)新。交通事故通常與制動(dòng)距離長(zhǎng)、緊急制動(dòng)時(shí)發(fā)生側(cè)滑等情況密切相關(guān),ABS自誕生以來(lái)對(duì)車輛的安全性能明顯提升,特別在縮短制動(dòng)距離方面,樹立了安全的旗幟,防抱死剎車系統(tǒng)可以提高行車時(shí)車輛緊急制動(dòng)的安全系數(shù)。否則,汽車在遇緊急情況采取緊急剎車時(shí),容易出現(xiàn)輪胎抱死,也就是方向盤不能轉(zhuǎn)動(dòng),這樣危險(xiǎn)系數(shù)就會(huì)隨之增加,很容易造成嚴(yán)重后果。因此汽車的制動(dòng)性能是汽車安全行駛的重要保障之一,也是汽車最主要的性能參數(shù)之一。

世界各國(guó)由于能源危機(jī)和環(huán)境污染等問(wèn)題,目前對(duì)電動(dòng)汽車給予了前所未有的關(guān)注,電動(dòng)汽車ABS技術(shù)也要相應(yīng)發(fā)展。在城市工況中,汽車需要較頻繁的啟動(dòng)與制動(dòng),不管是采用哪種制動(dòng)方式,一旦車輪抱死,后果可想而知,因此對(duì)于汽車行駛安全性能的要求越來(lái)越高。汽車制動(dòng)防抱死系統(tǒng)(ABS)就是在這種要求下產(chǎn)生和發(fā)展的。

 概述 

ABS是常規(guī)剎車裝置基礎(chǔ)上的改進(jìn)型技術(shù),是一種具有防滑、防抱死等優(yōu)點(diǎn)的汽車安全控制系統(tǒng),防抱死制動(dòng)器本質(zhì)上是普通制動(dòng)器的增強(qiáng)型或改進(jìn)型。

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防抱死制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于在制動(dòng)困難或在潮濕或光滑的表面上制動(dòng)時(shí)防止制動(dòng)器鎖定和車輪打滑,通過(guò)防止車輛危險(xiǎn)滑行并允許駕駛員在試圖停止時(shí)保持轉(zhuǎn)向控制,這為日常駕駛增加了顯著的安全范圍。ABS既有普通制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)功能,又能防止車輪抱死,使汽車在制動(dòng)狀態(tài)下仍能轉(zhuǎn)向,保證汽車的制動(dòng)方向穩(wěn)定性,防止產(chǎn)生側(cè)滑和跑偏,是目前汽車上最先進(jìn)、制動(dòng)效果最佳的制動(dòng)裝置。


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制動(dòng)防抱死系統(tǒng)就是在制動(dòng)過(guò)程中防止車輪被制動(dòng)抱死,車輪抱死可引起:路面制動(dòng)力減小,制動(dòng)效能下降;降低輪胎使用壽命,當(dāng)汽車制動(dòng)前輪抱死時(shí),汽車會(huì)失去轉(zhuǎn)向能力,后輪抱死時(shí)側(cè)向力減小,制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性下降,會(huì)造成汽車急轉(zhuǎn)甩尾或側(cè)滑。制動(dòng)防抱死系統(tǒng)對(duì)汽車性能的影響主要表現(xiàn)在減少制動(dòng)距離、保持轉(zhuǎn)向操縱能力、提高行駛方向穩(wěn)定性以及減少輪胎的磨損方面。遇到緊急狀況,駕駛員只要盡可能地用力踩下剎車踏板不松開即可,其他的事情交給ABS來(lái)處理,因此駕駛者可以專心地處理緊急狀況,保證汽車的行駛安全。


三 定義
防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的英文縮寫是ABS,英文的全稱是Anti-lockBrakingSystem,或者是Anti-skidBrakingSystem。抱死,首先“抱死”指的是剎車片(或蹄片)與剎車盤(剎車鼓)沒(méi)有了相對(duì)滑動(dòng)摩擦,剎車時(shí)該摩擦副摩擦生熱,把汽車動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能,最終讓車停下或減速;其次車輪抱死其實(shí)是指汽車在緊急制動(dòng)的時(shí)候,車輪處于完全靜止不轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài),是指汽車在剎車過(guò)程中一次制動(dòng),輪胎不再旋轉(zhuǎn),在踩下汽車剎車的時(shí)候,汽車會(huì)給輪子一個(gè)使其能夠停止的力,使輪子不能繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),但輪子是具有一定慣性的,在輪子已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)后,依然會(huì)繼續(xù)向前滑行一段距離,最后才能徹底停止。假如汽車的前輪和后輪不在同一條直線上,因?yàn)樗哂械膽T性使得前后輪都會(huì)朝著各自的前方進(jìn)行滑行,根據(jù)對(duì)輪胎極限制動(dòng)時(shí)的測(cè)試,輪胎在直線制動(dòng)飽和時(shí)無(wú)法提供側(cè)向抓地力,此時(shí)車輛會(huì)難以完成任何側(cè)向控制,這樣前后輪朝著兩個(gè)不同的方向運(yùn)行車輛會(huì)發(fā)生不可控的橫擺(打轉(zhuǎn)),汽車發(fā)生甩尾現(xiàn)象。遇到這種情況,汽車的方向盤是沒(méi)有任何作用的,汽車就會(huì)完全失去控制,如果情況十分嚴(yán)重,很有可能會(huì)發(fā)生汽車的翻覆,造成交通事故等危害。
如果剎車完全抱死,這個(gè)能量轉(zhuǎn)換只能依靠輪胎與地面的摩擦了。摩擦分兩種:滾動(dòng)摩擦和滑動(dòng)摩擦,摩擦系數(shù)視路面干濕度等影響,當(dāng)踩下剎車時(shí)車輪與地面的摩擦力會(huì)逐漸增大,大到一個(gè)臨界點(diǎn)之后就會(huì)從滾動(dòng)變成滑動(dòng)摩擦;瑒(dòng)摩擦力又會(huì)逐漸減小,那么ABS就是利用這個(gè)摩擦力變化曲線的原理,將車輪的摩擦力固定在這個(gè)峰值,以此來(lái)減小剎車距離。劇烈摩擦使得輪胎橡膠高溫,接觸面局部液化,使剎車距離變短但側(cè)滑會(huì)更加速磨損。
防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(Anti-lock Braking System,ABS)是汽車縱向動(dòng)力學(xué)控制的研究內(nèi)容之一。防抱死,顧名思義是防止汽車一次制動(dòng),采用間歇性制動(dòng)剎車。指汽車在制動(dòng)過(guò)程中,自動(dòng)調(diào)節(jié)作用在車輪上的制動(dòng)力矩(車輪制動(dòng)力),阻止車輪在制動(dòng)力矩較大時(shí)出現(xiàn)抱死現(xiàn)象;時(shí)現(xiàn)代的ABS 系統(tǒng)能實(shí)時(shí)判定車輪的滑移率,將車輪在制動(dòng)時(shí)的滑移率保持在最優(yōu)值附近。所以,在ABS系統(tǒng)起作用時(shí),駕駛員不會(huì)由于前輪抱死而失去對(duì)車輛轉(zhuǎn)向的控制,而且汽車制動(dòng)距離會(huì)比車輪抱死時(shí)小,取得最佳制動(dòng)效能同時(shí)可以降低事故發(fā)生時(shí)的沖擊力。


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三 組成


ABS系統(tǒng)的組成如圖2所示,ABS系統(tǒng)主要由液壓制動(dòng)系統(tǒng)、車輪速度傳感器(磁鐵、線圈和齒圈)、制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器(電磁閥和液壓泵)和電子控制單元ECU和制動(dòng)控制電路等部分組成,是在傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上又增設(shè)車輪速度傳感器、電子控制單元、制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器和ABS警告燈;主要由ABS電子控制系統(tǒng)和ABS液壓控制系統(tǒng)兩大部分組成,電子控制系統(tǒng)的主要傳感器為車速傳感器,主要執(zhí)行器為電磁控制閥。


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1.輪速傳感器

又名轉(zhuǎn)速傳感器。輪速傳感器一般都安裝在車輪處,但有些驅(qū)動(dòng)車輪的輪速傳感器安裝在主減速器或變速器等傳動(dòng)系統(tǒng)部件中。傳感機(jī)構(gòu)由輪速傳感器和“齒圈”配對(duì)組成。在車輪內(nèi)側(cè)的一個(gè)固定裝置上安裝有輪速傳感器,輪速傳感器內(nèi)包含了大量可供產(chǎn)生磁力線的電磁線圈,車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)車輪輪輞上的齒圈轉(zhuǎn)動(dòng),這時(shí)所產(chǎn)生的磁力線被齒圈切割使傳感器內(nèi)的電磁線圈感應(yīng)出交變電流,電磁控制器檢測(cè)出脈沖率與車輪轉(zhuǎn)速之間的成正比的變化信號(hào),電子感應(yīng)器根據(jù)傳感器內(nèi)所設(shè)定的默認(rèn)數(shù)據(jù),與現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,分析并處理所測(cè)量到的脈沖信號(hào),并根據(jù)這些信號(hào)分析出每個(gè)車輪的運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)實(shí)際數(shù)據(jù)超出默認(rèn)數(shù)據(jù)的范圍時(shí),電磁控制器就會(huì)發(fā)出信號(hào)給電磁調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)柱塞的上下移動(dòng),進(jìn)一步調(diào)節(jié)各個(gè)車輪制動(dòng)分泵的油量。輪速傳感器的作用是檢測(cè)車輪轉(zhuǎn)速,產(chǎn)生與輪速成正比的正弦交流信號(hào),經(jīng)整形、放大轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào),并將車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)送入ABS ECU,用于對(duì)制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器實(shí)施控制。

(1)ABS輪速傳感器主要技術(shù)指標(biāo)

1)最小電流7mA,最大電流14mA

2)最小工作電壓9V,最大工作電壓18V

3)氣隙高度范圍在0.5~1.2mm

4)溫度范圍在:-40攝氏度~+125攝氏度

5)最小速度1HZ,最大速度大于2500HZ

(2)傳感器對(duì)ABS控制效果的影響

1)傳感器的信號(hào)好壞直接影響到ABS的控制,若安裝不到位或碰撞,就會(huì)導(dǎo)致傳感器采集的輪速信號(hào)時(shí)好時(shí)壞或完全沒(méi)有或有尖波干擾,造成ECU誤認(rèn)為車輪已趨向抱死,立即采取減壓調(diào)節(jié),導(dǎo)致車輛跑偏或走蛇形。

2)由于傳感器信號(hào)不好就會(huì)導(dǎo)致壓力調(diào)節(jié)器過(guò)早調(diào)節(jié),增壓閥過(guò)早關(guān)閉,引起制動(dòng)踏板很硬,有時(shí)還會(huì)感覺(jué)踩不下,也會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)距離很長(zhǎng)或沒(méi)有制動(dòng)的現(xiàn)象。

3)目前有80%的故障與傳感器有關(guān),所以在安裝傳感器時(shí)要格外仔細(xì),確保精確安裝到位。

目前ABS輪速傳感器主要有電磁式和霍爾式兩種。

(1)電磁式輪速傳感器

電磁式輪速傳感器與普通的交流發(fā)電機(jī)原理相同,永久磁鐵產(chǎn)生一定強(qiáng)度磁場(chǎng),齒圈在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí),齒圈齒頂和電極之間的間隙以一定的速度發(fā)生變化,這樣會(huì)使齒圈和電極組成的磁路中的磁阻發(fā)生變化,其結(jié)果使磁通量周期性增減變化,在線圈兩端產(chǎn)生正比于磁通量增減速度的感應(yīng)電壓。磁電式傳感器由電磁感應(yīng)傳感頭和磁性齒圈組成,結(jié)構(gòu)如下圖所示,傳感頭由永磁體、極軸和感應(yīng)線圈等組成,極軸有鑿式極軸和柱式極軸和菱形極軸式。傳感頭直接安裝在車輪附近不隨車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的部件上,如半軸套管、轉(zhuǎn)向節(jié)、制動(dòng)底板等。轉(zhuǎn)子齒圈是一個(gè)帶齒的圓環(huán),由磁阻較效的鐵磁性材料制成,隨車輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)的部件上,如半軸、輪轂或制動(dòng)盤等,與車輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

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1)工作原理

齒圈隨車輪轉(zhuǎn)動(dòng),突齒和齒隙不斷交替在極軸下掠過(guò),使鐵心磁通發(fā)生變化在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生交變信號(hào)電壓,頻率f=30~6000Hz,電壓幅值:U=1~15V.

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當(dāng)齒圈旋轉(zhuǎn)時(shí),齒頂與齒隙輪流交替對(duì)向磁芯,當(dāng)齒圈轉(zhuǎn)到齒頂與傳感頭磁芯相對(duì)時(shí),傳感頭磁芯與齒圈之間的間隙最小,由永久磁芯產(chǎn)生的磁力線就容易通過(guò)齒圈,感應(yīng)線圈周圍的磁場(chǎng)就強(qiáng);而當(dāng)齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)到齒隙與傳感磁芯相對(duì)時(shí),傳感頭磁芯與齒圈之間的間隙最大,由永久磁芯產(chǎn)生的磁力線就不容易通過(guò)齒圈,感應(yīng)線圈周圍的磁場(chǎng)就弱。此時(shí),磁通迅速交替變化,在感應(yīng)線圈中就會(huì)產(chǎn)生交變電壓,交變電壓的頻率將隨車輪轉(zhuǎn)速成比例變化。電子控制單元可以通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感輸入的電壓脈沖頻率進(jìn)行處理來(lái)確定車輪的轉(zhuǎn)速、汽車的參考速度等。

優(yōu)點(diǎn):電磁式輪速傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低;

缺點(diǎn):一是其輸出信號(hào)的幅值隨轉(zhuǎn)速的變化而變化。若車速過(guò)慢,其輸出信號(hào)低于1V,電控單元就無(wú)法檢測(cè);二是響應(yīng)頻率不高。當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí),傳感器的頻率響應(yīng)跟不上;三是抗電磁波干擾能力差。目前,國(guó)內(nèi)外ABS系統(tǒng)的控制速度一般為15~160km/h,今后要求控制速度范圍擴(kuò)大到8~260km/h以至更大,顯然電磁感應(yīng)式輪速傳感器很難適應(yīng)。

2)傳感器安裝位置




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