ABS制动系的设计

风的影子

以下是本人写的论文综述，大家觉得写的不好请指出来，谢谢：



汽车ABS技术的发展

丘启见
（重庆工学院重庆汽车学院，10504050521）

摘  要:文中阐述了汽车ABS制动系统组成、工作原理、分类、国内外ABS发展现状。
关键词:汽车；ABS；ASR；VSC；IVSC
The Development of Automobile ABS Technology
Qiu Qiijan (chongqing automobile institution in Chongqing Institute of Technology) 1050400521
Abstract:This paper elaborates the automobile ABS braking system composition, the principle of work, classified, the ABS development at home and abroad.
Key words: Automobile;ABS;ASR;VSC;IVCS
1、引言
“ABS”（Antilock Braking System）即“防抱死制动系统”，它是一种具有防滑、防抱死等优点的汽车安全控制系统，是在常规刹车装置的基础上的改进，是建立在传统的常规制动过程的基础上进行工作的。在制动过程中，车轮还没有趋于抱死时，其制动过程与常规制动过程完全相同；只有车轮趋于抱死时，ABS才会对趋于抱死的车轮的制动压力进行调节，防止汽车产生侧滑和跑偏，使汽车在此状态下仍能转向，保证汽车的制动方向稳定性和缩短制动距离，是目前汽车上最先进、制动效果最佳的制动装置，是提高汽车被动安全性的一个重要装置。
2、ABS的基本组成
现代ABS尽管采用的控制方式、方法以及结构形式各不相同，但除原有的传统的常规制动装置外，一般ABS都是由传感器、电子控制器和执行器三大部分组成，并通过线路连接成一个有机体，形成一个以滑移率为控制目标的自动控制系统。其中传感器主要是车轮转速传感器，执行器主要指液压调节器。
　　2.1、车轮转速传感器
车轮转速传感器是ABS中最主要的一个传感器。车轮转速传感器常简称为轮速传感器，它是由永久磁铁、磁极、线圈和齿圈组成。其作用是对车轮的运动状态进行检测，获得车轮转速（速度）信号。为了检测车轮的转速，在前后左右各车轮上都安装一个轮速传感器。这种布置方法被称为传感器布置方式。 在前轮驱动汽车上，可使用三个传感器方式，即在前差速器前部安装一个车轮转传感器，然后在左右后轮各安装一个车轮转速传感器。
齿轮脉冲信号发生器安装在车轮上，齿轮脉冲信号发生器产生的脉冲数和车轮的转速成正比。以上传感器信号都输往电子控制装置。
　　2.2、电子控制器
　　ABS的电子控制器ECU（Electronic Control Unit），简称ABS电脑。它的主要作用是接收轮速传感器等输入信号，计算出轮速、参考车速、车轮减速度、滑移率等，基于各车轮传感器送来的信号，利用电子控制装置的电脑，按预先确定好的判断程序计算各车轮的制动力。根据计算结果，如果需要加大制动力，就打开进油电磁阀，如果需要解除制动就打开泄油电磁阀。另外，ECU还有监测等功能，如有故障时会使ABS停止工作并将ABS警示灯点亮。
　　2.3、液压调节器
液压调节器是ABS中的主要执行器，主要由调压电磁阀、液压泵和储液器等组成，通过制动管路把制动主缸和各制动轮缸相连。其作用是接受ECU的指令，由电磁阀、液压泵和驱动电动机直接或间接地控制制动轮缸油压的增减。
一般汽车的制动系统分为三个独立的液压系统，即左前轮、右前轮和左右后轮。液压调节器按照电子控制装置电脑的指令，通过增压、保压、减压来调节上述三个系统4个车轮的制动油压。液压调节器附有专用的液压泵，如果需要提高油压，驱动电动机就会自动提高油压。
　  通常，ABS只有在汽车速度达到一定程度时，才会对制动过程中趋于抱死的车轮的制动压力进行调节。当汽车速度降到一定程度时，车轮制动抱死对汽车制动性能的不利影响很小，为了使汽车尽快制动停车，ABS就会自动终止防抱死制动压力调节，其车轮仍可能被制动抱死。
在制动过程中，如果常规制动系统发生故障，ABS会随之失去控制作用。若只是ABS发生故障、常规制动系统正常时，汽车制动过程仍像常规制动过程一样照常进行，只是失去防抱死控制作用。现代ABS一般都能对系统的工作情况进行监测，具有失效保护和自诊断功能，一旦发现影响ABS正常工作的故障时，将自动关掉ABS，恢复常规制动，并将ABS警示灯点亮，向驾驶员发出警示信号，提醒驾驶员及时进行修理。
3、ABS的工作原理
在常见的ABS系统中，每个车轮上各安装一个转速传感器，分别将各车轮的信号传给电子控制器，经电子控制器运算得出各车轮的滑移率，并根据滑移率控制各轮缸的油压。当滑移率在8%——35%时，车辆的纵向附着力和侧向附着力都较高。将这一附着区域内汽车制动的有关参数预先输入ABS的控制系统中，控制器可根据实际制动工况进行判断，给执行机构发出动作指令，将车轮的滑移率控制在这一最佳工作范围内，使各车轮处于不抱死的最佳工作状态，保证汽车制动时既不“跑偏”又不“甩尾”。
ABS控制轮缸油压一般有以下几个工作过程：
a、常规制动过程
如图24-91所示，ABS未进入工作状态时，电磁阀不通电，柱塞处于图示的最下方（即初始位置），主缸与轮缸的油路相通，主缸可随时控制制动油压的增减。
b、轮缸减压过程
如图24-92所示，当轮速传感器检测到车轮有抱死趋势（车轮滑移率s超出最佳范围）的信号时，感应交流电压增大，电磁阀通入较大电流，柱塞移到图示的最上方，主缸与轮缸的通路被截断，轮缸与储液器接通，轮缸压力下降，车轮滑移率s减小（即滚动成分增大）。与此同时，驱动电动机启动，带动液压泵工作，把流回储液器的制动液加压后送入主缸，为下一制动过程作准备。
c、轮缸保压过程
如图24-93所示，轮缸减压过程中，车轮的滑移率s下降至最佳范围，这时轮速传感器产生的电压信号较弱，电磁阀通入较小电流，柱塞下降至图示位置，所有油路都被截断，保持轮缸压力不变。
d、轮缸增压过程
如图24-94所示，当车轮滑移率s趋于零时，感应交流电压亦趋于零，电磁阀断电，柱塞下降到初始位置，主缸与轮缸油路再次相通，主缸的高压制动液重新进入轮缸，使轮缸油压回升，车轮又趋于接近抱死的工作状态。
以上几个过程的压力调节是脉冲式的，其频率约为4——10Hz。




4、ABS的分类
按控制通道分类, ABS系统分为单通道、双通道、三通道和四通道四种形式，所谓控制通道就是ABS系统中，能够独立进行制动压力调节的制动管路。如果对某车轮的制动压力可以进行单独调节，称这种控制方式为独立控制；如果对两个(或两以上)车轮的制动压力一同进行调节，则称这种控制方式为一同控制。在两个车轮的制动压力进行一同控制时，如果以保证附着力较大的车轮不发生制动抱死为原则进行制动压力调节，称这种控制方式为按高选原则一同控制；如果以保证附着力较小的车轮不发生制动抱死为原则进行制动压力调节，则称这种控制方式为按低选原则一同控制。
a、单通道ABS。
所有单通道ABS都是在前后布置的双管路制动系统的后制动管路中设置一个制动压力调节装置，对于后轮驱动的汽车只需在传动系中安装一个转速传感器。
单通道ABS一般对两后轮按低选原则一同控制，其主要作用是提高汽车制动时的方向稳定性。在附着系数分离的路面上进行制动时，两后轮的制动力都被限制在处于低附着系数路面上的后轮的附着力水平，制动距离会有所增加。由于前制动轮缸的制动压力未被控制，前轮仍然可能发生制动抱死，所以汽车制动时的转向操纵能力得不到保障。
由于单通道ABS能够显著地提高汽车制动时的方向稳定性，又具有结构简单、成本低的优点，因此在轻型货车上得到广泛应用。
b、双通道ABS
    双通道ABS在按前后布置的双管路制动系统的前后制动管路中各设置一个制动压力调节分装置，分别对两前轮和两后轮进行一同控制。两前轮可以根据附着条件进行高选和低选转换，两后轮则按低选原则一同控制。
对于后轮驱动的汽车，可以在两前轮和传动系中各安装一个转速传感器。当在附着系数分离的路面上进行紧急制动时，两前轮的制动力相差很大，为保持汽车的行驶方向，驾驶员会通过转动转向盘使前轮偏转，以求用转向轮产生的横向力与不平衡的制动力相抗衡，保持汽车行驶方向的稳定性。但是在两前轮从附着系数分离路面驶入附着系数均匀路面的瞬间，以前处于低附着系数路面而抱死的前轮的制动力因附着力突然增大而增大，由于驾驶员无法在瞬间将转向轮回正，转向轮上仍然存在的横向力将会使汽车向转向轮偏转方向行驶，这在高速行驶时是一种无法控制的危险状态。
双通道ABS多用于制动管路对角布置的汽车上，两前轮独立控制，制动液通过比例阀(P阀)按一定比例减压后传给对角后轮。
对于采用此控制方式的前轮驱动汽车，如果在紧急制动时离合器没有及时分离，前轮在制动压力较小时就趋于抱死，而此时后轮的制动力还远未达到其附着力的水平，汽车的制动力会显著减小。而对于采用此控制方式的后轮驱动汽车，如果将比例阀调整到正常制动情况下前轮趋于抱死时，后轮的制动力接近其附着力，则紧急制动时由于离合器往往难以及时分离，导致后轮抱死，使汽车丧失方向稳定性。
由于双通道ABS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，因此目前很少被采用。
c、三通道ABS
    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同控制。
按对角布置的双管路制动系统中，虽然在通往四个制动轮缸的制动管路中各设置一个制动压力调节分装置，但两个后制动压力调节分装置却是由电子控制装置一同控制的，实际上仍是三通道ABS。由于三通道ABS对两后轮进行一同控制，对于后轮驱动的汽车可以在变速器或主减速器中只设置一个转速传感器来检测两后轮的平均转速。
    汽车紧急制动时，会发生很大的轴荷转移(前轴荷增加，后轴荷减小)，使得前轮的附着力比后轮的附着力大很多(前置前驱动汽车的前轮附着力约占汽车总附着力的70%—80%)。对前轮制动压力进行独立控制，可充分利用两前轮的附着力对汽车进行制动，有利于缩短制动距离，并且汽车的方向稳定性却得到很大改善。
d、四通道ABS
    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)。
    由于四通道ABS可以最大程度地利用每个车轮的附着力进行制动，因此汽车的制动效能最好。但在附着系数分离(两侧车轮的附着系数不相等)的路面上制动时，由于同一轴上的制动力不相等，使得汽车产生较大的偏转力矩而产生制动跑偏。因此，ABS通常不对四个车轮进行独立的制动压力调节。
5、国外ABS发展历程
5.1、初期防抱死制动系统（ABS）
ABS系统的发展可以追溯到20世纪20年代。1928年制动防抱理论就被提出；博世（BOSCH）公司在1936年第一个获得了用电磁式车轮转速传感器获取车轮转速的制动防抱系统的专利权；福特（FORD）公司曾于1954年将飞机的制动防抱系统移置在林肯（LINCOIN）轿车上；凯尔塞•海伊斯（KELSEHAYES）公司在1957年对称为“AUTOMATIC”的制动防抱系统进行了试验研究，研究结果表明制动防抱系统确实可以在制动过程中防止汽车失去方向控制，并且能够缩短制动距离；克莱斯勒（CHRYSLER）公司在这一时期也对称为“SKIDCONTROL”的制动防抱系统进行了试验研究。60年代后期到70年代初期，电子控制的制动防抱系统进入产品化阶段；70年代后期，数字式电子技术和大规模集成电路的迅速发展，为防滑控制系统的使用化奠定了基础。
由于这一时期的各种制动防抱系统采用的都是机械式车轮转速传感器的机械式制动压力调节装置，因此，获取的车轮转速信号不够精确，制动压力调节的适时性和精确性也难于保证，控制效果并不理想。
5.2、ABS与驱动/加速防滑系统(ASR)的集成
ASR（Acceleration Slip Regulation）的作用是防止汽车起步、加速过程中驱动轮打滑，特别是防止汽车在非对称路面或转弯时驱动轮空转，并将滑移率控制在10%--20%内。1972年，日本首次注册以停止发动机点火为控制手段的汽车驱动防滑控制装置；1978年，德国注册通过减少气缸供油实现汽车驱动防滑控制的装置；1981年，日本注册以调节离合器结合程度来限制汽车驱动轮过度滑转的汽车防滑控制的专利；1985年，诞生了世界上第一个试车采用的汽车驱动防滑系统，即由瑞典的Volvo汽车公司将ETC电子牵引力控制系统安装在Volvo Turbo汽车上；1986年，美国GM汽车公司Cheverolet分部在其生产的克尔维特•英迪牌轿车上安装了驱动防滑控制系统；1986年12月，BOSCH公司第一次将制动防抱死控制技术和驱动防滑转控制技术结合起来应用到Mercedes S级轿车上，并实现小批量生产。
ASR和ABS的工作原理方面有许多共同之处，两者合并使用可形成更佳效果，构成具有防车轮抱死和驱动轮防打滑控制(ABS /ASR)系统。这套系统主要由轮速传感器、ABS/ ASR ECU控制器、ABS驱动器、ASR驱动器、副节气门控制器和主、副节气门位置传感器等组成。在汽车起步、加速及行进过程中，引擎ECU根据轮速传感器输入的信号，当判定驱动轮的打滑现象超过上限值时，就进入防空转程序。首先由引擎ECU降低副节气门以减少进油量，使引擎动力输出扭矩减小。当ECU判定需要对驱动轮进行介入时，会将信号传送到ASR驱动器对驱动轮（一般是前轮）进行控制，以防止驱动轮打滑或使驱动轮的打滑保持在安全范围内。
5.3、ABS/ASR与车身稳定控制 (VSC) 系统的集成
VSC（Vehicle Stability Control）的作用是利用车辆的动力学状态变量反馈来调节车轮纵向力的大小及匹配，使车辆在各种路面和各种工况下都获得良好的操纵稳定性和方向性，还可以对因猛打方向盘或者路面湿滑而引起的侧滑现象进行控制。当传感器检测出车辆侧滑时，系统能自动对各车轮的制动以及发动机动力进行控制。
稳定控制系统是从其他技术上发展起来的，例如ABS和牵引力控制技术，这些系统工作时，都必须检测车轮是否将要抱死并能单独的调整车轮的制动力。稳定控制系统利用了这项技术以及所用的传感器和计算控制单元。控制单元不断的监测并处理从转向系统、车轮和车身上的传感器上传来的信号，确定车辆过弯时是否正在打滑，如果发现打滑，控制单元对需要制动的车轮进行微量制动以帮助稳定车辆的行驶状态。有些系统还可以进一步的调整发动机的输出功率，从而可以在不需要驾驶员干涉的情况下帮助其控制车辆。
与ABS等其他主动安全系统相比，VSC系统拥有三大特点：
a、实时监控：VSC系统能够实时监控驾驶者的操控动作（转向、制动和油门等）、路面信息、汽车运动状态，并不断向发动机和制动系统发出指令。
b、主动干预：ABS等安全技术主要是对驾驶者的动作起干预作用，但不能调控发动机。VSC系统则可以通过主动调控发动机节气门，以调整发动机的转速，并调整每个轮子的驱动力和制动力，来修正汽车的过度转向和转向不足。
c、事先提醒：当驾驶者操作不当或路面异常时，VSC系统会用警告灯警示驾驶者。
汽车防滑控制系统发展到今天，已经实现了ABS制动防抱死控制功能、ASR驱动/加速防滑功能和VSC车身稳定性控制功能的统一。
5.4、车辆综合控制系统（IVCS）
随着电子技术的发展，繁多的车辆辅助系统是车辆空间越发缩小，为了更好地利用有限的空间，提出了车辆综合控制系统，即把ABS、ASR、VSC等综合集成一个系统，使这个综合系统具备所综合系统的优点，使所有辅助系统能够一体化的同时又不缺失某个系统的作用。
IVCS（Vehicle integrated control system）是将现有及未来所有车载控制子系统的功能加以集成，以实现综合控制，目的是在提高汽车动力学性能、安全性能的同时降低成本。IVSC设计动力传动系统、制动系统、悬架系统、转向系统以及安全性等，包括主动悬架、防滑控制系统（ABS和ASR）、Brake-By-Wire、Steer-By-Wire、防撞/撞击减轻技术、智能交通等汽车地盘控制系统。
这一系统现在仍处于理论研究阶段，离实际应用还有一定距离。
6、国内ABS的发展现状
   近年来，ABS技术在我国也正在推广和应用，1999年我国制定的国家强制性标准GB 12676-1999《汽车制动系统结构、性能和试验方法》中已把装用ABS作为强制性法规。此后一汽大众、二汽富康、上海大众、重庆长安、上汽通用等均开始采用ABS技术，但这些ABS装置我国均没有自主的知识产权。
    国内研究ABS主要有东风汽车公司、交通部重庆公路研究所、济南捷特汽车电子研究所、清华大学、西安交通大学、吉林大学、华南理工大学、合肥工业大学等单位，虽然起步晚，也取得了一些成果。在气压ABS方面，国内企业包括东风电子科技股份有限公司、重庆聚能、广东科密等都已形成了一定的生产规模。液压ABS由于技术难度大，国外技术封锁严密，国内企业暂时不能独立生产，但在液压ABS方面也有自主研发，力图突破国外跨国公司的技术壁垒，已经取得了一些新的进展和突破。如清华大学和浙江亚太等承担的汽车液压防抱死制动系统(ABS)“九五”国家科技攻关课题，在ABS控制理论与方法、电子控制单元、液压控制单元、开发装置和匹配方法等关键技术方面均取得了重大成果。采用的耗散功率理论，避免了传统的逻辑门限值研究方法的局限性，取得了理论上的突破，研发ABS成功且进入产业化、批量生产阶段。其式样在南京IVECO情形客车上匹配使用全面达到了国家标准GB 12676-1999和欧洲法规EEC R13的要求。同时合肥工业大学也研制出国内具有自主知识产权的液压制动电子防抱死系统，率先在HF6700轻型汽车上匹配使用获得成功。国内液压ABS技术含量与国外虽有一定的差距，但在政府的大力支持和国内丰富的人力资源配合下，相信国内可以在较短的时间内在ABS技术某些领域赶超国际水平。
7、ABS的发展趋势
    随着电子技术和汽车技术的快速发展，ABS技术得到了不断完善。根据国内外的一些研究动态和高档轿车的实际应用表明，ABS技术将沿以下几个方面继续发展。
    a、采用现代控制理论和方法完善ABS技术性能。目前得到广泛应用的是采用门限值控制方法的ABS，有一定局限性。近几年出现的增益调度PID（Proportion Integral Differential）控制、变结构控制和模糊控制等方法，是以滑移率为目标的连续控制，使制动过程中保持最佳、稳定的滑移率，理论上是理想的防抱死制动控制系统。
    b、提高ABS的可靠性、自适应性。ABS是加装在汽车上的辅助安全装置，要求有高可靠性，否则会导致车损人亡。
    c、提高系统的集成度，减小体积，减轻质量。现代汽车的安装空间都非常紧凑，而ABS又是提高汽车安全性的附加装置，预留的空间非常有限，所以要求ABS体积尽量小；此外新增加的装置必然增加整车质量，对整车经济性、动力性不利，要求ABS质量轻。
    d、增强ABS控制器的功能，扩大适用范围。随着ABS技术不断的成熟和发展，很多ABS控制器已经选用功能强、速度快、集成度高的16位或32位微处理器，甚至做成专用芯片。
    e、提高总线技术在ABS系统上的应用。这样可以减少线束的数量和容积，提高电子系统的可靠性和可维护性；采用通用传感器，达到数据共享的目的；改善系统的灵活性，即通过系统的软件可以实现系统功能的变化。
    随着新理论、新材料、新技术等的不断应用，结构更简化、性能更强、成本更低的ABS产品将不断推出，汽车安全性也将因此得到进一步的改善和提高。
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