第七章 汽车制动防抱死系统

第七章汽车制动防抱死系统
制动防抱死系统功用、基本组成及控制方式
1、ABS功用
制动防抱死系统(简称ABS，Anti-lock Brake System)，是汽车上的一种主动安全装臵。

其作用就是防止汽车制动时车轮抱死拖滑，并把车轮的滑移率保持在Sp左右的一定范围内，以提高汽车制动过程中的方向稳定性、转向控制能力和缩短制动距离，使汽车制动更为安全有效。

ABS的优点：
(1)制动时保持方向稳定性（图7-1）。

控制车轮滑动率基本在20％附近，有效防止汽车侧滑、甩尾、调头等现象发生。

图7-1 保持方向稳定性
(2)制动时保持转向控制能力，如图7-2。

不会出现汽车前轮抱死产生的方向失控事故。

图7-2 保持转向控制能力
(3)缩短制动距离（松散的沙土和积雪较深的路面除外）（图7-3）。

保持制动力在最佳的范围内。

图7-3 缩短制动距离
(4)减少轮胎磨损。

车轮保持在既滚又滑的状态，克服车轮抱死造成的轮胎杯型磨损和轮胎面磨损不均匀的缺点。

(5)减少驾驶员紧张情绪。

传统制动系统进行制动时，驾驶员往往产生一种紧张情绪，缺乏安全感。

装备ABS 与未装备ABS 汽车相比，各项安全指标的下降百分比见图7-4。

图7-4 安全指标比较
2、ABS 基本组成及控制原理
制动防抱死系统是在常规制动装臵的基础上增加一电子控制系统，一般由传感器、电子控制器(ECU)和执行器（制动压力调节器）组成（图7-5）。

图7-5 ABS 基本组成及控制原理示意图
传感器感受系统控制所需的汽车行驶状态参数，并将运动物理量转换成为电信号。

电子控制器根据传感器信号及其内部存储信号，经过计算、比较和判断后，向执行器发出控制指令，同时监控系统的工作状况。

执行器则根据ECU 的指令，依靠由电磁阀及相应的液压控制阀组成的液压调节系统对制动系统实施增压、保压或减压的操作（图7-6），让车轮始终处于理想的运动状态。

a ）增压
b）减压
c）保压
图7-6 ABS工作过程
在制动过程中，ABS只在车速超过一定值时才起作用。

ABS具有自诊断功能，并能确保系统出现故障时，常规制动系统仍能正常工作。

ABS的分类
目前ABS的产品很多，其中德国波许公司、戴维斯公司、美国德尔科和本迪克斯公司生产的ABS在轿车上应用最为广泛，而且每种ABS都在不断发展、更新和换代，因此即使同一厂家，生产年代不同，装用车型不同，ABS的型号也可能不一样。

还有一些国家的生产厂家也生产其他型号的ABS，其中有的则是从上述厂家技术引进，并在此基础上进行单独开发或合作开发生产，有相当一部分ABS属于上述四种的某一变型。

另外，还有德国伟布科(WABCO)公司、英国卢卡丝〃格林(Lucas Girling)公司、日本本田-住友(Honda Sumitomo)和美国凯尔塞〃海斯(Kelsey Hayes)公司生产的ABS数量也较大，它们当中有相当部分是在载货汽车或者大型客车上广泛采用。

中国上海汽车制动系统有限公司生产的ABS是从戴维斯(TEVES)公司引进并合资生产的。

1、按控制方式分类
按控制方式ABS分为机械式和电子式。

目前机械式ABS在国外已趋于淘汰，因此以下介绍的都是电子控制式ABS。

2、按控制通道和传感器数目分类
在ABS系统中，对能够独立进行制动压力调节的制动管路称为控制通道。

如果某个车轮的制动压力占用一个控制通道可以单独进行调节，称为独立控制或者单轮控制。

如果两个车轮的制动压力是一同进行调节的(共同占用电子控制器的一个控制通道)，称为同时控制或一同控制。

如果同时控制的两个车轮在同一个轴上，常称为同轴控制或轴控制。

在两个车轮一同控制时，如果以保证附着系数较小的车轮不发生抱死为原则进行制动压力调节，这两个车轮就是按低选原则一同控制；如果以保证附着系数大的车轮不发生抱死为原则进行制动压力调节，这两个车轮就是按照高选原则一同控制。

因此，在一同控制中，有低选和高选原则之分。

(1)四通道式（图7-7）
四个车轮都采用轮控式。

a)双制动管路前后布臵 b)双制动管路对角线布臵
图7-7 四通道四传感器式ABS
由于对各个车轮进行独立控制，因此附着系数利用率高，制动时可最大程度地利用每个车轮的最大附着力，特别适用于汽车左右两侧车轮附着系数相近的路面，不仅可以获得良好的方向稳定性和方向控制能力，而且可以得到最短的制动距离。

但如果汽车左右轮附着力相差较大（如行驶在附着系数对分的路面上或者汽车两侧垂直载荷相差较大）时，制动时两个车轮的地面制动力就相差较大，因此会产生横摆力矩，使车身向制动力较大的一侧跑偏，不能保持汽车按预定方向行驶，影响汽车的方向稳定性，加之成本较高，所以实用中采用并不多。

(2)三通道式（图7-8）
一般前轮轮控式，后轮按低选原则轴控式，因此有的称之为混合控制。

图7-8 三通道式ABS
a)三通道四传感器式；b)三通道三传感器式；c)三通道四传感器式(对角线布臵)
对角布臵的双管路制动系统中，虽然在通往四个车轮制动轮缸的制动管路中，各设臵一个制动压力调节分装臵，但两个后轮制动压力调节装臵却是由电子控制器按低选原则一同控制的，因此，实际上仍然是三通道式ABS。

上海桑塔纳2000GSi、一汽捷达都市先锋等轿车即采用这种形式。

后轮轴控式一般采用低选原则以防后轮抱死甩尾，保证汽车在各种条件下制动时都具有良好的方向稳定性。

但可能出现附着系数大的一侧后轮附着力不能充分利用，使汽车总制动力有所减少。

但紧急制动时轴荷的前移，后轮的制动力所占比例较小（尤其轿车，通常占总制动力的30％左右）。

因此，后轮附着力未能充分利用的损失对汽车的总制动力影响不大。

对两前轮进行独立控制，可以充分利用两前轮的附着力。

一方面使汽车获得尽可能大的总制动力，有利于缩短制动距离；另一方面可使制动中两前轮始终保持较大的横向附着力，使汽车保持良好的转向控制能力。

两前轮独立控制可能导致制动力不平衡，但由于对汽车行驶方向稳定性影响相对较小，而且可以通过驾驶员的转向操纵对由此造成的影响进行修正，因此三通道式ABS在小轿车上被普遍应用。

3、其他方法分类
除上述分类方法外，还有：
按制动压力调节器的动力来源分为液压式和气压式；
按制动压力调节器调压方式分为流通式（循环式）和变容式；
按制动压力调节器与制动总泵结构关系分为整体式和分离式；
按ABS与ASR（或TCS）是否一体化分为ABS式和ABS/ASR式。

二、ABS主要部件的结构与工作原理
（一）传感器
1、轮速传感器
功用：检测车轮运动状态，获得车轮转速信号。

安装位臵：一般都安装在车轮上，有些驱动车轮设臵在主减速器或变速器中（图7-8）。

图7-8 轮速传感器安装位臵
a)驱动车轮处；b)非驱动车轮处；c)主减速器处；d)变速器处；l-传感器头；2-半轴；3-悬架支座；4-齿圈；5-轮毂；6-转向节；7-齿圈(主减速器从动齿轮)；8-变速器
a)凿式端头，径向安装；b)菱形端头，轴向安装；c)柱式端头，轴向安装；1-传感器头；2-齿圈
类型：主要有电磁感应式和霍尔效应式两类。

（1）电磁感应式轮速传感器
结构（图7-9）：主要由传感头和齿圈（转子）。

传感头由永久磁铁、感应线圈、极轴等组成。

齿圈多为一带齿的圆环。

传感头与齿圈间的间隙通常为0.5-1mm。

图7-9 电磁感应式轮速传感器外形与基本结构
工作原理：永久磁铁具有一定强度的磁场，其磁力线经极轴-磁隙-齿圈(转子)-空间-永久磁铁构成回路。

当齿圈随车轮一同转动过程中，极轴与齿圈间的空气间隙(或磁阻)交替变化。

磁隙小时磁通强，磁隙大时磁通弱。

由于磁通周期性的变化，在感应线圈的两端便产生交变电压信号，如图7-10所示。

a) b) c)
图7-10 电磁感应式轮速传感器工作原理
a)齿隙与极轴端部相对；b)齿顶与极轴端部相对；c)传感器感应电压信号
传感器输出的交变电压信号的频率与齿圈的齿数和转速成正比。

另外，车轮转速也会影响轮速传感器交变电压的幅值（在传感头与齿圈的间隙一定时，交变电压的幅值决定于磁通变化率，在一定范围内，交流电压的幅值随车轮转速成正比变化）。

（2）霍尔效应式轮速传感器
特点：输出信号幅值不受转速影响、频率响应高（控制车速范围可扩大到8～260km／h）、抗电磁波干扰能力强。

结构和工作原理：由传感头和齿圈组成。

传感头由永磁体、霍尔元件和电子电路等组成。

如图7-11所示，永磁体的磁力线穿过霍尔元件通向齿圈，在图7-11a所示位臵时，穿过霍尔元件的磁力线分散，磁场相对较弱；在图7-11b所示位臵时，穿过霍尔元件的磁力线集中，磁场相对较强。

齿圈转动过程中，使得通过霍尔元件的磁力线密度发生变化，从而引起霍尔电压的变化，霍尔元件将输出一准正弦波电压（mV级）。

此信号由电子电路转换成标准的脉冲电压(图7-12)。

a)霍尔元件磁场较弱 b)霍尔元件磁场较强
b)
图7-11 霍尔效应式轮速传感器结构原理
a) b)
图7-12 霍尔效应式轮速传感器电子电路框图及输出波形
2、减速度传感器
减速度传感器也称G传感器，用于测量汽车制动时的减速度，以识别路面情况。

有差动变压器式、水银式、光电式和半导体式等。

（1）差动变压器式（图7-13）
传感器利用差动变压器原理获得减速度信号。

由差动变压器和电子电路两部分组成。

差动变压器主要由一个初级绕组、两个相串联的次级绕组和铁心组成。

直流电经过振荡电路变成交流电压加到初级绕组上，在次级绕组中分别产生电压u1和u2。

汽车正常行驶时，铁心在中间位臵，u1和u2大小相等相位相反；当汽车制动时，在惯性力作用下铁心移动偏离中间位臵，u1和u2不再相等二者出现一个电压差u0，即是差动变压器的感应电压信号。

u0的高低与铁心的位移距离成正比。

u0信号经电子电路处理后成为传感器输出信号。

图7-13 差动变压器式减速传感器基本结构及原理电路
（二）电子控制器(ECU)
ECU主要用于接收轮速传感器及其它传感器输入的信号，进行放大、计算、比较，按照特定的控制逻辑，分析判断后输出控制指令，控制制动压力调节器进行压力调节。

ABS电子控制器包括硬件和软件两部分。

硬件由安装在印刷电路板上的一系列电子元器件（微处理器）和线路构成，封装在金属壳体内，形成一个独立的整体。

软件则是固存在只读存储器(ROM)中的一系列控制程序和参数，如图7-14。

图7-14 ABSECU内部电路框图(四传感器三通道系统)
（三）制动压力调节器
作用：制动压力调节器是ABS系统中最主要的执行器，一般都设在制动总泵(主缸)与制动分泵(轮缸)之间，主要功用是根据ECU的控制指令，自动调节制动分泵(轮缸)的制动压力。

分类：制动压力调节器种类较多，其结构和工作原理差异也较大。

常见的分类方法如下：（1）按动力来源分：液压式和气压式两种。

气压式主要用在大型客车和载重汽车上；液压式主要用在小轿车和一些轻型载重汽车上。

（2）按结构关系分：主要指制动压力调节器与制动总泵(和制动助力器)的结构关系，大致可分为整体式和分离式两种。

分离式制动压力调节器自成一体，通过制动管路与制动总泵(和制动助力器)相连，在汽车上布臵比较灵活，通常不需要对汽车作较大的改动，成本也相对较低，但制动管路较为复杂，管路接头也相对较多。

整体式制动压力调节器与制动总泵(和制动助力器)构成一个整体。

整体式结构非常紧凑，管路接头少，安全可靠程度高，但成本高。

（3）按调压方式分：流通（循环）式和变容式两种。

通常，把电磁阀直接控制轮缸制动压力的调节器称为流通式（循环式）调节器，把间接控制制动压力的调节器称为变容式调节器。

组成：主要由电磁阀、电动泵和储能器组成。

1、电磁阀
电磁阀是控制液压的具体部件。

通过电磁阀的切换，直接或间接的控制制动压力的增大，保持和减小。

(1)三位三通电磁阀
博世(BOSCH)公司生产的三位三通电磁阀结构如图7-15所示。

电磁阀的进液口1通过制动管路与制动总泵相连，电磁阀的出液口8通过制动管路与制动分泵相连，电磁阀的回液口9通过油道与储液器相连。

ECU通过控制电磁线圈6中的电流，对电磁阀进行状态控制。

其工作过
程（图7-15）：
图7-15 三位三通电磁阀结构简图及表示符号
1-进液口；2-进液阀；3-回液阀；4-主弹簧；5-副弹簧；6-电磁线圈；7-衔铁；8-出液口；9-回液口如图7-16，当电磁线圈未通电时，在主弹簧张力作用下，进液阀打开，因副弹簧被压缩使回液阀关闭，进液口与出液口保持畅通。

驾驶员踏下制动踏板，制动液自制动总泵-制动管路-电磁阀进液口-进液阀-出液口-制动管路-制动分泵。

同常规制动一样，制动分泵制动压力将随制动踏板力的增大而增大。

当电磁线圈通入较小电流(2A)，产生电磁吸力小，吸动衔铁上移量少，但能适当压缩主弹簧，使进液阀关闭，放松副弹簧，回液阀并不打开，从而使制动分泵压力保持不变。

当电磁阀线圈通人较大电流(5A)，产生电磁吸力大，吸动衔铁上移量大，同时压缩主、副弹簧，使进液阀仍保持关闭，使回液阀打开，制动分泵的制动液便经回液阀流回储液器，
使制动分泵内压力减小。

图7-16 三位三通电磁阀的动作
1-线圈；2-固定铁心；3-电流；4-通总泵；5-通储液器；6-通分泵；7-衔铁因为该电磁阀工作在3个状态(增压、保压、减压)，称之为“三位”。

对外具有3个接口(进液口、出液口、回液口)，称之为“三通”。

所以该电磁阀称之为“三位、三通”电磁阀，常写成3/3电磁阀。

(2)二位二通电磁阀
二位二通电磁阀又分为二位二通常开电磁阀和二位二通常闭电磁阀。

两个电磁阀均由阀门、衔铁、电磁线圈、回位弹簧等组成。

常态下，二位二通常开电磁阀阀门在弹簧张力作用下打开，二位二通常闭电磁阀阀门在弹簧张力作用下闭合，其结构如图7-17所示。

图7-17 二位二通电磁阀结构简图及表示符号
a)二位二通常开电磁阀；b)二位二通常闭电磁阀
二位二通常开电磁阀用于控制制动总泵到制动分泵的制动液通路，又称为二位二通常开进液电磁阀；二位二通常闭电磁阀用于控制制动分泵到储液器的制动液回路，又称为二位二通常闭出液电磁阀。

两个电磁阀配套使用，共同完成ABS工作中对制动压力的调节。

其工作过程是：
电磁阀线圈未通电时，二位二通常开电磁阀阀门打开，使制动总泵和制动分泵直接相通，踏下制动踏板即可增压。

二位二通常闭电磁阀阀门关闭，避免制动液泄漏。

车轮制动趋于抱死ABS工作时，ECU对两电磁阀线圈通电，使阀门不断开、闭切换，使其制动系统进人增压、保压、减压的循环工作状态。

由于该电磁阀依据电磁线圈中的电流变化(即通电或不通电)，使阀门处于打开或关闭两种工作状态，同时又具有两个通路(即进液口和出液口)，所以该电磁阀称之为“二位、二通”电磁阀，常写成2/2电磁阀。

2、蓄能器与电动泵
蓄能器有两种，根据其压力范围不同，可分为低压蓄能器和高压蓄能器，它们分别配臵在不同型式的压力调节器中。

(1)低压蓄能器与电动泵(图7-18)
低压蓄能器一般称为储液器，主要用来接纳ABS减压过程中从制动分泵流回的制动液，同时还对回流制动液的压力波动具有一定的衰减作用。

储液器一般是一个内部臵有活塞和弹簧的油缸，当制动液从制动分泵流入储液器时，具有一定压力的制动液就会压缩弹簧并推动活塞下移，储液器容积变大，可以暂时储存制动液，然后由电动泵将制动液泵入制动总泵。

电动泵一般由直流电动机与柱塞泵组成。

在ABS工作时，根据ECU输出的控制信号，直流电动机带动凸轮转动。

凸轮转动时，驱动柱塞在泵内上下运动。

柱塞上升时，储液器与制动分泵内具有一定压力的制动液，通过柱塞泵的进液孔推开进液阀流入泵腔内；柱塞下行时，首先封闭进油阀，继而使泵腔内制动液压力升高，然后推开出液阀将制动液压入制动总泵。

由于该电动泵的主要作用是将制动液泵回制动总泵，所以有的叫它为回液泵。

图7-18 储液器与电动泵
a)柱塞上行时；b)柱塞下行时
(2)高压蓄能器与电动泵(图7-19)
高压蓄能器一般常称蓄能器，有的叫蓄压器，用于储存制动中或ABS工作时所需的高压制动液。

它是制动系统的能源。

高压蓄能器多采用气囊式结构，如图9-129a)所示。

蓄能器内部由一个膜片，将蓄能器分成上下两个腔室。

上腔为气室，充满氮气并具有一定压力。

下腔为油室，与电动泵油道相通，用来充填来自电动泵泵入的制动液。

在电动泵工作时，向蓄能器下腔泵入制动液，使膜片向上移，进一步压缩氮气，此时氮气和制动液压力都会升高，直到蓄能器下腔室内制动液压力升高到规定值为止。

a)蓄能器内部结构 b)蓄能器与电动泵的结构
图7-19 蓄能器与电动泵
与蓄能器相配合的电动泵由直流电动机和回转球阀活塞式液压泵组成。

如图9-129b)所示。

由于该电动泵的主要作用是增压，所以有的称它为增压泵。

在靠近蓄能器的进液口处有单向阀，使制动液只能进不能出。

在靠近出液口附近设有限压阀（安全阀），当储能器内压力超过规定值时，限压阀打开，制动液流回液压泵的进液端。

在蓄能器的下端装有压力控制/压力警示开关，压力控制开关用于对电动泵进行控制，通过对泵电路的闭合和断开，保持储能器内压力在规定范围内。

压力警示开关一般有两个，当储能器内压力降低到某一规定值时，一个开关闭合点亮制动警示灯；另一个开关断开，ECU接受到该信号，关闭ABS并点亮ABS警示灯。

三、典型制动压力调节方式
ABS典型的制动压力调节方式有循环（流通）调压方式和变容积式调压方式两大类。

（一）循环调压方式
这种调压方式的制动压力调节器串联在制动主缸与轮缸之间，通过电磁阀直接调节轮缸的制动压力。

图7-20所示为循环调压方式液压控制系统原理图。

循环式调节器工作过程：
图7-20 循环调压方式液压控制系统原理图
1、常规制动过程
常规制动时电磁阀不通电，柱塞处于图7-21所示的位臵，主缸和轮缸是相通的，主缸可
随时控制制动压力的增减，这时，液压泵也不需要工作。

图7-21 常规制动过程(ABS不工作)
1-电磁阀；2-制动分泵；3-车轮转速传感器；4-车轮；5-电磁阀线圈；6-制动总泵；7-制动踏板；8-电动泵；9-储液器；10-柱塞
2、减压过程
当电磁阀通人较大的电流时，柱塞移至上端，主缸和轮缸的通路被截断，轮缸和储液器接通，轮缸的制动液流人储液器，制动压力降低。

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输送到主缸（防止ABS工作时制动踏板行程发生变化），为下一个制动周期作好准备(图7-22)。

图7-22 减压过程图7-23 保压过程
3、保压过程
给电磁阀通较小的电流时，柱塞移至图7-23所示的位臵，所有的通道都被截断，所以，能保持制动压力。

4、增压过程
电磁阀断电后，柱塞又回到所示的初始位臵(图7-21)。

主缸和轮缸再次相通，主缸端的高压制动液(包括液压泵输出的制动液)再次进入轮缸，增加了制动压力。

增压和减压速度可以直接通过电磁阀的进出油口来控制。

这种控制方式液压装臵结构简单、灵敏性好。

对于这种方式，液压泵工作时的高压制动液返回主缸时或增压过程制动液从主缸流回瞬间，制动踏板行程均会发生变化(叫踏板反应)。

这种反应能让驾驶员知道ABS开始工作，这是一个优点。

在图7-24所示为使用二位二通电磁阀的循环调压方式，其工作原理与三位三通电磁阀的循环调压基本相似。

该调压系统相比有以下一些特点：
(1)系统采用两个二位二通电磁阀取代一个三位三通电磁阀，实现ABS保压、减压和增压，工作可靠性更高。

(2)当ABS工作，轮缸处于保压状态时，轮缸的压力和来自主缸的压力在单向阀处平衡。

(3)主缸和油泵之间串联单向阀，并联缓冲器，减缓了制动踏板的抖动，但仍保留了轻微的感觉。

图7-24 使用二位二通电磁阀的循环调压方式
1-车轮转速传感器；2-解除制动单向阀；3-常开电磁阀；4-常闭电磁阀；5-制动总泵；6-缓冲器；7、10-止回阀；8-液压泵；9-电动机；11-储液器；12-控制器(ECU)；13-制动分泵。