汽车防抱死系统

汽车防抱死系统
1.1 防抱死制动系统的产生
当汽车以较高的车速在表面潮湿或者有冰雪的路面上紧急制动时，很可能会出现这样一些危险的情况：车尾在制动的过程中偏离行进的方向，严重的时候会出现汽车旋转掉头，汽车失去方向稳固性，这种现象称之侧滑；另一种情况是在制动过程中驾驶员操纵不了汽车的行驶方向，即汽车失去方向可操纵性，若在弯道制动，汽车会沿路边滑出或者闯入对面车道，即便是直线制动，也会由于失去对方向的操纵而无法避让对面的障碍物。

产生这些危险状况的原因在于汽车的车轮在制动过程中产生抱死现象，如今，车轮相关于路面的运动不再是滚动，而是滑动，路面作用在轮胎上的侧滑摩擦力与纵向制动力变得很小，路面越滑，车轮越容易出现抱死现象；同时汽车制动的初速度越高，车轮抱死所产生的危险性也越大。

这将导致汽车可能会出现下面三种情况：
1) 制动距离变长
2) 方向稳固性变差，出现侧滑现象，严重时出现旋转掉头
3) 方向操纵性丧失，驾驶员不能操纵汽车的行驶方向
防抱死制动系统ABS（Anti-lock Braking System）是一种主动安全装置，它在制动过程中根据“车辆一路面”状况，使用电子操纵方式自动调节车轮的制动力矩来达到防止车轮抱死的目的。

即在汽车制动时使车轮的纵向处于附着系数的峰值，同时使其侧向也保持着较高的附着系数，防止车轮抱死滑拖，提高制动过程中的方向稳固性、转向操纵能力与缩短制动距离，使制动更为安全有效。

随着汽车行驶速度的提高、道路行车密度的增大、与人们对汽车行驶安全性的要求越来越高，汽车行驶的安全性当然是最应受到关注的问题。

影响汽车安全性的因素很多，诸如汽车的制动性、操纵性、行驶的稳固性、抵御外界影响（碰撞、擦挂等）的能力等都影响汽车的安全性。

统计资料显示，在道路交通事故中，大约10%的事故是由于车辆在制动瞬间偏离预定轨道或者甩尾造成的.因此完善制动性能是减少交通事故的重要措施。

汽车行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向稳固性与在下长坡时能维持一定车速的能力称之汽车的制动性。

汽车的制动性还应包含汽车能在一定坡度的坡道上长时间停车不动的性能。

汽车的制动性要紧由下列三个方面来评价：
１) 制动效能
在一定车速行驶时，采取制动措施后能使车停下的距离称之制动效能。

距离越短，越有利于避免交通事故的发生。

它是制动性最基本的评价指标。

２) 制动时汽车的方向稳固性
它是汽车制动时，维持原有的行驶方向，不发生跑偏，侧滑的性能。

汽车制动过程中，不能失去方向稳固性与转向操纵能力。

３) 制动效能的恒定性
汽车在连续多次制动或者涉水后仍具备必要的制动功能的能力，即抗衰退性。

抗衰退性是指汽车在繁重工作条件下制动时（如下长坡时长时间连续制动），制动器温度升高后，其制动效能的保持程度。

它是设计制动器及选材中务必认真考虑的一个重要问题。

以上三项指标中，前两项指标使用 ABS装置后，其性能都会有明显的改善与提高，对避免交通事故的发生能起到很好的作用，因此 ABS是汽车上十分重要的主动安全装置。

ABS与常规制动系统相比，有下列优点：
1)改善制动效能。

这是由于在同样紧急制动情况下，ABS系统能够将滑移率操纵在20%左右，充分利用纵向峰值附着系数与较大的侧向附着系数，使车轮与地面间产生最大的地面制动力，缩短了制动距离。

2) 改善汽车制动时的方向稳固性。

汽车制动时，四个轮子的制动力是不一样的。

假如汽车的前轮抱死滑拖，驾驶员就无法操纵汽车的行驶方向，汽车就失去了转向操纵能力，只能按惯性力的方向运行，无法躲开行人与障碍物：若后轮先抱死，则会出现侧滑、甩尾，甚至使汽车整个调头等严重事故。

3)改善汽车制动时的横向稳固性。

假如车轮抱死，横向附着系数（也称侧向附着系数）就非常小，汽车极易侧滑。

ABS把滑移率操纵在8%~25%之间，横向附着系数较大，有足够的抵抗横向干扰的能力。

4) 改善车轮的磨损状况。

汽车车轮抱死滑拖会造成轮胎局部杯型磨损，轮胎面磨损也会不均匀，使轮胎磨损消耗增加。

经测定，汽车在紧急制动时，车轮抱死所造成的轮胎累加磨损费，己超过一套防抱死制动系统的造价，缩短轮胎的使
用寿命，ABS系统能够防止这种情况出现。

5)减轻驾驶员的劳动强度，减少驾驶员紧张情绪，提高了乘客的乘坐舒适性与安全性。

6)使用方便，工作可靠，维修简便。

制动时只要把脚踏在制动踏板上，ABS系统就会根据情况自动进入工作状态，如遇雨雪路滑，驾驶员也没有必要用一连串的点刹车方式进行制动，ABS系统会使制动状态保持在最佳点。

假如发现系统有故障，就会自动恢复为常规制动状态。

1.2 防抱死制动系统的进展历史
ABS进展至今，其进展史大致可划分为三个阶段。

20世纪30年代至50年代，这一时期是 ABS诞生与初步进展的时期。

制动防抱死系统最初不是用在汽车上，而是首先用在铁路机车上，以防止火车车轮制动抱死后在钢轨上滑行使制动距离延长，同时造成局部摩擦，致使车轮、钢轨早期损坏与车轮不能平稳旋转而产生噪声与振动。

随后又应用于飞机上，以防止飞机着陆后制动跑偏、甩尾与轮胎剧烈磨损，缩短滑行距离。

在30年代机械式防抱死制动系统就开始在飞机上获得应用。

由于飞机对制动时的方向稳固性要求高，而 ABS的价格占飞机总价格比例较小，机场的场面条件简单，尾部机轮能够精确测量机速，从而可获得正确的滑移率，实现精确操纵等一系列有利条件，使 ABS 在飞机上的应用取得成功，普及率很快上升，并很快成为飞机上的标准装备。

汽车上使用 ABS始于20世纪50年代，福特汽车公司首先将它装配在汽车上，这开创了汽车使用 ABS的先河。

1969年，林肯大陆牌III型汽车安装了由凯。

海斯研制成功的奥托一林纳防抱死装置。

装在后轮上的传感器能发送讯号到杂物箱后面的计算机，当传感器向计算机发出制动器将要抱死讯号时，计算机便操纵制动管路上的真空操纵阀，以降低后制动器的油压。

装用 ABS的轿车在光滑路面制动时确实提高了其稳固性，但在不好路面上制动，其制动距离较通常制动系的汽车长，加上ABS的体积、质量大，价格高，销路很有限。

制动厂家终于在70代中期停止了ABS汽车的生产。

由于科学技术的进展，欧洲随后研制成由数字计算机构成的较为现代型的 ABS。

数字计算机不易受干扰，速度快，能够把降低增加制动液压循环的次数增加到每秒十余次。

其速度完全能够与数字计算机处理数据的速度相匹配。

这种较为现代的ABS体积小、
质量轻、动作更快、更准确。

波许公司在 20世纪 60年代初就开始ABS的开发工作，于 1978年正式生产出ABS１型汽车防抱死制动系统，以后相继开发出将汽车防抱死制动系统与驱动力自动调节装置有机结合的ABS／ASR系统。

该公司于 1975年研制出部分集成模拟信号处理的第一代 ABS产品，以后又相继研制出全数字化与高度集成化的ABS 产品，并将微机操纵用于制动系统中。

德国的坦威斯公司（TEVES）于1984 年首次推出了整体式 ABS—坦威斯MK11 ，该系统将防抱死制动压力调节装置与制动主缸与液压制动助力器组合为一个整体，而在该系统出现往常，所有的ABS 都是将制动压力调节装置作为一个单独的整体，附加在常规的制动系统中，即使用的都是分离式结构。

20世纪30-50年代，西方国家研制出纯机械式的ABS并少量装备于汽车。

到了60年代，模拟电子技术在 ABS上开始使用，但因成本太高，可靠性也不稳固，未能在汽车上广泛使用。

70年代后期出现了数字式电子操纵的ABS，从而掀开了现代ABS大进展的序幕。

通过数字化与集成化，使ABS的组件数目大大减少，降低了成本，提高了可靠性，欧、美、日的汽车公司逐步在汽车上装备了ABS。

进入70年代后，随着电子技术的进步，数字电子技术、大规模集成电路的进展与微机的运用，电子操纵式ABS日趋成熟，成本不断降低，同时体积小、质量轻、操纵精度高，其安全效能十分显著，普遍受到人们的欢迎与认可，为其迅速普及制造了条件。

20世纪80年代ABS向着提高效能成本比的方向进展，是汽车ABS研制生产应用迅速进展的阶段，加之法规的推动作用，ABS已成为汽车上标准装备或者选择装备。

1.3 防抱死制动系统的进展趋势
1) ABS本身操纵技术的提高。

现代制动防抱死装置多是电子计算机操纵，这也反映了现代汽车制动系向电子化方向进展。

基于滑移率的操纵算法容易实现连续操纵，且有十分明确的理论加以指导，但目前制约其进展的瓶颈要紧是实现的成本问题。

随着体积更小、价格更便宜、可靠性更高的车速传感器的出现，ABS 系统中增加车速传感器成为可能，确定车轮滑移率将变得准确而快速。

全电制动操纵系统BBW(Brake-By-Wire)是未来制动操纵系统的进展方向之
一。

它不一致于传统的制动系统，其传递的是电，而不是液压油或者压缩空气，能够省略许多管路与传感器，缩短制动反应时间，保护简单，易于改进，为未来的车辆智能操纵提供条件。

但是，它还有很多问题需要解决，如驱动能源问题，操纵系统失效处理，抗干扰处理等。

目前电制动系统首先用在混合动力制动系统车辆上，使用液压制动与电制动两种制动系统。

2) 防滑操纵系统
防滑操纵系统ASR(Acceleration Slip Regulation)或者称之牵引力操纵系统TCS(Traction Contro System)是驱动时防止车轮打滑，使车轮获得最大限度的驱动力，并具有行驶稳固性，减少轮胎磨损与发动机的功耗，增加有效的驱动牵引力。

防滑操纵系统包含两部分：制动防滑与发动机牵引力操纵。

制动部分是当驱动轮（后轮）在低附着系数路面工作时，由于驱动力过大，则产生打滑，当ASR制动部分工作时，通过传感器将非驱动轮及驱动轮的轮速信号采集到操纵器中，操纵器根据轮速信号计算出驱动车轮滑移率及车轮减、加速度，当滑移率或者减、加速度超过某一设定阀值时，则操纵器打开开关阀，气压由储气筒直接进入制动气室进行制动，由于三通单向阀的作用气压只能进入打滑驱动轮的制动气室，在低附着系数路面上制动时，轮速对压力十分敏感，压力稍稍过大，车轮就会抱死。

为此利用ABS电磁阀对制动压力进行精细的调节，即用小步长增压或者减压，以达到最佳的车轮滑移的效果既能够得到最大驱动力，也可保持行驶的稳固性。

3) 电子操纵制动系统
由于ASS在功能方面存在许多缺陷,如气压系统的滞后，主车与接车制动相容性问题等。

为改善这些,出现了电子制动操纵系统EBS(Electronics Break System)它是将气压传动改为电线传动，缩短了制动响应时间。

最重要的特点是各个车轮上制动力能够独立操纵。

操纵强度则由司机踏板位移信号的大小来决定，由压力调节阀、气压传感器及操纵器构成闭环的连续压力操纵，这样能够在外环形成一个操纵回路，来实现各类操纵功能，如制动力分布操纵、减速操纵、牵引车与挂车处祸合力操纵等。

4) 车辆动力学操纵系统
车辆动力学操纵系统VDC(Vehicle Dynamics Control)是在ABS的基础上通
过测量方向盘转角、横摆角速度与侧向加速度对车辆的运动状态进行操纵。

VDC 系统根据转向角、油门、制动压力，通过观测器决定出车辆应具有的名义运动状态。

同时由轮速、横摆角速度与侧向加速度传感器测出车辆的实际运动状态。

名义状态与实际状态的差值即为操纵的状态变量，操纵的目的就是使这种差值达到最小，实现的方法则是利用车轮滑移率特性。

车辆动力学操纵系统目的是改善车辆操纵的稳固性，它能够在车辆运动状态处于危险状态下自动进行操纵。

其要紧作用就是通过操纵车辆的横向运动状态，使车辆处于稳固的运动状态，使人能够更容易地操纵车辆。

5) 操纵系统总线技术
随着汽车技术科技含量的不断增加，必定造成庞大的布线系统。

因此，需要使用总线结构将各个系统联系起来，实现数据与资源信息实时共享，并能够减少传感器数量，从而降低整车成本，朝着系统集成化的方向进展。

目前多使用 CAN 操纵器局域网络（Controller Area Network)用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。

1.4 国内防抱死制动系统的研究与应用概况
我国ABS的研究始于20世纪80年代初，现刚刚进入产品试制与装车试验阶段。

随着我国市场经济的不断进展及汽车保有量与车速的不断提高，行车安全问题变得越来越突出。

ABS系统的研究在我国成为热门课题，许多高校、科研单位与生产厂家正在加快研究攻关与技术引进步伐。

国内研制ABS的单位要紧有东风汽车公司、交通部重庆公路研究所、重庆宏安ABS有限公司、陕西兴平514厂、西安公路学院、清华大学、西安艾韦机电科技公司等单位与部门。

东风公司从80年代初就开始研究ABS，是较早研究ABS的厂家之一，现研究工作的要紧目标是对国外的产品进行消化汲取。

重庆公路研究所相继开发出了两代 ABS产品，第一代 ABS的ECU使用了Ｚ80芯片。

第二代ABS产品为 FKX-ACI型，该装置的ECU 中的CPU微处理器使用了美国工NTEL公司的MCS－96系列8098单片机。

我国目前己着手制定有关车辆安全性方面的法规，并决定首先在重型汽车与大客车上安装ABS系统。

从 1998年起，国产的奥迪、桑塔纳与富康等轿车，己普遍装上了ABS．
2.防抱死制动系统基本原理
ABS系统能够通过操纵制动过程中车轮的运动状态，使车轮不产生抱死，保证汽车制动时处于最佳的制动状态，即保持方向稳固性、方向操纵性与缩短制动距离。

因此，要对ABS系统进行研究，就务必先熟悉汽车制动时的制动特性。

2.1 制动时汽车的运动
2.1.1 制动时汽车受力分析
汽车在制动的过程中要紧受到地面给汽车的作用力、风的阻力与自身重力的作用。

地面对汽车的作用力又分为：作用在车轮上垂直于地面的支承力与作用在车轮上平行于地面的力。

汽车在直线行驶并受横向外界干扰力作用与汽车转弯时所受到地面给汽车的力如图2-1所示。

其中Ｆ：为地面作用在每个车轮上的地面制动力，他的大小决定于路面的纵向附着系数与车轮所受的载荷。

所有车轮上所受地面制动力的总与作为地面给汽车的总的地面制动力，它是使汽车在制动时减速并停止的要紧作用力。

Ｆｙ为地面作用在每个车轮上的侧滑摩擦力，侧滑摩擦力的大小取决于侧向附着系数与车轮所受的载荷，当车轮抱死时，侧滑摩擦力将变得很小，几乎为零。

汽车直线制动时，若受到横向干扰力的作用，如横向风力或者路面不平，汽车将产生侧滑摩擦力来保持汽车的直线行驶方向，如图2-1(a) 所示。

若汽车在转弯时制动或者在制动时转弯，也将产生侧滑摩擦力使汽车能够转向。

图2-1汽车直线与转弯制动时的平面受力简图
如图2-1（ｂ）所示。

地面制动力决定制动距离的长短，侧滑摩擦力则决定了汽车制动时的方向稳固性。

这里将作用在前轮上的侧滑摩擦力称之转弯力，将作用在后轮上的侧滑摩擦力称之侧向力。

转弯力与汽车的方向操纵性有关，它保证了汽车能够按照驾驶员的意愿转向；侧向力与汽车的方向稳固性有关，它保证了汽车的行进方向。

转弯力越大，汽车的方向操纵性越好；侧向力越大，汽车的方向稳固性越好。

如上所述，施加适当的制动，能够有效地使汽车停下。

制动强度过大，是汽车发生各类危险运动状况的要紧原因。

因此，汽车行驶时，要根据冰路、雪路、砂石路、坏路、水湿路干路、直路、弯曲路等道路条件，根据汽车速度、方向转角等行驶条件进行制动操作，务必经常注意不能让车轮完全抱死。

2.1.2 车轮抱死时汽车运动情况
车轮抱死时汽车所受到的侧滑摩擦力将会变的很小，这将使汽车制动时保持方向操纵性与方向稳固性的转弯力与侧向力变的很小，使汽车在制动时出现一些危险的运动情况。

对ABS系统来说，就是要防止这些危险情况的出现。

下面从汽车在一种路面上直线与转弯制动两方面简单讨论一下当车轮抱死时汽车的运动情况。

１)汽车在一种路面上直线运动制动车轮抱死时可能出现的运动情况如图
2-2所示。

图2-2（a）为只有前轮抱死时，由于前轮的转弯力基本为零，无法进行正常的转向操作。

为制动时前轮全部抱死而后轮不抱死汽车的运动情况示意，当前轮抱死时转弯力为零，驾驶员无法操纵汽车的方向使汽车转向来避让前方的障碍物，这时由于汽车后轮不抱死，因此汽车仍具有侧向力来维持方向稳固性。

图2-2（b）为只有后轮抱死时，后轮的侧向力接近于零，汽车仍具有方向操纵性，但会因后轮抱死而失去方向稳固性使汽车侧滑。

汽车不能保持原先的行驶方向，由于离心力与前轮转向力的作用，汽车将一面旋转一面沿曲线行驶（这种运动叫外旋转）。

图2-2（c）为前后车轮全部抱死时时转弯力与侧向力都为零，这种状态很不稳固，路面不均匀、左右轮地面制动力不相等时，即使对汽车施加很小的偏转力矩，汽车就会产生不规则运动而处于危险状态，在不规则旋转的过
程中将制动释放，汽车就会沿着瞬时行驶方向急速驶出，这也是很危险的。

图2-2 汽车直线制动车轮抱死时的运动情况
2 )汽车在一种路面上转弯制动车轮抱死时可能出现的运动情况如图 2-
3 所示。

所有这些运动情况若在制动时出现，都是极其危险的。

图2-3 汽车转弯制动车轮抱死时的运动情况从上面对出现这些危险运动情况的简单分析能够看出，制动时车轮抱死导致汽车出现各类危险运动情况，实质上是汽车因失去相应的维持本身方向稳固性方向操纵性的侧滑摩擦力而使汽车出现这些运动情况，即车轮抱死导致汽车的侧滑摩擦力为零。

车轮的抱死程度与汽车的地面制动力及汽车的侧滑摩擦力之间存在一定的关系，ABS之因此能防止汽车制动时出现危险的运动情况，就是根据这个关系来调整车轮的运动状态，以避免侧滑摩擦力为零。

2.2 滑移率与路面附着系数的关系
制动时道路作用于车轮上的纵向附着力就等于汽车制动力。

道路给予汽车转
Φ，侧向附向轮的侧向附着力就是使汽车转向的侧向力。

定义纵向附着力为F x
Φ，车轮的垂直载荷Ｎ，则纵向附着系数aϕ与侧向附着系数sϕ能够用着力Ｆy
下式表示：
N F x a Φ=ϕ …………………………………（2—1） N F y s Φ=
ϕ ……………………………………（2—2）
汽车在制动的过程中出现车轮抱死时，车轮的运动状态并不是从旋转状态突
然进入到相关于汽车停止的抱死状态，即车轮从旋转状态进入抱死状态要经历一
个过渡过程。

在此过渡过程中，车轮相关于汽车的转速慢慢降低，直至为零时
车轮抱死。

若以车轮抱死时的抱死程度为最大，则在过渡过程时车轮的抱死程度
就较小，在不对车轮进行制动时，车轮抱死的程度为最小。

车轮滑移程度用滑移
率Ｓ表示：
v r -1v v -v s ωω== ……………………………（2—3）
Ｖ： 车轮中心的速度，单位 ｍ／ｓ；
ω： 车轮制动时转速，单位 弧度／ｓ；
ｒ： 没有地面制动力时的车轮滚动半径，单位 ｍ：
这里ωωr v =，车轮中心的速度Ｖ即为车速。

显然，滑移率Ｓ的取值范围
为０~１． 当不对车轮进行制动时，车轮随汽车的运动而滚动，由车轮轮速计算
出的车轮中心速度汽车速度心速度与汽车的速度大小相等，滑移率为０。

若对车
轮施加制动，车轮的旋转将减速， 这时由轮速计算的车轮中心速度比车速小，
使汽车开始拖动车轮使车轮中心的速度与汽车速度一样，造成车轮相对路面产生
滑动，车轮既做滚动又做滑动，滑移率介于０与１之间。

当制动增强时，车轮的
转速逐步变小，最终为零，这时汽车拖带车轮相关于路面做纯滑动，滑移率为1。

可见，滑移率能够定量表示车轮抱死的程度。

车轮滑移率与车轮的纵向及侧向附着系数之间有如图2-4所示的关系。

显然
它们之间的关系是一种非线性关系。

图2-4 滑移率与附着系数的关系
滑移率为零时，纵向附着系数为零，侧向附着系数为最大。

滑移率增大时，
车轮与地面之间开始出现滑动，纵向附着系数近似呈线性增长，同时侧向附着系
数减小。

当滑移率继续增大时，纵向附着系数在滑移率S 为20%左右时达到峰值
后开始迅速减小。

达到峰值时的纵向附着系数称之峰值附着系数，侧向附着系
数继续减小。

车轮抱死时，滑移率为最大，纵向附着系数降至某一数值后不再变
化，侧向附着系数在车轮抱死时几乎为零。

实质上车轮通过轮胎的胎面与地面接
触，轮胎是弹性体，有很强的非线性，车轮滑移率与附着系数之间的非线性是轮
胎的非线性及轮胎与地面之间接触的非线性所造成的。

由于制动时地面作用在车轮上的地面制动力X F Φ、与侧滑摩擦力y ΦF 与车轮
的附着系数之间存在式（2-1）、（2-2）所示的线性关系，因此在制动过程中汽车
所受到的地面制动力X F Φ与侧滑摩擦力y ΦF ，与车轮的滑移率Ｓ之间也存在同样
的非线性关系。

同时，从图2-4中纵向附着系数与车轮滑移率之间的关系还能够
得出制动时车轮由转动到抱死的过程中，地面制动力Ｆ、将会在车轮的运动状态。