ABS系统的结构组成及工作原理分析

ABS 系统的结构组成及工作原理分析 摘要 本文主要介绍汽车防抱死制动系统的定义 结构组成及工作原理 分析 同时还介绍 ABS 系统的电子控制部分的组成和原理 轮速传感器 液压控制装置的组成和原理 并能进行控制电路的分析 关键词 ABS 系统 组成 原理 控制电路 一 前言 ABS Anti locked Braking System 防抱死制动系统 它是一种具有防 滑 防锁死等优点的汽车安全控制系统 现代汽车上大量安装防抱死制 动系统 ABS 既有普通制动系统的制动功能 又能防止车轮锁死 使汽 车在制动状态下仍能转向 保证汽车的制动方向稳定性 防止产生侧滑 和跑偏 是目前汽车上最先进 制动效果最佳的制动装置 ABS 系统主要由传感器 电子控制装置和执行器三个部分组成 表 1 ABS 系统各组成部件的功能 组成元件 功能 传感器 车速传感器 检测车速 给 ECU 提供车速信号 用于滑移率控制方式 轮速传感器 检测车轮速度 给 ECU 提供轮速信号 各种控制方式均采用 减速传感器 检测制动时汽车的减速度 识别是否是冰雪等易滑路面 只用于四轮驱 动控制系统 执行器 制动压力调节器 接受 ECU 的指令 通过电磁阀的动作实现制动系统压力的增加 保持和 降低 液压泵 受 ECU 控制 在可变容积式制动压力调节器的控制油路中建立控制油压 在循环式制动压力调节器调节压力降低的过程中 将由轮缸流出的制动 液经蓄能器泵回主缸 以防止 ABS 工作时制动踏板行程发生变化 ABS 警告灯 ABS 出现故障时 由 EUC 控制将其点亮 向驾驶员发出报警 并由 ECU 控制闪烁显示故障代码 ECU 接受车速 轮速 减速等传感器的信号 计算出车速 轮速 滑移率和 车轮的减速度 加速度 并将这些信号加以分析 判别 放大 由输出 级输出控制指令 控制各种执行器工作 二 电子控制系统 2 1 传感器的结构型式与工作原理 一 转速传感器 齿圈与轮速传感器是一组的 当齿圈转动时 轮速传感器感应交流信号 输出到 ABS 电脑 提供轮速信号 轮速传感器通常安装在差速器 变速 器输出轴 各车轮轮轴上 轮速传感器在车轮上的安装位置 轮速传感器是由传感头和齿圈等组成 二 横向加速度传感器 有一些 ABS 系统中装有横向加速度传感器 因里面主要开关触点组成 因而一般称为横向加速度开关 外形如图 1 所示 横向加速度低于限定 值时 两触点都处于闭合状态 插头两端子通过开关内部构成回路 当 汽车在高速急转弯过程中 横向加速度超过限定值时 开关中的一对触 点在自身惯性力的作用下处于开启状态 插头两端子之间在开关内部形 成断路 此信号输入 ECU 后可对制动防抱死控制指令进行修正 以便有 效地调节左右车轮制动轮缸的液压 使 ABS 更有效地工作 此装置在较 高级的轿车和跑车上采用较多 图 1 三 减速度传感器 目前 在一些四轮驱动的汽车上 还装有汽车减速度传感器 又称 G 传 感器 其作用是在汽车制动时 获得汽车减速度信号 因为汽车在高附 着系数路面上制动时 汽车减速度大 在低附着系数路面上制动时 汽 车减速度小 因而该信号送入 ECU 后 可以对路面进行区别 判断路面 附着系数高低情况 当判定汽车行驶在雪地 结冰路等易打滑的路面上 时 采取相应控制措施 以提高制动性能 减速度传感器有光电式 水银式 差动式变压式等 A 光电式减速度传感器 汽车匀速行驶时 透光板静止不动 当汽车减速度时 透光板则随着减 速度的变化沿汽车的纵轴方向摆动 减速度越大 透光板摆动位置越高 由于透光板的位置不同 允许发光二极管传送到光电晶体管的光线不同 使光电晶体管形成开和关两种状态 两个发光二极管和两个光电晶体管 组合作用 可将汽车的减速度区分为四个等级 此信号送入电子控制器 就能感知路面附着系数情况 B 水银式减速度传感器 水银式减速度传感器的基本结构如图所示 由玻璃管和水银组成 在低附着系数路面时汽车减速度小 水银在玻璃管内基本不动 开关在 玻璃管内处于接通 ON 状态 在高附着系数路面上制动时 汽车减速 度大 水银在玻璃管内由于惯性作用前移 使玻璃管内的电路开关断开 OFF 如图 2 所示 此信号送入 ECU 就能感知路面附着系数情况 图 2 水银式汽车减速度传感器 不仅在前进方向起作用 在后退方向也能送 出减速度信号 C 差动变压式减速度传感器 2 2 电子控制模块 电脑 的结构与工作原理 ABS 系统电子控制部分可分为电子控制器 ECU ABS 控制模块 ABS 计算机等 以下简称 ECU ECU 的基本结构 ECU 由以下几个基本电路组成 1 轮速传感器的输入放大电路 2 运算电路 3 电磁阀控制电路 4 稳压电源 电源监控电路 故障反馈电路和继电器驱动电路 各电路的连接方式如图 3 至 5 所示 图 3 图 4 图 5 a 轮速传感器的输入放大电路 安装在各车轮上的轮速传感器根据轮速输出交流信号 输入放大电路将 交流信号放大成矩形波并整形后送往运算电路 不同的 ABS 系统中轮速传感器的数量是不一样的 每个车轮都装轮速传 感器时 需要四个传感器 输入放大电路也就要求有四个 当只在左右 前轮和后轴差速器安装轮速传感器时 只需要三个传感器 输入放大电 路也就成了三个 但是 要把后轮的一个信号当作左 右后轮的两个信 号送往运算电路 b 运算电路 运算电路主要进行车轮线速度 初始速度 滑移率 加减速度的运算 以及电磁阀的开启控制运算和监控运算 初始速度 滑移率及加减速度运算电路把瞬间轮速加以积分 计算出初 始速度 再把初始速度和瞬时线速度进行比较运算 则得出滑移率及加 减速度 电磁阀开启控制运算电路根据滑移率和加减速度控制信号 对 电磁阀控制电路输出减压 保压或增压的信号 c 电磁阀控制电路 接受来自运算电路的减压 保压或增压信号 控制通往电磁阀的电流 d 稳压电源 电源监控电路 故障反馈电路和继电器驱动电路 在蓄电池供给 ECU 内部所有 5V 稳压电压的同时 上述电路监控着 12V 和 5V 电压是否在规定范围内 并对轮速传感器输入放大器 运算电路和 电磁阀控制电路的故障信号进行监视 控制着电磁阀电动机和电磁阀 出现故障信号时 关闭电磁阀 停止 ABS 工作 返回常规制动状态 同 时仪表板上的 ABS 警报灯点亮 让驾驶员知道有故障情况发生 安全保护电路 ECU 的安全保护电路具有故障状态外部显示功能 系统发生故障时 首 先停止 ABS 工作 恢复常规制动状态 使仪表板上的 ABS 警报灯点亮 提示整个系统处于故障状态 现在的故障显示方法一般是通过 ECU 内部 的发光二极管 LED 的闪烁 仪表板上的 ABS 警报灯的闪烁 或用专 用的诊断装置加以显示 切断点火开关后故障显示内部消失 重新接通 点火开关时若未发现故障 则认为系统正常 ABS 可进行正常控制 具 有专用诊断装置的 ABS 系统能够记忆故障内容 并能根据专用诊断装置 的指令将记忆的故障编码 进行显示或消除 1 接通电源时的初始检查 接通点火开关 ECU 电源接通时 将检查下列项目 1 微处理机功能检查 使监视器产生错误信息 让微处理机识别 检查 ROM 区的数据 确认未发生变化 对 RAM 区进行数据输入和输出 判断工作是否正常 检查 A D 转换的输入 判断是否正常 检查微处理机间的信号传递 判断是否正常 2 电磁阀动作检查 使电磁阀产生动作 判断是否正常工作 3 故障反馈电路功能检查 由微处理机来识别故障反馈电路工作是否正常 2 汽车起步时的检查 汽车起步时对重要的外围电路进行检查 若检查结果正常 ABS 开始工 作 1 电磁阀功能检查 让电磁阀工作 判断是否正常 比较各电磁阀的开 关电阻 判断电磁阀是否工作正常 2 电动机动作检查 使电动机运转 判断是否正常 3 轮速传感器及输入放大电路的信号确认 确认所有的轮速传感器信号都能输入到微处理机 3 行驶中的定时检查 1 12V 载货车为 24V 5V 电压监视 识别供给的 12V 电压和 5V 内部电压是否为规定电压值 监视 12V 电压 并考虑 ABS 工作过程中电压瞬间下降和电动机起动时电压瞬间下降的情 况 然后加以分析识别 2 电磁阀动作监视 ABS 系统工作过程中 电磁阀必定动作 ECU 随时监视电磁阀的工作情 况 3 运算电路中运算结果的对比检查 ECU 内部通常设有二套运算电路 同时进行运算和传输数据 利用各自 的运算结果相互比较 互相监视 能够确保可靠性 及早发现异常情况 另外 各种速度信号和输入 输出信号也在运算电路中相互比较 这些 结果必须相同 4 微处理机失控检查 由监视电路判断微处理机工作是否正常 5 脉冲信号的监视 微处理机时钟信号的脉冲频率不能降低 6 ROM 数字的确定 计算 ROM 数据之和 确认程序工作正常 4 自行诊断显示 如果安全保护电路检查出有异常情况 则停止 ABS 系统的工作 返回原 有的常规制动方式 不使用 ABS 且 ECU 呈现故障状态 这时 ECU 内的发光二极管 ABS 警报灯或专用诊断装置发出故障信号 ECU 根据 这些信号显示出故障码 汽车生产厂 汽车型号或 ABS 系统不同时 故障码也不一样 ECU 的工作原理 ECU 是 ABS 系统的控制中心 它的本质是微型数字计算机 一般是由两 个微处理器和其他必要电路组成的 不可分解修理的整体单元 电脑的 基本输入信号是四个轮速传感器送来的轮速信号 输出信号是 给液压 控制单元的控制信号 输出的自诊断信号和输出给 ABS 故障指示灯的信 号 如图所示 1 ECU 的防抱死控制功能 电子控制模块 电脑 有连续监测四个轮速传感器速度信号的功能 电 脑连续地检测来自全部四个轮速传感器传来的脉冲电信号 并将它们处 理 转换成和轮速成正比的数值 从这些数值中电脑可区别哪个车轮速 度快 哪个车轮速度慢 电脑根据四个轮子的速度实施防抱死制动控制 电脑以四个轮子的传感器传来的数据作为控制基础 一旦判断出车轮将 要抱死 它立刻就进入防抱死控制状态 向液压调节器输出幅值为 12V 的脉冲控制电压 以控制轮缸上油路的通 断 轮缸上油压的变化就调 节了车轮上的制动力 使车轮不会因一直有较大的制动力而让车轮完全 抱死 通与断的频率一般在 3 12 次 秒 2 ECU 的故障保护控制功能 首先 电脑能对自身的工作进行监控 由于电脑中有两个微处理器 它 们同时接受 处理相同的输入信号 用与系统中相关的状态 电脑的 内部信号和产生的外部信号进行比较 看它们是否相同 从而对电脑本 身进行校准 这种校准是连续的 如果不能同步 就说明电脑本身有问 题 它会自动停止防抱死制动过程 而让普通制动系统照常工作 此时 修理人员必须对 ABS 系统 包括电脑 进行检测 以及时找出故障原因 图 6 是 ABS 系统电脑内部监控工作的简要图解 来自轮速传感器 的输 入信号同时被送到电脑中的两个微处理器 和 在它们的逻辑模块 中处理后 输出内部信号 车轮速度信号 和外部信号 给液压调 节器的信号 然后根据这两种信号进行比较 校对 逻辑模块 产生 的内部信号 被送到两个不同的比较器 和 中 每个处理器中有一个 比较器 在那里进行比较 如果它们不相同 电脑将停止工作 微处 理器 产生的外部信号 一路直接送到比较器 另一路由液压调节器 控制电路 经过反馈电路 送到比较器 微处理器 产生的外部信号 直接送到比较器 和 通过比较器进行比较 如果外部信号不能同步 ABS 系统电脑将要关闭防抱死制动系统 图 6 ABS 系统电脑不仅能监视自己内部的工作过程 而且还能监视 ABS 系统 中其他部件的工作情况 它可按程序向液压调节器的电路系统及电磁阀 输送脉冲检查信号 在没有任何机械动作的情况下完成功能是否正常的 检查 在 ABS 系统工作的过程中 电脑还能监视 判断轮速传感器送来 的轮速信号是否正常 ABS 系统出现故障 例如制动液损失 液压压力降低或车轮速度信号消 失 电脑都会自动发出指令 让普通制动系统进入工作 而 ABS 系统停 止工作 对某个车轮速度传感器损坏产生的信号输出 只要它在可接受 的极限范围内 或由于较强的无线电高频干扰而使传感器发出超出极限 的信号 电脑根据情况可能停止 ABS 系统的工作或让 ABS 系统继续工 作 这里要强调的是 任何时候琥珀 黄 色 ABS 系统故障指示灯点亮不灭 就说明电脑已停止 ABS 系统的工作或检测到了系统的故障 驾驶员或用 户一定要进行检修 如果处理不了 应及时送修理厂 2 3 ABS 故障指示灯 当有下列的异常现象被发现时 ABS 控制电脑会使 ABS 故障指示灯点亮 泵油电动机作用的时间超过一定的时间 车辆已经行走超过 30S 而忘记放开驻车制动 未收到四轮中任何一轮的传感器信号 电磁阀作用超过一定的时间或是检测到电磁阀断路 发动机已经开始动作 或是车辆已经开动 未接收到电磁阀输出 讯号 当点火开关打开在 I 段时 ABS 故障指示灯会点亮 如果没有异 常现象 发动机起动后 ABS 故障指示灯就会熄灭 ABS 系统有两个故障指示灯 一个是红色制动故障指示灯 另一个是琥 珀色或黄色 ABS 故障指示灯 见图 7 所示 两个故障指示灯正常闪亮的 情况为 当点火开关接通时 红色指示灯与琥珀色指示灯几乎同时点亮 红色指示灯亮的时间较短 琥珀色指示灯亮的时间较长一些 约 3S 发动机起动后 储能器要建立系统压力 两灯会再次点亮 时间可达十 几秒钟 驻车制动时 红色指示灯也应亮 如果在上述情况下灯不亮 说明故障指示灯本身或线路有故障 图 7 红色指示灯故障常亮 说明制动液不足或储能器中的压力不足 低于 14MPa 此时普通制动系统和 ABS 系统均不能正常工作 琥珀色 ABS 故障指示灯常亮 说明电控单元发现 ABS 系统有故障 三 液压控制系统 3 3 循环式制动压力调节器的工作原理 此种形式的制动压力调节器在制动主缸与轮缸之间串联一电磁阀 直接 控制轮缸的制动压力 这种压力调节系统的特点是制动压力油路和 ABS 控制压力油路相通 如图 8 所示 图中的储能器的功能是在减压过程中 将从轮缸流经电磁阀的制动液暂时储存起来 回油液压泵也叫做再循环 泵 其作用是将减压过程中从制动轮缸流进储能器的制动液泵回主缸 该系统的工作原理详述如下 图 8 1 常规制动状态 在常规制动过程中 ABS 系统不工作 电磁线圈中无电流通过 电磁阀 处与 升压 位置 此时制动主缸和轮缸状态如图 9 所示 由制动主缸来的 制动液直接进入轮缸 轮缸压力随主缸压力而增减 此时回油液压泵也 不工作 图 9 2 保压状态 当转速传感器发出抱死危险信号时 电控单元向电磁线圈输入一个较小 的保持电流 约为最大工作电流的 1 2 电磁阀处于 保持压力 位置 如图 10 所示 此时主缸 轮缸和回油孔相互隔离密封 轮缸中的制动压 力保持一定 图 10 3 减压状态 如果在电控单元 保持压力 命令发出后 车轮仍有抱死的倾向 电控单元 即向电磁线圈输入一最大工作电流 使电磁阀处于 减压 位置 此时电磁 阀将轮缸与回油通道或储液室接通 轮缸中制动液经电磁阀流入储液室 轮缸压力下降 如图 11 所示 图 11 4 增压状态 当压力下降后车轮转速太快时 电控单元便切断通往电磁阀的电流 主 缸和轮缸再次相通 主缸中的高压制动液再次进入轮缸 见图 使制 动压力增加 制动时 上述过程反复进行 直到解除制动为止 3 2 可变容积式制动压力调节器的工作原理 如图 12 所示是可变容积式制动压力调节器的基本原理图 它主要由电磁 阀 控制活塞 液压泵 储能器等组成 其基本工作原理如下 图 12 常规制动时 电磁线圈 6 中无电流流过 电磁阀 7 将控制活塞 14 的工作 腔与回油管路接通 控制活塞在强力弹簧的作用下被推至最左端 活塞 顶端推杆将单向阀 13 打开 使制动主缸 2 与轮缸 10 的制动管路接通 制动主缸的制动液直接进入轮缸 轮缸压力随主缸压力而变化 这种状 态是 ABS 工作之前或工作之后的常规制动工况 如上图 需要减压时 电控单元 9 向电磁线圈 6 输入一大电流时 电磁阀内的柱 塞 8 在电磁力作用下克服弹簧作用力移到右边 如图 13 所示 将储能器 3 与控制活塞 14 的工作腔管路接通 制动液进入控制活塞工作腔推动活 塞右移 单向阀 13 关闭 主缸 2 与轮缸 10 之间通路被切断 同时由于 控制活塞的右移 使轮缸侧容积增大 制动压力减小 图 13 当电控单元 9 向电磁线圈 6 输入一较小电流时 由于电磁线圈的电磁力 减小 柱塞 8 在弹簧力作用下左移至储能器 回油管及控制活塞工作腔 管路相互关闭的位置 如图 14 所示 此时控制活塞左侧的液压保持一定 控制活塞在液压压力和强力弹簧弹力的作用下保持在一定位置 而此时 单向阀 13 仍处于关闭状态 轮缸侧的容积也不发生变化 制动压力保持 一定 图 14 需要增压时 电控单元 9 切断电磁线圈 6 中的电流 柱塞 8 回到左端的 初始位置 如图 12 所示 控制活塞工作腔与回油管路接通 控制活塞左 侧控制液压解除 控制活塞左移至最左端时 单向阀被打开 轮缸压力 将随主缸的压力增大而增大 3 3 制动压力调节器的结构形式 压力调节器总成 也叫 ABS 制动执行器 ABS 液压控制总成 是在普通 制动系统液压装置的基础上加装 ABS 制动压力调节器而成的 普通制动 系统的液压装置一般包括制动助力器 双腔式制动主缸 储液室 制动 轮缸和双液压管路等 ABS 制动压力调节器装在制动主缸与轮缸之间 如果它与制动主缸装在一起 则称之为整体式制动压力调节器 否则就 称为分离式制动压力调节器 除了普通制动系统的液压部件外 ABS 制动压力调节器通常由电动泵 储能器 主控制阀 电磁控制阀和一些控制开关等组成 实质上 ABS 就是通过电磁控制阀体上的控制阀 控制轮缸上的液压 使之迅速变大 或变小 从而实现了防抱死制动功能 ABS 制动压力调节器总成基本上 可分为三类 整体式 制动主缸与液压总成装成一体的 如图 15 所示 分离式 制动主缸与液压总成是分别独立的总成 如图 16 所示 真空式 仅控制后轮 并采真空液压控制 如图 17 所示 图 15 图 16 图 17 3 4 电磁阀的结构形式及工作原理 电磁控制阀是液压调节器的重要部件 由它完成对 ABS 系统各个车轮制 动力的控制 ABS 系统中都有一个或两个电磁阀 其中有若干对电磁控 制阀 分别控制前 后轮的制动 常用的电磁阀有三位三通阀和二位二 通阀等多种型式 三位三通电磁阀的内部结构图如图 18 所示 它主要由阀体 进油阀 卸 压阀 单向阀 弹簧 无磁支撑环 电磁线圈等组成 滑动支架 6 的两 端由无磁支撑环 3 导向 主弹簧 13 和副弹簧 12 相对布置 但主弹簧弹 力大于副弹簧弹力 为了关闭进油阀 5 和打开卸压阀 4 滑动支架有约 0 25mm 的移动过程 无磁支撑环被压进阀体中 这样可迫使磁通在线圈 中穿行时必须通过支架 并经工作气隙 a 穿出 以保证磁路有稳定的电 磁特性 单向阀 8 与进油阀 5 并行设置 其作用是当解除制动时 单向 阀打开 增加一个附加的 更大的由轮缸到主缸的出油通道 这样能使 轮缸的压力迅速下降 即使在主弹簧断裂或支架被卡死的情况下也能使 车轮制动器松开解除制动 图 18 该电磁阀工作过程如下 当电磁线圈中无电流通过时 由于主弹簧力大 于副弹簧力 进油阀被打开 卸压阀关闭 制动主缸与轮缸油路接通 所以轮缸压力既能在没有 ABS 参与的常规条件下增加 也能在 ABS 系 统工作的条件下增加 当向电磁线圈输入 1 2 最大工作电流时 保持