ABS系统工作原理.ppt

汽车防抱死制动系统,绪论,2,防抱死制动系统概念,丧失转向能力制动效能下降制动时的方向稳定性降低轮胎使用寿命,汽车制动车轮抱死，可引起：,绪论,3,防抱死制动系统ABS（Anti-BrakingSystem）是指汽车在制动过程中，能实时判定车轮的滑移率，自动调节作用在车轮上的制动力矩，防止车轮抱死取得最佳制动效能的电子装置。,防抱死制动系统概念,重点点出：滑移率制动力矩车轮抱死,绪论,4,轮胎与地面的附着特性,车辆制动距离和制动减速度是由车辆制动力即地面制动力所决定。取决于地面制动力、制动器制动力及附着力。,当地面制动力Fxb附着力时，车轮抱死,汽车的制动力,绪论,5,轮胎与地面的附着特性,附着力和附着系数,实际制动时道路作用于车轮上的纵向附着力Fx就等于汽车的制动力。道路给予汽车转向轮的横向附着力Fy就是使汽车转向的侧向力。,横向附着系数,纵向附着系数,绪论,6,轮胎与地面的附着特性,附着系数与滑移率,实验证明，道路的附着系数受车轮结构、材料，道路表面形状、材料有关，不同性质道路其附着系数变化甚大。,滑移率来表示车轮滑动所占的份额。车轮完全抱死时，滑移率为1，车轮纯滚动，滑移率为0。,绪论,7,轮胎与地面的附着特性,附着系数与滑移率,此外，由下图可知，汽车制动时的附着系数与制动时滑移率有很大关系。,结论：附着系数与路面“状态”有关；附着系数随滑移率发生变化。前轮抱死，汽车将失去转向能力后轮抱死，汽车易发生侧滑现象,绪论,8,后轴一旦侧滑，离心力与侧滑方向相同，导致侧滑程度不断加剧，以至可能翻车，这是十分危险的运动状态。,Fy：侧向干扰力Gx：制动惯性力Fy1：前轮侧向力Fy2：后轮侧向力,目前已经认识到：制动时，若后轴比前轴先抱死，就可能发生侧滑；前后轴同时抱死或后轴始终不抱死，则能防止后轴侧滑。,前轴产生侧滑，由于离心力与侧滑方向相反能减小侧滑量。,滑移率汽车制动的稳定性,仅前轮抱死时受力分析示意,绪论,9,车轮抱死的危害,前轮抱死失去转向能力；后轮抱死统计表明，后轴侧滑是造成交通事故的主要原因；制动效能下降；,绪论,10,防抱死制动系统的作用,有效防止后轮抱死而导致的侧滑、甩尾等现象，大大提高车辆制动过程的方向稳定性；防止前轮抱死导致车辆丧失转向能力，提高了汽车躲避前方障碍物的操纵性和弯道制动时的轨迹保持能力；制动距离比同类车型不带防抱死系统的车辆的制动距离要短。,绪论,11,防抱死制动系统的控制目的,ABS正是利用道路与轮胎系统的关系，强制性地把车轮的滑移率控制在临界点Sp的附近，使路面附着性能得到最充分的发挥，从而达到最佳效果。,ABS的基本结构与工作原理,12,ABS的基本结构,ABS的组成如图所示。主要由转速传感器、电子控制器和制动压力调节器等三大部分组成。,ABS的基本结构与工作原理,13,ECU根据轮速传感器的“滑移率”信号，调节制动器的制动压力，达到控制车轮“滑移率”的目的。,ABS基本工作原理,ABS的基本结构与工作原理,14,ECU根据轮速传感器的“滑移率”信号，调节制动器的制动压力，达到控制车轮“滑移率”的目的。,ABS基本工作原理,ABS的基本结构与工作原理,15,ABS的基本元件,轮速传感器电磁式,传感器与普通的交流发电机原理相同，永久磁铁产生一定强度的磁场，齿圈在磁场中旋转时，齿圈齿顶和电极之间的间隙以一定的速度发生变化，,这样会使齿圈和电极组成的磁路中的磁阻发生变化。,ABS的基本结构与工作原理,16,其结果使磁通量周期性衰减，在线圈两端产生正比于磁通量增减速度的感应电压。,ABS的基本元件,轮速传感器电磁式,ABS的基本结构与工作原理,17,液压式制动压力调节器,ABS的基本元件,ABS系统中的制动压力调节器是ABS的执行机构。其主要作用是接受来自于ECU的指令，直接或间接地控制制动压力的增、减。是由电磁阀、液压泵和电动机等组成。又可分为循环式和可变容积式。,ABS的基本结构与工作原理,18,ABS的基本元件,ABS的基本结构与工作原理,19,ABS的基本元件,常规制动电磁阀不工作。主缸与制动分泵直接相通。,液压式制动压力调节器循环式,ABS的基本结构与工作原理,20,ABS的基本元件,液压式制动压力调节器循环式,紧急制动，ABS参与工作。,电磁阀的工作电流为1电流。制动分泵与储油器直接相通，分泵的制动压力减小。,ABS的基本结构与工作原理,21,ABS的基本元件,液压式制动压力调节器循环式,电磁阀的工作电流为0电流。制动主缸与制动分泵直接相通，分泵的制动压力增加。,电磁阀的工作电流为1/2电流。所有通路均不通，分泵的制动压力为保压状态。,ABS的基本结构与工作原理,22,ABS的基本元件,液压式制动压力调节器循环式,回流泵：回流泵将制动分泵中排出的制动液泵回到制动总泵。储压器：储压器为在减压过程中大量回流的制动液提供暂时的储存所。阻尼器：阻尼器及其下游的节流装置能减少返回到制动总泵中的液压脉冲幅值，使噪声减少。,ABS的基本结构与工作原理,23,ABS的基本元件,制动压力调节器变容式,ABS的基本结构与工作原理,24,ABS的基本元件,制动压力调节器变容式,制动主缸,制动主缸,2）紧急制动,减压过程,ABS的基本结构与工作原理,25,ABS的基本元件,制动压力调节器变容式,保压过程,增压过程,ABS的基本结构与工作原理,26,ABS系统的电子线路,凌志LS400ABS系统（波许）,ABS警示灯ABS执行器轮速传感器ABS控制器,回流泵控制电磁阀控制轮速传感器,ABS控制原理,27,ABS控制,ABS可以分为逻辑门限控制、滑动模块变结构优化控制等不同的控制方法；采用何种方法实行ABS控制往往取决于车辆的设计思想、结构与基本运用范围；现仅介绍较为成熟的、绝大多数现代车辆所普遍采用的逻辑门限（阈值）控制方法。,ABS控制原理,28,ABS逻辑控制算法简单逻辑控制算法,设路面条件是一定的，则无论车轮的滑移率在任何范围内，其路面附着系数都不会超过某一给定的值，即作用在四个轮子上的总制动力必定满足不等式：,根据牛顿第二定律，汽车制动时的最大减速度a也必然满足条件：,当车轮角减速度超过极限条件：,此时，表明制动力已超过路面所提供的最大附着力，车轮可能出现抱死倾向。基于上述分析，最简单的ABS控制逻辑可确定为：,ABS控制原理,29,ABS逻辑控制算法简单逻辑控制算法,当上述条件成立，表明车轮可能出现抱死的倾向，于是制动缸减压，反之制动缸增压。这是最简单的防抱死制动控制方案。它的动态调节过程如图所示。,VF汽车实际速度VR车轮速度-a0门限值角减速度,ABS控制原理,30,ABS逻辑控制算法简单逻辑控制算法,在制动刚开始时，采用快速升压，车轮角速度超出固定的门限值-a开始减压，至负加速度进入门限值-a内结束。随后以慢速升压到车轮减速度再次超出-a门限值，似此周期地重复，直至汽车完全制动。仅以减速度-a作为门限值的逻辑控制，车轮的滑移率变化较大，也不能适应路面附着系数的变化。,ABS控制原理,31,以车轮减速度和加速度为控制参数,ABS控制原理,32,双门限控制逻辑可以适应不同的路面特性，一般能消除汽车轮抱死现象。但当路面附着系数出现跃变时，就不能快速适应，故对快速变化的路面跟踪性能较差。,车轮正负加速度门限值防抱死控制,以车轮减速度和加速度为控制参数,在制动刚开始时，采用快速升压，车轮角速度超出固定的门限值-a开始减压，至加速度大于门限值+a内结束。随后保压到车轮减速度再次小于+a门限值。之后增压至角速度小于固定的门限值-a时为止。似此周期地重复，直至汽车完全制动。,ABS控制原理,33,以滑移率为控制参数的单参数控制方式,参考车速和滑移率的计算,汽车上一般采用间接的方法由车轮的角速度和负加速度构造车辆的参考车速（见右图）。在初始制动时，当车轮的负加速度小于-a时，把此时对应的车轮速度当作初始参考速度VRe0，以后以减速度aRe（通常取汽车在一般路面制动时能达到的减速度）计算参考车速。,则车轮的参考滑移率为：,ABS控制原理,34,在制动刚开始时，采用快速升压，车轮轮速度低于的门限值开始减压，至负加速度超过门限值内结束。随后以慢速升压到车轮减速度再次低于门限值，如此周期地重复，直至汽车完全制动。由于路况不同，最佳滑移率将在（0.080.3）变化，仅以滑移率作为门限值的逻辑控制，很难在各种路况下得到最佳效果。,以滑移率为控制参数的单参数控制方式,vR车轮转动速度，由轮速传感器测得vF汽车车速vRe0汽车参考车速，可由公式计算车轮瞬时运动滑移率，公式计,ABS控制原理,35,【在ABS实际控制过程中，一般很少单独采用其中一种控制参数的门限值来进行控制，因为单独采用一种参数作为控制门限均会产生较大的局限性】,a）仅以车轮的加、减速度作门限进行控制，在低的路面上紧急制动时，车轮易抱死，故附着系数利用率较低，会严重影响制动效果。b）在各种路面上紧急制动时，仅以车轮滑移率做为门限来进行控制，由于路面情况不同时，Sp（8-30%）也不相同，不能保证在各种路面下均能获得最佳制动效果。c）一般多采用，主控为车轮加、减速。辅控为车轮滑移率；路面为低、低速行驶紧急制动时，则相反。,以加、减速度和滑移率为控制参数,ABS控制原理,36,高附着系数路面制动,以加、减速度和滑移率为控制参数,-a+a，增压、保压-7,保压-2,vR+A，减压-5,+A+a，保压-6,ABS控制原理,37,低附着系数路面制动,因为在高附着系数路面和低附着系数路面的控制逻辑不一样，故制动开始往往用于识别路面特性。,第3与第6阶段使得制动系统即保持较大的滑移率，又使得车轮只在短时间处在大滑移率状态，改善了操纵稳定性,以加、减速度和滑移率为控制参数,ABS控制原理,38,低附着系数路面制动,因为在高附着系数路面和低附着系数路面的控制逻辑不一样，故制动开始往往用于识别路面特性。,以加、减速度和滑移率为控制参数,阶跃变化的路面制动,当路面附着系数向大值突变，其识别方法是采用第二加速度门限位+A。而当路面附着系数向小值跃变，则以第二滑移门限值2作为识别依据。,以加、减速度和滑移率为控制参数,ABS控制原理,40,以加、减速度和滑移率为控制参数,综上所述，逻辑控制是把车轮的加速度分为（-a,+a,+A）几个门限值，再辅之以车轮的滑移率门限值1，2。在由下降信号切换到保压的阶段，在规定的时间间隔里监测可能出现的几种门限信号（+a，+A，1，2）作为识别路面特性（低、一般和高附着系数路面三种情况）的依据。再根据路面识别结果，分别采用不同的控制逻辑，确保防抱死制动系统对路面状况的跟踪性能，在各种路面条件都能取得期望的制动效果。,ABS的布置方式及性能,41,ABS的整车控制技术,如前所述，ABS单轮控制技术的本质是把车轮的滑移率控制在附着系数的峰值点。因此在制动时可保证取得最短的制动距离和转向时和操纵稳定性。但作为整车，如所有车都采用单轮方式进行独立控制，在非对称路面制动时，会产生偏转力距，使汽车不能保持行驶方向的稳定性。在当前技术下，最为实用方法就是通过ABS自身的整车布置方式和整车控制技术来满足汽车在不同路面条件下的操纵性和稳定性。,ABS的布置方式及性能,42,ABS的整车控制技术,ABS的布置方式及性能,43,ABS系统中，能够独立进行制动压力调节的制动管路称为控制通道。,四通道ABS,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。,ABS的布置方式及性能,44,三通道ABS,可采用两前轮独立控制（轮控），按低选方式对后轮施加相等的制动力矩（轴控）。故称为四传感器三通道系统,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，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%)。故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。,ABS的布置方式及性能,45,双通道ABS,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。,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。,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。,比例阀,低选阀,高路面,ABS的布置方式及性能,46,综述,ABS总体性能与通道数和传感器数目有关，一般而言，传感器和通道数越多，则ABS性能越好。四传感器四通道ABS系统是最完备的布置方式，由于各个车轮均能任意设定其控制目标，因而可取得最佳效果。但所有车轮均采用独立控制，则会导致汽车在非对称路面失方向稳定性。因此，对四传感器四通道ABS系统，必须研究分析整车控制技术，使全部的控制通道在各种路况均能发挥它们的作用，以保证ABS总体性能最佳。从ABS系统的几种布置形式可以看出，ABS系统通常采用由二路独立的液压回路组成，并布置成前后或对角两种形式。,驱动防滑控制,47,采用驱动防滑控制（AccelerationSlipRegulation,ASR）技术对驱动轮进行控制，ASR的作用是防止汽车起步、加速过程中驱动轮打滑（空转），特别是防止汽车在非对称路面或转弯时驱动轮空转。,ARS的作用,驱动防滑控制,48,众所周知，作用在车轮上的驱动力和侧向力是依赖于摩擦的存在，其合力不会超出摩擦圆。即若驱动力增加则侧向力就必然减小。若驱动轮发生滑转时，驱动力和侧向力就处在A区，相应的侧向力很小。,驱动力与侧向力摩擦圆,轮胎与地面的附着特性,驱动防滑控制,49,发动机驱动轮的驱动力附着力：驱动轮滑转，车轮的横向附着系数很小，相应的侧向力很小，横向稳定性下降；制动器车轮的制动力附着力：车轮滑移，车轮的横向附着系数很小，相应的侧向力很小；横向稳定性下降,轮胎与地面的附着特性,从控制车轮与路面的滑移率看，ABS和ASR采用了相同的技术。ASR控制技术实际上是ABS逻辑上的延伸。,驱动防滑控制,50,ASR控制驱动轮最佳滑移率的控制方式主要有以下几种：对发动机输出转矩进行控制（TCS）对驱动轮进行制动控制（ABS）对可变锁止差速器进行控制（非对称路面）对发动机与驱动轮之间的扭矩进行控制这种控制方法包括对离合器和变速器等进行控制，实用中多是通过控制变速器的换挡特性改变传动比来实现。上述四种控制方式中，前两种采用较多。这些控制方式可以被单独使用；但目前实车上采用组合使用的较为普遍。,ARS的控制方式,驱动防滑控制,51,合理地控制发动机输出转矩，可以使汽车获得最大驱动力。发动机输出转矩的控制手段有：调节燃油喷油量，如减少或中断供油；调整点火时间，如减小点火提前角或停止点火调整进气量，如调整节气门的开度和辅助空气装置。上述三种手段中，从加速圆滑和燃烧完全、减少污染角度看，调整进气量最好，但整节气门反应速度较慢。调整点火时间和燃油喷射量反应速度较快，能补偿调整节气门的不足，但推迟点火时间控制不好易造成失火、燃烧不完全、增加排气净化装置中三元催化器的负担。如果只减少燃油喷射量，因受燃烧室内废气的影响，又会使燃烧过程延迟。,对发动机输出转矩进行控制,驱动防滑控制,52,对发动机输出转矩进行控制,目前广为采用的控制方法是进气量控制。该方法连续性强，过度圆滑，较少排气污染并且可以利用发动机制动效应以增强控制效果。具体手段是在发动机主节气门前方设置一个副节气门。正常工作状况或制动状况时副节气门处于初始全开位置。副节气门由步进电机根据ECU控制，通过改变进气系统流通面积，达到控制进气量从而减少发动机输出扭矩的目的。,驱动防滑控制,53,这种方法是对发生滑转的驱动轮直接加以制动(增加车轮制动分泵的压力)。把发动机多输出的功率以热的形式在制动器上消耗掉。该方式反应时间最短，是防止滑转的最迅速的一种控制方式，但为了制动过程平稳，出于舒适性考虑，其制动力应缓慢升高。此外，该控制方式一般都作为调整进气量(如节气门开度)、改变发动机输出转矩方式的补充。,对驱动轮进行制动控制,驱动防滑控制,54,对差速锁控制,当出现某一驱动轮横向附着系数等于零的全滑转状况时，系统自动运行锁止驱动轮差速器，强迫处于较好附着状态的驱动轮转动提供牵引力使车辆摆脱困境。,驱动防滑控制,55,ABS和ASR的组合使用,由于ASR和ABS之间有许多共同之处，如都是对车轮滑移（转）率进行控制、都需要轮速传感器信号等，因而一般常将它们两者组合在一起，构成具有制动防抱死和驱动防滑转功能的防滑控制(ABSASR)系统。在我国目前进口的一些高级轿车上，如德国的奔驰、宝马，日本的丰田凌志LS300、LS400，美国的卡迪拉克、别克等轿车上，一般都装有防滑控制系统。,驱动防滑控制,56,ABS制动控制ARS驱动制动控制进气量控制ABS+ASR_ECU,ABS和ASR的组合使用,驱动防滑控制,57,ASR电磁阀总成（8，13，16）溢流阀电磁阀蓄压器蓄能器制动供能装置泵与电动机（6、7）3/3电磁阀（17，12）制动分泵（18，11）ABS制动压力调节器回液泵（14）溢流阀（9）储液器（15）,ABS和ASR的组合使用,驱动防滑控制,58,当ARS需要动作时，ASR制动电磁阀通电工作，16关闭通路，13与8接通油路。制动分缸油压处于增压状态；ECU为3/3电磁阀供以小电流时，压力调节器处以保压状态；ECU为3/3电磁阀供以大电流时，压力调节器处以减压状态；,ABS和ASR的组合使用,驱动防滑控制,59,汽车防防滑控制系统（ARS）,ABS和ASR的组合使用,主动安全技术,60,EBD为英文缩写，全称“ElectricBrakeforceDistribution-”。其德文缩写为EBV。通常情况下，由于四只轮胎附着地面的条件不同，因此，汽车制动时，很容易因轮胎与地面的摩擦力不同，产生打滑、倾斜和侧翻等现象。EBD的功能就是在汽车制动的瞬间，分别计算出4个轮胎摩擦力数值，然后通过调整制动装置，达到制动力与摩擦力（牵引力）的匹配，以保证车辆的平稳和安全。,EBD/EBV制动力分配装置,主动安全技术,61,踩刹车时，EBD会依据车辆的重量分布和路面条件，有效分配制动力，以使4个车轮得到更接近理想化刹车力的分布。因此，ABS+EBD就是在ABS的基础上，平衡每一个轮的有效地面抓地力，改善刹车力的平衡，防止出现甩尾和侧移，使得汽车的安全性能更胜一筹。,EBD/EBV制动力分配装置,主动安全技术,62,踩刹车时，EBD会依据车辆的重量分布和路面条件，有效分配制动力，以使4个车轮得到更接近理想化刹车力的分布。因此，ABS+EBD就是在ABS的基础上，平衡每一个轮的有效地面抓地力，改善刹车力的平衡，防止出现甩尾和侧移，使得汽车的安全性能更胜一筹。,EBD/EBV制动力分配装置,主动安全技术,63,ESP具有三大特点：实时监控：ESP能够实时监控驾驶者的操控动作、路面反应、汽车运动状态，并不断向发动机和制动系统发出指令。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。ESP则可以通过主动调控发动机的转速，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。事先提醒：当驾驶者操作不当或路面异常时，ESP会用警告灯警示驾驶者。,汽车电子稳定程序系统（ESP）,主动安全技术,64,ESP与只有ABS及ASR的汽车，它们之间的差别在于ABS及ASR只能被动地作出反应，而ESP则能够探测和分析车况并纠正驾驶的错误，防患于未然。ESP对过度转向或不足转向特别敏感，例如汽车在路滑时左拐过度转向（转弯太急）时会产生向右侧甩尾，传感器感觉到滑动就会迅速制动右前轮使其恢复附着力，产生一种相反的转矩而使汽车保持在原来的车道上。2004年，中国新车的ESP系统装备率还只有3，而同期，欧盟地区的新车ESP装备率已达35，随着人们对车辆安全性的要求日益提高，相信ESP将如同今日的ABS系统一样，成为车辆的标准装备。,汽车电子稳定程序系统（ESP）,主动安全技术,65,由横摆率传感器负责测定汽车围绕纵轴的旋转运动（横摆率），其他传感器负责记录偏航角速度和横向加速度。ESP电脑计算出保持车身稳定的理论值，与偏航率传感器和横向加速度传感器测得的数据进行比较，以此判断汽车正常安全行驶和驾驶者操纵汽车意图的差距，自动纠正驾驶员的不足转向和过度转向。,汽车电子稳定程序系统（