汽车电子控制技术课件：汽车防抱死制动系统

汽车电子控制技术汽车防抱死制动系统学习目标通过本项目的学习,了解防抱死制动系统(ABS)的基础理论、作用、特点、类型、发展趋势；掌握ABS系统的基本组和控制原理；掌握ABS系统的主要零部件的结构与工作原理；掌握ABS系统的合理使用与维护方法、基本检查方法、故障诊断与检修方法；熟悉MK20-1ABS系统结构组成、控制原理、检测、维修方法，能够使用故障诊仪对该系统的故障进行诊断和排除。课题一防抱死制动系统概述一、防抱死制动系统的基本理论二、防抱死制动系统的作用三、防抱死制动系统的类型四、防抱死制动系统的基本组成与控制原理五、防抱死制动系统的发展趋势课题二ABS系统主要零部件的结构与工作原理一、车轮转速传感器二、电控单元（ABSECU）三、制动压力调节器课题三MK20-I型防抱死制动系统一、系统组成二、主要部件结构与工作原理汽车防抱死制动系统课题一防抱死制动系统概述一、防抱死制动系统的基本理论由车轮受力分析可知：车轮在制动过程中，当制动器制动力小于或等于轮胎与路面间的附着力时，车轮将作滚动运动，如图7-1（a）所示。当制动器制动力大于附着力时，车轮将抱死滑移，如图7-1（b）所示。（a)（b）图7-l制动车轮运动状态（a)车轮滚动运动；（b）车轮抱死滑移1．车轮滑移率S轮胎滑移的程度用滑移率S来表示。车轮滑移率是指：实际车速与车轮速度之差同实际车速

的比率，其表达式为：当

时，滑移率S=O，车轮自由滚动；当时，滑移率S=100%，车轮完全抱死滑移；当

时，滑移率0＜S＜100%，车轮既滚动又滑移。滑移率越大，车轮滑移程度越大。2．车轮滑移率S的影响因素(1)汽车载重量；(2)前、后轴的载荷分布情况；(3)轮胎种类及轮胎与路面的附着状况；(4)路面性质和路面状况；(5)制动力大小及其增长速率。3．车轮滑移率S与附着系数的关系（1）附着系数取决于路面性质。一般说来，干燥路面附着系数大，潮湿路面附着系数小，冰雪路面附着系数更小。（2）在各种路面上，附着系数都随滑移率的变化而变化。（3）在各种路面上，当滑移率为20％左右时，纵向附着系数最大，制动效果最好。（b）干燥硬实路面时（a)不同路面时图7-2附着系数与滑移率的关系纵向附着系数最大时的滑移率称为理想滑移率或最佳滑移率。当滑移率超过理想滑移率时，纵向附着系数减小，产生的地面制动力随之下降，制动距离将增长。横向附着系数是研究汽车行驶稳定性的重要指标之一。横向附着系数越大，汽车制动时的行驶稳定性和保持转向控制的能力越强。当滑移率为零时，横向附着系数最大；随着滑移率的增加，横向附着系数逐渐减小。4．车轮抱死制动的危害当车轮抱死时，横向附着系数接近于零，汽车将失去行驶稳定性和转向控制能力，其危害性极大。从图7-2中可以看出，当滑移率为零时，横向附着系数最大；随着滑移率的增加，横向附着系数越来越小；当车轮抱死时，横向附着系数几乎为零，此时横向附着力几乎为零,其危害表现为：（1）方向稳定性差由于横向附着力很小，汽车失去抵抗横向外力的能力,后轮很容发生横向滑移、甩尾、旋转等，使汽车失去方向稳定性。（2）失去转向控制能力汽车转向行驶时，尽管驾驶人此时在操纵转向盘，但由于前轮维持汽车转弯运动能力的横向附着力丧失，汽车仍按原来惯性行驶方向滑动，很可能冲入其他车道或冲出路面，从而失去转向控制能力。二、防抱死制动系统的作用1．改善汽车制动时转向操纵性2．增加汽车制动时的方向稳定性3．缩短制动距离4．减少轮胎磨损5．减少驾驶员的紧张情绪6．使用方便、工作可靠ABS也存在以下不足：（1）ABS不能提供超越车轮与路面所能承受的最大制动力，ABS性能的好坏受整车制动系统状况的影响；（2）ABS不能取代驾驶员的制动，只能在驾驶员制动时，帮助其达到较好的制动效果；（3）松散的沙土和积雪较深的路面制动，车轮抱死制动要比ABS工作时的制动距离短。1.按照产生制动压力的动力源分类按照产生制动压力动力源的不同可分为液压式ABS系统、气压式ABS系统、气液混合式ABS系统。在轿车中液压式ABS系统应用最广泛，本章主要介绍液压式ABS系统。2.按结构形式分类ABS按制动压力调节器和制动主缸的结构形式分为分离式和整体式两种。3．按ECU所依据的控制参数分类按ECU所依据的控制参数可分为以车轮滑移率S为控制参数和以车轮角加速度为控制参数两种。4．按制动压力调节器形式分类按制动压力调节器的形式可分为循环式和可变容积式两种。

（1）循环式制动压力调节器循环式制动压力调节器是在制动总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。循环式制动压力调节器如图7-3所示。三、防抱死制动系统的类型图7-3循环满期制动压力调节器（2)可变容积式制动压力调节器在汽车原有制动管路上增加一套液压控制装置，用它控制制管路中制动液容积的增减，从而控制制动压力的变化。即可变容积式制动压力调节器是电磁阀间接控制制动压力，如图7-4所示。

图7-4可变容积式制动压力调节器5．按ABS系统布置形式的分类ABS系统的布置形式是指轮速传感器的数量、制动压力调节器控制的通道数和对各车轮制动器制动压力的控制方式，可分为7种类型。（1）四传感器、四通道、四轮独立控制。这种类型的ABS系统适用于双制动管路为前、后轮独立布置形式的汽车，如图7-5所示。（2）四传感器、四通道、前轮独立一后轮低选择控制这种类型的ABS系统适用于双制动管路为交叉形式布置的汽车，如图7-6所示。图7-5四传感器、四通道、四轮独立控制图7-6四传感器、四通道、前轮独立一后轮低选择控制（3）四传感器、三通道、前轮独立后轮低选择控制这种类型的ABS系统适用于双制动管路且前后轮为独立布置形式的汽车，如图7-7所示，它具有4个轮速传感器。这种控制方式的特点是制动时的操纵稳定性和方向稳定性较好，但制动效能稍差。（4）三传感器、三通道、前轮独立一后轮低选择控制这种类型的ABS系统仅适用于双制动管路为前、后轮独立布置形式且采用后轮驱动的汽车，如图7-8所示。

图7-7四传感器、三通道、前轮独立一后轮低选择控制图7-8三传感器、三通道、前轮独立一后轮低选择控制（5）四传感器、两通道、前轮独立控制这种类型的ABS系统是一种简易的防抱死制动系统，如图7-9所示，两前轮独立控制。（a）（b）图7-9三传感器、三通道、前轮独立控制（6）四传感器、两通道、前轮独立后轮低选择控制这种类型的ABS系统的布置形式与类型（5）基本相同，如图7-10所示。（7）一传感器、一通道、后轮近似低选择控制这种类型的ABS系统适用于制动管路为前、后轮独立布置形式且采用后轮驱动的汽车，如图7-11所示。（a）（b）图7-10四传感器、两通道、前轮独立-后轮低选择控制图7-11一传感器、一通道、后轮近似低选择控制四、防抱死制动系统的基本组成与控制原理1．基本组成在常规制动系统（液压制动系统或气压制动系统）的基础上，增设一个电子控制系统而构成。防抱死制动系统是由制动压力调节系统和电子控制系统两个子系统组成，如图7-12所示。7-12防抱死斜动系统ABS组成简图图7-13防抱死制动电子控制系统控制部件的安装位置（1）电子控制系统防抱死制动电子控制系统由轮速传感器、制动灯开关、防抱死制动电控单元(ABSECU)、ABS指示灯和制动压力调节器等构成，控制部件的安装位置如图7-13所示。制动压力调节器既是电子控制系统的执行元件，也是制动压力调节系统的原始控制元件。ABS系统采用的传感器有车轮转速传感器。车轮转速传感器，简称轮速传感器。轮速传感器是ABS系统必需的传感器，其功用是检测车轮的运行状态，将车轮转速变换为电信号输入ABSECU，以便ABSECU计算车轮速度。一个防抱死制动系统设有2～4只轮速传感器，轿车一般采用4只，载货汽车一般采用2只。防抱死制动系统电控单元ABSECU主要功用是接收轮速传感器、减速度传感器和控制开关信号，计算汽车的轮速、车速和滑移率，并输出控制指令控制制动压力调节器等执行元件工作。制动压力调节器的功用是根据防抱死制动电控单元ABSECU发出的控制指令，驱动制动压力调节器中的电磁阀和回液泵电动机工作，使制动压力“升高”、“保持”或“降低”，从而实现制动压力自动调节。（2）制动压力调节系统制动压力调节系统是由常规制动系统和制动压力调节器组成。常规制动系统主要由制动总泵、制动助力器、制动轮泵、制动管路和制动器（盘式或鼓式制动器）等组成。因为汽车制动动力源分为液压和气压两种，所以制动压力调节系统相应地有液压调节系统和气压调节系统。轿车普遍采用液压调节系统，载货汽车普遍采用气压调节系统。汽车在制动过程中，ECU接受来自车轮转速传感器的信号，再根据设定的控制逻辑对车轮转速传感器输入的信号进行处理，计算汽车的参考车速、各车轮的速度和减速度，确定各车轮的滑移率，并将滑移率与设定滑移率控制门限值进行比较。若无车轮抱死（即所有车轮的滑移率均在设定的滑移率控制门槛值内），ABS系统不起作用，制动过程为常规制动过程；当某车轮的滑移率接近设定滑移率控制门槛值时，ECU发出指令给制动压力调节装置（执行器），使该车轮的制动压力保持一定；当某车轮的滑移率超过了设定滑移率控制门槛值时，ECU发出指令给制动压力调节装置，使该车轮的制动压力减小。由此可见，ABS制动过程就是在制动时，利用制动压力调节系统对制动管路油压高速地进行“增压一保压一减压”的循环调节过程，将各车轮滑移率范围控制在最佳范围内，从而缩短制动距离，提高车轮制动时的方向稳定性。

2．防抱死制动系统的控制原理五、防抱死制动系统的发展趋势1．控制技术会进一步提高随着各种现代控制理论不断发展和完善，采用优化控制理论可实现伺服控制和高精度控制。未来的发展趋势是将智能控制技术如模糊控制、神经网络控制技术应用到ABS系统中，可以进一步提高系统的自适应性和可靠性。2．系统的体积与质量减小，结构简化在保证安全性的前提下，尽量减小ABS系统的体积和质量。减小ABS体积和质量的主要途径是采用计算机辅助设计优化ABS零部件的结构设计，减小ABS零部件的尺寸，增加集成度。目前，经过优化的ABS系统已将制动主缸、压力调节器和电子控制单元等集成为一体，从而大大减小了体积和成本。3．控制功能的扩展和集成将各个功能不同的汽车电子控制系统集成为综合的汽车控制系统。在实现各自基本功能的前提下，形成新的具有更强大功能的集成电控系统是汽车电子控制的必然趋势，也是ABS系统的发展方向。另外，ABS系统利用CAN总线技术与其他控制系统的信息交换和共享，提高整体控制性能。课题二ABS系统主要零部件的结构与工作原理车轮转速传感器，其作用是检测汽车车轮的转速，并将其转为电信号后输入ECU，用于计算、判断，以决定是否开始进行防抱死控制。1．电磁式车轮转速传感器（1）基本结构电磁式车轮转速传感器由电磁感应传感头和信号转子两部分组成，其外形如图7-14（a）所示。根据极轴的结构不同，电磁式车轮转速传感头又可分为凿式极轴传感头、柱式极轴传感头等(分别见图7-14(b)、(c))。（a）外形（b）凿式极轴传感头（c）柱式极轴传感头图7-14电磁式车轮转速传感器结构图1-电缆；2-永久磁铁；3-外壳；4-感应线圈；6-极轴；7-信号转子（齿圈）一、车轮转速传感器

(2)工作原理电磁式车轮转速传感器产生的信号如图7-15所示。电磁式转速传感器的工作原理与发动机点火系统中电磁脉冲信号发生器工作原理相同。交变信号的频率与齿圈的齿数和转速成正比。因齿圈的齿数一定，因而轮速传感器输出的交变电压信号的频率只与相应的车轮转速成正比，所以通过轮速传感器输出的频率信号就可以确定车轮的转速。

图7-15电磁式车轮转速传感器输出的电压信号电磁式轮速传感器存在以下缺点：①电磁式轮速传感器向ABSECU输送的电压信号的强弱随转速的变化而变化的，信号幅值一般在1～15V的范围内变化，但是当车速很低时，传感器输出的电压信号低于1V，则ABSECU无法检测到如此微弱的信号，ABS系统也就无法正常工作。②电磁式轮速传感器频率响应较低。当车轮转速过高时，传感器的频率响应跟不上，容易产生错误信号。③电磁式轮速传感器的抗电磁波干扰能力较差，尤其在输出信号幅值较小时。但由于电磁感应式轮速传感器具有结构简单、成本低、坚固耐用，特别适用于汽车行驶中的恶劣环境，所以至今仍被广泛应用。（1）基本结构霍尔式轮速传感器是利用霍尔效应原理产生与车轮转速相对应的电压脉冲信号。传感器也是由传感头和齿圈组成的，其传感头由永久磁铁、霍尔元件和电子电路等组成，如图7-16所示。（2）工作原理霍尔式轮速传感器工作时，ECU给霍尔元件施加一个5V或8V的基准电压，永久磁铁的磁力线穿过霍尔元件通向齿圈。当齿圈位于图7-16(a)所示位置时，穿过霍尔元件的磁力线分散，磁场相对较弱，产生的电压信号也较小；当齿圈位于图7-16(b)所示位置时，穿过霍尔元件的磁力线集中，磁场相对较强，产生的电压信号较大。(a)霍尔元件磁场较弱(b)霍尔元件磁场较强7-16霍尔式车轮转速传感器磁路1-霍尔元件；2-永久磁铁2.霍尔式轮速传感器霍尔元件输出的毫伏级的准正弦波电压U1首先经放大器放大为伏级电压信号U2，然后送往施密特触发器转换成标准的方波信号U3，再送到输出级放大成U4后输送给ECU，如图7-17所示。电子线路中的各等级波形如图7-18所示。图7-17霍尔式车轮转速传感器电子线路框图图7-18霍尔式车轮转速传感器电子线路中各级电压波形图霍尔式轮速传感器具有以下优点：①输出的电压信号强弱不随转速的变化而变化在汽车电源电压为12V的条件下，信号的幅值保持在11.5～12V不变，即使当车速下降很低时也不变。②频率响应高传感器频率响应高达20kHz，用于ABS系统中相当于车速为lOOOkm/h时所检测的信号频率，因此不会出现高速时频率响应跟不上的问题。③抗电磁波干扰能力强由于其输出信号电压不随车轮转速的变化而变化，且幅值高，所以具有很强的抗电磁干扰能力。由于上述原因，霍尔式传感器不仅广泛应用于汽车ABS系统，也广泛应用于汽车其他控制系统的转速检测。二、电控单元（ABSECU）电控单元ABSECU是ABS系统的控制核心，其作用是通过接收来自车轮转速传感器、其他传感器的信号和各种控制开关信号，根据设定的控制程序，通过数学计算和逻辑判断，计算出车轮转速、车轮的加（减）速度、车轮滑移率，并判断出车轮是否有抱死的趋势，然后向制动压力调节器发出制动压力调节的指令，控制制动力调节器执行调节轮缸制动压力的任务。ABSECU采用了两个微处理器CPU，其中一个为主控CPU，另一个为辅控CPU，主要目的是保证ABS的安全性。两个CPU接收同样的输入信号，在运算处理过程中，通过通信模块对两个微处理器的处理结果进行比较。如果两个微处理器处理结果不一致，微处理器立即发出控制指令使ABS退出工作，防止系统发生逻辑错误。电控单元ABSECU是ABS系统的控制核心，ABSECU的内部电路结构主要由信号输入电路、运算电路、电磁阀控制电路以及安全保护电路等组成，如图7-19为所示四传感器四通道ABSECU的内部电路框图。图7-19四传感器、四通道控制ABSECU内部电路框图三、制动压力调节器制动压力调节器是ABS系统的执行机构，其功用是接受ECU的控制指令，通过电磁阀的动作控制车轮制动轮缸的制动压力。常见的制动压力的调节器主要有循环式制动压力调节器和可变容积式制动压力调节器两种。1.循环式制动压力调节器（1）结构组成1）三位三通电磁阀循环式制动压力调节器常用的电磁阀有三位三通电磁阀，基本结构及工作位置如图7-20所示。阀上有三个通道（即三通）分别与制动主缸、轮缸及储液器连接。ABSECU通过控制电磁线圈电流的大小使阀内柱塞（可动铁心）有三种不同的工作位置（即三位）：增压、保压、减压。2）电动液压泵电动液压泵的作用是当电磁阀在“减压”过程中，将制动轮缸流出的制动液经储液器泵回制动主缸。如图7-21所示。3）蓄压器蓄压器串联在电动液压泵和电磁阀之间，用于储存来自电动液压泵的高压制动液，以备在制动过程中增加制动压力。气囊式蓄压器如图7-22所示。(a)增压(b)保压(c)减压图7-20三位三通电磁阀的三种工作位置1-线圈；2-固定铁心；3-电流；4-通主缸；5-通储液器；6-通轮缸；7-可动铁心(a)柱塞上行(b)柱塞下行图7-21电动液压泵1-凸轮；2-油泵柱塞;3-油泵；4-储液器图7-22高压储能器与电动泵(a)蓄能器内部结构；(b)蓄能器与电动泵的结构l-氮气；2-膜片；3-高压制动液；4-压力控制／压力警示开关；5-蓄能阀；6-单向阎；7-限压阀；8-回转球阀式活塞泵；9-直流电动机（2）工作过程1）升压过程（常规制动）：如图7-23所示。

图7-23常规制动（升压）过程1-传感器；2-车轮；3-轮缸；4-电磁阀；5-ECU；6-柱塞；7-储液器；8-泵；9-电动机；10-线圈；11-液压部件；12-主缸；13-踏板2）保压过程：当ECU向电磁线圈通人一个较小的保持电流（约为最大电流的1/2）时，电磁阀处于保持压力位置，如图7-24所示。此时主缸、轮缸和回油孔相互隔离密封，轮缸中保持一定的制动压力。图7-24保压过程1-传感器；2-车轮；3-轮缸；4-电磁阀；5-ECU；6-储液器；7-泵；8=电动机9-线圈；10-主缸；11-踏板3）减压过程：当ECU向电磁线圈通人一个最大电流时，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器接通，轮缸中制动液经电磁阀流人储液器，轮缸压力下降，如图7-25所示。图7-25减压过程1-传感器；2-车轮；3-轮缸；4-电磁阀；5-电子控制器；6-储液器；7-泵；8-电动机；9-线圈；10-液压部件；11-主缸；12-踏板（1）结构组成可变容积式制动压力调节器是在原有的制动管路中并联一套液压控制装置，该装置中有一个类似活塞的部件。可变容积式制动压力调节器主要由电磁阀、控制活塞、液压泵、储能器等组成。（2）工作过程1)常规制动ECU不给电磁线圈通电，电磁阀将控制活塞的工作腔与回油管路接通，控制活塞在强力弹簧的作用下推至最左端。活塞顶端推杆将单向阀打开，使制动主缸与轮缸的制动管路接通，制动主缸的制动液直接进入轮缸，轮缸压力随主缸压力变化而变化。2．可变容积式制动压力调节器2)减压过程如图7-26所示，ECU向电磁线圈通入一个大电流，电磁阀内的柱塞在电磁力作用下克服弹簧弹力移到右边，将储能器与控制活塞工作腔管路接通。

图7-26减压过程1-制动踏板；2-制动主缸；3-储能器；4-电动泵；5-储液室；6-电磁线圈；7-电磁阀；8-柱塞；9-制动轮缸；10-转速传感器；11-车轮；12-单向阀；13-控制活塞3）保压过程如图7-27所示，ECU向电磁线圈通人一个较小的电流，由于电磁线圈的电磁力减小，柱塞在弹簧力的作用下左移到将储能器、回油管及控制活塞工作腔管路相互关闭的位置。

图7-27保压过程1-制动踏板；2-制动主缸；3-储能器；4-电动泵；5-储液室；6-电磁线圈；7-电磁阀；8-柱塞；9-制动轮缸；10-转速传感器；11-车轮；12-单向阀；13-控制活塞4）增压过程如图7-28所示，ECU切断电磁线圈中的电流，柱塞回到左端的初始位置，控制活塞工作腔与回油管路接通，控制活塞左侧控制油压的解除，控制液流回储液器。控制活塞在强力弹簧的作用下左移，轮缸容积变小，压力升高至初始值。

图7-28增压过程1-制动踏板；2-制动主缸；3-储能器；4-电动泵；5-储液室；6-电磁线圈；7-电磁阀；8-柱塞；9-制动轮缸；10-转速传感器；11-车轮；12-单向阀；13-控制活塞课题三MK20-I型防抱死制动系统一、系统组成感器(两前轮:G45/G47；两后轮:G44/G46)、电控单元ECU、液压控制单元N55(含电磁阀)、电动液压泵V64、ABS故障警告灯K47、制动装置警告灯K118等组成。图7-29MK20-I型ABS系统的布置1-ABS电控单元J104；2-ABS液压控制单元N55；3-ABS液压泵V64；4-ABS故障警告灯K47；5-制动装置警告灯K118；6-制动灯开关F；7-右制动M10；8-左制动灯M9；9-左后车轮转速传感器G46；1-右后车轮转速传感器G44；电动液压泵V64、液压控制单元N55和电控单元ECU集成一体,简称为液压电子控制单元HECU或ABS控制器,如图7-30所示。图7-30液压电子控制单元HECU1-电动液压泵；2-液压控制单元；3-电子控制单元二、主要部件结构与工作原理1．车轮转速传感器MK20-1型ABS系统共有四个电磁式车轮转速传感器,前车轮转速传感器的齿圈共43个齿,安装在传动轴上,传感头则安装在转向节上;后车轮转速传感器的齿圈也为43个齿,安装在后轮毂上,传感头则安装在固定支架上。2．液压电子控制单元(HECU)液压电子控制单元安装在制动主缸和制动轮缸之间,液压控制单元N55、电动液压泵V64和电控单元ECU集成于一体,主要任务是转换执行ECU指令,自动调节制动压力。(1)液压控制单元N55液压控制单元的作用是执行电控单元ECU的指令,通过阀体内的电磁阀自动调节制动压力.液压控制单元(N55)