第5章电子控制防抱死制动课件.ppt

1、汽 车 电 子 控 制 技 术,第4章 电子控制防抱死制动,4.1 ABS系统概述,ABS系统是现代汽车上的一种安全附属装置，用于提高车辆在特殊行驶条件下的安全性。,一、 ABS的作用,1、保持汽车制动时的方向稳定性。 2、保持汽车制动时的转向控制能力。 3、缩短制动距离。 4、减少制动时轮胎的磨损。 5、减少驾驶员的疲劳强度。 6、减少交通事故的发生。,二、汽车ABS的理论依据,汽车在制动过程中，当制动器制动力大于轮胎-道路附着力时，车轮就会抱死滑移。,只有汽车具有足够的制动器制动力，同时地面又能提供较大的附着力时，汽车才能获得较好的制动效果。,在汽车制动时，除车轮旋转平面的纵向附着力外，还

2、有垂直于车轮旋转平面的侧向附着力。,在汽车制动过程中，纵向附着力决定汽车的纵向运动，影响汽车的制动距离；侧向附着力决定汽车的侧向运动，影响汽车的方向稳定性和转向操纵能力。,当汽车匀速行驶时，实际车速v (即车轮中心的纵向速度)与车轮速度vw (即车轮滚动的圆周速度)相等，车轮在路面上的运动为纯滚动运动。,在汽车实际运行过程中，当驾驶员踩下制动踏板后，在制动器摩擦力矩的作用下，车轮的角速度减小，实际车速与车轮速度之间就会产生一个速度差，轮胎与地面之间就会产生相对滑移。,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v与车轮速度vw之差同实际车速v的比值，其表达式为,S =,(4.1),当

3、v = vw时，滑移率S = 0，车轮自由滚动；,当vw = 0时，滑移率S = 100%，车轮完全抱死滑移；,当v vw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。,滑移率和附着系数有关。,附着系数与滑移率之间的关系如图4.1所示，由图可见：附着系数取决于路面性质。,一般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。,在制动过程中，车轮抱死滑移的根本原因是制动器制动力大于轮胎-道路附着力。因此，影响车轮滑移率的因素包括以下几个方面：, 汽车载客人数或载物量；, 前、后轴的载荷分布情况；, 轮胎种类及轮胎与道路的附着状况；, 路面种类和路面状况

4、；, 制动力大小及其增长速率。,汽车纵向附着系数和横向附着系数对滑移率有很大影响。,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。,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。,滑移率大于理想滑移率后的区域称为非稳定制动区域或非稳定区，如图4.2所示。,横向附着系数越大，汽车制动时的方向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。,当车轮抱死时，横向附着系数接近于零，汽车将失去方向稳定性和转向控制能力，其危害极

5、大。,如果前轮抱死，虽然汽车能沿直线向前行驶，但是失去转向控制能力。,如果后轮抱死，汽车的制动稳定性就会变差，抵抗横向外力的能力很弱，后轮稍有外力(如侧向风力或地面障碍物阻力)作用就会发生侧滑(甩尾)，甚至出现调头(即突然出现180转弯)等危险现象。,综上所述，为了获得最佳制动性能，应将滑移率控制在10%到30%范围内。,4.1.2 ABS的基本组成与工作过程,ABS由车轮转速传感器、ECU、制动压力调节装置和报警灯等组成的。 制动压力调节装置主要由调压电磁阀总成、电动泵总成和储液器组成。 如图4.4所示是典型的ABS的组成图。,在该系统中，每一个车轮上都安装一个转速传感器，将关于各车轮转速的

6、信号输入ECU。 ECU根据各车轮转速传感器输入的信号对各个车轮的运动状态进行监测和判定，并形成相应的控制指令，控制制动压力调节装置对各个制动轮缸的制动压力进行调节，将车轮的滑移率控制在10%到30%之间。 比例阀通过控制前后轮制动轮缸制动液压力的大小，保证汽车在常规制动时前轮先于后轮抱死，以改善制动性能。,在制动防抱死系统出现故障时，装在仪表盘上的制动防抱死系统报警灯就发亮，提醒驾驶员制动防抱死系统出现了故障。,制动防抱死系统的工作过程可以分为常规制动、制动压力降低、制动压力保持和制动压力升高等四个阶段。,(1) 常规制动阶段,如图4.5(a)所示，在常规制动过程中，制动防抱死装置不起作用，

7、制动防抱死装置的ECU,控制磁化线圈不通电。,三位电磁换向阀阀芯在回位弹簧推动下处在最下端的工作位置，此时B孔保持打开状态，C孔保持关闭状态。,当踩下制动踏板时，制动总泵中的制动液压力升高，制动液经B孔和A孔流至车轮制动分泵中，推动制动分泵中的柱塞将车轮制动盘夹紧。,这时单向阀2、5和11关闭，液压泵和电动机总成不工作。,当松开制动踏板时，制动分泵中的制动液一部分经A孔和B孔流回制动总泵，另一部分经,A孔和单向阀11流回制动总泵。,(2) 制动压力降低阶段,随着压力的升高，车轮即将抱死，这时车速传感器把该信号传给ECU，ECU控制执行器磁化线圈通入电流，从而产生电磁力使三位电磁阀阀芯移动到上端

8、。,如图4.5(b)所示，这时B孔关闭，C孔打开，结果使车轮制动分泵中的一小部分制动液通过A孔和B孔进入储液罐。,同时ECU给液压泵和电动机总成发出信号，使其开始工作，将储液罐中的制动液送回制动总泵。,由于单向阀11是关闭的，所以制动总泵中的制动液不能进入三位电磁换向阀中，因此车轮制动分泵中的制动液压力降低，从而达到防止车轮抱死的目的。,(3) 制动压力保持阶段,当制动分泵中的制动管路压力降低(或在升压过程中压力升高)，使车速达到预定值时，车速传感器给ECU传送相应信号，ECU控制磁化线圈通入较小的电流，磁化线圈产生的磁力将相应减小，三位电磁换向阀阀芯在回位弹簧的作用下移至中间位置。,如图4.

9、5(c)所示，B孔和C孔都关闭，同时,单向阀2、5和11也都关闭，所以制动分泵中的制动液被封闭，压力得以保持。,(4) 制动压力升高阶段,只有制动分泵中的制动液压力升高时，才能产生更大的制动力，从而使车速尽快降低。,为此，ECU使磁化线圈断电，三位电磁换向阀被回位弹簧拉下，如图4.5(d)所示。,此时B孔打开，C孔关闭，制动总泵中的制动液经B孔和A孔流至车轮制动分泵中，从而使制动分泵中的制动液压力升高，制动力增大。,当制动力增大到一定程度时，车轮又会出现即将抱死的状态，这时又需对制动分泵降压，从而开始下一个降压-保压-升压循环。,制动防抱死装置是以脉冲的形式(脉冲频率为4Hz到10Hz)对制动

10、压力进行调节，始终将车轮的滑移率控制在10%到30%的范围内，防止车轮抱死拖滑，最大限度地保证了制动时汽车的稳定性，缩短了制动距离。,4.2 ABS系统结构组成,4.2.1 ABS系统传感器,在现代汽车电子控制制动系统中都设置有获取汽车车轮转速信号的车轮转速传感器，也称车轮速度传感器或轮速传感器。车轮转速传感器分为电磁式和霍尔式两种。,4.2.2 制动压力调节装置,制动压力调节装置的作用是根据ECU的指令，调节各个车轮制动器的制动压力。,制动系统不同，所采用的制动压力调节装置的结构和工作原理也不一样。,常用制动压力调节装置有液压式、机械式、气压式和空气液压复合式等。而在ABS中应用最广泛的是液

11、压式制动系统。,1. ABS制动压力调节装置,液压式制动压力调节装置(或称为调节器)的主要元件是液压电动泵和液压控制电磁阀，用液压电动泵和液压电磁阀产生的液压压力控制汽车的制动力。,普通制动系统的液压装置一般包括真空助力器、制动主缸、储液器、制动轮缸和液压管路等。,ABS液压调节单元装在制动主缸与轮缸之间，如果与主缸装在一起，称为整体式，否则称为非整体式。,对于ABS液压式制动压力调节装置，除了普通制动系统的液压部件外，在ABS液压调节单元中，主要是由电动泵、蓄压器、电磁阀和一些控制开关等组成的。,电动泵和蓄压器可使制动液产生很大的压力，而较大的制动液压力是ABS系统工作的基础。,电动泵实质上

12、是一个高压泵，可以在很短的时间内将制动液的压力升高到1418MPa (在蓄压器中)，给整个液压系统提供高压制动液体。 电动泵能在汽车启动1min内完成上述工作。电动泵的工作是独立于ECU的，如果ECU出现故障或接线有问题，电动泵仍能正常工作。,蓄压器串联装在电动泵和电磁阀之间，用于储存来自电动泵的高压制动液，以备在制动过程中增加制动压力。,电磁阀是制动压力调节装置的主要元件，由它来完成防抱死制动的控制。,压力控制阀独立于ECU工作，一般安装在蓄压器下面，始终监视着蓄压器下腔的制动液压力，当蓄压器制动液压力增高到一定数值(大于18MPa)时，压力控制阀自动打开，使部分制动液流回储液器，从而防止系

13、统压力过高而导致损坏。,另一方面，当蓄压器制动液压力下降到一定数值(小于14MPa)时，压力控制阀闭合，同时使电动泵继电器下面的电路构成回路，使电流通过此电路让电动泵运转，向蓄压器提供制动液。,如果压力控制阀发生故障，尽管蓄压器仍能提供较高压力的制动液，但最终会导致ABS系统中压力下降。,在ABS中，一般有两个继电器，一个是电源继电器，一个是电动泵继电器。,电源继电器主要是通过点火开关给ECU供电。,只要发动机启动，ECU就会启动系统的自检程序，检查ABS是否良好。,如果电源继电器损坏，ECU就会知道，并发出指令，让ABS停止工作，而普通制动系统仍继续工作，直到电源继电器修复为止。,电动泵继电

14、器主要是给电动泵接通电源。,当点火开关接通后，电流通过压力控制阀使电动泵继电器导通，控制电动泵触点闭合，,蓄电池直接给电动泵供电使其运转。,如果电动泵继电器损坏或发生故障，电动泵就不能运转，将导致整个系统压力下降而无法工作。,此时，汽车要停止运行，直到将电动泵修复为止。,ABS ECU是制动防抱死系统的控制中枢，该系统ECU控制系统如图4.35所示。,ECU的主要功能是把各车轮转速传感器传来的信号进行比较、分析和判别；再通过精确计算得出车轮制动时的滑移状况，形成相应的指令，控制制动液压力调节装置及其他装置(如副节气门、步进电动机等)对制动液压力进行调节；使进入制动分泵中的制动液以最合适的压力值

15、来控制各车轮的转速，将滑移率控制在10%到30%的范围内，以达到最佳制动效果。,4.2.3 电子控制装置,另外，ECU还具有初始检测功能、故障检测功能、速度传感器检测功能和失效保障功能。,ECU由硬件和软件两部分组成。,硬件是安装在印制电路板上的各元器件及线路，软件则是固存在只读存储器中的一系列控制程序。,图4.36是制动防抱死系统ECU的电路图。,(1) 制动时车速控制功能,ABS ECU的功能：,图4.37是车轮速度控制过程图。,由图可见，当紧急制动时，每个车轮制动分泵中的制动管路压力迅速升高，车速开始下降。,如果任一车轮即将抱死，ECU就降低该车轮制动分泵中的制动管路压力。,如图中段所示

16、，由于减速度很大，车轮转速急剧减小，为了不使车轮抱死，ECU发出了减压信号，从而使制动分泵中的压力降低，三位电磁换向阀处于压力降低状态；,当压力降到1点时，ECU发出保压信号，使三位电磁换向阀处在压力保持状态。,这时压力较低，车轮加速度会升高，当车速升高到段时，为了尽快降低车速，车轮加速度要减小，ECU就交替发出增压和保压信号，使三位电磁换向阀交替地处在压力升高和压力保持状态。,当制动分泵中的压力升高到2点，车轮减速度很大，车速急速降低，车轮又处于抱死的边缘。,这时ECU又发出减压信号，使三位电磁换向阀处于压力降低状态，即进入段。,当压力降到3点后，ECU又发出保压信号，进入段后又重复段的增压

17、和保压状态。,如此往复，使汽车以最佳状态制动。,(2) 初始检测功能,每当点火开关打开时，ECU就对每一个三位电磁换向阀、液压泵和电动机总成进行状态检测，检验其功能是否正常，以备运行制动时能发挥作用。,(3) 故障检测功能,制动防抱死装置的任何一部分出了故障，电子控制装置就会点亮制动防抱死系统报警灯，并将故障的代码储存起来，以备维修时参考。,(4) 传感器检测功能,制动防抱死系统中用的传感器有转速传感器和减速度传感器，减速度传感器只用在四轮驱动的汽车上。,电子控制装置对转速传感器的输出电压值和输出电压的偏差值进行检测，同时还对减速度传感器的输出电压值进行检测。,(5) 失效保障功能,如果ECU

18、的信号系统出现故障，相关继电器就会断开，切断ECU流向执行器的电流。,结果制动防抱死系统不起作用，常规制动系统仍可进行常规制动。,图4.1 附着系数与滑移率的关系 (虚线与实线标注的上下顺序一一对应) B纵向附着系数； S横向附着系数； S滑移率,图4.2 干燥硬实路面上附着系数与滑移率的关系, B纵向附着系数； S横向附着系数； S滑移率,图4.3 滑移率和滑转率与附着系数的关系,图4.4 典型的ABS系统结构图 1车轮转速传感器；2右前制动器；3制动主缸；4储液室；5真空助力器；6电子控制装置(ECU) ；7右后制动器；8左后制动器；9比例阀；10ABS警示灯；11储液器；12调压电磁阀总

19、成；13电动泵总成；14左前制动器,(a) 常规制动,图4.5 制动防抱死系统工作示意图 1制动总泵；2、5、11单向阀；3液压泵和电动机总成； 4ECU；6储液罐；7前轮轮速传感器；8盘式制动分泵；9回位弹簧；10磁化线圈；12三位电磁换向阀,(b) 压力降低,图4.5 制动防抱死系统工作示意图 1制动总泵；2、5、11单向阀；3液压泵和电动机总成； 4ECU；6储液罐；7前轮轮速传感器；8盘式制动分泵；9回位弹簧；10磁化线圈；12三位电磁换向阀,(c) 压力保持,图4.5 制动防抱死系统工作示意图 1制动总泵；2、5、11单向阀；3液压泵和电动机总成；4ECU；6储液罐；7前轮轮速传感器

20、；8盘式制动分泵；9回位弹簧；10磁化线圈；12三位电磁换向阀,(d) 压力升高,图4.5 制动防抱死系统工作示意图 1制动总泵；2、5、11单向阀；3液压泵和电动机总成；4ECU；6储液罐；7前轮轮速传感器；8盘式制动分泵；9回位弹簧；10磁化线圈；12三位电磁换向阀,图4.6 ASR系统的基本组成,图4.7 典型ASR系统示意图,图4.8 ECE法规货车的制动力分配,图4.9 ECE法规轿车的制动力分配,(a) 限压阀 (b) 比例阀,(c) 感载比例阀,(d) 感载射线阀,(e) 减速度传感器比例阀,图4.10 各种装置调节的制动力分配曲线,(a) 限压阀,图4.10 各种装置调节的制动

21、力分配曲线,(b) 比例阀,图4.10 各种装置调节的制动力分配曲线,(c) 感载比例阀,图4.10 各种装置调节的制动力分配曲线,(d) 感载射线阀,图4.10 各种装置调节的制动力分配曲线,(e) 减速度传感器比例阀,图4.10 各种装置调节的制动力分配曲线,图4.11 电子制动力分配系统原理图,图4.12 前、后轮制动力分配关系,(a) 驱动车轮 (b) 非驱动车轮 图4.13 车速转速传感头在车轮上的安装 1、8电磁感应式传感器；2半轴； 3悬架支承；4、7齿圈；5轮毂；6转向节,(a) 主减速器 (b) 变速器 图4.14 车轮转速传感器在传动系统中的安装位置 1、5传感器；2、3齿

22、圈；4变速器,(a) 齿隙与磁心端部相对时 (b) 齿顶与磁心端部相对时,(c) 传感器输出电压 图4.15 电磁感应式车轮转速传感器的工作原理 1齿圈；2磁心端部；3感应线圈引线；4感应线圈；5永久性磁心；6磁力线；7电磁感应式传感器；8磁极；9齿圈齿顶,(a) 齿隙与磁心端部相对时 (b) 齿顶与磁心端部相对时 图4.15 电磁感应式车轮转速传感器的工作原理 1齿圈；2磁心端部；3感应线圈引线； 4感应线圈；5永久性磁心；6磁力线； 7电磁感应式传感器；8磁极；9齿圈齿顶,(c) 传感器输出电压 图4.15 电磁感应式车轮转速传感器的工作原理 1齿圈；2磁心端部；3感应线圈引线； 4感应线

23、圈；5永久性磁心；6磁力线； 7电磁感应式传感器；8磁极；9齿圈齿顶,(a) 凿式极轴轮速传感器 (b) 柱式极轴轮速传感器 图4.16 电磁感应式车轮转速传感器的结构 1电缆；2永久磁铁；3外壳； 4感应线圈；5极轴；6齿圈,(b) 菱形极轴传感头(柱式极轴的一种) (c) 柱式极轴传感头 图4.17 电磁感应式车轮转速传感器的传感头与齿圈的相对安装方式,(a) 凿式极轴传感头,(a) 霍尔元件磁场较弱 (b) 霍尔元件磁场较强 图4.18 霍尔式车轮转速传感器磁路,(a) 霍尔元件磁场较弱 图4.18 霍尔式车轮转速传感器磁路,(b) 霍尔元件磁场较强 图4.18 霍尔式车轮转速传感器磁路,图4.19 霍尔式车轮转速传感器电子线路框图,图4.20 霍尔式车轮转速传感器电子线路中的各级波形,图4.21