汽车防抱死制动系统（ABS）

一 前言

近二十多年来，中国汽车保有量不断增加，随着城市交通的不断发展，如今的道路交通也变得愈加复杂，交通事故发生的也越来越频繁了，但道路交通死亡人数一直在下降。这不仅是由于道路限速和禁止酒驾等法律规定原因，同时也与许多汽车厂在设计和生产汽车时非常注重它的安全性有关，当事故发生时汽车被动安全系统通过使用诸如侧面碰撞保护、安全带预紧器和安全气囊等系统来保护乘客，并减少事故的后果；而主动安全系统则可防止发生碰撞和避免侧翻甩尾等事故的发生，降低撞击速度减少伤害，主动安全最重要的方面之一是提升制动系统性能。汽车防抱死制动系统ABS是制动系统重要的安全部件，它的安装普及率提高，提高了车辆主动安全性。

目前我国已经成为世界上最大的汽车生产和使用消费国，汽车的行驶安全以及性能稳定对于我国的汽车行业而言尤为重要。随着汽车技术的迅速发展，安全性能越来越来受到人们的重视，制动系统作为主要主动安全件更是备受关注。伴随着汽车行业越来越重视汽车制动系统，在汽车制动系统研发以及创新的过程越来越针对不同的系统组成部分进行专项研究和创新。交通事故通常与制动距离长、紧急制动时发生侧滑等情况密切相关，ABS自诞生以来对车辆的安全性能明显提升，特别在缩短制动距离方面，树立了安全的旗帜，防抱死刹车系统可以提高行车时车辆紧急制动的安全系数。否则，汽车在遇紧急情况采取紧急刹车时，容易出现轮胎抱死，也就是方向盘不能转动，这样危险系数就会随之增加，很容易造成严重后果。因此汽车的制动性能是汽车安全行驶的重要保障之一，也是汽车最主要的性能参数之一。

世界各国由于能源危机和环境污染等问题，目前对电动汽车给予了前所未有的关注，电动汽车ABS技术也要相应发展。在城市工况中，汽车需要较频繁的启动与制动，不管是采用哪种制动方式，一旦车轮抱死，后果可想而知，因此对于汽车行驶安全性能的要求越来越高。汽车制动防抱死系统（ABS）就是在这种要求下产生和发展的。

二 概述

ABS是常规刹车装置基础上的改进型技术，是一种具有防滑、防抱死等优点的汽车安全控制系统，防抱死制动器本质上是普通制动器的增强型或改进型。

防抱死制动系统设计用于在制动困难或在潮湿或光滑的表面上制动时防止制动器锁定和车轮打滑，通过防止车辆危险滑行并允许驾驶员在试图停止时保持转向控制，这为日常驾驶增加了显著的安全范围。ABS既有普通制动系统的制动功能，又能防止车轮抱死，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。

制动防抱死系统就是在制动过程中防止车轮被制动抱死，车轮抱死可引起：路面制动力减小，制动效能下降；降低轮胎使用寿命，当汽车制动前轮抱死时，汽车会失去转向能力，后轮抱死时侧向力减小，制动时的方向稳定性下降，会造成汽车急转甩尾或侧滑。制动防抱死系统对汽车性能的影响主要表现在减少制动距离、保持转向操纵能力、提高行驶方向稳定性以及减少轮胎的磨损方面。遇到紧急状况，驾驶员只要尽可能地用力踩下刹车踏板不松开即可，其他的事情交给ABS来处理，因此驾驶者可以专心地处理紧急状况，保证汽车的行驶安全。

三 定义防抱死制动系统的英文缩写是ABS，英文的全称是Anti-lockBrakingSystem，或者是Anti-skidBrakingSystem。抱死，首先“抱死”指的是刹车片（或蹄片）与刹车盘（刹车鼓）没有了相对滑动摩擦，刹车时该摩擦副摩擦生热，把汽车动能转化为热能，最终让车停下或减速；其次车轮抱死其实是指汽车在紧急制动的时候，车轮处于完全静止不转动的状态，是指汽车在刹车过程中一次制动，轮胎不再旋转，在踩下汽车刹车的时候，汽车会给轮子一个使其能够停止的力，使轮子不能继续转动，但轮子是具有一定惯性的，在轮子已经停止转动后，依然会继续向前滑行一段距离，最后才能彻底停止。假如汽车的前轮和后轮不在同一条直线上，因为所具有的惯性使得前后轮都会朝着各自的前方进行滑行，根据对轮胎极限制动时的测试，轮胎在直线制动饱和时无法提供侧向抓地力，此时车辆会难以完成任何侧向控制，这样前后轮朝着两个不同的方向运行车辆会发生不可控的横摆（打转），汽车发生甩尾现象。遇到这种情况，汽车的方向盘是没有任何作用的，汽车就会完全失去控制，如果情况十分严重，很有可能会发生汽车的翻覆，造成交通事故等危害。

如果刹车完全抱死，这个能量转换只能依靠轮胎与地面的摩擦了。摩擦分两种：滚动摩擦和滑动摩擦，摩擦系数视路面干湿度等影响，当踩下刹车时车轮与地面的摩擦力会逐渐增大，大到一个临界点之后就会从滚动变成滑动摩擦。滑动摩擦力又会逐渐减小，那么ABS就是利用这个摩擦力变化曲线的原理，将车轮的摩擦力固定在这个峰值，以此来减小刹车距离。剧烈摩擦使得轮胎橡胶高温，接触面局部液化，使刹车距离变短但侧滑会更加速磨损。

防抱死制动系统（Anti-lock Braking System，ABS）是汽车纵向动力学控制的研究内容之一。防抱死，顾名思义是防止汽车一次制动，采用间歇性制动刹车。指汽车在制动过程中，自动调节作用在车轮上的制动力矩（车轮制动力），阻止车轮在制动力矩较大时出现抱死现象；同时现代的ABS 系统能实时判定车轮的滑移率，将车轮在制动时的滑移率保持在最优值附近。所以，在ABS系统起作用时，驾驶员不会由于前轮抱死而失去对车辆转向的控制，而且汽车制动距离会比车轮抱死时小，取得最佳制动效能同时可以降低事故发生时的冲击力。

在汽车制动系统中，汽车的防抱死系统所具有的性能以及其稳定性对汽车来说是特别重要的。

三 组成

ABS系统的组成如图２所示，ABS系统主要由液压制动系统、车轮速度传感器（磁铁、线圈和齿圈）、制动压力调节器（电磁阀和液压泵）和电子控制单元ECU和制动控制电路等部分组成，是在传统制动系统基础上又增设车轮速度传感器、电子控制单元、制动压力调节器和ABS警告灯；主要由ABS电子控制系统和ABS液压控制系统两大部分组成，电子控制系统的主要传感器为车速传感器，主要执行器为电磁控制阀。

图1-2 典型ABS的组成

1-轮速传感器2-右前制动器 3-制动主缸 4-制动液罐 5-真空助力器6-电子控制单元 7-右后制动器 8-左后制动器 9- ABS警告灯 10-制动压力调节器11-左前制动器

图2 ABS系统的组成

1．轮速传感器

又名转速传感器。轮速传感器一般都安装在车轮处，但有些驱动车轮的轮速传感器安装在主减速器或变速器等传动系统部件中。传感机构由轮速传感器和“齿圈”配对组成。在车轮内侧的一个固定装置上安装有轮速传感器，轮速传感器内包含了大量可供产生磁力线的电磁线圈，车轮转动时带动车轮轮辋上的齿圈转动，这时所产生的磁力线被齿圈切割使传感器内的电磁线圈感应出交变电流，电磁控制器检测出脉冲率与车轮转速之间的成正比的变化信号，电子感应器根据传感器内所设定的默认数据，与现实数据进行对比分析，分析并处理所测量到的脉冲信号，并根据这些信号分析出每个车轮的运动速度。当实际数据超出默认数据的范围时，电磁控制器就会发出信号给电磁调节器，调节柱塞的上下移动，进一步调节各个车轮制动分泵的油量。轮速传感器的作用是检测车轮转速，产生与轮速成正比的正弦交流信号，经整形、放大转变成数字信号，并将车轮转速信号送入ABS ECU，用于对制动压力调节器实施控制。

（1）ABS轮速传感器主要技术指标

1）最小电流7mA,最大电流14mA

2）最小工作电压9V,最大工作电压18V

3）气隙高度范围在0.5~1.2mm

4）温度范围在：-40摄氏度~+125摄氏度

5）最小速度1HZ，最大速度大于2500HZ

（2）传感器对ABS控制效果的影响

1)传感器的信号好坏直接影响到ABS的控制，若安装不到位或碰撞，就会导致传感器采集的轮速信号时好时坏或完全没有或有尖波干扰，造成ECU误认为车轮已趋向抱死，立即采取减压调节，导致车辆跑偏或走蛇形。

2）由于传感器信号不好就会导致压力调节器过早调节，增压阀过早关闭，引起制动踏板很硬，有时还会感觉踩不下，也会导致制动距离很长或没有制动的现象。

3）目前有80%的故障与传感器有关，所以在安装传感器时要格外仔细，确保精确安装到位。

目前ABS轮速传感器主要有电磁式和霍尔式两种。

（1）电磁式轮速传感器

电磁式轮速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，其结果使磁通量周期性增减变化，在线圈两端产生正比于磁通量增减速度的感应电压。磁电式传感器由电磁感应传感头和磁性齿圈组成，结构如下图所示，传感头由永磁体、极轴和感应线圈等组成，极轴有凿式极轴和柱式极轴和菱形极轴式。传感头直接安装在车轮附近不随车轮转动的部件上，如半轴套管、转向节、制动底板等。转子齿圈是一个带齿的圆环，由磁阻较效的铁磁性材料制成，随车轮一起转动的部件上，如半轴、轮毂或制动盘等，与车轮同步转动。

1）工作原理

齿圈随车轮转动，突齿和齿隙不断交替在极轴下掠过，使铁心磁通发生变化在感应线圈中产生交变信号电压，频率：f=30~6000Hz，电压幅值：U=1~15V.

当齿圈旋转时，齿顶与齿隙轮流交替对向磁芯，当齿圈转到齿顶与传感头磁芯相对时，传感头磁芯与齿圈之间的间隙最小，由永久磁芯产生的磁力线就容易通过齿圈，感应线圈周围的磁场就强；而当齿圈转动到齿隙与传感磁芯相对时，传感头磁芯与齿圈之间的间隙最大，由永久磁芯产生的磁力线就不容易通过齿圈，感应线圈周围的磁场就弱。此时，磁通迅速交替变化，在感应线圈中就会产生交变电压，交变电压的频率将随车轮转速成比例变化。电子控制单元可以通过转速传感输入的电压脉冲频率进行处理来确定车轮的转速、汽车的参考速度等。

优点：电磁式轮速传感器结构简单、成本低；

缺点：一是其输出信号的幅值随转速的变化而变化。若车速过慢，其输出信号低于1V，电控单元就无法检测；二是响应频率不高。当转速过高时，传感器的频率响应跟不上；三是抗电磁波干扰能力差。目前，国内外ABS系统的控制速度一般为15~160km/h，今后要求控制速度范围扩大到8~260km/h以至更大，显然电磁感应式轮速传感器很难适应。

2)传感器安装位置

图1-8 安装在车轮处的轮速传感器

a）驱动轮 b）从动轮

安装在传动系统部件中的轮速传感器如图1-9所示，传感器安装在主减速器或变速器壳体上，齿圈安装在变速器输出轴上，或借用主减速器从动齿轮作为齿圈。

图1-9 安装在传动系统中的轮速传感器

（2）霍尔式轮速传感器

霍尔式轮速传感器也是由传感器和齿圈组成，传感器则由永久磁铁、霍尔元件和集成电路等组成，永磁体的磁力线穿过霍尔元件通向齿轮。

霍尔式轮速传感器根据霍尔效应原理产生轮速信号：齿轮转动时，使得穿过霍尔元件的磁力线密度发生变化，因而引起霍尔电压的变化，霍尔元件将输出一个毫伏（mV）级的电压信号。此信号还需由电子电路转换成标准的脉冲电压（方波）。

霍尔式轮速传感器的优点是：

1）输出的信号电压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，即使车速很低时也是如此。

2）频率响应高。传感器频率响应可达20kHZ，在ABS中相当于车速为1000km/h时所检测的信号频率，因此不会出现高速时频率响应差的问题。

3）由于霍尔式轮速传感器输出的电压信号强弱不随转速变化，且幅值较高，因此抗电磁干扰能力较强。因此，霍尔传感器不仅广泛应用于ABS轮速检测，也广泛应用于其控制系统的转速检测。

霍尔式轮速传感器的缺点是：结构复杂，成本较高，并且工作时需要有电源电压。

2．电子控制单元

ABS电子控制模块（可以称为ABS ECU）它是一种微处理器，它使用来自传感器的输入来调节制动期间的液压，以防止车轮锁死。ABS电子控制单元（ECU）主要用于接收轮速传感器和其他传感器的输入信号，根据设定的控制逻辑，通过计算和逻辑分析、判断车轮是否有抱死趋势，然后向制动压力调节器发出输出制动压力控制指令，控制制动压力调节器调节制动压力。电子控制单元是ABS系统的控制中心，它实际上是一个微型计算机，所以又常称为ABS（ECU)电脑。ABS ECU由输入电路、数字控制器、输出电路和警告电路组成。主要任务是连续监测接受4个车轮转速传感器送来的脉冲信号，并进行测量比较、分析放大和判别处理，计算出车轮转速、车轮减速度以及制动滑移率，再进行逻辑比较分析4个车轮的制动情况，一旦判断出车轮将要抱死，它立刻进入防抱死控制状态，通过电子控制单元向液压单元发出指令，以控制制动轮缸油路上电磁阀的通断和液压泵的工作来调节制动压力，防止车轮抱死。ABS ECU还不断对自身工作进行监控，它会自动关闭ABS系统。此外ABS ECU还不断监视ABS系统中其他部件的工作情况，一旦ABS系统出现故障，如车轮速度信号消失，液压压力降低等，ABS ECU会发出指令而关闭ABS系统，并使常规制动系统工作，同时将故障信息存储记忆，并将仪表板上的ABS故障灯点亮，向驾驶员发出警示信号，此时应及时检查修理。

ABS模块可以位于行李箱，乘客舱或发动机罩下。它可以是单独的模块或与其他电子设备集成，例如车身控制或悬架计算机。在较新的ABS模块，它安装在制动压力调节器（液压调节器）上。

与任何其他电子控制模块一样，ABS模块易受电气过载，冲击和极端温度造成的损坏。如果有缺陷，通常更换模块。

（1）ABS电子控制单元的组成

由软件和硬件两个部分组成，

软件方面：采用C语言编写的一套适应各种道路的防抱死控制算法，控制器算法经历了可靠性和各种制动工况的检验，结果表明此软件具有很高的可靠性与安全性。硬件方面：采用国内外成熟的元器件，特别是CPU采用西门子专用于车辆上的各种控制需求。自行研制的控制器在体积和质量上已接近国内外同类产品的水平。

（2）ABS电子控制单元的主要功能

主要功能有：

采集功能模块：采集各车轮的轮速

参数计算模块：计算车速、加减速度、滑移率

路面识别模块：辨别路面高u、低u等

控制算法模块：根据轮速、车速等决定控制方法

驱动控制模块：控制电磁阀开关，调节制动压力

故障诊断模块：故障报警、恢复常规制动

通讯功能模块：用于CAN总线和串口通讯

ABS ECU主要由输入电路、计算电路、输出电路、安全保护电路等组成。

图1-10 ABS ECU电路框图（三通道四传感器式）

1）输入电路 输入电路由低通滤波电路和整形、放大电路组成，用于对轮速传感器等输入的信号进行处理，并将模拟信号转变成数字信号输入计算（运算）电路。

ABS控制模块的关键输入来自车轮速度传感器和制动踏板开关。当施加制动时，制动踏板开关向控制模块发出信号，这使其从“待机”模式变为主动模式。

2）计算电路 计算电路的作用是根据轮速传感器和其他传感器的输入信号，按照设定的控制逻辑，经计算和逻辑分析、判断后输出控制指令。进行车轮转速、车轮加减速度、滑移率等控制参数的计算，以及电磁阀的开启和监控运算。

计算电路不仅能够监测ECU内部的工作情况，还能监测轮速传感器和泵电动机继电器、电磁阀继电器等执行器的工作电路。当监测到这些电路工作不正常时，立即向安全保护电路输出指令，使ABS停止工作。

3）输出电路（电磁阀控制电路） 输出电路的主要功能是将计算电路输出的数字控制信号（如制动压力增加、保持、降低）转变成模拟信号，通过功率放大器驱动执行器工作。接受运算电路的控制信号，对电磁阀的动作进行控制。

当需要ABS制动时，控制模块开始动作并命令液压单元根据需要调节制动压力。

4）安全保护电路 安全保护电路由电源监控、故障记忆、继电器驱动和ABS警告灯驱动等电路组成。安全保护电路接收汽车电源的电压信号，对电源电压进行监控，判断它是否稳定在规定范围内，同时将12V或14V电源电压变成ECU内部需要的5V标准电压。

在装有泵的系统上，ABS ECU还为泵和继电器供电。当出现故障时，停止ABS的工作，转入常规制动状态，同时点亮仪表板上的警告灯。

（3）ABS电子控制单元（ECU）主要技术指标：

自适应辨别路面工况，并实施有效防抱死制动；

控制过程中车辆具有方向稳定性（各轮不抱死）

本系统制动距离不应比无ABS的制动距离长

防抱死过程无明显抱死或制动不足

控制软件算法可靠，无失效发生

3．制动压力调节器

制动压力调节器是ABS的执行器（执行机构），

其功用是接收ABS ECU的指令，通过电磁阀的动作自动调节车轮制动器的制动压力，直接或间接地控制制动压力的增、减，以使车轮滑移率保持在最佳范围内；

（1）组成

液压调节器装置是由电磁阀、液压泵和电动机等组成；它含有电机驱动的回流泵、储压器、阻尼室、节流阀和两位液压电磁阀（2/2电磁阀）。

1）电动液压泵（回流泵/高压电动泵）

低压储液罐与电动液压泵合为一体装于液压控制单元上。电动液压泵的作用是将在制动压力阶段流入低压储液罐中的制动液及时送至制动主缸，同时在施加压力阶段，从低压储液罐中吸取剩余制动力，泵入制动循环系统，给液压系统以压力支持，增加制动效能。电动液压泵的运转是由电子控制单元控制的。

回流泵将从制动分泵回流的制动液泵回电磁阀进液口；回流泵将制动分泵中排出的制动液泵回到制动总泵。

高压电动泵在一些ABS系统中被用来产生动力辅助以用于正常制动以及在ABS制动期间重新施加制动压力。在某些系统中，它仅用于在ABS制动期间重新施加压力。

泵电机通过继电器供电，继电器由ABS控制模块接通和断开。

2）低压蓄能器

由泵产生的流体压力存储在“储能器”中，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；接纳ABS减压过程中从制动分泵回流的制动液；低压储油罐的作用是用于暂时存储从制动轮缸中流出的制动液，以缓和制动液从制动轮缸中流出时产生的脉动。

3）高压阻尼器

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辐值，使噪声减少。

4）电磁控制阀

液压控制单元（N55)阀体内包括8个电磁阀，每个回路各一对，其中一个是常开进油阀，一个是常闭出油阀。它在制动主缸、制动轮缸和回油路之间建立联系，实现压力升高、压力保持和压力降低的功能，防止车轮抱死。电磁控制阀是电子控制系统和液压控制系统的中间连接元件，它既是电子控制系统的执行元件，同时又是液压控制系统的开关元件，它的作用是将电脑发出的控制命令转变为液压控制油路的切换动作，进而实现对制动轮缸的液压控制，完成对车轮的常规、保压、减压和增压制动，最终达到控制车轮制动力，防止车轮滑转和抱死的目的。

（2）压力调节器关键技术及工艺难点

1）隔磁管的加工

要求是将厚0.3mm的不锈钢板进行深拉升，成型为内径直径7mm,深25mm的管状零件。由于壁太薄，冲压时极易开裂，报废率很高。

由于隔磁管采用挤压装配，因此既要保证动铁和定铁之间的间隙、阀杆与阀座之间的间隙（影响电磁阀的响应时间），又是保证挤压处不出现外漏，是一较难的问题。

2)本体的加工

本体是ABS压力调节器的主体，加工面多（六面皆需加工）、加工位置多、加工的孔不仅精度要求高，而且阶梯孔多，孔的深度大，特别是本体上的直径0.5mm小孔、直径3.2长孔的加工上，钻头太细太长，不易夹紧找正，极易折断。

3）隔磁片的加工

隔磁片太小太薄，壁厚只有0.1mm，很难机加工，目前采用电脉冲加工，效果虽然不错，但成本太高。

4）一些零件的热处理问题

有些零件的材料选用和热处理工艺产生了冲突，另外由于零件很小，也给热处理带来了一定的困难，如阀杆球面、阀座锥面的热处理。

参考资料：智能汽车电子电气技术漫谈