汽车制动防抱死系统(ABS)原理分析

汽车制动防抱死系统(ABS)原理分析

1.汽车开环和闭环制动系统简述
    
    为了使汽车在行驶过程中以适当的减速度降低速度直至停车，保证行驶的安全性，汽车上均装有行车制动器。在汽车制动防抱死装置出现之前，所用的都是开环制动系统。其特点是制动器制动力矩的大小仅与驾驶员的操纵力，制动力的分配调节，以及制动器的尺寸和型式有关。由于没有车轮运动状态的反馈信号，无法测知制动过程中车轮的运动状态，因此就不能据此调节轮缸或气室制动压力的大小。这样在紧急制动时，不可避免地出现车轮在地面上抱死拖滑的现象。当车轮抱死时，地面的侧向附着性能很差，所能提供的侧向附着力很小，在汽车所受到种种干扰外力作用下就会出现方向失稳问题，容易发生交通事故。在潮湿路面或冰雪路面上制动时，这种方向失稳的现象更常发生。
    
    人类对于汽车制动时方向失稳现象及其产生原因的认识是逐步加深的。在路面车辆诞生初期，汽车前轮上几乎不装制动器，制动器仅安装在后轮上。一方面的原因是当时路面车辆行驶速度低，但主要的原因是为了防止前轮丧失转向能力。这种做法大约持续了15年。其间虽然注意到后轮抱死有时会造成汽车绕前轴转动，但当时占支配地位的想法是这总比前轮丧失转向能力好。到了名0世纪20年代初期，随着汽车质量的增加和车速的提高，仅靠后轮制动不足以提供充分的制动力，这样才导致在前轮上安装制动器。但当时仍然认为前轮制动仅只是对后轮制动的一种补充，且不允许前轮先于后轮抱死。后来，人们又认识到应根据静态轴荷的分配比例来分配前后轮的制动力。到了本世纪30年代末期-r汽车界又认识到制动时轴荷的动态转移，前轮要增重，后轮要减重。且后轮先抱死更易造成汽车特别是铰接汽车的方向失控，导致交通事故的发生。从而着手开始研制能限制汽车后轮制动力矩的装置。由此诞生了限压阀、比例阀、惯性阀、感载比例阀等。现今这些前后制动力分配和调解装置被许多国家广泛应用在轿车、货车、客车、铰接车辆的后制动管路中。到1968年底，几乎所有的铰接车辆上都装有这类装置。
    
    随着前后轮制动力分配装置技术的发展，为提高路面车辆制动性能的其它技术也在发展着。例如汽车的液压制动技术，钳盘式制动器技术、双管路制动系统、真空伺服制动装置等技术都得到了应用和推广。
    
    然而以，上技术妁应用，并不能完全解决车轮制动时的抱死问题，这是因为它是开环制动系统，无法感知制动轮的运动状况，轮缸或气室压力不能相应地调节，制动轮得不到相应的控制。制动时汽车方向失稳问题仍未得到根本的改善。
    
    汽车制动防抱死装置(英文为AntilockBrakingSystem简称ABS)的基本功能就是可感知制动轮每一瞬时的运动状态，并根据其运动状态相应地调节制动器制动力矩的大小y避免出现车轮的抱死现象，因而是一个闭环制动系统。它是电子控制技术在汽车上最有突出成就的一项应用。可使得汽车在制动时维持方向稳定性和缩短制动距离，有效地提高了行车的安全性。
    
    它的系统控制框图如图所示。
    

    
    2.汽车制动防抱死技术的发展
    
    据欧洲各国统计，应用了制动防抱死技术后，交通事故摩托车减少10%，轿车和轻型货车减少8%，公共汽车减少4%，重型货车减少10%，平均起来减少7.5%。
    
    汽车制动防抱死系统这一优点一直在激励蓉各国的汽车工程师致力于这方面的研究工作。其中英国和德国的学者为此付出了更多的努力和心血。他们也是这项技术的先驱者。1965年前后，制动防抱死装置开始安装在汽车上进行路试。1968年底，它在英国成功地安装在半挂拖车机组的牵引头的后轮上，并投入实际韵运营。其后十年间斗、制动防抱死装置主要是装在这种铰接车辆上，有效地解决了铰接车辆在制动时常发生的折转伺题。在刚性车辆土如客车、高档小轿车上也有少量的应用。仅据英国统计，在这十年间，终宪六千辆铰接车辆安装了制动防抱死装置。制动防抱死系统的优点也引起了政府交通管理部门韵兴趣。1971年，瑞典国家交通安全组织敦促所有的路面机动车辆和拖车的制；动系统都应设计或能充分利用车轮和路面间的附着能力且不应该有车轮抱死现象发生，并且预告，这种要求要在1975年变成法律而强制实施。瑞典政府的这一要求使得欧洲汽车工业界大为振奋，他们看到了政府对制动防抱死这一技术的发明和应用的态度，于是纷纷投入大量的人力、物力、财力进行制动防抱死装置的研究，，由此引来了制动防抱死技术的第一次大发展。

除了瑞典以外，其它国家政府的交通管理部门也在积极认真地评价汽车制动防抱死系统的优点。在当时的联邦德国，从1969年到1972年交通部主持了一项研究项目f对安装有制动防抱死系统的小轿车、公共汽车、货车和半挂拖车机组的制动性能进行了全面的系统的测试。由此产生的试验报告以后成为关于欧洲制动防抱死性能检测的ECE第13号法规的13号补充法规讨论的基础。
    
    和任何新技术的应用一样，制动防抱死技术在汽车工的应用在其发展过程中也不是一帆风顺的，其间也经过许多磨难和挫折。其中最值得一提的是1975年至1978年发生在美国的一段事情。1975年美国公路交通安全管理局颁布了新的121号联邦交通安全法规(FMVSS121)。它对1975年后新出厂的所有应用气制动的客车、货车、拖车和半挂拖车机组在高和低两种附着系数路面上制动时规定了严格的制动距离和对后车轮不抱死的要求。
    
    然而在当时，制动防抱死技术远未成熟六仍处在早期发展阶段，存在着许多性能方面和可靠性方面的问题。主要表现在它的电气部分的安装上，例如轮速传感器、导线、接头、信号线等。特别是单片机的问题，它常常发出错误的信号，使压力调节器不能正常的工作。此外还有压力调节器反应迟钝及制动防抱死系统抗电磁场干扰能力差等缺点。在制动防抱死系统的使用和维修方面也存在着很多问题，如维修备件缺乏，维修保养费调整往往不当，维修保养人员和驾驶员对结构不熟悉，缺乏必需的维修设备等等。结果制动方面产生的一切问题都归咎到制动防抱死装置上，导致使用人员对制动防抱死装置完全丧失了兴趣和信心。最终，在几个恶性交通事故发生后，1978年经法院裁决，美国公路交通管理局取消对新出厂的营运车辆所规定的制动距离和后轮不抱死的条款。此后，美国制动防抱死装置的应用迅速减少，其市场也迅速消失。
    
    欧洲主要是西欧各国关于制动防抱死系统的性能标准的讨论始于1972年。参加讨论的有政府交通安全管理部门的代表，大学和研究所的专家，汽车生产厂家，制动器生产厂家和电子产品生产厂家的代表。他们经过多次会议的讨论，最终形成了关于欧洲制动防抱死系统性能的若干规定，并于1979年作为联合国欧洲经济委员会关于汽车制动性能的第13号法规的13号补充法规颁布实施。
    
    进入80年代，制动防抱死装置又迎来了它的第二次大发展。在80年代初期，)欧美各国突然加速了新的防抱死装置的研究和应用。制动防抱死装置在家用轿车和商用货车上的应用使市场迅速膨胀。这样大大刺激了各制动防抱死装置生产厂家投入更多的力量研制性能更好、结构更简单、使用更可靠、价格性能比更低的制动防抱死装置。于此同时，制动防抱死系统在汽车上的布置方案也迅速增多。例如对于豪华型家用轿车，以前仅有三通道、四通道两种布置方案：进入80年代以后，由于中档家用轿车对制动防抱死装置韵需求，同时又考虑到此种装置占整车价格的比例，于是相对简单的各种二通道、一通道制动防孢死装置应运而生。这是70年代没有预见到的。
    
    由于新的制动防抱死装置布置方案的出现；1979年通过的第13号补充法规不能完全适用。于是欧洲国家又从1982年起对.13号补充法规进行了修订，于1985年形成了新的文本。
    
    80年代中期以后，借助于电子控制技术的迅速进步，制动防抱死系统反应更灵敏、成本更降低、安装更方便、维修更容易、价格更易被中小型家用轿车所接受。
    
    1987年，欧共体颁布了一项法规，要求从1991年起，欧共体成员国生产的所有新车型均需装备制动防抱死装置，同时规定凡载重16t以上的货车必须装备制动防抱死装置，并且禁止无此装置的汽车进口。日本规定，从1991年起5对总质量超过13t的牵引车、总质量超过10t的运送危险晶的拖车、在高速公路上行驶的大客车都必须安装制动防抱死装置。
    
    现今，德国生产的轿车已有21%装备了制动防抱死装置。它主要应用在豪华轿车上，但占总量60%以上的中低档家用轿车应用这种系统的还不多。主要原因是这种系统价格较高，占中低档轿车的整车价格比例较大。美国福特汽车公司生产的货车，制动防抱死系统的配备率达94%，而通用汽车公司1994年生产的货车和客车则全部装备了这种装置。预计在今后的五年里，世界范围内制动防抱死装置在汽车上的装有率将达到80%。