【正文】 1 第一章：防抱死制動(dòng)系統(tǒng)概述 ABS 的功能 汽車 ABS 在高速制動(dòng)時(shí)用來防止車輪抱死， ABS 是英文 Antilock Brake Syetem 的縮寫，全文的意思是防抱死制動(dòng)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱 ABS。 凡駕駛過汽車的人都有這樣的經(jīng)歷：在積水的柏油路上或在冰雪路面緊急制動(dòng)時(shí)，汽車輕者會(huì)發(fā)生側(cè)滑，嚴(yán)重時(shí)會(huì)掉頭、甩尾，甚至產(chǎn)生劇烈旋轉(zhuǎn)。制動(dòng)力過大，將使車輪抱死，汽車方向失去控制后，若是彎道就有可能從路邊滑出或闖入對(duì)面車道，即使不是彎道也無法躲避障礙物，產(chǎn)生這些危險(xiǎn)狀況的原因在于汽車的車輪在制動(dòng)過程中產(chǎn)生抱死現(xiàn)象，此 時(shí)，車輪相對(duì)于路面的運(yùn)動(dòng)不再是滾動(dòng)，而是滑動(dòng)，路面作用在輪胎上的側(cè)滑摩擦力和縱向制動(dòng)力變得很小，路面越滑，車輪越容易?？傊囍苿?dòng)時(shí)車輪如果抱死將產(chǎn)生以下不良影響：方向失去控制，出現(xiàn)側(cè)滑、甩尾，甚至翻車；制動(dòng)效率下降，延長(zhǎng)了制動(dòng)距離；輪胎過度磨損，產(chǎn)生 “ 小平面 ” ，甚至爆胎。 ABS 防抱死制動(dòng)裝置就是為了防止上述缺陷的發(fā)生而研制的裝置，它有以下幾點(diǎn)好處：增加制動(dòng)穩(wěn)定性，防止方向失控、側(cè)滑和甩尾；提高制動(dòng)效率，縮短制動(dòng)距離（松軟的沙石路面除外）；減少輪胎磨損，防止爆胎。 現(xiàn)代轎車的 ABS 由輸入傳感器、控制電腦 、輸出調(diào)制器及連接線等組成。輸入傳感器通常包括死個(gè)車輪的輪速信號(hào)、剎車信號(hào)，個(gè)別車型還有減速度信號(hào)、手剎車或車油面信號(hào)。 ABS 的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是增加了汽車制動(dòng)時(shí)候的穩(wěn)定性。汽車制動(dòng)時(shí)，四個(gè)輪子上的制動(dòng)力是不一樣的，如果汽車的前輪抱死，駕駛員就無法控制汽車的行駛方向，這是非常危險(xiǎn)的；倘若汽車的后輪先抱死，則會(huì)出現(xiàn)側(cè)滑、甩尾，甚至使汽車整個(gè)掉頭等嚴(yán)重事故。 ABS 可以防止四個(gè)輪子制動(dòng)時(shí)被完全抱死，提高了汽車行駛的穩(wěn)定性。汽車生產(chǎn)廠家的研究數(shù)據(jù)表明，裝有 ABS 的車輛，可使因車論側(cè)滑引起的事故比例下降 8%左右。 ABS 的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能縮短制動(dòng)距離。這是因?yàn)樵谕瑯泳o急制動(dòng)的情況下，ABS 可以將滑移率（汽車華東距離與行駛的比）控制在 20%左右，即可獲得最大的縱向制動(dòng)力的結(jié)果。 ABS 的第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是改善了輪胎的磨損狀況，防止爆胎。事實(shí)上，車輪抱死會(huì)造成輪胎小平面磨損，輪胎面損耗會(huì)不均勻，使輪胎磨損消耗費(fèi)增加，嚴(yán)重時(shí) 2 將無法繼續(xù)使用。因此，裝有 ABS 具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和安全保障。 另外， ABS 使用方便，工作可靠。 ABS 的使用與普通制動(dòng)系統(tǒng)的使用幾乎沒有區(qū)別，緊急制動(dòng)時(shí)只有把腳用力踏在制動(dòng)踏板上， ABS 就會(huì)根據(jù)情況進(jìn)入工作狀態(tài)，即使 雨雪路滑， ABS 也會(huì)使制動(dòng)狀態(tài)保持在最佳點(diǎn)。 ABS 利用電腦控制車輪制動(dòng)力，可以充分發(fā)揮制動(dòng)器的效能，提高制動(dòng)減速度和縮短制動(dòng)距離，并能有效地提高車輛制動(dòng)的穩(wěn)定性，防止車輛側(cè)滑和甩尾，減少車禍?zhǔn)鹿实陌l(fā)生，因此被認(rèn)為是當(dāng)前提高汽車行駛安全性的有效措施。目前 ABS已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外中高級(jí)轎和客車上得到了廣泛使用。 ABS防抱死制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展歷史 ABS 裝置最早應(yīng)用在飛機(jī)和火車上，而在汽車上的應(yīng)用比較晚。鐵路機(jī)車在制動(dòng)時(shí)如果制動(dòng)強(qiáng)度過大，車輪就會(huì)很容易抱死在平 滑的軌道上滑行。由于車輪和軌道的摩擦，就會(huì)在車輪外圓上磨 出一些小平面，小平面產(chǎn)生后，車輪就不能平穩(wěn)地行駛，產(chǎn)生噪聲和掙動(dòng)。 1908 年英國(guó)工程師 J. E. Francis 提出了 “ 鐵路車輛車輪抱死滑動(dòng)控制器 ” 理論，但卻無法將它實(shí)用化。接下來的 30 年中，包括 Karl Wessel 的 “ 剎車力控制器 ” 、 Werner Mhl 的 “ 液壓剎車安全裝置 ”與 Richard Trappe 的 “ 車輪抱死防止器 ” 等嘗試都宣告失敗。在 1941 年出版的《汽車科技手冊(cè)》中寫到： “ 到現(xiàn)在為止，任何通過機(jī)械裝置防止車輪抱死危險(xiǎn)的嘗試皆尚未成功，當(dāng)這項(xiàng)裝置成功的那一天，即是交通安全史上的一個(gè)重要里程碑 ” ，可惜該書的作者恐怕沒想到這一天竟還要再等 30年之久。 當(dāng)時(shí)開發(fā)剎車防抱死裝置的技術(shù)瓶頸是什么？首先該裝置需要一套系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎速度變化量并立即通過液壓系統(tǒng)調(diào)整剎車壓力大小，在那個(gè)沒有集成電路與計(jì)算機(jī)的年代，沒有任何機(jī)械裝置能夠達(dá)成如此敏捷的反應(yīng)！等到 ABS系統(tǒng)的誕生露出一線曙光時(shí)，已經(jīng)是半導(dǎo)體技術(shù)有了初步規(guī)模的 1960 年代早期。 精于汽車電子系統(tǒng)的德國(guó)公司 Bosch（博世）研發(fā) ABS 系統(tǒng)的起源要追溯到 1936 年，當(dāng)年 Bosch 申請(qǐng) “ 機(jī)動(dòng)車輛防止剎車抱死裝置 ” 的專利。 1964 年（也是集成電路誕生的一年） Bosch 公司再度開始 ABS的研發(fā)計(jì)劃，最后有了 “ 通過電子裝置控制來防止車輪抱死是可行的 ” 結(jié)論，這是 ABS（ Antilock Braking System）名詞在歷史上第一次出現(xiàn)！世界上第一具 ABS 原型機(jī)于 1966 年出現(xiàn)，向世人證明 “ 縮短剎車距離 ” 并非不可能完成的任務(wù)。因?yàn)橥度氲馁Y金過于龐大， ABS 初期的應(yīng)用僅限于鐵路車輛或航空器。 Teldix GmbH 公司從 1970 年和奔馳車廠合作開發(fā)出第一具用于道路車輛的原型機(jī) —— ABS 1， 該系統(tǒng)已具備量產(chǎn) 3 基礎(chǔ)，但可靠性不足，而且控制單元內(nèi)的組件超過 1000 個(gè)，不但成 本過高也很容易發(fā)生故障。 1973 年 Bosch 公司購(gòu)得 50％的 Teldix GmbH 公司股權(quán)及 ABS 領(lǐng)域的研發(fā)成果， 1975 年 AEG、 Teldix 與 Bosch 達(dá)成協(xié)議，將 ABS 系統(tǒng)的開發(fā)計(jì)劃完全委托Bosch 公司整合執(zhí)行。 “ABS 2” 在 3 年的努力后誕生！有別于 ABS 1 采用模擬式電子組件， ABS 2 系統(tǒng)完全以數(shù)字式組件進(jìn)行設(shè)計(jì)，不但控制單元內(nèi)組件數(shù)目從 1000 個(gè)銳減到 140 個(gè)，而且有造價(jià)降低、可靠性大幅提升與運(yùn)算速度明顯加快的三大優(yōu)勢(shì)。兩家德國(guó)車廠奔馳與寶馬于 1978 年底決定將 ABS 2 這項(xiàng)高科技系統(tǒng)裝 置在 S級(jí)及 7 系列車款上。 在誕生的前 3年中， ABS 系統(tǒng)都苦于成本過于高昂而無法開拓市場(chǎng)。從 1978到 1980 年底， Bosch 公司總共才售出 24000 套 ABS 系統(tǒng)。所幸第二年即成長(zhǎng)到76000 套。受到市場(chǎng)上的正面響應(yīng)， Bosch 開始 TCS 循跡控制系統(tǒng)的研發(fā)計(jì)劃。1983 年推出的 ABS 2S 系統(tǒng)重量由 公斤減輕到 ，控制組件也減少到70個(gè)。到了 1985 年代中期，全球新出廠車輛安裝 ABS 系統(tǒng)的比例首次超過 1％，通用車廠也決定把 ABS 列為旗下主力雪佛蘭車系的標(biāo)準(zhǔn)配備。 圖 11 BOSCH防抱死制動(dòng) 系統(tǒng) 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) （ 1） ABS 本身控制技術(shù)的提高現(xiàn)代制動(dòng)防抱死裝置多是電子計(jì)算機(jī)控制，這也反映了現(xiàn)代汽車制動(dòng)系向電子化方向發(fā)展。基于滑移率的控制算法容易實(shí)現(xiàn) 4 連續(xù)控制，且有十分明確的理論加以指導(dǎo)，但目前制約其發(fā)展的瓶頸主要是實(shí)現(xiàn)的成本問題。隨著體積更小、價(jià)格更便宜、可靠性更高的車速傳感器的出現(xiàn)， ABS系統(tǒng)中增加車速傳感器成為可能，確定車輪滑移率將變得準(zhǔn)確而快速。 全電制動(dòng)控制系統(tǒng) BBW (BrakeByWire)是未來制動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。它不同于傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)，其傳遞的是電， 而不是液壓油或壓縮空氣，可以省略許多管路和傳感器，縮短制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間，維護(hù)簡(jiǎn)單，易于改進(jìn)，為未來的車輛智能控制提供條件。但是，它還有不少問題需要解決，如驅(qū)動(dòng)能源問題，控制系統(tǒng)失效處理，抗干擾處理等。目前電制動(dòng)系統(tǒng)首先用在混合動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)車輛上，采用液壓制動(dòng)和電制動(dòng)兩種制動(dòng)系統(tǒng)。 （ 2）防滑控制系統(tǒng)防滑控制系統(tǒng) ASR (Acceleration Slip Regulation)或稱為牽引力控制系統(tǒng) TCS(Traction Control System)是驅(qū)動(dòng)時(shí)防止車輪打滑，使車輪獲得最大限度的驅(qū)動(dòng)力，并具有行駛 穩(wěn)定性，減少輪胎磨損和發(fā)動(dòng)機(jī)的功耗，增加有效的驅(qū)動(dòng)牽引力。防滑控制系統(tǒng)包括兩部分 :制動(dòng)防滑與發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力控制。制動(dòng)部分是當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪 (后輪 )在低附著系數(shù)路面工作時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)力過大，則產(chǎn)生打滑，當(dāng) ASR 制動(dòng)部分工作時(shí)，通過傳感器將非驅(qū)動(dòng)輪及驅(qū)動(dòng)輪的輪速信號(hào)采集到控制器 中，控制器根據(jù)輪速信號(hào)計(jì)算出驅(qū)動(dòng)車輪滑移率及車輪減、加速度，當(dāng)滑移率或減、加速度超過某一設(shè)定閥值時(shí)，則控制器打開開關(guān)閥，氣壓由儲(chǔ)氣筒直接進(jìn)入 制動(dòng)氣室進(jìn)行制動(dòng)，由于三通單向閥的作用氣壓只能進(jìn)入打滑驅(qū)動(dòng)輪的制動(dòng)氣 室，在低附著系數(shù)路面上制動(dòng)時(shí)，輪速 對(duì)壓力十分敏感，壓力稍稍過大，車輪就會(huì)抱死。為此利用 ABS 電磁閥對(duì)制動(dòng)壓力進(jìn)行精細(xì)的調(diào)節(jié)，即用小步長(zhǎng)增壓或減壓，以達(dá)到最佳的車輪滑移的效果 既可以得到最大驅(qū)動(dòng)力，也可保持行駛的穩(wěn)定性。 （ 3）電子控制制動(dòng)系統(tǒng)由于 ass 在功能方面存在許多缺陷，如氣壓系統(tǒng)的滯后，主車與接車制動(dòng)相容性問題等。為改善這些，出現(xiàn)了電子制動(dòng)控制系統(tǒng)EBS (Electronics Break System)它是將氣壓傳動(dòng)改為電線傳動(dòng)，縮短了制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間。最重要的特點(diǎn)是各個(gè)車輪上制動(dòng)力可以獨(dú)立控制?？刂茝?qiáng)度則由司機(jī)踏板位移信號(hào)的大小來決 定，由壓力調(diào)節(jié)閥、氣壓傳感器及控制器構(gòu)成閉環(huán)的連續(xù)壓力控制，這樣可以在外環(huán)形成一個(gè)控制回路，來實(shí)現(xiàn)各種控制功能，如制動(dòng)力分布控制、減速控制、牽引車與掛車處禍合力控制等。 （ 4）車輛動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)車輛動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng) VDC (Vehicle Dynamics Control)是在 ABS 的基礎(chǔ)上通過測(cè)量方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度和側(cè)向加速度對(duì)車 5 輛的運(yùn)動(dòng)狀 態(tài)進(jìn)行控制。 VDC 系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)向角、油門、制動(dòng)壓力，通過觀測(cè)器決定出車輛應(yīng)具有的名義運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)由輪速、橫擺角速度和側(cè)向加速度傳感器測(cè)出車輛的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。名義狀態(tài) 與實(shí)際狀態(tài)的差值即為控制的狀態(tài)變量，控制的目的就是使這種差值達(dá)到最小，實(shí)現(xiàn)的方法則是利用車輪滑移率特性。車輛動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)目的是改善車輛操縱的穩(wěn)定性，它可以在車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)處于危險(xiǎn)狀態(tài)下自動(dòng)進(jìn)行控制。其主要作用就是通過控制車輛的橫向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使車輛處于穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使人能夠更容易地操縱車輛。 （ 5）控制系統(tǒng)總線技術(shù)隨著汽車技術(shù)科技含量的不斷增加，必然造成龐大的布線系統(tǒng)。因此，需要采用總線結(jié)構(gòu)將各個(gè)系統(tǒng)聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和資源信息實(shí)時(shí)共享，并可以減少傳感器數(shù)量，從而降低整車成本，朝著系統(tǒng)集成化的方向發(fā)展。目前 多使用 CAN 控制器局域網(wǎng)絡(luò) (Controller Area Network)用于汽車內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。 國(guó)內(nèi) ABS 系統(tǒng)研究的理論狀態(tài)和具有代表的 ABS 產(chǎn)品公司 我國(guó) ABS 的研究開始于 80 年代初。從事 ABS 研制工作的單位和企業(yè)很多 ,諸如東風(fēng)汽車公司、重慶公路研究所、西安公路學(xué)院、清華大學(xué)、吉林大學(xué)、北京理工大學(xué)、上海汽車制動(dòng)有限公司和山東重汽集團(tuán)等。具有代表性的有以下幾個(gè)。清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室有宋健等多名博導(dǎo)、教授 ,有很強(qiáng)的科技實(shí)力 ,他們還配套有一批先進(jìn)的儀器設(shè)備 ,如汽車力學(xué)參數(shù)綜合試驗(yàn)臺(tái)、汽車彈射式碰撞試驗(yàn)臺(tái)及翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)、模擬人及標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)、 Kodak 高速圖像運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)、電液振動(dòng)臺(tái)、直流電力測(cè)功機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)排放分析儀、發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)開發(fā)裝置及工況模擬器、計(jì)算機(jī)工作站及 ADAMS、 IDEAS 軟件、非接觸式速度儀、噪聲測(cè)試系統(tǒng)、轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)、電動(dòng)車蓄電池試驗(yàn)臺(tái)、電機(jī)及其控制系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)等。該實(shí)驗(yàn)室針對(duì) ABS 做了多方面的研究 ,其中 ,在 ABS 控制量、輪速信號(hào)抗干擾處理、輪速信號(hào)異點(diǎn)剔除、防抱死電磁閥動(dòng)作響應(yīng)研究等方面的研究處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。 吉林大學(xué)汽車動(dòng)態(tài)模擬國(guó)家重 點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以郭孔輝院士為代表的研究人員致力于汽車操縱穩(wěn)定性、汽車操縱動(dòng)力學(xué)、汽車輪胎模型、汽車輪胎穩(wěn)態(tài)和非 穩(wěn)態(tài)側(cè)偏特性的研究 ,在輪胎力學(xué)模型、汽車操縱穩(wěn)定性以及人 車閉環(huán)操縱運(yùn)動(dòng)仿真等方面的研究成果均達(dá)到世界先進(jìn)水平。 華南理工交通學(xué)院汽車系以吳浩佳教授為代表從事汽車安全與電子技術(shù)及汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的研究 ,在 ABS 技術(shù)方面有獨(dú)到之處 ,能夠建立制動(dòng)壓力函數(shù) , 6 通過車輪地面制動(dòng)力和整車動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算出汽車制動(dòng)的平均減速度和車速 。還可以通過輪缸等效壓力函數(shù)計(jì)算防抱死制動(dòng)時(shí)的滑移率。另外 ,在滑移率和附著系數(shù)之間的 關(guān)系、汽車整車技術(shù)條件和試驗(yàn)方法方面也有獨(dú)到見解。 濟(jì)南程軍電子科技公司以 ABS 專家程軍為代表的濟(jì)南程軍電子科技公司對(duì)ABS 控制算法研究頗深 ,著有《汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的理論與實(shí)踐》等專著幾本 ,專門講述 ABS 控制算法 ,是國(guó)內(nèi)