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汽车液压防抱死制动系统
简介
汽车制动防抱死系统（Anti-lock Braling System,简称ABS）是在传统的制动系统的基础上采用电子控制技术，在制动时防止车轮抱死的一种机电一体化系统。它是由电子控制单元（Electronic Control U-nit,简称ECU）、电磁阀或称压力调节器和轮速传感器三部分组成。在车辆紧急制动时，驾驶员脚踩制动踏板的制动压力过大时，轮速传感器及电子控制单元ECU可以检测到车轮有抱死的倾向，此时电子控制单元ECU控制电磁阀动作以减小制动压力。当车轮轮速恢复并且轮胎与地面摩擦力有减小趋势时，电控单元控制电磁阀增加控制压力。这样能够使车轮一直处于最佳的制动状态，最有效地利用地面附着力，得到最佳的制动距离和制动稳定性。
ABS的发展史
在1920年以前，绝大部分汽车仅后轴装用制动器，一方面由于当时车速低，仅后轴装用制动器即可满足要求，另一方面可能与当时汽车结构有关，人们为防止制动时汽车侧倾，故前轴不使用制动器，当然仅后轴使用制动器也易于设计及安装，且价格要低些。1900年人们已通过试验，证明四轮装用制动器是安全的，有利于汽车制动性能的改善，但真正在四轮上均安装制动器是1920年以后的事。为保证车辆在山区行使时，有好的转向性能，制动力分配系数比较小（所谓制动力系数即前轴制动器周缘力与后轴制动器周缘力之比）。这种设计思想一直持续到上个世纪五、六十年代。这与道路差、车速低的现状有关。
防抱死制动技术属于制动力控制调节技术。制动力的调节从汽车诞生的那一天就一直为人们所关注。
1908年，英国工程师J.E.Francis提出了“铁路车辆车轮抱死滑动控制器”理论。随着车速的提高，制动时后轴先于前轴抱死拖滑的危险愈来愈大，为防止这一现象的发生，进入七十年代，制动力分配系数向大的方向发展，ECE R13中对此有明确的规定。ABS的运作原理看起来简单，但从无到有的过程却经历过不少挫折（中间缺乏关键技术）！1908年英国工程师J.E.Francis提出了“铁路车辆车轮抱死滑动控制器”理论，但却无法将它实用化。接下来的30年中，包括Karl Wessel的“刹车力控制器”、Werner M?hl的“液压刹车安全装置”与Richard Trappe的“车轮抱死防止器”等尝试都宣告失败。在1941年出版的《汽车科技手册》中写到：“到现在为止，任何通过机械装置防止车轮抱死危险的尝试皆尚未成功，当这项装置成功的那一天，即是交通安全史上的一个重要里程碑”，可惜该书的作者恐怕没想到这一天竟还要再等30年之久。当时开发刹车防抱死装置的技术瓶颈是什么？首先该装置需要一套系统实时监测轮胎速度变化量并立即通过液压系统调整刹车压力大小，在那个没有集成电路与计算机的年代，没有任何机械装置能够达成如此敏捷的反应！
1964年，第一次出现ABS（Antilock Braking System）的名词。等到ABS系统的诞生露出一线曙光时，已经是半导体技术有了初步规模的1960年代早期。精于汽车电子系统的德国公司Bosch（博世）研发ABS系统的起源要追溯到1936年，当年Bosch申请“机动车辆防止刹车抱死装置”的专利。1964年（也是集成电路诞生的一年）Bosch公司再度开始ABS的研发计划，最后有了“通过电子装置控制来防止车轮抱死是可行的”结论，这是ABS（Antilock Braking System）名词在历史上第一次出现！
ABS系统的分类与组成
按实现制动防抱功能的结构和控制方法的不同，ABS可分为以下二种类型：
（1） 机械式ABS：这种类型的ABS是在车轮轮毂附近安装一个惯性式车轮角减速度传感器，传感器主要由飞轮和随车轮减速自动产生轴向位移的机构所组成。该机构的轴向位移用来控制制动管路的压力。
（2） 电子控制的ABS：目前应用最为广泛同时也是发展得比较成熟的是电子控制式ABS产品，其中又包括液压制动ABS和气压制动ABS，液压制动ABS通常应用于整备质量小于3.5t的轿车、越野车和轻型客、货车上；气压制动ABS通常用于整备质量大于3.5t的客车和载重卡车上。电子控制的ABS主要包括以下几个组成部分;
1. 电控单元（Electronic Control Unit,简称ECU）。它通常由16位单片机构成，它的功能之一是检测车轮速度信息，在进行计算后按控制参数适时发出指令，调节制动压力，防范车轮抱死；功能之二是对ABS系统进行故障诊断和报警，保证系统一旦发生严重故障，立刻向驾驶员报警并恢复常规制动，使制动功能不会失效。
2. 轮速传感器。它通常采用磁电式或霍尔式传感器，由它获得车轮速度信号，给ECU提供制动过程车轮的运动状态信息。
3. 电磁阀执行机构（又称压力调节器）。它是控制制动压力的主要部件。其响应速度一般要求12-15Hz。
4. 系统外围电路和管路。它们是电源供给，报警灯显示和制动管路。
(3)自适应控制ABS：自适应控制是根据最佳控制理论构成轮速的伺服控制，从而实现高精度的控制。它的基本出发点是利用路面峰值附着系数（即最大制动力）处的滑移率来伺服控制汽车的制动，从而达到最佳的制动稳定性和最短制动距离。但由于路面附着系数和瞬时车速的测量等一系列难题有待克服，故自适应式ABS尚处于研究中。日本、德国已经在进行此项课题的研究。
ABS的工作原理
在制动时，ABS根据每个车轮速度传感器传来的速度信号，可迅速判断出车轮的抱死状态，关闭开始抱死车轮上面的常开输入电磁阀，让制动力不变，如果车轮继续抱死，则打开常闭输出电磁阀，这个车轮上的制动压力由于出现直通制动液贮油箱的管路而迅速下移，防止了因制动力过大而将车轮完全抱死。在让制动状态始终处于最佳点（滑移率S为20%），制动效果达到最好，行车最安全。
在制动总泵前面腔内的制动液是动态压力制动液，它推动反应套筒向右移动，反应套筒又推动助力活塞从而使制动踏板推杆向右移。因此，在ABS工作地时候，驾驶员可以感觉到脚上踏板地颤动，听到一些噪音。
汽车减速后，一旦ABS电脑检测到车轮抱死状态消失，它就会让主控制阀关闭，从而使系统转入普通的制动状态下进行工作。如果蓄压器的压力下降到安全极限以下，红色制动故障指示灯和琥珀色ABS故障指示灯亮。在这种情况下，驾驶员要用较大的力进行深踩踏板式的制动方式才能对前后轮进行有效的制动。

ABS的工作过程以及功用
在常见的ABS系统中，每个车轮上各安装一个转速传感器，将有关各车轮转速的信号输入电子控制装置。电子控制装置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。制动压力调节装置主要由调压电磁阀组成，电动泵组成和储液器等组成一个独立的整体，通过制动管路与制动主缸和各制动轮缸相连。制动压力调节装置受电子控制装置的控制，对各制动轮缸的制动压力进行调节。
　　ABS的工作过程可以分为常规制动，制动压力保持制动压力减小和制动压力增大等阶段。在常规制动阶段，ABS并不介入制动压力控制，调压电磁阀总成中的各进液电磁阀均不通电而处于开启状态，各出液电磁阀均不通电而处于关闭状态，电动泵也不通电运转，制动主缸至各制动轮缸的制动管路均处于沟通状态，而各制动轮缸至储液器的制动管路均处于封闭状态，各制动轮缸的制动压力将随制动主缸的输出压力而变化，此时的制动过程与常规制动系统的制动过程完全相同
　　在制动过程中，电子控制装置根据车轮转速传感器输入的车轮转速信号判定有车轮趋于抱死时，ABS就进入防抱制动压力调节过程。例如，电子控制装置判定右前轮趋于抱死时，电子控制装置就使控制右前轮刮动压力的进液电磁阀通电，使右前进液电磁阀转入关闭状态，制动主缸输出的制动液不再进入右前制动轮缸，此时，右前出液电磁阀仍末通电而处于关闭状态，右前制动轮缸中的制动液也不会流出，右前制动轮缸的刮动压力就保持一定，而其它末趋于抱死车轮的制动压力仍会随制动主缸输出压力的增大而增大；如果在右前制动轮缸的制动压力保持一定时，电子控制装置判定右前轮仍然趋于抱死，电子控制装置又使右前出液电磁阀也通电而转入开启状态，右前制动轮缸中的部分制动波就会经过处于开启状态的出液电磁阀流回储液器，使右前制动轮缸的制动压力迅速减小右前轮的抱死趋势将开始消除，随着右前制动轮缸制动压力的减小，右前轮会在汽车惯性力的作用下逐渐加速；当电子控制装置根据车轮转速传感器输入的信号判定右前轮的抱死趋势已经完全消除时，电子控制装置就使右前进液电磁阀和出液电磁阀都断电，使进液电磁阀转入开启状态，使出液电磁阀转入关闭状态，同时也使电动泵通电运转，向制动轮缸泵输送制动液，由制动主缸输出的制动液经电磁阀进入右前制动轮缸，使右前制动轮缸的制动压力迅速增大，右前轮又开抬减速转动。
　　ABS通过使趋于抱死车轮的制动压力循环往复而将趋于防抱车轮的滑动率控制，在峰值附着系数滑动率的附近范围内，直至汽车速度减小至很低或者制动主缸的常出压力不再使车轮趋于抱死时为止。制动压力调节循环的频率可达3~20HZ。在该ABS中对应于每个制动轮缸各有对进液和出液电磁阀，可由电子控制装置分别进行控制，因此，各制动轮缸的制动压力能够被独立地调节，从而使四个车轮都不发生制动抱死现象。
　　尽管各种ABS的结构形式和工作过程并不完全相同，但都是通过对趋于抱死车轮的制动压力进行自适应循环调节，来防止被控制车轮发生制动抱死。
而对于功用来说，有以下几点：
①充分发挥制动器的效能，缩短制动时间和距离。
②可有效防止紧急制动时车辆侧滑和甩尾，具有良好的行驶稳定性。
③可在紧急制动时转向，具有良好的转向操纵性。
④可避免轮胎与地面的剧烈摩擦，减少轮胎的磨损

ABS的优点与局限性
优点
当车轮即将到达下一个锁死点时，刹车油的压力使得气囊重复作用，如此在一秒钟内可作用60~120次，相当于不停地刹车、放松，即相似于机械的“点刹”。因此，ABS防抱死系统，能避免在紧急刹车时方向失控及车轮侧滑，使车轮在刹车时不被锁死，不让轮胎在一个点上与地面摩擦，从而加大摩擦力，使刹车效率达到90%以上，同时还能减少刹车消耗，延长刹车轮鼓、碟片和轮胎两倍的使用寿命。装有ABS的车辆在干柏油路、雨天、雪天等路面防滑性能分别达到80%—90%、10%—30%、15%—20%。
局限性
ABS系统本身也有局限性，它仍然摆脱不了一定的物理规律。在两种情况下，ABS系统不能提供最短的制动距离。一种是在平滑的干路上，由有经验的驾驶员直接进行制动。另一种情况是在松散的砾石路面、松土路面或积雪很深的路面上制动
另外，通常在干路面上，最新的ABS系统能将滑移率控制在5%—20%的范围内，但并不是所有的ABS都以相同的速率或相同的程度来进行制动。尽管四轮防抱制动系统能使汽车在尽可能短的距离内进行制动，但如果制动进行得太迟，使之在与障碍物碰撞前不能完全停下来，仍不能阻止事故的发生。

未来ABS的发展前景与结论
ABS技术在20世纪90年代初期就已成熟，近十年来没有突破性的发展，但在ABS技术进行的扩展，将ABS的内涵给予了很大的提升。ABS最初的扩展是防滑控制系统，它分为制动防滑(EDS)和驱动防滑(TCS)两部分，有时统称为ASR。在此基础上扩展了后轴制动力感载控制，即EBD功能，以及电子助力制动EBA，这些扩展仍是以ABS为主。90年代中期，ABS进入了一个全新的发展，ABS只是作为全新系统的一个子系统，而不是一个主要的系统，但它仍把ABS作为一个重要组成部分。
气动ABS演化为EBS，即电子制动系统，在此基础上发展为稳定性控制系统ESP，稳定性控制系统主要利用车辆加速度传感器和横摆角速度传感器，对车辆横向稳定性进行控制，如对过度转向及不足转向进行纠正，防止车辆失去稳定性。还有一些系统将倾翻警告集成到这类系统中，这种系统的控制主要以制动为主，所以ABS是其重要的组成部分。
液压ABS目前演化成稳定性控制，即ESP系统。它是控制操作过程中的横向稳定性，通用制动成驱动力的调节来调整整车的横向稳定性，目前这种系统已批量装车，国内中高档轿车已开始装车，在此基础进行扩展的功能有：将助力转向系统与ESP相结合，更好地控制车辆稳定性。下一代产品已进行了批量生产，即电子制动系统，将传统的制动液压传动部分改为电传动，但制动力仍靠液压及主缸分泵产生，这样可以提高制动的响应速度，减小制动距离，同时可以实现 Brake-by-wire的功能。未来液压ABS系统将向全电子系统过渡，但可靠性及成本是一个非常大的障碍，全电子制动要求制动电机有足够的制动力，但目前的12伏电源很难满足要求，要求未来的42伏电源系统的实施后才可能变成现实。
总之，现代汽车制动控制技术正朝着电子制动控制方向发展。全电制动控制因其巨大的优越性，将取代传统的以液压为主的传统制动控制系统而占据下一代制动控制系统统治地位。同时，随着其他汽车电子技术特别是超大规模集成电路的发展，电子元件的成本及尺寸不断下降。汽车电子制动控制系统将与其他汽车电子系统如汽车电子悬架系统、汽车主动式方向摆动稳定系统、电子导航系统、无人驾驶系统等融合在一起成为综合的汽车电子控制系统，未来的汽车中就不存在孤立的制动控制系统，各种控制单元集中在较少的ECU中，并将逐渐代替常规的控制系统，实现车辆控制的智能化。
参考文献：

（1） 《汽车ABS原理与结构》 2011 周志力 徐立友 机械工业出版社

（2） 《汽车液压防抱制动系统的理论与实践》2005 张新 中南大学出版社

（3） 《汽车ABS系统结构与维修》 2008 柴慧理 电子工业出版社

（4） 《现代汽车电子技术》 1998 潘旭峰 北京理工大学出版社

（5） 《汽车防滑控制系统》 1997 司利增 人民交通出版社

（6） 《汽车防抱死制动系统结构与原理》 2008 张预南 北京物质出版社

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