(ABS轮速传感器故障的诊断)教案.doc

课题】活动1 电控防抱死制动系统（ABS）轮速传感器故障的诊断
【情景描述】
电控防抱死制动系统（ABS）能有效地提高汽车制动性能，当汽车制动时出现车轮抱死拖滑，制动距离延长，侧滑现象严重时，可能电控防抱死制动系统（ABS）的轮速传感器等有故障，需要进行诊断分析并加以排除，以恢复汽车制动性能。此项工作要求掌握 ABS 轮速传感器的工作原理和故障诊断方法。
【教材版本】
吕坚.汽车运用与维修专业课程改革试验教材——汽车故障诊断.北京：高等教育出版社，2009
【教学目标】
知识目标：通过讲解与演示，知道ABS的结构组成与控制过程；轮速传感器的结构和工作原理；知道故障诊断的基本流程
能力目标：通过演示与实训，使学生会正确使用汽车专用诊断仪读取和清除故障信息；会使用万用表和汽车示波仪检测元件工作状况。
情感目标：渗透专业学习与实际相结合的思想，从而激发学生学习专业课的兴趣。
【教学重点、难点】
教学重点：ABS的作用和车轮防抱死控制过程。
教学难点：ABS轮速传感器诊断与检测的仪器操作。
【教学媒体及教学方法】
本节课通过使用理论—-实操一体化的教学方法，调动学生的学习积极性，注重培养学生观察分析、实践动手能力，针对不同的学生采用因材施教的方法，使全体学生在任务引领下的学习中都能有所收获。
使用教材项目六活动1，使用电控ABS台架和诊断、检测仪器实物和投影仪播放的多媒体演示素材。
本节内容可大体分为三部分，对每一部分内容结合采用讲授法、演示法、实习操作等不同的教学方法。一是通过演示，讲授电控ABS的作用、控制过程以及轮速传感器的结构与原理；二是通过演示法、实习操作使学生进一步熟悉、理解和掌握电控ABS轮速传感器故障诊断的流程以及检测仪器的操作。
【课时安排】
4课时（180分钟）
【教学建议】
教学采用理实一体化方法，在教学过程中应交替使用传感器和诊断仪实物、多媒体和教材。根据学生基本情况及学习中的总体反应，加强和学生的互动，使学生积极地参与到教学活动中来。
【教学过程】
一、导入（15分钟）
制动性能是汽车的主要性能之一。当汽车在制动过程中，车轮抱死滑移时，车轮与路面间的纵向附着系数减小很多，侧向附着系数则完全消失。这时，如果转向轮先制动抱死滑移而后轮还在滚动，汽车将失去转向能力；如果后轮先制动抱死滑移而前轮还在滚动，汽车将产生侧滑（甩尾）现象。这些都极易造成严重的交通事故。为了充分利用轮胎与地面的附着性能以获得最佳的制动效果，现代汽车上装备了电控制动防抱死系统(Anti-lock Braking System)，简称ABS。
ABS是现代汽车上广泛采用的主动安全装置，ABS的应用能有效地提高汽车制动性能，如缩短制动距离，提高制动时方向的稳定性和可操控性。
ABS均由轮速传感器、制动压力调节器和电子控制器三大部分组成。
二、新授（90分钟）
1．ABS控制原理及作用（15分钟）
教师分析讲解：ABS是作为一种安全装置加装在汽车现有的制动系统上的。它可以在汽车制动过程中自动控制和调节制动力的大小，防止车轮抱死，消除制动过程中的侧滑、跑偏、丧失转向等非稳定状态，以获得良好的制动性能、操作性能和稳定性能。
汽车在制动过程中,车轮制动器产生的摩擦阻力（称制动器制动力），会使车轮转速减慢，而车轮与地面间产生的摩擦力（称地面制动力）会使汽车减速。在车轮未抱死前，地面制动始终等于制动器制动力，此时制动器制动力全部转化为地面制动力。在车轮抱死后，地面制动力等于附着力，它不再随制动器制动力的增加而增加。由此可见，地面附着力与车轮相对于地面的运动状况有着密切关系。
汽车制动时所依据的参数的变化是车轮角减速度ω和滑移率S：
当汽车纯滚动时，u = r0ω，则滑移率s = 0；汽车纯滑动(即车轮抱死)时，ω= 0，则s = 100％；在边滚边滑时，则0 < s< 100％。显然滑移率说明了车轮运动中滑动成分所占的比例大小。滑移率愈大，则滑移成分就愈多。
轮胎纵向附着系数φs在s = 20％左右达到最大值；侧向附着系数φy 在车轮抱死时将下降至几乎为零。因此，汽车制动时如果车轮完全抱死，不仅纵向附着系数下降而不能达到最佳效能，而且还会丧失转向和抵抗侧向力的能力。
汽车防抱制动系统的目的，就是要达到自动调节制动器制动力，使车轮滑移率保持在20％左右的最佳的状况，充分利用峰值附着系数，提高汽车的制动效能，并使汽车具有很好的转向和抵抗侧向力的作用，从而提高汽车制动时方向稳定性。
教师演示：通过多媒体教学片，讲解ABS控制原理和功用。
2．ABS的组成及制动控制过程（20分钟）
教师演示：手持ABS主要零部件实物和投影仪播放的多媒体演示素材，运用演示法讲解 ABS 组成和控制过程。
（1）ABS的基本组成
无论是液压制动系统还是气压制动系统，ABS均由轮速传感器、制动压力调节器和电子控制器三大部分组成。
轮速传感器用来测定车轮的转速，产生与车轮转速成正比的交流电压信号，并送入电子控制器。
制动压力调节器是ABS的执行机构。它在制动主缸（总泵）与轮缸（分泵）之间，接受电子控制器的指令，调节车轮的制动压力。
电子控制器（又称电控单元）是一种电子计算机。它接收并分析由传感器传来的信号，对制动压力调节器等执行机构发出控制指令。
（2）ABS的控制过程
车轮的防抱死制动过程分析：
在制动开始时，制动轮缸的压力(P)急剧上升，车轮速度(Vr)急剧下降，车轮滑移率(S)急剧上升。当S超过规定值(最佳滑移率)时，ECU指令制动压力调节器降低制动轮缸压力（注意：制动主缸的制动位置始终保持不变），使S回到规定值以内，随后让制动压力调节器保持一定的制动压力。当车轮转速又有加快趋势时，ECU 指令制动压力调节器升高轮缸制动压力，而当S增大到稍超过规定值时，ECU又指令制动压力调节器降低轮缸制动压力，使S又回到规定值以内。这样的反复循环，将S保持在最佳的范围内，使汽车获得最好的制动效果。这种轮缸制动压力升降的频率一般为15次／s左右。
要点：以液压制动为例，并推广到气压制动以及所有汽车。分析ABS制动过程，对于以后ABS故障分析提供理论基础。
3、ABS的控制方式及布置形式（15分钟）
（1）ABS的控制方式
汽车在行驶过程中，各车轮与路面之间的附着系数有时不一样，这可能是由于各轮胎充气压力相差较大、载荷分布很不均匀，或同一段路面的路面质量不一样所造成的。由于不同的附着系数使两边车轮的制动力不一样，从而产生偏转力矩引起制动跑偏。目前ABS采用的控制方式主要有低选控制和单独控制。
低选控制：当车桥的左右两个车轮与地面之间附着系数不一样时，为了不让附着系数较小的一侧车轮容易抱死，制动系统采用由路面附着系数小的一侧车轮的运动状态来控制左右两个车轮的制动力。该控制方式，其附着系数利用率比单独控制低。
单独控制：根据各个车轮制动所需的制动力采用单独控制，在各种道路条件下，每个车轮都力图处于最佳制动状态。但是当汽车在左、右轮附着系数差别较大的路面上制动时，则会产生较大的偏转力矩，失去稳定性。
（2ABS的布置形式
1）四传感器四通道／四轮独立（或后轮选择）
这种控制系统具有四个轮速传感器和四个控制通道，对各个车轮进行独立控制（后轮选择）。
2）四传感器三通道／前轮独立—后轮低选
该系统用于制动管路前后布置形式的后轮驱动汽车。由于采用四个轮速传感器，实现低选择对后轮进行控制，在制动中操纵性、稳定性较好，制动效能稍差。
3）三传感器三通道／前轮独立—后轮低选择
用于制动管路前后布置后轮驱动的汽车，前轮各有一个轮速传感器，独立控制。而后轮轮速则由装于差速器上的一个测速传感器检测，按低选择的控制方式用一根制动管路对后轮进行制动控制。
（3）按压力调节器和制动主缸的装配关系，ABS亦可分为以下两种：
1）整体式ABS。制动主缸和执行机构（制动压力调节器）以及蓄压器等装配在一起，结合为一个整体。美国车系采用较多。
2）分离式ABS。制动主缸和制动压力调节器分别独立设置，如大众车系 ABS。
要点：低选控制和单独控制的特点形成了ABS的布置形式。
4、轮速传感器的作用、结构、原理和检测诊断（40分钟）
（1）轮速传感器的结构与原理
轮速传感器是用来检测车轮的速度，并将速度信号输入电子控制器。
轮速传感器主要有电磁式和霍尔式两种类型。
1）电磁式轮速传感器
电磁式轮速传感器由传感器和齿圈两部分组成。
车轮传感器的齿圈与车轮轮毂固装在一起，随车轮一起旋转。传感器固定在转向节或支架上，由永久磁铁、感应线圈和磁极等组成。
车轮旋转时，齿圈与传感器磁极间的空气间隙发生变化，感应线圈中产生交流电压，频率与车轮转速成正比。ECU根据交流电动势频率可测出车轮旋转速度。
电磁式轮速传感器结构简单，成本低。但输出信号幅值是随转速而变化，车速较低时，其输出信号很低；且频率响应不高，当转速过高时，易产生错误信号。
目前国内外防抱死制动系统的控制速度范围一般为15～160km／h，今后要求控制速度范围扩大到8～260km／h以至更大，电磁感应式轮速传感器很难适应。
2）霍尔式轮速传感器
霍尔式轮速传感器由传感头（永磁体、霍尔元件和电路等）和齿圈组成。
由霍尔元件输出的mV级准正弦波电压，经放大器放大为V级的电压信号，施密特触发器将正弦波信号转换成标准的脉冲信号再送至放大级放大后输出。其工作电压为8～15V，负载电流为100mA，工作频率为20kHz，输出电压幅值为7～14V。
霍尔式轮速传感器具有以下优点：
①输出信号电压幅值不受转速的影响。在汽车电源电压12V条件下，其输出信号电压保持在11.5～12V不变，即使车速下降接近0也不变。
②频率响应高。其响应频率高达20kHz，用于ABS时，相当于车速为1 000km／h 时所检测的信号频率。
③抗电磁波干扰能力强。由于其输出信号电压不随转速的变化而变化，且幅值高，故具有很强的抗电磁波干扰的能力。
由于上述原因，霍尔式传感器越来越多地应用于ABS轮速检测。
要点：ECU是采用轮速传感器的输出信号频率来计算轮速而不是电压高低，但信号电压的稳定是信号传输可靠性的前提条件之一。
（2）轮速传感器的诊断与检测
轮速传感器的诊断与检测；
V.A.G 1552汽车专用诊断仪读取故障信息（03®02）和动态数据信息（03®08®001和002）®万用表检测轮速传感器信号电压（电压法）®万用表检测轮速传感器与ECM的连接以及传感器参数（电阻法）®汽车示波仪检测轮速传感器信号电压的动态波形（对比原厂数据进行分析）
要点：轮速传感器是电磁感应式，输出的是交流电压信号，所以万用表检测信号电压时应选择交流电压档。
学生复习：采用互动式教学，选取部分学生表述ABS的作用、组成以及控制过程，轮速传感器的作用、结构组成和工作原理，并能正确使用仪器进行轮速传感器的故障诊断与检测操作。
三、课堂实训操作（60分钟）
课堂实训操作，是发挥教师的主导作用，体现学生主体的有效方式。
采用小班、分组实训教学，要求学生都能参与活动项目所有内容的操作，并且做好实训小结或实训报告。
通过分组实训教学环节，可以使学生更快的熟悉、掌握ABS的作用、基本组成、原理、故障诊断和轮速传感器元件检测的理论知识和实践操作。
在本堂课结束前，可安排一些时间，对学生（部分或全部）进行掌握实际使用程度的测试，可随时发现问题并及时进行强化辅导，同时也可以作为学生平时成绩的一部分，提高学生的认真程度。
四、本堂课小结和课外作业（15分钟）
课题小结：按本活动项目小结内容进行，并分析课堂实践操作中出现的问题。
课外作业：布置本活动练习与思考内容中的部分习题。

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