第4章汽車制動穩(wěn)定性控制系統(tǒng)

汽車電子控制技術1第4章汽車制動穩(wěn)定性控制系統(tǒng)

教學提示：防抱死制動系統(tǒng)和牽引力控制系統(tǒng)能很好地提高汽車制動性能，已逐漸成為汽車的標準配置。融合ABS、TRC和EBD技術于一身的電子穩(wěn)定程序——ESP技術的應用日益廣泛。教學要求：本章主要介紹以ABS、TRC、ESP為代表的汽車制動穩(wěn)定性控制系統(tǒng)。要求學生了解汽車制動穩(wěn)定性控制系統(tǒng)在汽車上的應用情況和發(fā)展趨勢，熟悉其基本組成和工作原理。24.1汽車防抱死制動系統(tǒng)

在車輛制動時如果車輪抱死滑移，則車輪與路面間的側向附著能力將完全喪失。防抱死制動系統(tǒng)（Anti-1ockBrakingSystem，ABS）的設計目的，就是在汽車制動過程中，不論道路情況如何，始終將車輪滑移率控制在20％左右，從而保證車輛能獲得最佳的制動性能和轉向操縱性能。4.1.1防抱死制動系統(tǒng)的功能和分類1.汽車制動時的車輪運動分析

汽車在制動過程中，當制動器制動力大于輪胎-道路附著力時，車輪就會抱死滑移。只有汽車具有足夠的制動器制動力，同時地面又能提供較大的附著力時，汽車才能獲得良好的制動效果。3

輪胎滑移的程度用滑移率S來表示。車輪滑移率是指實際車速v與車輪速度vw之差同實際車速v的比值，其表達式為S=

式中，S為車輪滑移率；v為車速(車輪中心縱向速度，m/s)；vw為車輪速度(車輪瞬時圓周速度，vw=rw，m/s)；r為車輪半徑(m)；w為車輪轉動角速度(rad/s)。當v=vw時，滑移率S=0，車輪自由滾動；當vw=0時，滑移率S=100%，車輪完全抱死滑移；當v＞vw時，滑移率0＜S＜100%，車輪既滾動又滑移?；坡试酱?，車輪滑移程度越大。4圖4-1附著系數(shù)與滑移率的關系(虛線與實線標注的上下順序一一對應)φB—縱向附著系數(shù)；φS—橫向附著系數(shù)；S—滑移率5圖4-2干燥硬實路面上附著系數(shù)與滑移率的關系

φB—縱向附著系數(shù)；φS—橫向附著系數(shù)；S—滑移率6

橫向附著系數(shù)是研究汽車行駛穩(wěn)定性的重要指標之一。橫向附著系數(shù)越大，汽車制動時的方向穩(wěn)定性和保持轉向控制的能力越強。

當滑移率為零時，橫向附著系數(shù)最大；隨著滑移率的增加，橫向附著系數(shù)逐漸減小。當車輪抱死時，橫向附著系數(shù)接近于零，汽車將失去方向穩(wěn)定性和轉向控制能力，其危害極大。

如果前輪抱死，雖然汽車能沿直線向前行駛，但是失去轉向控制能力。由于前輪維持轉彎運動能力的橫向附著力喪失，因此，汽車仍將按原行駛方向滑行，可能沖入其他車道與車輛相撞或沖出路面與障礙物相撞而發(fā)生惡性交通事故。

（a）前輪防滑控制（b）后輪防滑控制有無ABS的比較（藍車無ABS，灰車有ABS）7

如果后輪抱死，汽車的制動穩(wěn)定性就會變差，抵抗橫向外力的能力很弱，后輪稍有外力(如側向風力或地面障礙物阻力)作用就會發(fā)生側滑(甩尾)，甚至出現(xiàn)調(diào)頭(即突然出現(xiàn)180°轉彎)等危險現(xiàn)象，如圖4-3（b）所示。

（a）前輪防滑控制（b）后輪防滑控制有無ABS的比較（藍車無ABS，灰車有ABS）

綜上所述，為了獲得最佳制動效能和制動時的方向穩(wěn)定性，應將車輪滑移率控制在最佳滑移率范圍（20%左右）內(nèi)。因此，通過采用ABS，使汽車在制動過程中自動調(diào)節(jié)車輪的制動力，防止車輪抱死滑移，從而縮短制動距離，提高方向穩(wěn)定性，增強轉向控制能力，減少交通事故的發(fā)生。82.防抱死制動系統(tǒng)的作用

防抱死制動系統(tǒng)能防止汽車在常規(guī)制動過程中由于車輪完全抱死而出現(xiàn)的后軸側滑、前輪喪失轉向能力等現(xiàn)象，從而充分發(fā)揮輪胎與路面間的潛在附著力，最大限度地改善汽車的制動性能，以提高汽車在制動過程中的方向穩(wěn)定性和轉向操縱能力，從而滿足行車安全的需要。ABS的作用

目前歐、美、日、韓等國家和地區(qū)的汽車使用最多的ABS的品牌有德國的博世（Bosch）、德國戴維斯公司的坦孚（TEVES），另外還有美國德爾科公司（Delco）、美國本迪克斯公司（BENDIX）等。93.ABS的控制方式分類1）四通道控制方式

為了對四個車輪的制動壓力進行獨立控制，在每個車輪上各安裝一個轉速傳感器，并在通往各制動輪缸的制動管路中各設置一個制動壓力調(diào)節(jié)分裝置（通道）。

對應于雙制動管路的H型（前后）或X型（對角）兩種布置形式，四通道ABS也有兩種布置形式，如圖4-5所示。使用四通道控制方式的常見車型有：奧迪（前輪驅動）、紅旗轎車、廣州本田（X型）。（a）前后布置（b）對角線布置圖4-5四通道控制方式102）三通道控制方式

四輪ABS大多為三通道系統(tǒng)，而三通道系統(tǒng)都是對兩前輪的制動壓力進行單獨控制，對兩后輪的制動壓力按低選原則一同控制。使用三通道控制方式的常見車型有：桑塔納2000GSi、北京切諾基等。圖4-6三通道控制方式（a）四傳感器對角線布置（b）四傳感器前后布置（c）三傳感器前后布置113）雙通道控制方式（a）前后布置（b）對角線布置圖4-7雙通道控制方式

由于雙通道ABS難以在方向穩(wěn)定性、轉向操縱能力和制動距離等方面得到兼顧，所以目前很少被采用。4）單通道控制方式

單通道ABS一般對兩后輪按低選原則一同控制，其主要作用是提高汽車制動時的方向穩(wěn)定性。單通道ABS具有結構簡單、成本低的優(yōu)點，因此在輕型貨車上得到廣泛應用。單通道控制方式124.1.2防抱死制動系統(tǒng)的組成圖4-9典型的汽車ABS系統(tǒng)組成1-前輪轉速傳感器；2-制動壓力調(diào)節(jié)器；3-ABS電控單元；4-ABS警告燈；5-后輪轉速傳感器；6-制動燈開關；7-制動主缸；8-比例分配閥；9-制動輪缸；10-蓄電池；11-點火開關131.車輪轉速傳感器1）電磁式車輪轉速傳感器

目前大多數(shù)車輪轉速傳感器都采用電磁式轉速傳感器。車輪轉速傳感器由電磁感應傳感頭和信號轉子兩部分組成。

電磁式車輪轉速傳感器外形圖14

電磁感應傳感頭用來產(chǎn)生感應電壓，通常由永久磁鐵、電磁線圈和極軸等構成，根據(jù)極軸的結構不同，又可分為鑿式極軸傳感頭、柱式極軸傳感頭兩種，如圖4-11所示。（a）鑿式極軸傳感頭（b）柱式極軸傳感頭圖4-11電磁式車輪轉速傳感器結構圖1—電纜；2—永久磁鐵；3—外殼；4—感應線圈；5—極軸；6—信號轉子（齒圈）15

車輪轉速傳感器的傳感頭一般安裝在車輪附近上，如制動底板、轉向節(jié)、半軸套管等處（圖4-12）。信號轉子是一個齒圈，齒數(shù)多少與車型、ABSECU有關，一般安裝在隨車輪一起轉動的部件上，如輪轂、半軸、制動盤等處。（a）前輪（b）后輪圖4-12車輪轉速傳感器的安裝位置1-制動盤；2、5-傳感器；3-齒圈；4—傳感器安裝支架16

車輪轉速傳感器產(chǎn)生的信號如圖4-13所示。當車輪轉速較高時，感應電壓的頻率和波幅均較大；反之，感應電壓的頻率和波幅均較小。圖4-13電磁式車輪轉速傳感器輸出的電壓信號

電磁式車輪轉速傳感器結構簡單，成本低，但存在以下缺點：當車速很低時，傳感器輸出的電壓信號較弱；傳感器頻率響應較低，當車速過高時，傳感器的頻率響應跟不上，容易產(chǎn)生錯誤信號；傳感器的抗電磁干擾能力較差。172）霍爾式車輪轉速傳感器

霍爾式車輪轉速傳感器根據(jù)霍爾效應原理產(chǎn)生與車輪轉速相對應的電壓脈沖信號?；魻栜囕嗈D速傳感器也是由傳感頭和齒圈組成。傳感頭由永久磁體、霍爾元件和電子電路等組成，如圖4-14所示。（a）霍爾元件磁場較弱（b）霍爾元件磁場較強圖4-14霍爾式車輪轉速傳感器1—霍爾元件；2—永久磁鐵；3-齒圈18圖4-15霍爾式車輪轉速傳感器電壓波形

霍爾車輪轉速傳感器具有以下優(yōu)點：輸出信號電壓幅值不受轉速的影響；頻率響應高，其響應頻率高達20kHz，相當于車速為1000km／h時所檢測的信號頻率；抗電磁干擾能力強。

霍爾元件輸出的是毫伏級的準正弦波電壓，通過電子電路轉換成標準的脈沖電壓輸出信號，電壓幅值為7V～14V，如圖4-15所示。192.制動壓力調(diào)節(jié)器

制動壓力調(diào)節(jié)器又稱為ABS壓力控制器，是ABS系統(tǒng)的執(zhí)行機構，其功用是接受ECU的指令，通過電磁閥的動作控制車輪制動輪缸的制動壓力，通常主要由電動液壓泵、液壓控制單元（包括儲能器和電磁閥）等構成，如圖4-16所示。

圖4-16制動壓力調(diào)節(jié)器1-繼電器盒；2-接ABS電控單元；3-液壓泵電動機4-液壓泵總成；5-液壓控制單元（包括儲能器和電磁閥）；6、7-制動液油管201）電動液壓泵

在ABS運行時，電動液壓泵根據(jù)ECU的信號確定是否工作，從而起到循環(huán)控制制動液油壓或迅速建立制動液油壓的作用。它可在汽車起動1min內(nèi)將制動液壓力提高到14～22MPa。

圖4-17柱塞式電動液壓泵1-控制開關；2-警告開關；3-限壓閥；4-出油口；5-單向閥；6-濾芯；7-進油口；8-電動機212）儲能器（蓄壓器）

儲能器的結構形式多種多樣?；钊?彈簧式儲能器一般位于電磁閥與回油泵之間，由輪缸來的液壓油進入儲能器，進而壓縮彈簧使儲能器液壓腔容積變大，以暫時儲存制動液。

氣囊式蓄壓器內(nèi)則充滿了高壓氮氣，可使制動液的壓力保持在14～18MPa范圍內(nèi)。為了安全起見，近年來生產(chǎn)的部分車型中，已經(jīng)取消了蓄壓器。氣囊式蓄壓器1-電動泵；2-回轉球閥式活塞泵；3-單向閥；4-限壓閥；5-蓄壓器；6-壓力開關223）電磁閥ABS系統(tǒng)中通常有4～8個電磁閥，分別對應控制前后輪的制動。常用的電磁閥有三位三通電磁閥和二位二通電磁閥等多種形式。

（a）電流為0（b）電流?。╟）電流大圖4-19三位三通電磁閥的動作1-線圈；2-固定鐵芯；3-電流；4-通主缸；5-通儲液器；6-通輪缸；7-銜鐵233.ABSECU

根據(jù)來自輪速傳感器的信號，ABSECU測量車輪轉速和車速，發(fā)出相應的控制指令。早期生產(chǎn)的ABS系統(tǒng)，其ABSECU與制動壓力調(diào)節(jié)器多采用分體式安裝，但接線較多。

得益于ABSECU體積的日益小型化，且出于散熱和減少接線的考慮，現(xiàn)在生產(chǎn)的ABS系統(tǒng)，其ABSECU與制動壓力調(diào)節(jié)器多采用整體式安裝，即ABSECU與制動壓力調(diào)節(jié)器直接安裝到一起，成為一個總成。244.1.3豐田循環(huán)式防抱死制動系統(tǒng)1.豐田循環(huán)式ABS系統(tǒng)的部件圖4-21雷克薩斯LS400轎車的ABS部件251）輪速傳感器2）ABS執(zhí)行器

LS400轎車的ABS執(zhí)行器263）ABS系統(tǒng)管路

ABS系統(tǒng)管路示意圖272.豐田循環(huán)式ABS系統(tǒng)的工作過程1）常規(guī)制動（ABS不工作）圖4-24正常制動時（ABS不工作）油路282）緊急制動（ABS工作）①“壓力降低”模式。圖4-25ABS系統(tǒng)“壓力降低”模式29②“保持”模式。圖4-26ABS系統(tǒng)“保持”模式30③“壓力提高”模式。圖4-27ABS系統(tǒng)“壓力提高”模式313.豐田循環(huán)式ABSECU的功能圖4-28ABSECU系統(tǒng)控制電路圖321）車輪轉速控制功能2）繼電器的控制功能

電磁線圈繼電器控制功能。當滿足下列條件時，ECU接通電磁線圈繼電器。①點火開關接通。②初始檢查功能完成，這一功能在點火開關接通后立即執(zhí)行。③診斷中未發(fā)現(xiàn)故障（故障代碼37除外）。如果上述條件中有任何一項不滿足，ECU就斷開電磁線圈繼電器。

執(zhí)行器泵電動機繼電器控制功能。當滿足下列條件時，ECU接通電動機繼電器。①在ABS運作中或初始檢查中。②當電磁線圈繼電器接通時。如果上述條件中有任何一項不滿足，ECU就斷開電動機繼電器。333）初始檢查功能ABSECU依次操縱三位三通電磁閥和執(zhí)行器泵的電動機，分別檢查每個電器系統(tǒng)的工作情況，如圖4-29所示。圖4-29ECU初始檢查過程

當車輛關斷制動燈，以大于6km／h的車速行駛時，執(zhí)行這一功能。這一功能僅在每次點火開關接通時執(zhí)行一次。344）診斷功能圖4-30警告燈5）傳感器檢查功能6）失效保護功能354.2汽車牽引力控制系統(tǒng)4.2.1牽引力控制系統(tǒng)概述1.汽車牽引力控制系統(tǒng)的作用

汽車牽引力控制系統(tǒng)（TractioncontrolSystem，TRC。也可略作TCS）是繼防抱死制動系統(tǒng)之后應用于車輪防滑的電子控制系統(tǒng)，其功用是防止汽車在起步、加速時和在滑溜路面行駛時的驅動輪滑轉。故有些汽車公司也將該技術稱為驅動防滑系統(tǒng)(AccelerationSlipRegulation,ASR)。

當車輪轉動而車身不動或是汽車的速度低于轉動車輪的輪緣速度時，輪胎與地面之間就有相對的滑動，這種滑動稱為“滑轉”。

汽車防滑控制系統(tǒng)可以在車輪出現(xiàn)滑轉時，通過對滑轉車輪施以制動力或控制發(fā)動機的動力輸出來抑制車輪的滑轉，以避免汽車牽引力和行駛穩(wěn)定性下降。36車輛在低附著系數(shù)路面（冰雪、濕滑、泥濘路面）上加速起步時，裝備TRC的汽車可以很好地沿著既定車道行駛，而未裝備TRC的汽車則很容易出現(xiàn)甩尾、側滑等現(xiàn)象。圖4-31TRC的作用2.TRC與ABS的比較ABS和TRC都是用來控制車輪相對地面的滑動，以提高車輪與地面之間的附著力。但ABS控制的是汽車制動時車輪的“滑移”，主要用來提高汽車的制動效能和制動時的方向穩(wěn)定性；而TRC是控制汽車行駛時的驅動車輪“滑轉”，用于提高汽車起步、加速及在滑溜路面行駛時的牽引力和確保行駛穩(wěn)定性。

一般在車速很低（小于8km／h）時ABS不起作用，而TRC一般在車速很高（大于80km／h）時不起作用。373.TRC系統(tǒng)的控制方式1）發(fā)動機輸出轉矩控制

通常采用三種控制方法進行發(fā)動機轉矩控制：一是節(jié)氣門開度調(diào)節(jié)，即在發(fā)動機原節(jié)氣門的基礎上，串聯(lián)一個副節(jié)氣門，或者直接安裝電子節(jié)氣門，由ASR系統(tǒng)或發(fā)動機控制系統(tǒng)控制其開度；二是減少或切斷噴油量；三是減小點火提前角。圖4-32發(fā)動機輸出轉矩控制382）對驅動輪進行制動控制

通過對單邊滑轉的驅動車輪施加適當?shù)闹苿恿?，使兩側驅動輪同步轉動并限制其滑轉率。3）差速器鎖止控制

對差速器進行鎖止時，可以使左右驅動輪的輸入轉矩不同，差速器鎖止控制就是基于這一原理，根據(jù)路面情況和鎖止比把滑移率控制在某一范圍內(nèi)。圖4-33差速器鎖止控制394.TRC的工作原理圖4-34雷克薩斯LS400TRC的工作原理404.2.2牽引力控制系統(tǒng)的結構組成1.TRC部件的組成圖4-35TRC部件配置圖41圖4-36TRC系統(tǒng)的構成422.副節(jié)氣門執(zhí)行器1）副節(jié)氣門執(zhí)行器的結構圖4-37副節(jié)氣門執(zhí)行器圖4-38副節(jié)氣門執(zhí)行器結構圖432）副節(jié)氣門執(zhí)行器的工作過程（a）副節(jié)氣門全開

（b）副節(jié)氣門打開50％（c）副節(jié)氣門全閉圖4-39副節(jié)氣門的工作狀態(tài)443.副節(jié)氣門位置傳感器圖4-40副節(jié)氣門位置傳感器45圖4-41副節(jié)氣門位置傳感器電路圖464.TRC制動執(zhí)行器圖4-42TRC制動執(zhí)行器的結構圖475.壓力傳感開關圖4-43壓力傳感開關的安裝位置48圖4-44壓力傳感開關工作過程和電路圖4.2.3TRC執(zhí)行器的工作過程LS400TRC液壓控制系統(tǒng)如圖4-45所示。TRC液壓控制系統(tǒng)中蓄壓器切斷電磁閥的作用是在TRC系統(tǒng)工作時，將來自蓄壓器的液壓傳送至盤式制動分泵；總泵切斷電磁閥當蓄壓器中的液壓被傳送至盤式制動分泵時，阻止制動液流回到總泵；儲液室切斷電磁閥在TRC系統(tǒng)工作時，使制動液從盤式制動分泵流回至總泵儲液室。49圖4-45TRC液壓控制系統(tǒng)501.在正常制動中（TRC未起動）圖4-46正常制動時液壓工作流程圖512.在車輛加速中（TRC起動）①“壓力提高”模式。

圖4-47“壓力提高”模式液壓工作流程圖52②“壓力保持”模式。圖4-48“壓力保持”模式液壓工作流程圖53③“壓力降低”模式。圖4-49“壓力降低”模式液壓工作流程圖544.2.4ABS和TRCECU的功能圖4-50雷克薩斯LS400TRC電路1.車輪轉速控制功能2.繼電器的控制功能3.初始檢查功能4.故障警告和存儲功能5.失效保護功能554.3電子制動力分配與輔助制動系統(tǒng)4.3.1電子制動力分配系統(tǒng)電子制動力分配系統(tǒng)（ElectricBrake-forceDistribution，EBD）能夠根據(jù)車輛載荷（空載、滿載）、道路附著條件和制動強度等因素的變化情況，自動調(diào)節(jié)前、后軸的制動力分配比例，提高制動效能（在一定程度上可以縮短制動距離），并配合ABS提高制動穩(wěn)定性。圖4-53EBD對前/后車輪制動力的動態(tài)調(diào)節(jié)56圖4-54EBD對前/后/左/右四個車輪制動力的動態(tài)調(diào)節(jié)57EBD實際上是ABS的輔助功能，它可以提高ABS的功效，所以在安全指標上，汽車的性能又多了“ABS＋EBD”。由圖4-55可以直觀地看出“ABS＋EBD”的功效。

在德國車系（如AUDI）中，習慣以德文Electronische

Bremsenkraft

Verteiler來表述電子制動力分配系統(tǒng)，并略作EBV。因此，在汽車技術資料中，經(jīng)常會出現(xiàn)EBD和EBV，其實兩者并無差別。圖4-55“ABS＋EBD”的功效584.3.2輔助制動系統(tǒng)輔助制動系統(tǒng)（BrakeAssistantSystem，BAS或BA），也稱電控輔助制動系統(tǒng)（ElectronicBrakeAssist，EBA）。輔