ABS對制動系統(tǒng)性能提高分析及研究

劉家員，劉光健，韓忠浩，沈文超，王可洲，周　偉

ABS對制動系統(tǒng)性能提高分析及研究

劉家員1，劉光健1，韓忠浩1，沈文超2，王可洲3，周偉4

（1.遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通學(xué)院車輛工程，遼寧 錦州121001；2.南京航空航天大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，江蘇 南京210016；3.山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250100；4.中國重汽濟(jì)南業(yè)務(wù)部，山東 濟(jì)南250002）

汽車作為現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的產(chǎn)物之一，成為了21世紀(jì)重要的交通工具，如今已經(jīng)進(jìn)入了千家萬戶，同給我們的生活帶來了極大方便。近些年來隨著汽車的發(fā)展，交通事故也漸漸成為了安全隱患。隨著汽車速度的不斷提高，因此制動器汽車安全系統(tǒng)的重要部分成為了人們關(guān)注的焦點，也對制動系統(tǒng)做出了新的要求，從此帶有ABS制動系統(tǒng)的汽車應(yīng)運而生，很大程度上提高了汽車制動性能，尤其在雪地、冰路、泥濘路上時顯示出其強(qiáng)悍的優(yōu)勢。

制動系統(tǒng)；制動性能；ABS

1　汽車制動系統(tǒng)綜合概述

圖1　普通汽車制動系統(tǒng)

（1）汽車制動系統(tǒng)的組成及原理。通過盤式制動器來說明。如圖1所示。圖示是一個固定盤式的制動器（前制動器）和鼓式制動器（后制動器）汽車制動系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由制動踏板、制動主缸、制動器、制動分泵等組成，以盤式（前）制動器為例，它主要由制動盤、制動鉗、摩擦片、活塞、密封圈等組成。其中制動盤轉(zhuǎn)動件，通過轉(zhuǎn)向節(jié)與車輪連接在一起。而制動鉗是固定件，制動鉗安裝在轉(zhuǎn)向節(jié)上，所以這種制動器成為固定鉗車輪制動。

汽車制動系統(tǒng)原理：當(dāng)踩下制動踏板時，制動主缸產(chǎn)生主壓力，通過油管輸送給制動從動缸，使活塞壓向制動摩擦片，加緊制動盤，產(chǎn)生制動力。放松制動時，活塞和制動塊依靠密封圈的彈力和彈簧的彈力復(fù)位，解除制動。

（2）汽車制動系統(tǒng)評價標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。①制動效能，在良好的路面上，汽車以一定的車速制動到停車過程中制動距離或制動時汽車的減速度。②制動效能的恒定性，抗熱衰退性，汽車長時間制動時不，能夠抵抗因為制動器過熱而失效的能力。③制動時方向穩(wěn)定性，汽車在制動過程中不發(fā)生跑偏、側(cè)滑以及失去轉(zhuǎn)向的能力。

（3）各國對汽車制動系統(tǒng)要求的不同標(biāo)準(zhǔn)。制動力實際是是汽車停駛的一個外力，主要是受到制動盤和摩擦片之間摩擦力的大小影響；再就是受到地面和輪胎之間的摩擦力的影響。所以各國對于制動系統(tǒng)不同路面（意味著不同附著路面）進(jìn)行測試，就制動系統(tǒng)的某一處速度下，對制動系統(tǒng)制動時的穩(wěn)定性、制動距離、制動減速度等指標(biāo)制定國家標(biāo)準(zhǔn)。下面以中國、美國、歐共體在不同附著路面上的標(biāo)準(zhǔn)為例來說明。如圖2所示。

圖2　乘用車制動規(guī)范對行車制動器制動性的部分要求

2　帶有ABS汽車的制動系統(tǒng)

（1）ABS制動系統(tǒng)簡述。ABS其實是汽車防抱死系統(tǒng)英文的縮寫（Anti-lock Brake System），是汽車電子高度發(fā)達(dá)的產(chǎn)物。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，它已經(jīng)不是汽車自帶的奢侈品其組成是在普通制動器基礎(chǔ)上增加了ABS電子控制單元、ABS執(zhí)行器、各傳感器，簡而言之，ABS系統(tǒng)實際上模仿了人為的“踩踏板——松踏板”有規(guī)律的循環(huán)的過程。

圖3　制動過程地面制動力、制動器制動力、附著力之間的關(guān)系

（2）ABS制動系統(tǒng)基礎(chǔ)鏈接。①地面制動力、制動氣制動力、附著力之間的關(guān)系如圖3所示。從圖示中我們可以看出，在汽車剛剛開始制動時，由于地面制動力沒有達(dá)到車輪與地面之間的摩擦力（即地面制動力）的極限，車輪處于滾動狀態(tài)，此時從圖像可知，汽車制動器制動力Fυ等于地面制動力FXB,而且成線性增長，同時地面制動力FXB也不是無限大的，還受到附著力FΦ的限制；當(dāng)達(dá)到極限程度時，車輪會出現(xiàn)抱死拖滑現(xiàn)象，制動器制動力Fυ由于在踏板作用下仍然出現(xiàn)增長現(xiàn)象，但是由于附著力FΦ在極限時，不會使地面制動力FXB繼續(xù)增加，圖示顯示為虛線部分。由此綜上所述得到有相關(guān)公式：FXB＜=FΦ=FZψ或極限地面制動力FXbmax=FZψ。②ABS制動系統(tǒng)控制的重要參數(shù)——滑移率。一般用S表示的，是指汽車在制動過程中發(fā)生滑移的程度。用公式表示為：

其中：uw為汽車車輪中心速度；r0為汽車沒有地面制動力時的滾動半徑；ωw為車輪的角速度。我們從公式中不難看出，汽車車輪處于純滾動時，滑移率為0；當(dāng)踏板力較大時，車輪處于拖滑狀態(tài)時，滑移率S變?yōu)?00%。0＜S＜100%時，車輪處于半滾半滑狀態(tài)。我們常說的帶有ABS的汽車實際在制動過程中使滑移率始終保持在10%～30%這個范圍之內(nèi)，通常在這個范圍內(nèi)制動時會出現(xiàn)最好制動性能，側(cè)向穩(wěn)定性也好。如圖4所示。圖示中我們可以看出，用φy表示橫向附著系數(shù)，用φx表示縱向附著系數(shù)。那么對于橫向附著系數(shù)而言，此曲線是隨著車輪滑移率的增大而減小，在ABS控制的范圍之內(nèi)，此時縱向附著系數(shù)處于最大的狀態(tài)，是比較穩(wěn)定的狀態(tài)，使汽車制動的效果最好。

圖4　干燥硬石路面上附著系數(shù)和滑移率之間的關(guān)系

3　帶有ABS汽車制動時工作過程

ABS制動系統(tǒng)其實就是在原來制動系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了輪速傳感器（磁電式輪速傳感器、霍爾效應(yīng)式輪速傳感器）、電子控制單元（輸入級電路、輸出及電路、計算電路、保護(hù)電路）、電磁閥（二位二通電磁閥、三位三通電磁閥、四位四通電磁閥）、液壓泵、蓄能器等部件實現(xiàn)了使車輪防抱死的作用。

ABS制動過程及原理。轎車采用的防抱死系統(tǒng)通常對四個車輪進(jìn)行防抱死控制，并且多數(shù)是三通道進(jìn)行控制。三通道防抱死系統(tǒng)都是對兩個前輪進(jìn)行獨立控制，兩個后輪則是按照低選原則一同控制。

（1）汽車常規(guī)制動過程。汽車開始制動時，如圖5所示。ABS電腦會不斷地進(jìn)行各種相關(guān)制動信號的檢測，當(dāng)檢測到制動信號是駕駛員正在施加一踏板力時，在汽車車輪沒有鎖死的狀態(tài)下，則會輸出指令，使三通電磁閥不通電狀態(tài)，此時三通閥制動主缸與出油閥出口相通，僅僅起到了使汽車速度減小的作用，直到汽車完成駕駛員需要達(dá)到的速度而結(jié)束制動，此時汽車并沒有制動時車輪抱死狀態(tài)。

圖5　常規(guī)制動示意圖

（2）減壓過程如圖6所示。汽車出現(xiàn)緊急情況緊急制動時，如果ABS電腦檢測到某些車輪處于抱死狀態(tài)時，就會使線圈通電大電流（5A），使油液流向儲液器，將壓力釋放，同時液壓泵也會工作，將儲液器中的油液重新抽回于制動主缸中。

圖6　ABS制動時減壓制動示意圖

（3）保壓過程如圖7所示。當(dāng)制動踏板處于某一位置時，保證制動力處于恒定狀態(tài)。此時ABS電腦會檢測傳感器的位置，并且發(fā)出指令給執(zhí)行器。三通電磁閥會給線圈通電小電流（2A），此時電磁閥的流向儲液罐的通路被切斷，同時進(jìn)油口通路也會被切斷，意味著出油閥、進(jìn)油閥都被關(guān)閉。整個缸體中保持著一定油壓維持某以恒定的制動力的過程。

圖7　ABS制動時保壓過程圖示

（4）增壓過程。當(dāng)輪速傳感器檢測到汽車車輪需要抱死時，ABS電腦會控制三通電磁閥，使其線圈不通電，關(guān)閉通往制動輪缸與儲液器之間的通路，打開制動主缸與制動輪缸之間的通路，使系統(tǒng)中的液壓增加，從而使制動力矩明顯增加。

4　帶有ABS汽車制動系統(tǒng)對比傳統(tǒng)制動系的優(yōu)點

（1）改善了汽車制動時的方向穩(wěn)定性。提高了汽車在制動過程中的穩(wěn)定性——操縱穩(wěn)定性以及方向穩(wěn)定性，即制動過程中防止汽車出現(xiàn)難以控制的跑偏、側(cè)滑、甩尾而使汽車處于原來方向行駛的能力。

（2）縮短了制動距離。使其更大地利用地面提供的附著力，使汽車制動的滑移率都保持在最佳狀態(tài)，在最短的距離內(nèi)使汽車減速的作用。

（3）增加了汽車制動時轉(zhuǎn)向能力。如果汽車車輪在制動過程中仍然能夠保持滾動，會使汽車的橫向附著力加大，方向盤可以使車輪轉(zhuǎn)動自如，尤其是與ESP綜合使用會更加明顯。

（4）減少了輪胎的磨損。由于ABS汽車使汽車車輪在制動時是半滾半滑狀態(tài)（在很小速度下會產(chǎn)生抱死狀態(tài)是正常的），因此車輪不會極度的由于車輪抱死而過度損傷。

（5）易于與其他新技術(shù)的結(jié)合。

5　結(jié)語

汽車ABS（制動防抱死系統(tǒng)）是制動輔助的一個開端，各個汽車廠家會在汽車開發(fā)中成為考慮的重要設(shè)計因素。汽車在不斷發(fā)展過程中，每一次的更新?lián)Q代過程中除了在舒適性、經(jīng)濟(jì)性、動力性等性能努力的同時，制動安全性也會是汽車發(fā)展中必不缺少的一個環(huán)節(jié)。

汽車ABS無疑成為了汽車輔助制動的基本條件，沒有汽車防抱死系統(tǒng)，就不可能出現(xiàn)現(xiàn)在基本成熟的ASR（防滑系統(tǒng)），更不用說ESP（電子穩(wěn)定系統(tǒng)）等技術(shù)問世。

汽車ABS給汽車安全性帶來了翻天覆地的變化，并且基本實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)配置化。眾所周知，在高速行駛過程中，汽車一旦緊急剎車會因為車輪抱死抓地力不夠造成甩尾、側(cè)滑危險的情況，嚴(yán)重時會出現(xiàn)側(cè)翻。汽車防抱死系統(tǒng)使汽車在制動時明顯改善。

汽車都有自身不同的制動距離，行駛安全距離還是要保持。根據(jù)自己的經(jīng)驗以及汽車的行駛工況保證行車的安全性，盡管ABS現(xiàn)在為止非常成熟，但不是萬能的，行車中還是要保持安全行車距離。

［1］馮晉祥.汽車構(gòu)造［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［2］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［3］邊煥鶴.汽車電器與電子設(shè)備［M］.北京：人民交通出版社，1997.

［4］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［5］馮晉祥.汽車構(gòu)造［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［6］邊煥鶴.汽車電器與電子設(shè)備［M］.北京：人民交通出版社，1997.

ABS Brake System Performance Analysis and Research

LIU Jia-yuan1，LIU Guang-jian1，HAN Zhong-hao1，SHEN Wen-chao2，WANG Ke-zhou3，ZHOU Wei4
（1.Institute of Automobile and Traffic Vehicle Engineering,Liaoning University of Technology，Jinzhou，Liaoning 210016；China；2.Institute of Machinery，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing，Jiangsu 210016，China；3.Instituteof Engineering Machinery and Electronics Engineering，Shandong Agricultural College，Jinan，Shandong 250100，China；4.Jinan Business Department of CNHTC，Jinan，Shandong 250002，China）

As one of the product of the rapid deve1opment of industry，the car has become an important means of transport in the 21st century.In recent years，with the deve1opment of automobi1e，traffic accidents a1so gradua11y become the safe hidden troub1e.With the constant improvement of the vehic1e speed，the brake car security system a1so makes new demands for the break.Thus the automobi1e with ABS braking system rises at the historic moment，great1y improving the automobi1e braking performance，especia11y in the snow，ice and muddy road.

brake system；brake performance；ABS

U463.526

A

2095-980X（2016）03-0040-03

2016-03-07

劉家員，主要研究方向：汽車與交通車輛工程。