了解防抱死制动系统(ABS)

地盘玉

一、ABS防抱制动系统系统概述

随着世界汽车工业的迅猛发展，安全性日益成为人们选购汽车的重要依据。目前广泛采用的防抱制动系统（ABS）使人们对安全性要求得以充分的满足。
汽车制动防抱系统，简称为ABS，是提高汽车被动安全性的一个重要装置。有人说制动防抱系统是汽车安全措施中继安全带之后的又一重大进展。汽车制动系统是汽车上关系到乘客安全性最重要的二个系统之一。随着世界汽车工业的迅猛发展，汽车的安全性越来越为人们重视。汽车制动防抱系统，是提高汽车制动安全性的又一重大进步。
ABS防抱制动系统由汽车微电脑控制，当车辆制动时，它能使车轮保持转动，从而帮助驾驶员控制车辆达到安全的停车。这种防抱制动系统是用速度传感器检测车轮速度，然后把车轮速度信号传送到微电脑里，微电脑根据输入车轮速度，通过重复地减少或增加在轮子上的制动压力来控制车轮的打滑率，保持车轮转动。在制动过程中保持车轮转动，不但可保证控制行驶方向的能力，而且，在大部分路面情况下，与抱死〔锁死〕车轮相比，能提供更高的制动力量。
ABS与常规的液压制动系统相比有三个显著的优点：
1.车辆控制--装备有ABS的汽车驾驶员在紧急制动过程中，保持着很大程度的操纵控制。在紧急制动过程中，用标淮的液压制动器产生的打滑使驾驶员失去对车辆的控制。ABS恢复稳定性并使驾驶员恢复对车辆的控制。
2.减少浮滑现象--潮湿、光滑道路和抱死车辆纵使形成被称为浮滑现象的状态，当车辆驾驶员行驶在具有一层水和油薄模的路面之上时，出现与浮滑现象相仿。由于ABS减少了车轮抱死的机会，因此，也减少了制动过程中出现浮滑现象的机会。
3、改善了轮胎的磨损--使用ABS防止车轮抱死，消除了在紧急制动过程中轮胎平斑的可能性。


二、ABS发展历程

ABS系统的发展可以追溯到本世纪初期，早在1928年制动防抱理论就被提出，在30年代机械式制动防抱系统就开始在火车和飞机上获得应用，博世(BOSCH)公司在1936年第一个获得了用电磁式车轮转速传感器获取车轮转速的制动防抱系统的专利权。
进入50年代，汽车制动防抱系统开始受到较为广泛的关注。福特(FORD)公司曾于1954年将飞机的制动防抱系统移置在林肯(LINCOIN)轿车上，凯尔塞·海伊斯(KELSEHAYES)公司在1957年对称为“AUTOMATIC”的制动防抱系统进行了试验研究，研究结果表明制动防抱系统确实可以在制动过程中防止汽车失去方向控制，并且能够缩短制动距离；克莱斯勒(CHRYSLER)公司在这一时期也对称为“SKID CONTROL”的制动防抱系统进行了试验研究。由于这一时期的各种制动防抱系统采用的都是机械式车轮转速传感器的机械式制动压力调节装置，因此，获取的车轮转速信号不够精确，制动压力调节的适时性和精确性也难于保证，控制效果并不理想。
随着电子技术的发展，电子控制制动防抱系统的发展成为可能。在60年代后期和70年代初期，一些电子控制的制动防抱系统开始进入产品化阶段。凯尔塞·海伊斯公司在1968年研制生产了称为“SURE TRACK”两轮制动防抱系统,该系统由电子控制装置根据电磁式转速传感器输入的后轮转速信号，对制动过程中后轮的运动状态进行判定，通过控制由真空驱动的制动压力调节装置对后制动轮缸的制动压力进行调节，并在1969年被福特公司装备在雷鸟(THUNDERBIRD)和大陆·马克III(CONTINENTALMKIII)轿车上。
克莱斯勒公司与本迪克斯(BENDIX)公司合作研制的称为“SURE-TRACK”的能防止4个车轮被制动抱死的系统，在1971年开始装备帝国(IMPERIAL)轿车，其结构原理与凯尔塞·海伊斯的“SURE-TRACK”基本相同，两者不同之处，只是在于两个还是四个车轮有防抱制动。博世公司和泰威士(TEVES)公司在这一时期也都研制了各自第一代电子控制制动防抱系统，这两种制动防抱系统都是由电子控制装置对设置在制动管路中的电磁阀进行控制，直接对各制动轮以电子控制压力进行调节。
别克(BUICK)公司在1971年研制了由电子控制装置自动中断发动机点火，以减小发动机输出转矩，防止驱动车轮发生滑转的驱动防抱转系统。
瓦布科(WABCO)公司与奔驰(BENZ)公司合作，在1975年首次将制动防抱系统装备在气压制动的载贷汽车上。
这一时期的各种ABS系统都是采用模拟式电子控制装置，由于模拟式电子控制装置存在着反应速慢、控制精度低、易受干扰等缺陷，致使各种ABS系统均末达到预期的控制效果，所以，这些防抱控制系统很快就不再被采用了。
进入70年代后期，数字式电子技术和大规模集成电路的迅速发展，为ABS系统向实用化发展奠定了技术基础。博世公司在1978年首先推出了采用数字式电子控制装置的制动防泡系统--博世ABS2，并且装置在奔驰轿车上，由此揭开了现代ABS系统发展的序幕。尽管博世ABS2的电子控制装置仍然是由分离元件组成的控制装置，但由于数字式电子控制装置与模拟式电子控制装置相比，其反应速度、控制精度和可靠性都显著提高，因此，博世ABS2的控制效果己相当理想。从此之后，欧、美、日的许多制动器专业公司和汽车公司相继研制了形式多详的ABS系统。


三、ABS的工作原理

控制装置和ABS警示灯等组成，在不同的ABS系统中，制动压力调节装置的结构形式和工作原理往往不同，电子控制装置的内部结构和控制逻辑也可能ABS通常都由车轮转速传感器、制动压力调节装置、电子不尽相同。
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。



刹车系统工作原理





刹车系统的原理是制造出巨大的摩擦力，将车辆的动能转化为热能。众所周知，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量不变。汽车在加速过程中把化学能转化成热能和动能，刹车时刹车系统又将汽车的动能转化成热能散发到空气中。一辆车从静止加速到时速100公里可能需要10秒钟，但从时速100公里刹车到静止可能只需要XX秒而已，可见刹车系统承受着巨大的负荷。从另一个角度来说，如果你想体验超级跑车的加速快感，用普通家用车也可以，只不过你需要反过来坐着并且是在急刹车中体验到。

目前大部分小型车都采用液压制动，因为液体是不能被压缩的，能够几乎100%的传递动力，基本原理是驾驶员踩下刹车踏板，向刹车总泵中的刹车油施加压力，液体将压力通过管路传递到每个车轮刹车卡钳的活塞上，活塞驱动刹车卡钳夹紧刹车盘从而产生巨大摩擦力令车辆减速。






我们先从刹车总泵说起，这个部件通常位于发动机舱防火墙靠近驾驶员的一侧，有些车的刹车总泵”小得可怜“，甚至让人怀疑它是否能提供足够的刹车力。其实完全不必为此担心，因为刹车系统运用了”帕斯卡定律“。





帕斯卡定律的主要内容是：

根据静压力基本方程(p=p0+ρgh),盛放在密闭容器内的液体，其外加压强p0发生变化时，只要液体仍保持其原来的静止状态不变，液体中任一点的压强均将发生同样大小的变化。（来源：百度百科）
简单来说就是我们踩下制动踏板后施加到刹车总泵液体上的压强等于刹车盘活塞处的液体压强，但因为压强等于单位面积的压力，所以只要增大活塞的面积，施加的压力就会增大。例如下图这个实验，两个圆柱形活塞，左侧活塞直径是2英寸，右侧活塞直径是6英寸，也就是左侧活塞的3倍，那么如果给左侧活塞施加一定量的力，那么右侧活塞将产生一个9倍的力（面积是半径的平方乘以3.14），这也就是现在所有液压机构的理论基础，所以起重机可以通过液压系统举起数十吨的货物。






尽管如此，仅靠人体施加的力度依然不足以产生足够制动力，因此需要刹车助力泵的协助。






刹车助力泵和制动总泵是串联在一起的，通常它的外形是一个巨大的黑色类似圆柱或圆锥形容器，其实它也是一个活塞机构，里面有一个膜片把助力泵分成两个腔室，一边链接的是发动机进气管，另一边则与外界大气相通。由于发动机在工作时需要吸气，就会在助力泵的一侧产生真空，这样就使膜瓣两侧产生巨大压力差，和驾驶员施加的压力一同压向制动总泵从而产生巨大制动力。
制动总泵需要管路连通到每个刹车卡钳上，我们可以看到从刹车总泵上伸出的几根黑色管，这些管道都是金属材质的，原因很简单，金属没什么弹性，不会因为液体的压强增大而扩张，保证制动力的传递。但是在管路的尽头也就是车轮附近却不得不采用软管，因为在行驶过程中车辆悬挂总是不断的在做相对于车身的运动，一般家用车都采用橡胶材质软管。从刹车效果角度来看，软管终究不是最理想的，因此很多后期刹车改装中都采用所谓的”钢喉“，当然钢喉也不是传统的钢管，它的内部依然是橡胶管，而外表套上钢线编织管，提升耐高压性能。






整个刹车系统中最直观的部分就是刹车盘和卡钳，它位于每个车轮上，透过轮毂就能看到。刹车盘就是一个金属盘，和车轮同轴转动，随时准备着被刹车卡钳无情的夹紧。对于消费者来说在刹车盘方面主要可以关注以下这两个信息：是否是通风盘；刹车盘直径。
下面这张图片中显示的就是通风盘，我们可以看到中间有很多孔洞，行驶过程中气流会在这些孔洞中穿梭，冷却效果更好。从另一个角度说，相对于实心盘，通风盘由于扣掉了部分盘体，因而重量更轻，降低旋转时的惯性，有利于提高车辆加速和刹车性能，尽管这种作用可能很细微。





『通风刹车盘』
刹车盘直径是描述刹车性能的直观指标，在其他因素相同的情况下，刹车盘越大，刹车性能理论上说就越好。我们都知道杠杆原理，如果刹车盘直径越大，刹车卡钳就可以越远离车轴中心点，这就相当于加长了力臂，同样大的摩擦力就获得了更好的制动效果。
刹车卡钳是向刹车盘施加作用力的部件，刹车总泵产生的液压最终作用在卡钳内部的活塞上，活塞扩张之后会将刹车片推向刹车盘。





也许有些读者会产生疑问，为什么我们看不到活塞在哪里？原因很简单，普通家用车刹车卡钳的活塞只在卡钳的一侧，通常是刹车盘后面的那一侧，所以从外面我们只能看到卡钳和卡钳上固定的刹车片。





『高性能汽车使用的多活塞卡钳』
不过也有例外，那就是很多高性能车上采用的对向多活塞卡钳，”对向“就是指在刹车盘两侧都有活塞，刹车时两侧活塞对向施加压力，将两侧的刹车片推向刹车盘。