淺談半掛汽車列車ABS制動原理及組成

鄭艷東

為使用戶對防抱制動系統(tǒng)進(jìn)一步了解，本文主要介紹半掛汽車列車ABS(防抱制動系統(tǒng))的原理、組成、分類及注意事項(xiàng)，以幫助用戶按廠家要求使用、保養(yǎng)車輛ABS，消除發(fā)生交通事故的隱患。

近年來，為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，滿足物流需求，我國公路網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和公路運(yùn)輸?shù)玫酵伙w猛進(jìn)的發(fā)展。因?yàn)榘霋炝熊嚲哂兴爝\(yùn)輸、適應(yīng)性強(qiáng)、購置成本低、門對門零距離運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。因此我國先后出臺各種關(guān)于半掛列車制動性能的法律法規(guī)。為使用戶對防抱制動系統(tǒng)有進(jìn)一步了解，本文特介紹相關(guān)的基礎(chǔ)知識，僅供參考。

1 防抱制動系統(tǒng)定義及基本原理

防抱制動系統(tǒng)是在制動過程中，能自動控制車輛的一個(gè)或幾個(gè)車輪在其旋轉(zhuǎn)方向上滑移程度的系統(tǒng)。防抱制動系統(tǒng)即Anti-skid Brake System，簡稱ABS。

當(dāng)半掛列車緊急制動時(shí)，會出現(xiàn)折疊或甩尾現(xiàn)象。而ABS的作用是防止由于制動力過大而造成的車輪抱死(尤其在光滑的路面上)，從而使得全制動也能維持橫向牽引力，保證駕駛穩(wěn)定性和車輛的轉(zhuǎn)向控制性以及主、掛車制動協(xié)調(diào)性的最佳效果。同時(shí)保證可利用的輪胎和路面之間的制動摩擦力以及車輛減速度和停車距離的最優(yōu)化。

根據(jù)常識，半掛列車是利用地面與輪胎之間的摩擦力來減速的。當(dāng)制動的時(shí)候，受制動力作用的車輪速度減小，而由于慣性的原因，車輛會在短時(shí)間內(nèi)保持原來的速度繼續(xù)行駛，因此在車速與輪速之間產(chǎn)生一個(gè)速度差輪速之間存在的速度差即稱之為滑移現(xiàn)象(如圖1所示)?；瞥潭瓤捎没坡蕘肀硎荆杭椿坡? [(車速-輪速)/ 車速 ]×100%。

由公式得知，當(dāng)車速等于輪速時(shí)滑移率為0，此時(shí)車輪處于純滾動狀態(tài)。當(dāng)列車制動時(shí)，車速由于慣性保持原來速度，而輪速阻力加大，速度遞減，因此車速與輪速差別逐漸加大，滑移率隨之增大。停車之前車輪抱死時(shí)，輪速為0，滑移率達(dá)到100%，這時(shí)雖然輪速為0，但車速不為0，車輛就會出現(xiàn)跑偏、甩尾、喪失轉(zhuǎn)向能力等現(xiàn)象。通過科學(xué)分析和研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車輪在半滾半滑狀態(tài)時(shí)，路面對車輪的摩擦力最佳，制動效果最好，其滑移率約在10% ～ 30%之間。ABS正是按照這個(gè)原理而進(jìn)行工作的。

首先通過安裝在車軸上檢測車速的裝置將信號傳送到ABS的“大腦”中，“大腦”經(jīng)過分析后發(fā)出控制指令，當(dāng)它發(fā)現(xiàn)某個(gè)車輪要抱死時(shí)，立即讓ABS的“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”執(zhí)行，排放制動空氣，減少制動轂與制動蹄片間的摩擦力，使輪速適當(dāng)上升；當(dāng)“大腦”發(fā)現(xiàn)輪速上升過快時(shí)，又會讓“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”停止放氣，讓輪速下降。周而復(fù)始，通過 “抱死—松開—抱死—松開”這樣循環(huán)調(diào)整控制動壓力，使得車輪滑移率始終保持在側(cè)向附著系數(shù)較大、縱向附著系數(shù)最大的滑移率區(qū)域內(nèi)，從而獲得最佳制動效果，保證車輛行駛性能和獲取更大安全保障。

2 防抱制動系統(tǒng)(ABS)構(gòu)成

半掛列車安裝的ABS一般由輪速傳感器(sensor)、電子控制器(ECU)和壓力調(diào)節(jié)器(modulator)、線束以及ABS故障指示燈等幾大部分組成。

2.1 輪速傳感器結(jié)構(gòu)及原理

用于感受車輛的運(yùn)動狀態(tài)或車輪的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，并將這些信息傳遞給控制器的部件，稱為傳感器。安裝在半掛列車上的輪速傳感器一般為磁電式傳感器，是由繞有線圈的永久磁鐵的傳感器和與安裝在車輪上并與其一起旋轉(zhuǎn)的齒圈組成(如圖2所示)。其基本原理是利用電磁感應(yīng)原理，將輸入的機(jī)械位移速度轉(zhuǎn)換成線圈中的感應(yīng)電勢輸出。

由圖2看出，中間是永久磁鐵，外面是線圈。永久磁鐵產(chǎn)生一定強(qiáng)度的磁場，工作時(shí)，輪速傳感器相對車軸固定不動，而齒圈受熱后安裝在旋轉(zhuǎn)的輪轂上，當(dāng)齒圈在磁場中隨旋轉(zhuǎn)的車輪轉(zhuǎn)動時(shí)，齒圈上的齒和齒槽交替通過輪速傳感器，其齒頂與電極之間的間隙便以一定的速率變化，從而導(dǎo)致磁阻發(fā)生變化，使磁通量周期性增減，在線圈兩端便產(chǎn)生正比于磁通量增減速度的感應(yīng)電壓(感應(yīng)電壓正比于車輪的轉(zhuǎn)速)，并將交流電壓信號輸送給電子控制器。

2.2 控制器結(jié)構(gòu)及原理

用于處理傳感器供給的信息，并發(fā)出指令給調(diào)節(jié)器的部件，被稱為控制器，簡稱ECU。ECU一般由輪速信號放大器、2個(gè)微處理器(運(yùn)算電路)以及輸入、輸出電路和其他控制電路等組成。它是ABS的“大腦”，通過接受來自于傳感器的感應(yīng)電壓信號計(jì)算出各個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速、加速度、減速度以及車輛行駛速度等運(yùn)動參數(shù)，得出各車輪的滑移率狀況，并對這些信號進(jìn)行分析后，通過壓力調(diào)節(jié)器對制動管路發(fā)出控制命令。

輪速信號放大器是將輪速傳感器傳來的輪速交流信號放大成矩形波并整形后輸送到運(yùn)算電路的微處理器；運(yùn)算電路進(jìn)行車輪轉(zhuǎn)速和線速度、初始速度、滑移率、加減速度的運(yùn)算，以及電磁閥的開啟控制的運(yùn)算和監(jiān)控運(yùn)算；壓力調(diào)節(jié)器控制電路接受來自運(yùn)算電路的增壓、減壓或保壓信號，控制壓力調(diào)節(jié)器的電流；電源監(jiān)控電路不僅監(jiān)控著系統(tǒng)的電壓及ECU的電壓是否在規(guī)定范圍以外，還對傳感器輸入放大電路、運(yùn)算電路和壓力調(diào)節(jié)器控制電路的故障信號進(jìn)行監(jiān)視，并控制繼動電動機(jī)和繼動閥門。在出現(xiàn)故障信號時(shí)，關(guān)閉繼動閥門，停止ABS工作，返回常規(guī)制動狀態(tài)，同時(shí)使ABS報(bào)警燈點(diǎn)亮，通報(bào)駕駛員有異常情況發(fā)生。

2.3 壓力調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)及原理

壓力調(diào)節(jié)器是用于按收到的控制器指令調(diào)節(jié)產(chǎn)生制動力的制動壓力部件。壓力調(diào)節(jié)器有很多結(jié)構(gòu)形式，但半掛列車一般采用的為氣壓調(diào)節(jié)器。壓力調(diào)節(jié)器是ABS的“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”，接受來自控制器的控制指令，控制制動壓力的增、減以及保持。氣壓調(diào)節(jié)器是一個(gè)三位三通閥(如圖3所示)。它串聯(lián)在制動氣室前面的制動管路中，當(dāng)汽車在正常行駛時(shí)它不參與制動，處于常通狀態(tài)(即進(jìn)氣口與出氣口相通，而出氣口與排氣口不相通)。當(dāng)緊急制動時(shí)，調(diào)節(jié)器電磁閥會接收到控制器根據(jù)車輪不同的運(yùn)動狀態(tài)所發(fā)出的指令，它將自動調(diào)節(jié)制動氣室的壓力使之增加、減少或者保持。

2.3.1 增壓過程

列車在開始制動時(shí)，調(diào)節(jié)器無電信號輸入，進(jìn)氣先導(dǎo)閥常閉，進(jìn)氣閥處于開啟狀態(tài)，排氣先導(dǎo)閥常開，先導(dǎo)氣使排氣閥產(chǎn)生背壓處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)進(jìn)氣口與出氣口相通而出氣口與排氣口不相通。壓縮空氣通過進(jìn)氣口—出氣口進(jìn)入制動氣室使制動氣室內(nèi)的壓力迅速增加從而開始制動，這就是增壓過程。

2.3.2 保壓過程

當(dāng)車輪的制動趨于抱死時(shí)，控制器發(fā)出指令讓調(diào)節(jié)器的進(jìn)氣電磁閥通電，進(jìn)氣先導(dǎo)閥由關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)換為開啟狀態(tài)，先導(dǎo)氣進(jìn)入使進(jìn)氣閥產(chǎn)生背壓后關(guān)閉進(jìn)氣閥，隔斷壓縮空氣進(jìn)入制動氣室，由于此時(shí)出氣口與排氣口不相通，而進(jìn)氣口與出氣口也不相通，因此制動氣室內(nèi)的壓力保持不變，這就是保壓過程。

2.3.3 減壓過程

當(dāng)車輪抱死時(shí)，控制器同時(shí)發(fā)出信號給調(diào)節(jié)器的進(jìn)、排氣電磁閥，使之同時(shí)通電以打開進(jìn)氣先導(dǎo)閥和關(guān)閉排氣先導(dǎo)閥，使進(jìn)氣閥關(guān)閉和排氣閥打開，此時(shí)進(jìn)氣口與出氣口不相通，而出氣口和排氣口相通，制動氣室內(nèi)的壓力通過排氣口直接排入大氣后使制動氣室內(nèi)的壓力減少，這就是減壓過程。

2.4 線束和ABS故障指示燈

線束一般由ABS廠家配套而來，安裝時(shí)應(yīng)注意是波紋管外套上的標(biāo)志環(huán)，環(huán)上字母“L”表示左側(cè)傳感器或調(diào)節(jié)器，“R”表示右側(cè)傳感器或調(diào)節(jié)器。左右接頭絕對不允許插錯。如果ABS出現(xiàn)了系統(tǒng)故障，接通電源，ABS指示燈將會自動閃爍，閃爍頻率稱為故障代碼，不同的閃爍頻率代表不同的故障類型和位置。如果同時(shí)出現(xiàn)了多處故障，指示燈將只顯示一個(gè)故障代碼；在斷開電源的情況下，排除該故障，然后接通電源，ABS指示燈會顯示下一個(gè)故障。以此類推，直至系統(tǒng)故障全部排除。

3 ABS通道分類情況

ABS的分類一般按控制通道分類?？煞譃橐煌ǖ馈赏ǖ?、三通道、四通道等形式。一般半掛車上常用的是2S/1M、2S/2M、4S/2M和4S/4M的結(jié)構(gòu)形式(S表示傳感器，M表示調(diào)節(jié)器)。

一般半掛列車安裝4S/4M的ABS，會有比較好的制動效果。由于四通道ABS是根據(jù)各車輪輪速傳感器輸入的信號，分別對各個(gè)車輪進(jìn)行獨(dú)立控制的，因此附著系數(shù)利用率高，制動時(shí)可以最大程度的利用每個(gè)車輪的最大附著力。四通道控制方式特別適用于列車左右兩側(cè)車輪附著系數(shù)接近的路面，不僅可以獲得良好的方向穩(wěn)定性和方向控制能力，而且可以得到最短的制動距離。但是如果汽車左右2個(gè)車輪的附著系數(shù)相差較大(如路面部分積水或結(jié)冰)，制動時(shí)2個(gè)車輪的地面制動力就相差較大，因此會產(chǎn)生橫擺力矩，使車身向制動力較大的一側(cè)跑偏，不能保持列車按預(yù)定方向行駛，會影響制動方向穩(wěn)定性。因此，駕駛員在部分結(jié)冰或積水等濕滑的路面行車時(shí)，應(yīng)降低車速，不可盲目迷信ABS裝置。

4 ABS優(yōu)缺點(diǎn)及使用注意事項(xiàng)

4.1 ABS優(yōu)點(diǎn)

a.在緊急制動時(shí)較好地保持車輛橫向穩(wěn)定性；

b.改善制動時(shí)的方向操縱性；

c.改善制動效能；

d.減少輪胎局部過度磨損；

e.使用方便，工作可靠。

4.2 ABS缺點(diǎn)

在2種情況下，ABS不能提供最短的制動距離。一種是在平滑的干路上，由有經(jīng)驗(yàn)的駕駛員直接進(jìn)行制動；另一種情況是在松散的碩石路面、松土路面或積雪很深的路面上制動。

4.3 ABS使用注意事項(xiàng)

a.ABS只是在緊急制動或低系數(shù)路面減速制動時(shí)，車輪趨向抱死時(shí)發(fā)揮作用。

b.ABS是一個(gè)主動安全系統(tǒng)，可以提高原車的制動性能，但該系統(tǒng)發(fā)揮作用的前提條件是車輛的常規(guī)制動性能良好。駕駛員應(yīng)定期對傳感器間隙進(jìn)行檢查，檢查時(shí)只需將傳感器向里推緊即可。

c.ABS不能檢測車輛的常規(guī)制動系統(tǒng)是否存在故障，所以常規(guī)制動系統(tǒng)的檢查、保養(yǎng)應(yīng)定期進(jìn)行。

d.ABS故障改善了車輛主動安全性，但不能防止高速行駛或緊急制動時(shí)帶來的所有后果。

e.在車輛行駛期間，ABS出現(xiàn)故障，但仍可安全駕駛車輛，此時(shí)ECU已將ABS切除，車輛已恢復(fù)到常規(guī)制動狀態(tài)。但是為了確保安全，必須盡快將故障排除，以便減少故障以及由此所帶來的不良后果。

f.在緊急制動時(shí)，應(yīng)盡可能的踩下制動踏板，使ABS發(fā)揮作用，而不需要駕駛員進(jìn)行所謂的“點(diǎn)”剎車制動。

g.裝有ABS的車輛，遇有險(xiǎn)情緊急制動時(shí)，猛踩制動，同時(shí)可轉(zhuǎn)動方向盤避開障礙物，但是最初2 s內(nèi)不得超過120o，總轉(zhuǎn)角不應(yīng)超過240o。

h.在ABS接通后，嚴(yán)禁拔插控制器連接器及導(dǎo)線插頭。

i.對汽車進(jìn)行電焊等操作時(shí)，應(yīng)先斷開蓄電池負(fù)極并搭鐵。

j.防止水、油污及其它導(dǎo)電及磁性材料進(jìn)入控制器(ECU)，防止硬物碰撞ECU。

5 總結(jié)

以上介紹關(guān)于防抱制動系統(tǒng)的有關(guān)知識，雖然ABS對制動有很大益處，但在駕駛汽車列車時(shí)還應(yīng)注意安全，按廠家要求使用、保養(yǎng)，消除發(fā)生交通事故的隱患，這不僅是對自身的利益負(fù)責(zé)，同時(shí)也會為快速建設(shè)和諧社會做出貢獻(xiàn)。

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