ABS 制動防抱死系統(tǒng)的液壓控制過程探討

劉 巖

(鞍山技師學(xué)院冶金分院，遼寧鞍山 114000)

隨著世界汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，高等級公路所占比重越來越大，汽車行駛速度進(jìn)一步提高，道路行車密度不斷增大，汽車行駛安全性能日益成為人們選購汽車的首選依據(jù)。廣泛采用的汽車制動防抱死(ABS)系統(tǒng)就是在這種要求下產(chǎn)生和發(fā)展的。

既然(ABS)制動防抱死系統(tǒng)的應(yīng)用使人們對行駛安全性能的要求得到更大的滿足，那么作為技工學(xué)校的教師，如何深入淺出地向?qū)W生介紹ABS的液壓制動過程，使學(xué)生能夠很好地掌握，就變得十分重要。

1 ABS原理概述

1.1 ABS基本定義

汽車制動防抱死(ABS)系統(tǒng)是汽車在常見路面上進(jìn)行較大制動力剎車時，防止車輪完全抱死的系統(tǒng)。它能保證汽車制動效能及制動時的方向穩(wěn)定性，大大減少了制動距離，是具有良好制動效果的剎車裝置。

1.2 制動時車輛運(yùn)動狀況分析

1.2.1 制動時車輛的受力分析

汽車受到一個與行駛方向相反的外力時，才能從一定的車速制動到較低的車速直至停車，這個外力實際上是由地面提供，稱為地面制動力(用Xb表示)。地面制動力越大，汽車的制動減速度越大，制動距離也越短，所以該力對汽車的制動效能具有決定性影響。但是地面制動力的大小取決于兩個摩擦副的摩擦力:一個是制動器內(nèi)制動摩擦力，即制動器制動力(用Fb表示);另一個則是輪胎與地面間的摩擦力，即附著力(用Fu表示)。

由此可見，汽車的地面制動力Xb首先取決于制動器制動力Fb，但同時又受地面附著力Fu的限制。只有具有足夠的制動器制動力Fb，同時地面又能提供較高的附著力Fu時，汽車才能獲得足夠的地面制動力Xb。

1.2.2 滑移率

滑移率S的定義如下:

其中，Vc為車身速度(車身相對于地面的速度);Vt為車輪速度(車輪的外圓線速度)。汽車在正常行駛車輪作純滾動時，Vc=Vt，S=0;在車輪被完全抱死作純滑動時，Vt=0，S=100%;與車輪邊滾動邊滑動時，0＜S＜100%。所以滑移率S的大小，說明了車輪運(yùn)動中滑動成分所占的比例，滑移率S越大，滑動成分越多。

1.3 ABS的功用

ABS的功用就是在汽車制動過程中，不斷自動調(diào)整汽車制動系統(tǒng)壓力，使車輪滑移率始終保持在20%左右。保證汽車在制動過程中獲得最大的縱向附著系數(shù)，提高汽車的制動效能。同時也可在制動中保持較大的側(cè)向附著系數(shù)，防止汽車發(fā)生側(cè)滑或失去轉(zhuǎn)向能力，提高汽車制動時的方向穩(wěn)定性。

1.4 ABS系數(shù)的組成

1)傳感器。在各種控制方式的ABS中均有輪速傳感器，檢測車輪速度，并把輪速換成脈沖信號送至ABS ECU。車速傳感器又稱測速雷達(dá)，用在以車輪滑移率為控制參數(shù)的ABS中，它用來檢測車速，并向ABS ECU輸送車速信號。汽車減速度傳感器僅用在四輪驅(qū)動的控制系統(tǒng)中，它用來檢測汽車制動時的減速度，識別是否是在冰雪等易滑路面。2)ABS執(zhí)行機(jī)構(gòu)。ABS執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由制動壓力調(diào)節(jié)器和ABS警報燈組成。制動壓力調(diào)節(jié)器根據(jù)ABS ECU指令來調(diào)節(jié)各車輪制動器的制動壓力。不同制動系統(tǒng)的ABS所采用的制動壓力調(diào)節(jié)器也不同，可分為液壓式、氣壓式。在目前應(yīng)用廣泛的液壓制動系統(tǒng)中，制動壓力調(diào)節(jié)器的主要元件是電動泵和液壓控制閥。ABS報警燈的功用是在ABS出現(xiàn)故障時，由ABS ECU控制使ABS警報燈點亮，向駕駛員發(fā)出警報信號，并可由ABS ECU控制閃爍顯示故障碼。3)ABS ECU。ABS ECU接收傳感器信號，比較各輪速和汽車行駛速度，判斷各車輪的滑移情況后，向ABS執(zhí)行機(jī)構(gòu)下達(dá)指令來調(diào)節(jié)各車輪制動器的制動壓力。

2 ABS防抱死系統(tǒng)的液壓控制過程

制動壓力調(diào)節(jié)器的作用是接受ECU的指令，通過電磁閥的動作來自動調(diào)節(jié)車輪制動器的制動壓力。

2.1 結(jié)構(gòu)形式

液壓式制動壓力調(diào)節(jié)器主要由電磁閥、電動泵、儲液器、蓄能器等元件組成，它串接在制動主缸與制動輪缸之間。電磁閥有若干個，用來調(diào)控輸送至各制動輪缸的制動壓力，電磁閥有2位2通，2位3通，3位3通等結(jié)構(gòu)形式。電動泵分回液泵和液壓泵兩種。回液泵也稱作再循環(huán)泵，用于循環(huán)調(diào)壓式制動壓力調(diào)節(jié)器中，多采用柱塞泵，它受ECU的控制，由電動機(jī)驅(qū)動，其作用是在減壓過程中將從輪缸流出的制動液泵回制動主缸。而液壓泵則用于變?nèi)菡{(diào)壓式制動壓力調(diào)節(jié)器中，它也受ECU的控制，但它與循環(huán)調(diào)壓方式中的回液泵的作用有所不同，主要是用于在控制管路中建立控制油壓。蓄能器根據(jù)其儲存制動液的壓力范圍，分為高壓蓄能器和低壓蓄能器。高壓蓄能器用于儲存經(jīng)電動泵加壓后的高壓制動液，并向制動輪缸(循環(huán)調(diào)壓方式)或調(diào)壓缸(變?nèi)菡{(diào)壓方式)供給高壓制動液;而低壓蓄能器則用于接收和儲存回流的低壓制動液，并可衰減回流制動液的壓力波動。為了區(qū)別這兩種蓄能器，一般將高壓蓄能器簡稱為蓄能器或儲能器，而將低壓蓄能器稱為儲液器，儲液室或儲油箱等。

2.2 調(diào)壓方式

ABS的制動壓力調(diào)節(jié)器，可以采用循環(huán)調(diào)壓方式或變?nèi)菡{(diào)壓方式，進(jìn)行防抱死制動壓力調(diào)節(jié)。1)循環(huán)調(diào)壓方式是采用電磁閥來直接調(diào)節(jié)輪缸的制動壓力。它在制動主缸與輪缸之間串聯(lián)一個電磁閥，通過使制動輪缸中的制動液流回制動主缸或儲液器實現(xiàn)制動壓力的減少，又通過使制動主缸或供能裝置中的制動液流入制動輪缸實現(xiàn)制動壓力的增大。這種調(diào)壓方式也稱為流通調(diào)壓方式。2)變?nèi)菡{(diào)壓方式是通過電磁閥的控制來間接調(diào)節(jié)輪缸的制動壓力。它是在汽車原有制動管路上增加一套液壓控制裝置，并將制動輪缸與制動主缸隔離，通過控制制動管路中容積的增減，來控制輪缸中制動壓力的變化。如美國德爾科公司生產(chǎn)的ABSUI防抱死制動系統(tǒng)，就采用了變?nèi)菡{(diào)壓方式的制動壓力調(diào)節(jié)器。

2.3 工程過程

在汽車制動時，通過制動壓力調(diào)節(jié)器所形成的制動工況包括正常工況(制動無抱死工況)、防止車輪抱死時的制動壓力保持工況、減壓工況及加壓工況4種。現(xiàn)以如圖1所示的ABS系統(tǒng)為例，對這些工況加以具體介紹。圖1中給出的是ABS系統(tǒng)的液壓控制回路。其制動壓力調(diào)節(jié)器采用循環(huán)調(diào)壓方式，對應(yīng)每一個控制通道都設(shè)置了1個3位3通電磁閥。該系統(tǒng)共有3個控制通道，因而有3個3位3通電磁閥。ECU按控制電流的大小分3種電流向每個電磁閥通電，可使每個電磁閥有3種工作位置，從而在制動主缸、制動輪缸和回油管路之間建立起液壓聯(lián)系，并使ABS系統(tǒng)實現(xiàn)壓力升高、壓力保持和壓力降低的調(diào)節(jié)。

圖1 ABS系統(tǒng)示意圖

1)正常工況。在正常工況時車輪均未抱死，ABS不介入制動壓力調(diào)控，ECU不向各個3位3通電磁閥的電磁線圈供電，這時電磁閥的柱塞僅在回位彈簧預(yù)緊力的作用下向下運(yùn)動而處在最下端位置，使端口B關(guān)閉，端口A開啟。當(dāng)踩下制動踏板時，從主缸來的制動液從A端口流向C端口，送往制動輪缸(車輪油缸)，實施制動。這種制動主缸與各制動輪缸相通，各輪缸的制動壓力隨主缸制動壓力的上升而上升，同時利用第1檢驗閥(單向閥)將通向回液泵的油路切斷。當(dāng)制動踏板松開時，制動輪缸的制動液流經(jīng)C，A端口及第3檢驗閥(旁通閥，也是一個回液單向閥)，回到制動主缸。2)保壓工況。當(dāng)進(jìn)行緊急制動，ABS的ECU判定某個或某幾個車輪正趨于抱死時，系統(tǒng)就進(jìn)入防抱制動控制。防抱制動循環(huán)首先進(jìn)入保壓工況，以使車輪充分地進(jìn)行制動。此時ECU向電磁閥通以較小的控制電流(一般為2 A～2.5 A，約為最大控制電流的半值)，柱塞在一定電磁力的作用下克服回位彈簧的彈力向上運(yùn)動，當(dāng)運(yùn)行到電磁力與彈簧彈力相平衡的中間位置時停止運(yùn)動，使A端口和B端口均關(guān)閉，此時第3檢驗閥已關(guān)閉，即C端口也被關(guān)閉，主缸、輪缸與回油管路之間的油路相互隔斷，因而車輪油缸內(nèi)的壓力保持不變。3)減壓工況。在保壓工況后，車輪會進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)域，防抱制動循環(huán)就過渡到減壓工況。這時ECU向電磁閥通以最大控制電流(一般為5 A～5.5 A)，柱塞在較大電磁力作用下，進(jìn)一步克服彈簧彈力向上運(yùn)動而上升到最高位置，A端口繼續(xù)關(guān)閉，而將B端口打開與C端口相通，使車輪油輪中的制動液從C端口流經(jīng)B端口回到儲油箱。同時，ECU向回液泵電機(jī)發(fā)出通電信號，油泵開始工作，把儲油箱中的液壓油泵出，形成比制動主缸內(nèi)的壓力要高的油壓，該油壓把第1檢驗閥(單向閥)向上頂起而回流到制動主缸內(nèi)。這樣車輪油缸內(nèi)的制動壓力迅速下降，避免了車輪抱死的危險。4)加壓工況。當(dāng)車輪抱死解除時，防抱制動循環(huán)就過渡到加壓工況。這時ECU停止向電磁閥通電，3位3通閥的工作狀態(tài)又恢復(fù)到與正常工況時相同，而把制動主缸內(nèi)的油壓傳遞到制動輪缸。由保壓—減壓—加壓形成的防抱制動循環(huán)工況是在瞬間完成的，其循環(huán)動作的頻率可達(dá)到3次/s～20次/s，從而可保證每個車輪都不會發(fā)生制動抱死，并將車輪的滑移率控制在最佳范圍內(nèi)。這種防抱調(diào)節(jié)一直持續(xù)到車速降至很低，或者車輪不再趨于抱死時為止。

2.4 ABS系統(tǒng)的其他相關(guān)元件

不同的ABS系統(tǒng)，所采用的液壓、電氣元件的種類及其結(jié)構(gòu)會有所差異，以下對ABS系統(tǒng)中常用到的這類元件做一簡介。

1)制動液液面高度傳感器。它一般裝在制動主缸的儲液器內(nèi)，用于監(jiān)測制動液的液位高低。2)旁通閥。它是一個單向閥，當(dāng)解除制動時，輪缸內(nèi)的制動液通過它返回制動主缸，而使輪缸中的制動壓力迅速降低。3)壓力開關(guān)(或壓力傳感器)。裝在蓄能器上，用于檢測內(nèi)部制動液壓力的大小，向ECU提供制動液壓力信號，ECU以此控制電動泵工作。4)減壓閥(安全閥)。當(dāng)蓄能器內(nèi)的液壓超過規(guī)定值時，一部分制動液通過減壓閥返回到制動主缸，以保持系統(tǒng)制動壓力的穩(wěn)定。5)比例調(diào)節(jié)閥。串聯(lián)裝在通向后輪的液壓制動管路中，用來限制后輪缸制動壓力的增長。這是由于在制動時，車輛因慣性發(fā)生軸荷轉(zhuǎn)移，后輪上的垂直載荷減小，后輪缸只需要較低的制動壓力，而與后輪的附著力相適應(yīng)。

3 結(jié)語

提高汽車的制動性能越來越重要，而且控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜，越來越人性化，正向綜合系統(tǒng)化方向發(fā)展。汽車的制動性能與汽車本身的設(shè)計要求和使用條件有著緊密的聯(lián)系，我相信隨著科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展和廣大的汽車技術(shù)人員不斷的挖掘，把提高汽車的安全性作為更長期的目標(biāo)。我們相信隨著科學(xué)和社會的不斷進(jìn)步，我們的汽車技術(shù)一定會飛黃騰達(dá)，成為帶領(lǐng)社會發(fā)展的領(lǐng)頭羊，必將有一個更遠(yuǎn)更好更高的發(fā)展。

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