3.3.1 防抱死制動系統（ABS）理論基礎

在一些特定的駕駛工況下，如在潮濕或者光滑路面上制動時，可能會產生車輪抱死，車輛失去轉向能力或者發生側滑和甩尾。ABS可以通過分析輪速傳感器的轉速提前識別車輪將要抱死的趨勢，并通過對單個或者多個車輪的制動壓力進行保持或者降低來避免車輪的抱死，從而保證車輛的轉向能力和制動安全性。

ABS的功能是將車輛制動過程中的車輪滑移率控制在目標滑移率附近，從而充分利用車輪與路面間的摩擦作用力，在減小制動距離和提高制動效能的同時保證車輛制動過程的穩定性和可轉向性能。ABS的組成如圖3-10所示。

ABS得到應用以來，車輛在任何路面緊急制動時，只需大力踩制動踏板，并通過轉向操縱控制好行駛方向，對普通駕駛人來說緊急制動也變得容易又安全。一般情況下，配備ABS系統的車輛的制動距離比未配備ABS系統的車輛約可縮短10%，特殊情況下制動距離可能稍有延長，但有利于車輛的制動穩定性和可操縱性。從功能角度來說，在物理學極限范圍內對ABS提出如下基本要求：

1）制動穩定性。車輛在任何路面條件下緊急制動時，制動壓力上升到車輪抱死壓力后，壓力調節裝置應保證制動滑移率在合理范圍內變化，避免車輪抱死，以免車輛發生繞重心的回轉運動（甩尾）。

2）轉向可操縱性。車輛在不同附著系數路面上制動時應保證車輛可轉向操縱，即盡管制動踏板被踩到底，車輛應仍可以轉彎或避開障礙物。

3）優化制動距離。ABS應能夠快速響應并適應路面特性的變化，使輪胎和路面之間的附著系數得到最大程度的利用，在物理學極限范圍內，制動距離除少數特殊工況外應比未配備ABS的車輛短，如在濕滑路面上由于地面制動力需要不斷適應輪胎與路面間的附著力，制動壓力被調節處于較低水平而使制動距離比附著條件良好的路面稍有延長，在高速彎道ABS制動工況下，地面制動力也需要適當減小，以保證過彎所需的足夠側向力，制動距離也稍有延長。

1.ABS控制器硬件結構與液壓原理

ABS控制器各供應商采用的結構設計及生產工藝各不相同，但總體構造是相同的，通常由液壓控制單元（HCU）和電子控制單元（ECU）組成。其中液壓控制單元由8個電磁閥（對于液壓雙回路4通道控制的ABS，每個車輪制動器受一對電磁閥即進液閥/出液閥控制）、鋁合金閥體、柱塞泵和直流電機組成。圖3-11所示為ABS控制器總成示意圖。

HCU是ABS液壓調節的執行機構，最大工作壓力通常定義為25MPa，通過制動硬管與制動主缸和4個車輪制動器輪缸連接。集成在HCU上的雙回路液壓柱塞泵由采用偏心軸設計的直流電機驅動，如圖3-12所示。

柱塞泵的結構和工作原理如圖3-13所示。柱塞泵主要由驅動柱塞泵運動的活塞、進液閥、出液閥和壓縮腔組成。當電機驅動偏心軸運動到使活塞桿向伸張方向運動時，壓縮腔容積增大，壓力降低，此時柱塞泵的進液閥打開，出液閥由于制動主缸壓力大于壓縮腔壓力處于關閉狀態，制動液從低壓蓄能器流入壓縮腔，此時柱塞泵進行進液循環。當電機驅動偏心軸運動到使活塞桿向壓縮方向運動時，壓縮腔容積減小，壓力升高，此時柱塞泵的壓縮腔壓力大于低壓蓄能器壓力，進液閥關閉，出液閥由于壓縮腔壓力大于制動主缸壓力處于開啟狀態，制動液從壓縮腔流入制動主缸，此時柱塞泵進行出液循環。

如圖3-13所示，柱塞泵的工作行程h等于直流電機偏心軸偏心距e的2倍。過大的偏心距會導致柱塞泵在工作過程中振幅增大，噪聲增大；而過小的偏心距在相同的液壓流量下，要求的電機轉速較高，從而會使電機在工作過程中產生高頻振動噪聲。所以電機偏心軸偏心距的大小要根據電機功率和液壓流量要求進行匹配。

集成在HCU閥體內的電磁閥通過線圈與ECU耦合。每個控制通道布置一對電磁閥，包括一個帶單向閥的進液閥和一個出液閥。進液閥在靜止時處于打開狀態，因此也稱為常開閥；出液閥在靜止時處于關閉狀態，因此也稱為常閉閥，如圖3-14所示。

圖3-15所示為制動系統采用X對角線型布置四輪獨立控制的ABS控制器液壓原理圖。

ABS調節過程的增壓—保壓—減壓階段根據ECU發出的脈沖寬度調制（PWM）控制信號打開或關閉進液閥或出液閥，實現輪缸制動壓力的脈動式調節。ABS壓力調節如圖3-16所示。

（1）增壓階段 ABS沒有主動建立制動壓力的能力，車輪只能靠駕駛人踩制動踏板通過制動主缸產生制動壓力。在ABS功能介入之前，進液閥保持開啟狀態，出液閥保持關閉狀態，制動主缸產生的制動壓力直接通過進液閥傳至輪缸，從而對車輪施加制動力。在ABS調節過程中，當輪速上升至超過最佳滑移率范圍時，ECU向電磁閥發送增壓指令的PWM信號，出液閥保持關閉，進液閥分多次短暫打開，使該輪制動壓力脈動式增加。

（2）保壓階段 隨制動踏板力增加，車輪的制動壓力增加，車輪轉速逐漸降低，當車輪出現抱死趨勢時，進液閥關閉，制動器制動壓力不再隨制動踏板力繼續增加。

（3）減壓階段 在保壓階段，如果輪速繼續下降，制動滑移率增加至超出ABS調節門限時，ABS進入減壓階段。ECU對電磁閥發出降壓指令，關閉進液閥，同時短暫打開出液閥以降低該輪制動壓力，并根據車輪角加速度和滑移率下降趨勢預測并控制出液閥打開時間，使制動壓力降低，直到該車輪又開始加速。如果車輪未能如期出現加速趨勢，則繼續控制在減壓階段，如從瀝青路面過渡到冰面的對接路面制動工況，路面附著系數出現由高到低的突變，則減壓時間一直持續到車輪開始加速為止。

上述三個階段的增壓—保壓—減壓過程在ABS調節過程中循環進行，每秒循環次數及循環順序由ABS供應商的控制策略和路面特性決定。

ECU是ABS的數據處理、計算和診斷機構，并作為通信接口通過CAN總線與其他控制器建立通信聯系實現數據共享。

ECU的工作溫度范圍通常為-40～120℃。由于ECU與HCU組成的ABS控制器通常以總成形式布置在發動機，內其安裝位置要求盡可能遠離發動機熱源，有風險時布置位置要求采用隔熱罩進行保護。

2.ABS系統擴展功能

當ABS被越來越多地裝備到車輛上時，ABS的高昂成本使開發者都在考慮基于ABS硬件系統是否可以為用戶帶來更多的附加價值，從而使ABS能夠得到更好的推廣。因此，一些基于ABS硬件系統的擴展功能被開發出來。

（1）擴展ABS

1）低速ABS。普通的ABS系統一般情況下在車速在8km/h以上時才會工作。低速ABS是ABS針對低速情況的再開發，可以使車輛的ABS系統在車速在5km/h以下時也能工作，不論前向行駛或者后向行駛都能保持車輛穩定性和轉向性。

2）越野模式ABS。越野模式ABS功能是越野模式功能的一部分。在越野模式下，ABS允許車輛有更大的車輪滑移率，甚至短時的抱死，從而在砂石或者松軟的路面上，在車輪前方和地面接觸部分形成制動楔形，以縮短制動距離，如圖3-17所示。

（2）電子制動力分配（EBD） 車輛在設計時，一般情況下前驅車輛前橋的載荷要大于后橋，并且在制動時后橋載荷會向前橋轉移，因此在制動時車輛的后輪很容易先于前輪抱死。車輛制動時后輪先于前輪抱死會導致車輛不穩定和不可控制。為了避免這種情況發生，在車輛發展的前期通過安裝機械式的制動比例閥來調節前后輪的制動力分配，但由于車輛在不同的載荷和駕駛工況下的制動力分配需求比較復雜，機械式的比例閥很難滿足所有制動工況下的制動力分配需求，并且裝備機械式比例閥的成本相對較高。

電子制動力分配（Electronic Brake force Distribution,EBD）是基于ABS控制器硬件的擴展功能，在制動時當后輪達到摩擦力的極限而前輪并沒有進入ABS調節，此時激活EBD功能，通過建立合理的制動壓力來避免后輪過度制動，并且根據道路的變化不斷對后輪制動力進行優化調整，從而保證制動系統既能發揮最大的制動效能，又能避免制動力過大導致后輪先于前輪抱死而發生側滑和甩尾。車輪的滑移率和ABS功能同樣通過輪速傳感器來確定。

（3）彎道制動控制（CBC） 彎道制動控制（Corner Brake Control, CBC）用于改善彎道制動的方向穩定性和轉向操縱能力。CBC利用如下物理特性，即車輛的瞬時行駛狀態決定了各個車輪特定的運動軌跡，該運動軌跡由輪速傳感器識別并通過降低制動壓力加以控制，以達到改善彎道行駛穩定性的目的。與車身電子穩定系統（ESP）不同的是，CBC需要駕駛人踩制動踏板，在尚未達到ABS介入門限前調節前輪或后輪制動壓力，使車輛保持在相應車道內行駛。

當車輛在彎道中由于強制動導致轉向不足時，CBC通過降低前輪的制動壓力來提高前軸的側向力傳遞能力，使車輛能保持在預定車道內。當車輛在彎道中由于強制動導致轉向過度時，CBC通過降低彎道內側的車輪制動壓力而產生內外制動力差來使車輛保持平衡。

（4）發動機阻力矩控制（DTC） 發動機阻力矩控制（Drag Torque Control, DTC）是ABS/TCS的功能擴展。該功能也集成在ABS/TCS的控制軟件中，僅通過CAN數據總線對發動機阻力矩進行控制。如果在低附著系數路面條件下行駛時突然松開加速踏板，或在發動機高轉速下減檔，將產生較大的發動機阻力矩，在不踩制動踏板的情況下也會對車輛產生制動作用，這種發動機制動作用會使驅動輪滑移率過高而導致車輛不穩定，在雨天或冰雪路面上行駛時，這種情況會經常發生。

DTC的作用是借助ABS輪速傳感器對車輪滑移率進行識別，并借助CAN數據總線自動降低發動機阻力矩，也可理解為輕微“給油”，達到降低滑移率的目的來保證車輛的行駛穩定性。

（5）緊急制動提示（EBW） EBW由ABS軟件根據車輛行駛數據（車速、加速度和時間）來識別緊急制動工況并發送觸發指令，在車輛緊急制動滿足一定條件時通過制動尾燈快閃，當制動強度降低直至車輛靜止后自動開啟危險報警閃光燈以警示后方車輛保持安全車距，當車輛重新加速達到一定加速度或起步超過一定車速（通常為10km/h）后解除。

緊急制動工況根據路面條件不同，識別方法也不同，高附著系數路面根據制動減速度大小及持續時間及當前車速識別，低附著系數路面根據ABS連續調節時間及當前車速識別。

（6）橫擺力矩調節（YMR） 車輛在兩側路面附著系數不同的路面上制動時，車輛會受到較大的橫擺力矩的影響，使得車輛發生側滑，對于安全行駛非常不利。橫擺力矩調節（Yaw Moment Reduction, YMR）通過傳感器檢測車輛橫擺程度或者通過對路面附著系數的判斷來確認車輛處于對開路面，當檢測到對開路面時，通過單獨控制高附著系數側車輪，使其制動力緩慢增加，給予駕駛人足夠的時間來修正車輛的行駛方向，從而提高車輛的穩定性。

YMR通過減緩制動壓力的增加來提高車輛的穩定性，同時也會導致車輛制動距離的增加。