ABS防抱死制动系统的现状与发展

ABS 防抱死制动系统的现状与发展

KIMI KANG

（南京农业大学工学院，车辆工程）

摘要：ABS 防锁死刹车系统是一种具有防滑、防锁死等优点的汽车安全控制系统。现代汽

车上大量安装防抱死制动系统，ABS 既有普通制动系统的制动功能，又能防止车轮

锁死，使汽车在制动状态下仍能转向，保证汽车的制动方向稳定性，防止产生侧滑

和跑偏，是目前汽车上较先进、制动效果较佳的制动装置。介绍了ABS 系统的基本

控制原理，发展历史，现状及发展趋势。

关键词：ABS ；滑移率；逻辑门限；路面识别

0引言

随着汽车工业 的飞速发展和道路交通设施的不断完善，汽车已逐渐成为人们的代步工具，人们在享受汽车带来舒适、便捷的同时，也对汽车行驶的安全性能提出了更高的要求，改善汽车的制动性能始终是汽车设计、制造部门的重要任务。制动性能是汽车主要的安全性能之一。评价一辆汽车的制动性能最基本的指标是制动加速度、制动距离、制动时间及制动时方向的稳定性。制动时方向的稳定性，是指汽车制动时仍能按指定的方向的轨迹行驶。如果因为汽车的紧急制动(尤其是高速行驶时)而使车轮完全抱死，那是非常危险的。若前轮抱死，将使汽车失去转向能力；若后轮抱死，将会出现甩尾或调头(跑偏、侧滑)，尤其在路面湿滑的情况下，对行车安全造成极大的危害。汽车防抱死制动系统(Anti —Lock Braking System)简称 ABS ，是一种机 电液一体化装置，它在传统制动系统的基础上，采用电子控制技术，以实现制动力的自动调节，防止制动车轮抱死，以期获得最有效的制动效果，并大大提高车辆主动安全性。ABS 能够利用轮胎和路面之间的峰值附着性能，提高汽车抗侧滑性能，充分发挥制动效能，同时增加汽车制动过程中的可控性，从而减少事故发生的可能性，是一种具有防滑、防锁死等优点的安全刹车控制系统 。

1 ABS 系统的基本原理

1.1车轮运动滑移率

车轮运动过程始终处于平动或滚动，以及平动与滚动相结合的状况。描述该状况的车轮运动参数为滑移率S 。其表达式为：

%100%100⨯⋅-=⨯-=a a a a V r V V V V S ωω （1）

式中：V a －车速（m/s ）;

V ω－车轮与地面接触点线速度（m/s ）;

r －车轮滚动半径；

ω－车轮角速度。

当V ω=V a 时，S=0，车轮在地面处于纯滚动状况；车辆制动当V ω=0时，

S=100%，车轮处于纯滑动（俗称车轮抱死）状况。显见，S 值的大小确定了车轮运动时滚动成分的比例。

1.2制动过程力学简析

如图1所示，按照汽车行驶理论分析：车轮制动时地面制动力、附着力以及附着系数之间的关系为：

ϕ

Z xb F F F =≤Φ （2）

式中：

F xb —地面制动力；

F ∅—附着力；

F Z —地面对车轮的法向反力； ∅—地面与车轮之间的附着系数；

显见，轮式车辆制动时车辆所获得的地面制动力的最大值为：

ϕz xb F F =max （3）

F xb 正变于∅值，而F xbmax 则只能出现于附着系数∅的峰值状态。

1.3滑移率与车辆制动系统效率之间的关系

φ值取决于车轮和地面状况以及二者之

间的运动状况，包括路面质量、干湿程度，以

及车轮轮胎类型、气压、载荷、花纹、磨损状

况和运动速度等因素。车辆在特定路面与车轮

状况下制动时，当φ出现峰值时才可能获得

由式（3）所确定的地面制动力最大值Fxbmax 。

车辆操纵稳定性则要求具备尽可能大的横向

附着系数，以保证正常行驶以及操纵性能。

如图2所示：假设车轮状况特定，则不论

在何种路面上制动，当S=100%时，车轮横向

与纵向附着系数并不处于峰值，从而不能获得地面制动力的最大值。而S=100%时横向附着系数等于零。

结论：欲获得较大的制动力，以及在制动过程中保持车辆的操纵性和稳定性，必须使附着系数φ值保持在特定的范围内。

图1制动车轮力学分析

图2 附着系数与滑移率的关系 -----横向附着系数 —— 纵向附着系数

2 ABS控制原理

2.1控制方法

目前绝大多数现代车辆所普遍采用的是逻辑门限控制方法。逻辑门限控制是指设定一个车辆状况参数的临界逻辑门限值作为控制系统阈值，作为控制系统运行的“门限”。当传感系统所监控的反映系统制动状况的某个参数超过阈值时，ECU发出指令，根据相应的逻辑对工作参数进行调节，使系统回复到“门限”所设定的特定状态。

2.1.1逻辑门限基本原理

ECU识别与监测的车辆状况控制参数可以是制动减速度或滑移率。通常在ECU中设定减速度值﹢a为基本控制阈值。当车辆减速度超过该阈值时系统发生减压、保压与增压三种逻辑控制动作。从理论上分析，车辆减速度始终在控制阈值设定的﹢a—﹣a“门限”之间变化，间接保证滑移率位于特定数值范围内。

车辆在行驶过程中各个车轮与地面的附着系数不尽相同，因此不能保证在任何情况下采用车轮减速度作为阈值进行控制，就一定能使车轮与地面的φ值处于峰值状况。比如：在路面状况湿滑时进行制动，当减速度达到阈值时，可能附着系数并不处于峰值附近，而系统已经开始实施控制，其结果必然无法获得较为理想的附着状态。显见，仅仅采用减速度作为控制阈值，在路面状况变化较大时滑移率控制结果的分布范围也相应加大。因此，现代车辆ABS系统中往往将减速度作为主控阈值，滑移率作为辅助控制阈值实施综合控制，直接识别滑移率，从而扩大系统的适应性与可靠性。

2.2.2参考车速的计算

根据式（1）确定滑移率必须首先确定参考车速Va，作为控制模型的基础参数。现代车辆ABS系统仅装备车轮转速传感器和加（减）速度传感器，无法直接测取车速。对于自动变速器系统而言，适时车速也是一个重要的传感信息。目前采用的方法是在大量实验数据处理的基础上，由ECU确定一个适时参考车速。

最大轮速法：将车轮转速传感器适时测得的车轮转速的最大值作为的基准，通过计算获得车轮与地面接触点的线速度作为整车的参考车速。该方法简单适用，不必要进行路面识别，缺点是精度不太理想，特别是当车辆处于ABS制动力调节时，其动态误差较大。原因在于当系统进行高选或低选原则控制时，由此而确定的参考车速并不代表控制车轮的实际运动状况。再加上受到轮胎气压以及路面附着系数的差异等因素的影响，由该方法确定参考车速误差分布进一步加大，在低速时尤为明显，试验数据表明，在45km/h时误差可达5%，直接影响控制精度。

减速度法是指：通过道路与台架试验确定各种运动状况下可能获得的制动减速度a的分布，然后在控制过程中采集初始车轮线速度Va0和时间参数t，根据