第4章汽车制动稳定性控制系统 汽车电子控制技术(第2版)凌永成 电子课件

汽车电子控制技术沈阳大学凌永成配套教材信息教材名称：汽车电子控制技术（第2版）教材主编：凌永成教材定价：40RMB出版社：北京大学出版社出版时间/版次：2011年7月第2版国际标准书号（ISBN）：978-7-301-19225-2教材所属系列：21世纪全国高等院校汽车类创新型应用人才培养规划教材第4章汽车制动稳定性控制系统教学提示：防抱死制动系统和牵引力控制系统能很好地提高汽车制动性能，已逐渐成为汽车的标准配置。融合ABS、TRC和EBD技术于一身的电子稳定程序——ESP技术的应用日益广泛。教学要求：本章主要介绍以ABS、TRC、ESP为代表的汽车制动稳定性控制系统。要求学生了解汽车制动稳定性控制系统在汽车上的应用情况和发展趋势，熟悉其基本组成和工作原理。4.1汽车防抱死制动系统在车辆制动时如果车轮抱死滑移，则车轮与路面间的侧向附着能力将完全丧失。防抱死制动系统（Anti-1ockBrakingSystem，ABS）的设计目的，就是在汽车制动过程中，不论道路情况如何，始终将车轮滑移率控制在20％左右，从而保证车辆能获得最佳的制动性能和转向操纵性能。4.1.1防抱死制动系统的功能和分类1.汽车制动时的车轮运动分析汽车在制动过程中，当制动器制动力大于轮胎-道路附着力时，车轮就会抱死滑移。只有汽车具有足够的制动器制动力，同时地面又能提供较大的附着力时，汽车才能获得良好的制动效果。轮胎滑移的程度用滑移率S来表示。车轮滑移率是指实际车速v与车轮速度vw之差同实际车速v的比值，其表达式为S=%1001%1001%100wwvrvvvvv式中，S为车轮滑移率；v为车速(车轮中心纵向速度，m/s)；vw为车轮速度(车轮瞬时圆周速度，vw=rw，m/s)；r为车轮半径(m)；w为车轮转动角速度(rad/s)。当v=vw时，滑移率S=0，车轮自由滚动；当vw=0时，滑移率S=100%，车轮完全抱死滑移；当v＞vw时，滑移率0＜S＜100%，车轮既滚动又滑移。滑移率越大，车轮滑移程度越大。图4-1附着系数与滑移率的关系(虚线与实线标注的上下顺序一一对应)φB—纵向附着系数；φS—横向附着系数；S—滑移率图4-2干燥硬实路面上附着系数与滑移率的关系φB—纵向附着系数；φS—横向附着系数；S—滑移率横向附着系数是研究汽车行驶稳定性的重要指标之一。横向附着系数越大，汽车制动时的方向稳定性和保持转向控制的能力越强。当滑移率为零时，横向附着系数最大；随着滑移率的增加，横向附着系数逐渐减小。当车轮抱死时，横向附着系数接近于零，汽车将失去方向稳定性和转向控制能力，其危害极大。如果前轮抱死，虽然汽车能沿直线向前行驶，但是失去转向控制能力。由于前轮维持转弯运动能力的横向附着力丧失，因此，汽车仍将按原行驶方向滑行，可能冲入其他车道与车辆相撞或冲出路面与障碍物相撞而发生恶性交通事故。（a）前轮防滑控制（b）后轮防滑控制有无ABS的比较（蓝车无ABS，灰车有ABS）如果后轮抱死，汽车的制动稳定性就会变差，抵抗横向外力的能力很弱，后轮稍有外力(如侧向风力或地面障碍物阻力)作用就会发生侧滑(甩尾)，甚至出现调头(即突然出现180°转弯)等危险现象，如图4-3（b）所示。（a）前轮防滑控制（b）后轮防滑控制有无ABS的比较（蓝车无ABS，灰车有ABS）综上所述，为了获得最佳制动效能和制动时的方向稳定性，应将车轮滑移率控制在最佳滑移率范围（20%左右）内。因此，通过采用ABS，使汽车在制动过程中自动调节车轮的制动力，防止车轮抱死滑移，从而缩短制动距离，提高方向稳定性，增强转向控制能力，减少交通事故的发生。2.防抱死制动系统的作用防抱死制动系统能防止汽车在常规制动过程中由于车轮完全抱死而出现的后轴侧滑、前轮丧失转向能力等现象，从而充分发挥轮胎与路面间的潜在附着力，最大限度地改善汽车的制动性能，以提高汽车在制动过程中的方向稳定性和转向操纵能力，从而满足行车安全的需要。ABS的作用目前欧、美、日、韩等国家和地区的汽车使用最多的ABS的品牌有德国的博世（Bosch）、德国戴维斯公司的坦孚（TEVES），另外还有美国德尔科公司（Delco）、美国本迪克斯公司（BENDIX）等。3.ABS的控制方式分类1）四通道控制方式为了对四个车轮的制动压力进行独立控制，在每个车轮上各安装一个转速传感器，并在通往各制动轮缸的制动管路中各设置一个制动压力调节分装置（通道）。对应于双制动管路的H型（前后）或X型（对角）两种布置形式，四通道ABS也有两种布置形式，如图4-5所示。使用四通道控制方式的常见车型有：奥迪（前轮驱动）、红旗轿车、广州本田（X型）。（a）前后布置（b）对角线布置图4-5四通道控制方式2）三通道控制方式四轮ABS大多为三通道系统，而三通道系统都是对两前轮的制动压力进行单独控制，对两后轮的制动压力按低选原则一同控制。使用三通道控制方式的常见车型有：桑塔纳2000GSi、北京切诺基等。图4-6三通道控制方式（a）四传感器对角线布置（b）四传感器前后布置（c）三传感器前后布置3）双通道控制方式（a）前后布置（b）对角线布置图4-7双通道控制方式由于双通道ABS难以在方向稳定性、转向操纵能力和制动距离等方面得到兼顾，所以目前很少被采用。4）单通道控制方式单通道ABS一般对两后轮按低选原则一同控制，其主要作用是提高汽车制动时的方向稳定性。单通道ABS具有结构简单、成本低的优点，因此在轻型货车上得到广泛应用。单通道控制方式4.1.2防抱死制动系统的组成图4-9典型的汽车ABS系统组成1-前轮转速传感器；2-制动压力调节器；3-ABS电控单元；4-ABS警告灯；5-后轮转速传感器；6-制动灯开关；7-制动主缸；8-比例分配阀；9-制动轮缸；10-蓄电池；11-点火开关1.车轮转速传感器1）电磁式车轮转速传感器目前大多数车轮转速传感器都采用电磁式转速传感器。车轮转速传感器由电磁感应传感头和信号转子两部分组成。电磁式车轮转速传感器外形图电磁感应传感头用来产生感应电压，通常由永久磁铁、电磁线圈和极轴等构成，根据极轴的结构不同，又可分为凿式极轴传感头、柱式极轴传感头两种，如图4-11所示。（a）凿式极轴传感头（b）柱式极轴传感头图4-11电磁式车轮转速传感器结构图1—电缆；2—永久磁铁；3—外壳；4—感应线圈；5—极轴；6—信号转子（齿圈）车轮转速传感器的传感头一般安装在车轮附近上，如制动底板、转向节、半轴套管等处（图4-12）。信号转子是一个齿圈，齿数多少与车型、ABSECU有关，一般安装在随车轮一起转动的部件上，如轮毂、半轴、制动盘等处。（a）前轮（b）后轮图4-12车轮转速传感器的安装位置1-制动盘；2、5-传感器；3-齿圈；4—传感器安装支架车轮转速传感器产生的信号如图4-13所示。当车轮转速较高时，感应电压的频率和波幅均较大；反之，感应电压的频率和波幅均较小。图4-13电磁式车轮转速传感器输出的电压信号电磁式车轮转速传感器结构简单，成本低，但存在以下缺点：当车速很低时，传感器输出的电压信号较弱；传感器频率响应较低，当车速过高时，传感器的频率响应跟不上，容易产生错误信号；传感器的抗电磁干扰能力较差。2）霍尔式车轮转速传感器霍尔式车轮转速传感器根据霍尔效应原理产生与车轮转速相对应的电压脉冲信号。霍尔车轮转速传感器也是由传感头和齿圈组成。传感头由永久磁体、霍尔元件和电子电路等组成，如图4-14所示。（a）霍尔元件磁场较弱（b）霍尔元件磁场较强图4-14霍尔式车轮转速传感器1—霍尔元件；2—永久磁铁；3-齿圈图4-15霍尔式车轮转速传感器电压波形霍尔车轮转速传感器具有以下优点：输出信号电压幅值不受转速的影响；频率响应高，其响应频率高达20kHz，相当于车速为1000km／h时所检测的信号频率；抗电磁干扰能力强。霍尔元件输出的是毫伏级的准正弦波电压，通过电子电路转换成标准的脉冲电压输出信号，电压幅值为7V～14V，如图4-15所示。2.制动压力调节器制动压力调节器又称为ABS压力控制器，是ABS系统的执行机构，其功用是接受ECU的指令，通过电磁阀的动作控制车轮制动轮缸的制动压力，通常主要由电动液压泵、液压控制单元（包括储能器和电磁阀）等构成，如图4-16所示。图4-16制动压力调节器1-继电器盒；2-接ABS电控单元；3-液压泵电动机4-液压泵总成；5-液压控制单元（包括储能器和电磁阀）；6、7-制动液油管1）电动液压泵在ABS运行时，电动液压泵根据ECU的信号确定是否工作，从而起到循环控制制动液油压或迅速建立制动液油压的作用。它可在汽车起动1min内将制动液压力提高到14～22MPa。图4-17柱塞式电动液压泵1-控制开关；2-警告开关；3-限压阀；4-出油口；5-单向阀；6-滤芯；7-进油口；8-电动机2）储能器（蓄压器）储能器的结构形式多种多样。活塞-弹簧式储能器一般位于电磁阀与回油泵之间，由轮缸来的液压油进入储能器，进而压缩弹簧使储能器液压腔容积变大，以暂时储存制动液。气囊式蓄压器内则充满了高压氮气，可使制动液的压力保持在14～18MPa范围内。为了安全起见，近年来生产的部分车型中，已经取消了蓄压器。气囊式蓄压器1-电动泵；2-回转球阀式活塞泵；3-单向阀；4-限压阀；5-蓄压器；6-压力开关3）电磁阀ABS系统中通常有4～8个电磁阀，分别对应控制前后轮的制动。常用的电磁阀有三位三通电磁阀和二位二通电磁阀等多种形式。（a）电流为0（b）电流小（c）电流大图4-19三位三通电磁阀的动作1-线圈；2-固定铁芯；3-电流；4-通主缸；5-通储液器；6-通轮缸；7-衔铁3.ABSECU根据来自轮速传感器的信号，ABSECU测量车轮转速和车速，发出相应的控制指令。早期生产的ABS系统，其ABSECU与制动压力调节器多采用分体式安装，但接线较多。得益于ABSECU体积的日益小型化，且出于散热和减少接线的考虑，现在生产的ABS系统，其ABSECU与制动压力调节器多采用整体式安装，即ABSECU与制动压力调节器直接安装到一起，成为一个总成。4.1.3丰田循环式防抱死制动系统1.丰田循环式ABS系统的部件图4-21雷克萨斯LS400轿车的ABS部件1）轮速传感器2）ABS执行器LS400轿车的ABS执行器3）ABS系统管路ABS系统管路示意图2.丰田循环式ABS系统的工作过程1）常规制动（ABS不工作）图4-24正常制动时（ABS不工作）油路2）紧急制动（ABS工作）①“压力降低”模式。图4-25ABS系统“压力降低”模式②“保持”模式。图4-26ABS系统“保持”模式③“压力提高”模式。图4-27ABS系统“压力提高”模式3.丰田循环式ABSECU的功能图4-28ABSECU系统控制电路图1）车轮转速控制功能2）继电器的控制功能电磁线圈继电器控制功能。当满足下列条件时，ECU接通电磁线圈继电器。①点火开关接通。②初始检查功能完成，这一功能在点火开关接通后立即执行。③诊断中未发现故障（故障代码37除外）。如果上述条件中有任何一项不满足，ECU就断开电磁线圈继电器。执行器泵电动机继电器控制功能。当满足下列条件时，ECU接通电动机继电器。①在ABS运作中或初始检查中。②当电磁线圈继电器接通时。如果上述条件中有任何一项不满足，ECU就断开电动机继电器。3）初始检查功能ABSECU依次操纵三位三通电磁阀和执行器泵的电动机，分别检查每个电器系统的工作情况，如图4-29所示。图4-29ECU初始检查过程当车辆关断制动灯，以大于6km／h的车速行驶时，执行这一功能。这一功能仅在每次点火开关接通时执行一次。4）诊断功能图4-30警告灯5）传感器检查功能6）失效保护功能4.2汽车牵引力控制系统4.2.1牵引力控制系统概述1.汽车牵引力控制系统的作用汽车牵引力控制系统（TractioncontrolSystem，TRC。也可略作TCS）是继防抱死制动系统之后应用于车轮防滑的电子控制系统，其功用是防止汽车在起步、加速时和在滑溜路面行驶时的驱动轮滑转。故有些汽车公司也将该