一、基本概念

1、什么是ABS：ABS是英文防抱死制动系统Antilock Braking System或者Antiskid Braking System的缩写。该系统在汽车制动过程中可自动调节车轮制动力，防止车轮抱死以取得最佳制动效果。

为了使汽车在行驶过程中以适当的减速度降低车速直至停车，保证行驶的安全，汽车上均装有行车制动器。汽车的事故往往与制动距离过长、紧急制动时发生侧滑等情况有关，故汽车的制动性能是汽车安全行驶的重要保障。一辆汽车的制动性能，主要从以下三个方面评价：

① 制动效能：即制动距离与制动减速度

② 制动效能的恒定性：即抗热衰退或抗水衰退的性能

③ 制动时汽车方向的稳定性：即制动时汽车不能跑偏、侧滑及失去转向性能的能力

汽车的制动性能是汽车迅速降低车速直至停车的能力，它是制动性能最基本的评价指标。这个指标即是制动距离和制动减速度。

制动距离是指在一定车速下，汽车从驾驶员踩下制动踏板开始到停车为止所驶过的距离，它与制动踏板力及路面附着条件有关。

制动减速度常指制动过程中的最大减速度，它反映了地面制动力，因此它与制动器制动力（车轮滚动时）及道路-轮胎附着力（车轮抱死拖滑时）有关。

汽车制动效能的恒定性主要是抗热衰退性能。抗热衰退性能是指汽车在高速行驶或在下长坡连续制动时制动效能保持的程度。因为制动过程实际上是把汽车行驶的动能通过制动器吸收转换为热能，而在制动器温度升高后，能否保持在冷状态时的制动效能已成为设计制动器时要考虑的一个重要问题。此外，涉水行驶时制动器还存在水衰退问题，制动器浸水后仍应保持其制动效能。

制动时汽车方向的稳定性是指汽车在制动过程中维持直线行驶或预定的弯道行驶能力。制动时汽车自动向左向右偏驶称为制动跑偏。侧滑是指制动时汽车的某一轴或两轴发生横向移动。失去转向能力是指弯道制动时，汽车不再按原来弯道行驶而沿弯道切线方向驶出和直线行驶制动时转动方向盘汽车仍按直线方向行驶的现象。制动跑偏、侧滑和失去转向能力是造成交通事故的重要原因。

因此，我们通常所说的汽车制动性能好是指其制距离短、制动减速度大、抗热衰退、水衰退性能好，且在制动过程中不发生跑偏、侧滑以及不失去转向能力。

在ABS出现之前，汽车所用的都是开环制动系统，其特点是制动器制动力矩的大小仅与驾驶员的操纵力、制动力的分配调节，以及制动器的尺寸和型式有关。由于没有车轮运动状态的反馈信号，无法测知制动过程中车轮的运动状态，因此也就不能据此调节轮缸的气室制动压力的大小。这样在紧急制动时，不可避免的出现车轮在地面上抱死拖滑的现象。当车轮抱死时，地面的侧向附着性很差，所能提供的侧向附着力很小，在汽车受到只要很小的种种干扰外力作用下就会出现方向失稳问题，容易发生交通事故。在潮湿路面或冰雪路面上制动时，这种失稳现象更经常发生。

人们对汽车制动时方向失稳现象及其产生原因的认识是逐步加深的。在路面车辆诞生初期，汽车前轮上几乎不装制动器，仅只安装在后轮上。一方面的原因是车行驶速度低，但主要原因是为了怕前轮因制动失去转向能力。其间虽然注意到后轮抱死有时会造成汽车绕前轴转动，但总以为要比前轮丧失转向能力要好。随着汽车质量（载荷）和车速的增大，仅靠后轮制动不足以获得足够的制动力，才导致在前轮上安装制动器。但仅仅是作为后轮制动的补充，且不允许前轮先于后轮抱死。后来，人们又认识到应根据静态轴荷的分配比例来分配前后轮的制动力。逐渐又认识到制动时轴荷的动态转移，前轮要增重，后轮要减重。后轮先抱死更容易造成汽车特别是铰接汽车（如半挂拖车机组）的方向失控。从而着手开始研制能限制后轮制动力矩的装置。由此诞生了限压阀、比例阀、惯性阀、感载比例阀等。这些前后制动力分配和调解装置已广泛应用于各种汽车的制动管路中，几乎所有的铰接汽车都装有这类装置。

随着前后轮制动力分配装置技术的发展，为提高路面车辆制动性能的其他技术也在发展。例如汽车的液压制动技术、钳盘式制动技术、双管路制动系统、真空伺服制动装置等技术都得到了应用和推广。

然而这些技术的应用，并不能完全解决车轮制动时的抱死问题。这是因为这些技术通通是开环制动系统，无法感知制动车轮的运动状况，轮缸或气室的压力不能根据需要相应地调节，制动轮得不到相应的控制。制动时的方向失稳仍未得到根本改善。

ABS装置的基本功能就是可感知制动轮每一瞬间的运动状态，并根据其运动状态相应地调节制动器制动力的大小，避免车轮抱死，因而是一个闭环制动系统。它是电子控制技术在汽车上最有突出成就的一项应用。可使得汽车在制动时维持方向稳定性和缩短制动距离，有效提地高了行车的安全性。

2、制动时车轮受力：

汽车在制动过程中，车轮在路面上是边流边滑的过程：车轮未制动时，可以认为车轮是纯滚动状态。当车轮抱死时，车轮在路面上的运动处于纯滑动状态。为了定量描述车轮的运动关态，引入车轮滑移率S这一参数，用来表明车轮滑动成分的多少。滑移率S的定义为

Uw-Rro x Ww

S= ________________x100％

Uw

式中 Uw___车轮中心的速度即汽车车身的速度

Rro ___车轮的动力半径

Ww___车轮的角速度

在纯滚动时，滑移率S=0，在抱死纯拖滑时s=100％，边滚边滑时0
通常，汽车在制动过程中存在着两种阻力：一种阻力是制动时摩擦片与制动鼓（盘）之间产生的摩擦力，这种阻力称为制动系统的阻力。因为它提供了制动力，因此也称为制动系制动力。另一种阻力是轮胎与道路表面之间产生的摩擦阻力，也称为轮胎—道路附着力。

这两种力之间存在着以下关系：制动系制动力小于轮胎—道路附着力，则汽车制动时会保持稳定状态；若制动系制动力大于轮胎—道路附着力，则制动时会出现车轮抱死和滑移。

如果前轮抱死，汽车基本上沿直线向前行驶，汽车处于稳定状态，但汽车失去转向控制能力，这样驾驶员在制动过程中躲避障碍物、行人及弯道上必要的转向操纵等就无法实现；如果后轮抱死，汽车的制动稳定性变差，在很小的侧向干扰力下，汽车就会发生甩尾，甚至调头等危险现象。尤其是在某些恶劣路况（湿滑或冰雪）下，将难以保证行车安全。另外，由于制动时车轮抱死，从而导致轮胎局部摩损，大大降低使用寿命。

ABS通过控制作用于车轮制动分泵上的制动管路压力，使汽车在紧急制动下车轮不会抱死，就能保持较好的方向稳定性。ABS能自动向液压调节器发出控制指令，因而能够更迅速、准确而有效地控制制动。ABS能在制动过程中防止车轮抱死，在正常条件下，驾驶员可以像没有装备ABS那样进行常规操作。但在湿滑路面上或者是紧急制动时，由于驾驶员的常规操作会使车轮抱死，ABS就自动接替常规制动，此时制动管路压力不受踏板力大小影响，而由ABS控制调节制动力。

汽车只有受到与行驶方向相反的外力时，才能受到制动从而速度逐渐降低直至停车。这个外力只能由空气和地面提供，空气阻力相对较小，一般情况下不予考虑，所以实际上外力是由地面提供的，我们称之为地面制动力。地面制动力取决于两摩擦付的摩擦力：制动器制动力和轮胎—道路附着力。制动器制动力仅由制动器结构参数所决定，即取决于制动器的型式、结构尺寸、摩擦付的摩擦系数以及车轮半径，并与制动踏板力，即制动时液压或空气压力成正比。汽车的地面制动力首先取决于制动器制动力，但同时又受地面附着条件的限制，所以只有具有足够的制动器制动力，同时地面又能提供高的轮胎—道路附着力时，才能获得足够的地面制动力。

3、轮胎特性和路面附着性能：

轮胎特性在汽车的制动和转向的过程中起着非常重要的作用，制动力（纵向力）和转向力（侧向力）都必须通过和道路的小小的轮胎接地面来产生，只有当车轮滚动的圆周速度与汽车相对于道路表面的速度之间存在着差异时才会产生。车轮的滚动圆周速度与汽车行驶速度的差异包括强性轮胎的变形和胎面的滑移，只有当滑移率为100％时，制动力才完全由车轮胎面在路面上的滑移来产生。对装备有ABS系统的汽车而言，轮胎的性能是非常关键的。ABS控制系统必须使滑移率限制在稳定区域内以防车轮抱死，大多数防抱死系统采用特定的车轮角速度临界值进行控制，超过个临界值后，该系统便自动减小制动扭矩，以防止车轮抱死。因此轮胎附着力达到最大值时的车轮角减速度和车轮达到抱死状态所需的时间是二个重要的参数。为了防止车轮抱死，防抱控制系统响应时间必须短于车轮抱死时间。

为了保证制动时的方向稳定性，在制动附着系数中必须考虑车轮侧向力，只有当车轮有部份侧向滑移时才会产生侧向力，也即在轮胎接地中心的运动方向与车轮平面角间存在侧偏角，某些工作参数诸如充气压力、外倾角、载荷等都会影响侧向力。

尽管以上讨论的轮胎特性是最基本的，但它们已能清楚地表明轮胎纵向力和侧向力之间的复杂关系，为了保证装备了ABS系统的汽车有最短的制动距离、方向稳定性以及其转向制动时的稳定性，其性能要求必须以所使用的轮胎特性为基础。

通过大量的路面试验和实验室台架测试，到目前为止基本搞清楚了影响纵向附着系数和侧向附着系数诸多因素。这些因素可归纳四大类：路面因素、轮胎因素、汽车因素和制动工况因素。

路面因素：路面基础、路面材料、路面宏观不平度、路面微观粗糙度、路表面的覆盖物（灰尘、油污、水、雪、冰等）路面横向坡度、路面曲率等。当汽车行驶时这些因素随时在改变。

轮胎因素：轮胎的尺寸及其比例、帘布层结构、轮胎的径向、切向、侧向刚度、胎压、胎面花纹及其摩损程度、轮胎类型（四季型、夏季型、冬季型）等。对于给定的轮胎，在制动过程中可以认为这些因素保持不变。

汽车因素：整车质量、悬挂质量、整车质心位置、轴距、前、后轮距、每个车轮的动态负荷、车身绕其质心的转动惯量、各个车轮的转动惯量、转换到驱动轮上的转动惯量、车轮外倾角、悬挂装置的类型和性能、转向系统的类型和性能、制动系统的类型和性能等。在制动过程中，这些参数有的保持不变，如车轮的转动惯量。有些随时间而变，如作用在各车轮上的动载荷。有些参数在一定条件下是变化的，如悬挂质量。有些参数改变甚微，可看作是不变的，如轴距等。

制动工况因素：车速、制动踏板动作速度、车辆行驶路迹、风速及其作用方向、侧向力和制动器的湿度等。所有这些参数在制动全过程中都随时改变。

车速对纵向和侧向峰值附着力有较大的影响。车速增大，峰值附着力变小。在较滑的路面上，车速的影响尤其明显。在湿滑路面上，当车速超过某一数值后，车轮和路面已不能产生纵向附着力和侧向附着力，即出现滑水现象。

随着轮胎气压的降低，纵向附着力增大，当作用在轮胎上的垂直载荷较大时，胎压的效果明显。这是因为载荷大，轮胎径向变形大、轮胎与路面的接触面积增大，因而所提供的纵向附着力增大了。而胎压对侧向附着力的影响取决于作用在车轮上的垂直载荷。当作用在车轮上垂直载荷为30KN时，胎压低时侧向力有所减少，当作用在车轮上的垂直载荷为10KN时，胎压低一些，侧向力反而有所增加，在小侧偏角下，胎压的影响可忽略不计。

当胎面花纹高度为新胎面花纹高度的95％时，所能提供的侧向附着力较小，而当胎面花纹高度摩损后，只有新胎面花纹的30％时，所能提供的侧向力较大。这说明胎面花纹摩损越严重，轮胎的倾向附着能力越强。这是因为胎面胶层有侧向弹性，胎面胶层越厚越软，胎面“骨架”(缓冲层)与地面之间的相对扭曲就越容易，轮胎的侧偏刚性越差。因而在相同的侧偏角下，所能提供的侧向力就越小，与此相反的是，胎面摩损越严重，胎面花纹对路面的抓着能力就越低，纵向附着能力就越小。对于子午线轮胎来说，驱动力和制动力对侧向力的关系是对称的。当轮胎结构为斜交时，驱动力和制动力相对于侧向力不对称。当纵向力为制动力时，和驱动力相比较，在相同的侧偏角下，路面所能提供的侧向附着力较大。

二、ABS的工作原理：

ABS系统根据车轮转动情况，随时调整制动力，来防止车轮抱死。汽车制动时，装在汽车各车轮轴侧的轮速传感器产生交变的电流信号，其频率随着车轮转动的角速度的增加而升高，以此来检测车轮速度的任何瞬间的变化，并不断地向电子控制单元输入这些轮速信号。电子控制单元则不断地监视这些信号，并与预先储存的信息相比较。如果信号的频率急剧下降，表明该车轮即将抱死，电子控制单元则指示执行器降低该车轮制动分泵的制动液压。当传感器的信号表明车轮又正常转动时，电子控制单元又发出指令允许升高车轮制动分泵的制动液压。执行器根据电子控制单元的指令“降低”、 “升高”、“保持”各车轮制动分泵的制动液压，从而以每秒约4～10次的脉冲形式进行制动压力调节，始终将车轮的滑移率控制在最佳滑移率范围内，以尽量发挥制动系制动力而又防止车轮抱死，最大限度地保证了制动时汽车的稳定性，增大了安全感，缩短了制动距离和动时间。

ABS系统除具有以上基本功能外，还有另外两种功能：一是ABS系统只有在车轮抱死或即将抱死时才开始开作，在其他所有工况下，ABS系统只是处于准备状态而并不干涉常规制动（即完全由制动踏板操纵的制动）；另一种功能是如果ABS系统出现故障，则制动系统脱开ABS防抱装置而恢复原来的制动系，进行常规制动，同时通过仪表盘上的警示灯提醒驾驶员ABS系统出了故障。

三、ABS的控制过程

1、对ABS基本性能的要求：设计车轮防抱死系统（ABS）首先应该全面了解轮胎—道路的附着特性。从最短的制动距离来说，如果制动时轮胎的滑移率始终保持在附着系数的蜂值范围内，那么此时的制动效果最好。在理想情况下，传感装置应能测出各种可能条件下轮胎一道路接触面的附着系数值。而防抱死制动系统的其余机构则根据检测的信号来调节制动扭矩，使整个制动过程中附着系数始终处于峰值施围内，按照制动扭矩自动控制的调节方式，ABS的控制参数有车轮的角速度、轮胎的滑移率、车轮的圆周速度与车速之差、被控制车轮与其他车轮之间的速度差等。

直接测量轮胎—道路接触面的附着系数或相对滑移率在实际应用中有困难，因为这需要在测量装置中使用五轮仪。因此，实际使用的传感元件是设法测量车轮的角速度，制动时通过所测得的车轮速度与储存的制动开始前的车速进行比较，来估算轮胎的相对滑移率。

通常，ABS应满足的性能要求是：

① 在ABS的控制过程中要保持车辆的转向性能良好；

② 在通常的制动过程中，保持车辆的稳定性和转向能力比缩短制动距离更重要；

③ 要使转向轮所受的反作用力最小（尤其是在左右路面附着系数不一样的路面上）；

④ ABS必须充分利用最理想的轮胎—道路附着系数的有效范围；

⑤ ABS必须最快地适应路面的粗糙度（附着系数）的变化；

⑥ 在左右侧路面附着系数不一样的路面上，ABS应能降低偏转力矩；

⑦ ABS必须考虑滑水现象并对此进行最优控制，保持汽车的方向稳定性和直线滑行性能；

⑧ 弯道制动时，ABS必须在保持操纵性的同时，不能损害稳定性，而且要求制动距离最短；

⑨ 若ABS出现故障，ABS应能自己关闭，而常规制动系统必须能正常工作，不致于失去方向稳定性；

⑩ ABS出现故障时应能通过警示灯告知驾驶员；

⑾ ABS的保养与维修技能必须与现存的或可以达到的维修实践相一致。

2、ABS的控制参数：

一般说来，可供选择作为制动防抱死系统自动调节控制参数及其不同的组合有以下几种：

① 车轮的滑移率S；

② 车轮滑移率对时间的一阶导数ds/dt；

③ 车轮的角加（减）速度对时间的一阶导敷dw/dt；

④ dw／dt和S的组合；

⑤ dw/dt和S作为主调节参数，减速度a作为辅助调节参数；

⑥ 车轮--道路的纵向附着系数对滑移率的一阶导数dфx/ds和车轮滑移率S的组合。

对于车轮的滑移率S，只要测得整车速度和车轮角速度即可计算而得。前已述及，车轮的最佳滑移率在各种不同附着系数的路面及各种不同的制动工况下变化很大，变化范围可从10％～50％。因而适应各种制动工况的滑移率的门限值很难确定。因此，仅选用滑移率作为唯一的调节参数是很难胜任的。

把滑移率对时间的一阶导数ds／dt作为调节参数，因它不能保证车轮滑移率始终在最佳值附近变动，因此也不理想。

车轮的角加（减）速度作为唯一的调节参数对非驱动轮是可行的。对于驱动轮来说，若在制动时发动机与传动系统断开也是可行的。然而紧急制动时，有时驾驶员来不及断开离合器就踩下制动踏板（特别对不熟炼者而言），此时驱动轮与发动机、传动系仍连在一起，发动机和传动系的旋转件转换到驱动轮上的转动惯量就很大，车轮减速度的响应就比较迟钝。故把车轮的角加（减）速度选为唯一的调节参数是受局限的。

现在通行的调节参数是车轮的角加（减）速度对时间的一阶导数dw/dt和车轮的滑移率s 的组合。现今实用的ABS系统均采用这两个参数对车轮的运动状态进行联合控制。

然而在这种组合参数中，车轮的角加（减）速度和车轮的最佳滑移率并没有直接的关系，也即与车轮—道路间的峰值附着系数没有直接关系。换言之，车轮的角加（减）速度的大小，不能给出车轮是否处于最佳滑转状态的信息，也即不能保证利用附着系数在其峰值附着系数周围变动，从而不能把制动距离缩到最短。

在维持车辆足够的侧向附着能力的前提下，为了获得最短的制动距离，就需选择车轮—道路间纵向附着系数对车轮滑移率的一阶导数，或地面制动力对滑移率的一阶导数和车轮的滑移率的组合作为调节参数。