毕业论文防抱死制动系统(ABS)应用原理分析与故障检修.doc

防抱死制动系统(ABS)应用原理分析与故障检修【摘要】汽车防抱死制动系统是汽车上的一种主动安全装置，是现代汽车制动系的关键部件之一。英文缩写为ABS(Anti-lock Braking System)。它可在制动过程中能实时地判定车轮的滑移率，自动调节作用在车轮上的制动力矩，防止车轮抱死而取得最佳制动效能。该装置提供了车辆在危险情况下的制动安全性，它可在汽车制动过程中，根据车轮滑移率的变化自动控制和调节制动力的大小，防止车轮抱死，使每个车轮产生最大的地面制动力，进而消除制动过程中的侧滑、跑偏、丧失转向能力等非稳定状态，以获得良好的制动性能、操作性能（转向控制能力）和稳定性能（方向稳定性）。关键词：防抱死制动系统 滑移率 制动安全性一、 概述（一） 采用ABS系统的必要性 1.传统制动系统制动过程：汽车在紧急制动时，驾驶员踏下制动踏板，随着踏板力的增长，制动系统轮缸油压或制动气室气压逐渐增加。在整个制动过程中，按照车轮的运动状态将制动过程分为如下三个阶段：（1）第一阶段是轮胎在地面上作纯滚动。地面上的印痕花纹与轮胎花纹一致，轮胎在地面上作纯滚动。（2）第二阶段是轮胎在地面上边滚边滑。在此阶段，印痕从清晰可辨逐渐变为模糊不清，印痕花纹之间的距离逐渐加大，表明轮胎在地面上边滚边滑。（3）第三阶段是轮胎在地面上完全滑拖。进入此阶段后，只见轮胎拖痕，不见轮胎花纹压印，这表明轮胎抱死不转，而在地面上滑拖。 上述三个阶段是逐渐变化的，并无明显分界。轮胎与地面之间由纯滚动，经过边滚边滑，渐变为纯滑动。上述过程中，滑动成分的多少，可用滑移率来表示。2.滑移率。滑移率用S表示。滑移率=v-rw/v*100%，其中v指车速，r指车轮的工作半径，w指车轮角速度，rw即为车轮的速度。因此，在制动的第一个阶段，即做纯滚动时，车轮速度等于车速，滑移率S=0；而在第三个阶段，车轮速度等于零，滑移率S=100%；第二个阶段的滑移率大于0，小于100% 。3.从附着系数与滑移率的关系看安装ABS的必要性附着系数是反应轮胎与地面之间附着能力的参数。附着力等于附着系数乘以垂直载荷。因为垂直载荷是一定的，所以附着系数越大，轮胎与地面之间的附着力（轮胎与地面之间的最大静摩擦力）越大，表明轮胎容易抓住地面而不易出现相对滑动。附着系数分为纵向附着系数和横向附着系数。附着系数的大小与路面性质有关，并且随滑移率S的变化而变化，见图1-1。图11从这具有代表性的地面附着系数变化特征中可知，车轮滑移率S在20%左右时，纵向附着系数最大，横向附着系数也不小。在紧急制动时，如果能适当地控制制动器制动力的大小，使车轮处于边滚边滑（S=20%）的状态，可使地面制动力达到最大，改善制动效果；同时，可保持良好的防侧滑能力。图中给出了横向附着系数与滑移率S之间的关系。横向附着系数越大，汽车制动时方向稳定性和转向控制能力越强。从图中可以看出，当滑移率S等于零时，横向附着系数最大；随着滑移率S的增加，横向附着系数越来越小；当车轮抱死时，横向附着系数几乎为零。由此可见，车轮抱死时，横向附着系数和横向附着力很小，汽车失去抵抗横向外力的能力，后轮轮胎抓不住地面，很容易产生横向滑移、甩尾、打转等现象。前轮抱死时，尽管驾驶员通过转向盘能使车轮摆动，但因为车轮不转无法控制汽车的行驶方向，使汽车失去转向控制能力。紧急制动时车轮抱死的后果真是太可怕了，为防止发生轮胎抱死和失去转向能力的现象，最有效的措施是反复踩下和释放制动踏板，但是，在紧急制动过程中，没有时间这样做。那有没有一种理想的办法呢？答案是肯定的，那就是采用ABS系统。（二） ABS系统的优点ABS系统就是要充分利用轮胎和地面的附着系数，使各个制动器产生尽可能大的制动力而又不会抱死，提高汽车制动能力，改善了操纵性和稳定性。ABS系统具有以下优点：1.缩短了制动距离。这是因为在同样的紧急制动情况下，无ABS系统时，车轮容易抱死（滑移率100%），纵向附着系数大大减小，附着力减小，制动距离增大；而在有ABS系统时，可以将滑移率控制在20%左右，从而获得最大的附着系数，也就获得了最大的纵向制动力，即获得了最短的制动距离。2.增加了汽车制动时方向的稳定性和转向能力。如果无ABS系统，汽车的前轮抱死，驾驶员就不能控制汽车的行驶方向，这是非常危险的，特别是转弯时进行制动，车辆容易驶入路外；正如前面分析，若汽车的后轮抱死，则因为横向附着系数会降低至接近零，因而路面抵抗汽车后部侧滑的能力几乎完全丧失，就会出现汽车后部侧滑、甩尾，甚至使汽车整个调头等危险情况。而在安装有ABS系统时，滑移率被控制在20%左右，车轮不会抱死，横向附着系数较大，前轮可以转动，控制汽车的方向，后轮也不会侧滑。资料表明，装有ABS系统的车辆，可使因车轮侧滑引起的事故比例下降8%左右。3.减缓和改善轮胎的磨损。车轮抱死会造成轮胎环行磨损，轮胎面磨损也会不均匀，使轮胎磨损消耗费增加。经测定，汽车在紧急制动时，车轮抱死所造成的轮胎累加磨损费，已经超过一套ABS系统的造价。因此，装有ABS系统还具有一定的经济效益。4.使用维修方便，工作可靠。ABS系统的使用与普通制动系统的使用几乎没有区别。制动时只要把脚踏在制动踏板上用力踏住即可，ABS系统就会根据情况自动进入工作状态，如遇雨雪路滑，驾驶员也没有必要用一连串的“点刹”方式进行制动，ABS系统会使制动状态保持在最佳点。二、 ABS系统的基本原理、组成及分类（一）ABS系统的控制原理ABS的控制方法主要有逻辑门限值控制、最优控制和滑动模态变结构控制等，但目前绝大多数ABS都采用逻辑门限值控制方式，因此这里主要介绍逻辑门限值控制方法。逻辑门限值控制方式通常都是将车轮的减速度（或角减速度）和加速度（或角加速度）作为主要控制门限，而将车轮滑移率作为辅助控制门限。因为采用其中任何一种门限作为控制都存在着较大的局限性。例如仅以车轮的加、减速度作为控制门限，当汽车在湿滑路面上高速行驶过程中进行紧急制动时，当车轮的滑移率离开稳定区域较远时车轮的减速度就可能达到控制门限值；而对于驱动轮，如果制动时没有分离离合器，由于车轮系统存在很大的转动惯量，又会造成车轮滑移率进入不稳定区域而车轮的减速度仍未达到控制门限值，这都会严重影响控制效果。仅以车轮的滑移率作为控制门限值时，由于路面情况不同，峰值附着系数滑移率变化的范围较大（8%30%），因此仅以固定的滑移率门限值作为控制门限，很难保证在各种路面的条件下都能获得最佳的制动效果。而将车轮加、减速度和滑移率控制门限结合起来，将有助于路面的识别，提高系统的自适应控制能力。控制系统中，车轮加速度或减速度信号可以由ECU根据轮速传感器输入的信号经过计算确定。在确定实际的滑移率时，先要确定车轮中心的实际纵向速度（车身速度），但制动时确定车轮中心的实际纵向速度相当困难，因此通常由电控单元（ECU）根据各车轮的转速传感器输入的信号按一定的逻辑确定汽车的参考速度，在进行计算，此值与实际滑移率存在一定的差异。逻辑门限控制方法中的车轮加速度（或角加速度）、减速度（或角减速度）、参考滑移率等控制门限值都是通过反复试验获得的经验数据。（二）ABS的工作原理汽车在制动过程中，轮速传感器不断把各个车轮的转速信号及时输送给ABS控制单元，ABS控制单元根据设定的控制逻辑对4个转速传感器输入的信号进行处理，计算汽车的参考车速、各车轮速度和减速度，确定各车轮滑移率，并将滑移率与设定的滑移率控制门限值进行比较。如果某个车轮的滑移率超过了控制门限值，ABS控制单元就会发出指令控制液压调节装置，使该车轮制动轮缸中的制动压力减小；如果某个车轮的滑移率还没达到设定的控制门限值时，ABS控制单元就控制液压调节装置，使该车轮的制动压力增大；如果某个车轮的滑移率接近于设定的控制门限值时，ABS控制单元就控制制动压力调节装置，使该车轮制动轮缸的制动压力保持一定，从而使各个车轮的滑移率保持在理想的范围之内，防止四个车轮完全抱死。例如某车右后轮将要抱死时，ABS系统会释放右后轮的制动器，使右后轮恢复转动，在右后轮将要恢复转动后，对右后轮的制动器施用恢复，如果右后轮将要再次抱死，ABS系统会再次释放右后轮的制动器。此系统在一秒钟之内重复上述过程许多次，以便发挥制动器的最大潜力，确保车子的稳定和运行。见图2-1。图2-1其中1代表电控单元，2代表执行器，3代表传感器在制动过程中，如果没有车轮趋于抱死，ABS将不参与制动压力控制，此时制动过程与常规制动系统相同。如果ABS出现故障，电子控制单元将不在对液压调节装置进行控制，并将仪表板上的ABS故障警告灯点亮，向驾驶员发出警示信号，此时ABS不起作用，制动过程中将与没有ABS的常规制动系统相同。（三）ABS系统的组成目前，我们所见到的ABS系统均为电子控制式ABS系统，机械式的均已被淘汰。一般的ABS系统主要由传感器、电子控制单元和执行器三个部分组成。它们的作用见表2-1。组成元件功能传感器车速传感器检测车速，给ECU提供车速信号，用于滑移率控制方式轮速传感器检测车轮速度，给ECU 提供轮速信号，各种控制方式均采用减速传感器检测制动时汽车的减速度，识别是否是冰雪等易滑路面，只用于四轮驱动控制系统执行器制动压力调节器接收ECU的指令，通过电磁阀的动作实现制动系统压力的增加、保持和降低液压泵受ECU控制，在可变容积式制动压力调节器的控制油路中建立控制油压；在循环式制动压力调节压力降低的过程中，将由轮缸流出的制动液经蓄能器泵回主缸，以防止ABS工作时制动踏板行程发生变化ABS警告灯ABS出现故障时，由ECU控制将其点亮，向驾驶员发出报警，并由ECU控制闪烁显示故障代码ECU接收车速、轮速、减速等传感器的信号，计算出车速、轮速、滑移率和车轮的减速度、加速度，并将这些信号加以分析、判别、放大，由输出级输出控制指令，控制各种执行器工作 表2-1三、 ABS系统主要部件的结构与工作原理（一）电子控制系统1.轮速传感器的结构与工作原理齿圈与轮速传感器是一组的，当齿圈转动时，轮速传感器感应交流信号，输出到ABS电脑，提供轮速信号。轮速传感器通常安装在差速器、变速器输出轴、各车轮轮轴上。传感器有磁感应式、光电式和霍尔效应式等，目前广泛使用的是磁感应式轮速传感器。2.电子控制单元的结构和工作原理ABS电子控制器的主要任务是接收传感器的信号，进行计算分析，判断制动车轮的状况，并据此输出控制信号，控制制动压力调节器工作，及时调节制动力的大小。此外，控制器还具有故障监控报警和故障自诊断等功能。典型的ABS ECU的基本组成是输入级电路、运算电路、输出级电路、安全保护电路。3.ABS故障指示灯当有下列的异常现象被发现时，ABS控制电脑会使ABS故障指示灯点亮：（1）车辆已经行走超过30秒，而忘记放开驻车制动。（2）未收到四轮中任何一轮的传感器信号。（3）电磁阀作用超过一定的时间或是检测到电磁阀断路。（4）发动机已经开始动作，或是车辆已经开动，未接收到电磁阀输出讯号。（5）当点火开关刚打开时，ABS故障指示灯会点亮，如果没有异常现象，发动机起动后ABS故障指示灯就会熄灭。（二）循环式制动压力调节器工作原理此种形式的制动压力调节器在制动总泵与分泵之间串联一电磁阀，直接控制分泵的制动压力。这种压力调节系统的特点是制动压力油路和ABS控制压力油路相通，该系统工作原理如下：图311.常规制动状态。在通常的减速制动或停车慢速制动时，车轮不会抱死，ABS不介入工作，制动压力调节器电磁阀不通电，柱塞在图3-1所示的位置，制动总泵与分泵直通，制动分泵的压力直接通过制动踏板控制。此时，电动回油泵不工作。 图322.减压过程。当ECU输出减压信号时，向电磁阀提供较大的电流，柱塞处于如图3-2的位置，连接制动总泵的通道被封闭，制动分泵与储液器相通，制动压力降低。此时，电动回油泵工作，将从分泵流入储液器的制动液泵回制动总泵。3.保压过程。当ECU输出保压信号时，向电磁阀提供较小的电流，柱塞处于如图3-3所示的位置，电磁阀的三个通道都被封闭，制动分泵的压力保持不变。图334.增压过程。当ECU输出增压信号时，电磁阀断电，柱塞的位置参见图3-1，制动总泵与制动分泵相通，制动总泵的高压制动液进入分泵，使其压力增大。四、ABS系统的检修（一）ABS系统使用与检修注意事项1.ABS的某些工作现象与故障的区别ABS正常起作用时，会有一些容易被认为有故障的现象，因此，在使用中应注意辨别。（1）制动踏板有升降某些装有ABS的汽车，在发动机发动时，踩下的制动踏板会弹起，而在发动机熄火时，制动踏板则会下沉，属ABS的正常反应，并非故障现象。这是由于这些ABS为变容积式制动压力调节器，其控制液压取自动力转向器液压系统，在发动机熄火，动力转向油泵停止工作时，则会使制动踏板下沉。（2）制动时方向盘振动在制动时转动方向盘，会感到方向盘有轻微的振动。这也是由于制动压力调节器控制油压与动力转向器共用一个液压泵所引起的正常反应。（3）制动时制动踏板下沉在制动中有时会感到制动踏板有轻微下沉。这是由于道路路面附着系数的变化，ABS正常适应性反应所引起的，并非故障现象。（4）制动时制动踏板振动在制动时，感到制动踏板有轻微的振动。这也是ABS起作用的正常现象。（5）ABS灯偶尔亮起高速行驶时急转弯，或滑冰路面上行驶时，有时会出现ABS警告灯亮起，但过后又很快熄灭的现象。这是汽车在上述行驶情况下出现了车轮打滑的现象，ABS产生保护动作引起的，并非ABS电子控制系统有故障。（6）车轮有完全抱死现象在制动后期，会有车轮被抱死，地面留下拖滑的印痕。这是因为在车速小于7-10km/h时，ABS将不起作用，属正常现象。但是，ABS紧急制动时留下的短而淡淡的印痕与普通制动器紧急制动留下的长拖印是截然不同的。2.ABS检修时应注意的问题当装备ABS的汽车出现了紧急制动时车轮被抱死、制动效果不良、制动警告灯亮起故障时，应注意以下几点：（1）当ABS系统工作不正常时，应先检查制动油路和制动泵及制动控制阀等有无漏损破裂、蓄电池是否亏电等。这些影响ABS正常工作的因素容易出现，而检查方法又很简单，先对其进行检查，有利于迅速排除故障。（2）当汽车出现制动不良故障时，应先区分是普通制动系统（制动器、制动总泵或分泵、制动管路等）不良还是ABS电子控制系统有故障。辨别的方法是：拆下ABS继电器线束插接器或ABS制动压力调节器电磁阀线束插接器，使ABS制动压力调节器电磁阀不能通电工作，让汽车以普通制动器工作方式制动，如果制动不良故障消失，则说明是ABS电子控制系统有故障。否则，为普通制动系统有故障。（3）拆卸车轮转速传感器时，不要碰撞或敲击传感器头，也不要以传感器齿轮当撬面，以免损坏传感器。（二）ABS系统维修的基本内容1.诊断与检查的基本内容特定的诊断与检查可及时发现ABS系统中的故障，是维修中非常重要的部分。对于不同的车型，甚至同一系列不同年代生产的车型，诊断与检查的方法和程序都会有所不同，这一点只要比较相应的维修手册便可知道。但是ABS系统基本诊断与检查方法的内容是不变的，它们一般四个步骤：（1）初步检查。（2）故障自诊断。（3）快速检查。（4）故障指示灯诊断。2.修理的基本内容通过诊断与检查后，一旦准确地判断出ABS系统中的故障部位，就可以进行调整、修复或换件，直到故障被排除为止。修理的步骤通常如下：（1）泻去ABS系统中的压力。（2）对故障部位进行调整、拆卸、修理或换件，最后进行安装。这一切必须按相应的规定进行。（3）按规定步骤进行制动系统放气。如果是轮速传感器或电脑有故障，可以不进行第一和第三步骤，只需要按规定进行传感器的调整、更换即可，ABS电脑损坏只能更换。（三）ABS系统故障自诊断1.ABS系统的自检当点火开关接通后，ABS ECU就立即对其外部电路进行自检。这时，ABS警告灯亮起，一般3秒后熄灭。如果灯不亮或一直亮均说明ABS电路中有故障，应对其进行检查。ABS ECU对制动压力调节器电磁阀的检查是通过控制阀的开闭循环实现。发动机发动后，车辆第一次达到60km/h时，ABS系统自检完成。如果在上述自检过程中ABS ECU发现异常，或在制动过程中ABS工作失常，ECU就会停止使用ABS，这时，ABS警告灯亮起，并储存故障码。2.制动警告灯汽车仪表板上的ABS警告灯通常是一个黄色灯（标ABS），而另一个红色制动警告灯（标BRAKE）由制动压力开关和制动液液面开关及手制动灯开关控制。当红色制动警告灯常亮时，可能是制动液不足、手制动器开关有问题等。这时，ABS防抱死控制和普通制动系均不能正常工作，应立即停车检查故障原因，及时排除故障。如果只是黄色的ABS灯常亮，则说明ABS电脑已发现防抱死电子控制系统有故障，这时汽车制动时将无防抱死功能，因此也要及时检修。3.ABS系统故障码的显示方式在检修ABS系统故障时，应先调出ABS电脑储存的故障码，以便得到故障部位提示，准确、迅速地排除故障。不同的车型，都有其自己的故障码的显示方式，大致有这几种形式：（1）在ABS有故障时，仪表板上的ABS警告灯就会闪烁。（2）将诊断插座或ABS电脑盒上的有关插孔跨接，仪表板上的ABS灯闪烁来显示故障码。（3）采用专用的故障检测仪器读取故障码。（四）ABS系统主要部件的故障检修。1.车轮转速传感器故障的检查轮速传感器的可能故障有：轮速传感器感应线圈有短路、断路或接触不良等；齿圈齿有缺损或脏污；信号探头部分安装不牢。检查方法如下：（1）直观检查。主要检查传感器安装有无松动，导线及线束插接器有无松脱。（2）检测传感器电阻。用万用表检测传感器感应线圈电阻，如果过大或过小，均说明传感器不良，应更换。（3）检测传感器信号。将汽车举升使车轮悬空，在车轮转动时，用交流电压表测量传感器的输出信号电压，电压表应该有电压指示，其电压值应随车轮的转速的增加而升高，一般情况下，应能达到两伏以上。2.ABS控制器的检查ABS控制器的故障检查方法如下：（1）检查线路连接。检查ABS控制器线束插接器有无松动，连接导线有无松脱。（2）检测电压、电阻，检查ABS控制器线束插接器各端子的电压值或电阻，如果与标准不符，与之相连的部件和线路正常，则应更换控制器在试。3.制动压力调节器的检查制动压力调节器的可能故障有：制动压力调节器电磁阀线圈不良；制动压力调节器中的阀有泄漏。制动压力调节器故障的检查方法如下：（1）检测电磁阀电阻。用万用表检测电磁阀线圈的电阻，如果电阻无穷大或过小等，均说明电磁阀有故障。（2）检测电磁阀的工作。加电压试验，将制动压力调节器电磁阀加上其工作电压，看阀能否正常动作，如果不能正常动作，则应更换制动压力调节器。五.案例分析（一）丰田皇冠 行驶里程12000公里故障现象：行车过程中，踩下制动踏板，ABS灯亮起，但过后又很快熄灭。故障分析；由于当天下了雪，地面较滑，其实是出现了打滑现象，是ABS产生保护动作引起的，并非ABS电子控制系统有故障。（二）丰田花冠 行驶里程50000公里故障现象：行车过程中，ABS故障灯亮起，并且一直没熄灭。故障分析及检修：利用丰田诊断仪调取故障码，其故障显示为右后轮速传感器故障。于是将车升起，用万用表测量右后轮速传感器感应线圈的电阻，发现阻值很大，在测量左后轮速传感器感应线圈的电阻，阻值明显小于右后轮，判断右后轮速传感器感应线圈有断路现象。更换了轮速传感器，装复试车，故障排除。（三）丰田锐志 行驶里程24597公里故障现象：正常行驶过程中，ABS故障灯突然亮了，过后又灭了。故障分析及检修：首先利用丰田智能检测仪第二代调取故障码，调取的故障码内容为金属粘附车速传感器（左后），于是判断故障应该出现在左后轮的车速传感器上，拆下左后轮及车速传感器，发现车速传感器的齿圈附近吸附了很多铁屑，导致信号传感器无法有合适的间隙去切割磁力线，从而造成无信号产生，所以ABS故障灯会亮起。清除铁屑，重新装上车速传感器及左后轮，经过试车，故障排除。以上这几个维修案例均是我在实际工作中亲身遇到的，虽然丰田车系中ABS系统方面的故障很少，几乎没有遇到很难解决的问题，但我举出的这几个症状和故障现象还是比较常见的，其中锐志车的ABS系统遇到的故障现象是典型的，丰田霸道车也出现过类似的问题。自己在维修过程中也做了记录，和那些有经验的维修技师们学会了一些维修的思路和方法，我想这样有利于自己在今后的工作中遇到类似的问题分析起来会更加得心应手，也提高了自己的维修水平。参考文献1邯郸北方学校编 怎样维修汽车ABS ASR 和SRS系统 北京 机械工业出版社 2005 18-992王国荣 吕悦英 王建于主编 汽车构造新知识 广州 广东科技出版社2006 145-1463麻友良 丁卫东主编 汽车电器与电子控制系统 北京 机械工业出版社 2002 374-3894周志立 徐斌 卫尧 现代汽车技术丛书-汽车ABS原理与结构 北京 机械工业出版社2005 1-1