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ABS结构与工作原理.ppt

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ABS 结构 工作 原理
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一、ABS的理论基础二、ABS结构与工作原理三、ABS主要结构及部件四、ABS应用实例五、EBD系统,防抱死制动系统(ABS)与EBD系统,一、ABS的理论基础,1.汽车的制动性 汽车在行驶过程中,强制地减速以至停车且维持行驶方向稳定性的能力称为汽车的制动性。评价制动性能的指标主要有:(1)制动效能——汽车在行驶中,强制减速以至停车的能力称为制动效能。,即汽车以一定的初速度制动到停车所产生的: ★制动距离 ★制动时间 ★制动减速度,(2)制动时的方向稳定性——汽车在制动时仍能按指定方向的轨迹行驶,即不发生跑偏、侧滑、以及失去转向能力称为制动时的方向稳定性。,2.汽车制动时车轮受力分析,V——车速ω——车轮旋转角速度Mj——惯性力矩Mμ——制动阻力矩W——车轮法向载荷Fz——地面法向反力T——车轴对车轮的推力Fx——地面制动力r——车轮半径rω——车轮切向速度,简称轮速,(1)制动器制动力,制动蹄与制动鼓(盘)压紧时形成的摩擦力矩Mμ通过车轮作用于地面的切向力——Fμ (2)地面制动力制动时地面对车轮的切向反作用力——FX,(3)地面制动力Fμ 、制动器制动力FX及附着力Fφ之间的关系,附着力——地面对轮胎切向反作用力的极限值Fφ。附着力取决于轮胎与路面之间的摩擦作用及路面的抗剪强度。,地面制动力、制动器制动力及附着力之间的关系,3.硬路面上附着系数φ与滑移率s的关系,(1)制动过程中车轮的三种运动状态 第一阶段:纯滚动,路面印痕与胎面花纹基本一致 车速 V = 轮速Vω,,第二阶段:边滚边滑,路面印痕可以辨认出轮胎花纹,但花纹逐渐模糊。 车速 V > 轮速Vω,,第三阶段:抱死拖滑,路面印痕粗黑。 轮速Vω = 0,若需增大Fx ,必须增大F? 。F?取决于附着系数φ, φ又受滑移率 s 的影响。(2)滑移率S 定义:s=[(V-Vω)/V]×100% =[(V-r.ω)/V]×100%,(3)附着系数φ与滑移率 s 的关系,分析结论:   s < 20%为制动稳定区域; s > 20%为制动非稳定区域; 将车轮滑移率 s 控制在20%左右,便可获取最大的纵向附着系数和较大的横向附着系数,是最理想的控制效果。,4.理想的制动控制过程,(1)制动开始时,让制动压力迅速增大,使S上升至20%所需时间最短,以便获取最短的制动距离和方向稳定性。 (2)制动过程中: 当S上升稍大于20%时,对制动轮迅速而适当降低制动压力,使S迅速下降到20%; 当S下降稍小于20%时,对制动轮迅速而适当增大制动压力,使S迅速上升到20%;,结论: 车轮在制动过程中,以5~10 次/秒 的频率进行增压、保压、减压的不断切换,使s稳定在20%是最理想的制动控制过程。 5.ABS的功用 ABS的功用是控制实际制动过程接近于理想制动过程。,二、ABS的基本组成与工作原理,(一)传统制动系统工作原理,(二)ABS的基本组成ABS是在传统制动基础上,又增设如下装置: ☆车轮轮速传感器 ☆电子控制单元ECU ☆制动压力调节器 ☆ABS警告灯,ABS基本工作图,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,电控单元,液压调节器,电磁阀控制三种状态:   加 压:进油阀开,出油阀关   减 压:进油阀关,出油阀开   保 压:进油阀关,出油阀关,(三)、ABS控制参数,1.以车轮滑移率为控制参数根据车速和车速传感器的信号计算车轮的滑移率作为控制制动力的依据。S高于设定值,ECU就会输出减小制动力信号,并通过制动压力调节器减小制动压力;S低于设定值时,ECU就会输出增大制动力信号,并通过制动压力调节器增大制动压力,控制滑移率在设定的范围内。已有用多普勒雷达测量车速的ABS。,2.以车轮角加速度为控制参数   ECU根据车轮的车速传感器信号计算车轮的角加速度作为控制制动力的依据。  ECU中设置合理的角加速度、角减速度门限值。   制动时,当车轮角减速度达到门限值时, ECU输出减小制动力信号;当车轮转速升高至角加速度门限值,ECU输出增加制动力信号。,(四)、ABS控制方式及特点,特点:,1.四传感器、四控制通道,—能够独立进行制动压力调节的制动管路;,控制通道,(2)制动时可最大限度地利用每个车轮的附着力 - 方向稳定性好;,(1)各制动轮压力均可单独调节(轮控制)- 控制精度高;,2.四传感器、三控制通道,特点:,两前轮独立控制,两后轮一同控制(轴控制);,按附着力较小车轮不发生抱死为原则进行制动压力调节-低选原则控制;,按附着力较大车轮不发生抱死为原则进行制动压力调节-高选原则控制;,,,三、 ABS主要部件结构及工作,(一)轮速传感器,1、作用,2、组成,检测车轮转速,产生与轮速成正比的正弦交流信号,经整形、放大转变成数字信号送给ECU,用于对制动压力调节器实施控制。,传感器一般采用磁感应式,传感器头(静止):永久磁铁、感应线圈、极轴; 齿圈(转动):凸齿数40~100不等;,传感器头与齿圈间隙:0.6~0.7 mm;,轮速传感器分类:电磁式、霍尔式 轮速传感器的安装位置:,(a) 驱动车轮 (b) 非驱动车轮车速转速传感头在车轮上的安装,传感头与齿圈之间的间隙很小,通常只有0.5mm到1mm左右,多数车轮转速传感器的间隙是不可调的。,电磁感应式车轮转速传感器的工作原理:,(a) 齿隙与磁心端部相对时 (b) 齿顶与磁心端部相对时,(c) 传感器输出电压,电磁式轮速传感器分类:根据磁心端部的结构形状,可分为凿式极轴、柱式极轴车轮转速传感器,由于结构形式的不同,传感头与齿圈的相对安装方式也有区别:,(a) 凿式极轴传感头,(b) 菱形极轴传感头 (c) 柱式极轴传感头 (柱式极轴的一种),电磁感应式车轮转速传感器的传感头与齿圈的相对安装方式,电磁式车轮转速传感器结构简单,成本低,但存在以下缺点: ① 电磁感应式轮速传感器向ABS的ECU输送的电压信号的强弱是随转速的变化而变化的,信号幅值一般在1V到15V的范围内变化。 当车速很低时,传感器输出的电压信号若低于1V,则ECU无法检测到如此弱的信号,ABS也就无法正常工作。 ② 电磁感应式轮速传感器频率响应较低。当车轮转速过高时,传感器的频率响应跟不上,容易产生错误信号。 ③ 电磁感应式轮速传感器的抗电磁波干扰能力较差,尤其在输出信号幅值较小时。,,2. 霍尔式车轮转速传感器,霍尔式轮速传感器优点: ① 输出的电压信号强弱不随转速的变化而变化。在汽车电源电压为12V的条件下,信号的幅值保持在11.5V到12V不变,即使车速很低时也不变。 ② 传感器频率响应高达20kHz,用于ABS中,相当于车速为1000km/h时所检测的信号频率,因此不会出现高速时频率响应跟不上的问题。 ③ 霍尔式车轮转速传感器输出的电压信号强弱不随转速的变化而变化,且幅值较高。因此,霍尔式车轮转速传感器抗电磁波干扰能力较强。,,,霍尔式车轮转速传感器的组成和工作原理,,霍尔式车轮转速传感器电子线路:霍尔元件输出的毫伏级的准正弦波电压首先经放大器放大为伏级电压信号,然后送往施密特触发器转换成标准的脉冲信号,再送到输出级放大后输出给ECU。,,工作原理 齿圈随车轮转动,凸齿和齿隙不断交替在极轴下掠过,使铁心磁通发生变化在感应线圈中产生交变信号电压,频率:f=30~6000Hz,电压幅值:U=1~15V。,,(二)ABS ECU,组成:(硬件、软件) 输入电路 计算电路 输出电路安全保护电路 故障自诊断,功用:接收传感器信号及制动信号,控制执行器工作。,,(三)制动压力调节器(液压) 1、作用,根据ECU控制指令,通过电磁阀的动作对车轮制动器压力实施自动调节,以使车轮滑移率保持在最佳范围内。,2、调压方式,流通式(循环式),结构简单 控制方便 被广泛采用,,变容积式,组成,调压缸、电磁阀、单向阀、电机等,德尔科ABS,,3、制动压力调节器组成,组成:电磁阀、储液器、电动回液泵,(1)电磁阀,三位三通电磁阀由博世公司生产,应用于博世ABS中。,作用: 接收ECU指令,通过控制阀门的切换,调节制动分泵压力,完成增压、保压和减压。,型式:三位三通电磁阀二位二通电磁阀,三位三通电磁阀结构:线圈、铁心、衔铁套筒、软硬弹簧、进液口回,,二位二通电磁阀,二位二通常闭电磁阀,二位二通常开电磁阀,二者配合工作,完成增压、保压、减压的控制过程,(2)蓄压器与电动回液泵,蓄压器:接纳ABS减压过程中,从制动分泵回流的制动液。,电动回液泵:将从制动分泵回流的制动液泵回电磁阀进液口。,返回目录,,四、ABS应用实例,ABS型式各异,以下二个方面相同:,2、ABS都具有自诊断功能。一但发生影响系统正常工作的故障时,ABS自动关闭,同时ABS警告灯点亮。传统制动仍可正常工作。,1、ABS工作车速必须达到一定值后,才会对制动过程中趋于抱死车轮进行制动防抱死控制调节。,,(一)博世ABS,电磁阀:三位三通电磁阀,控制方式: 两前轮独立控制,两后轮按低选原则一同控制;,调压方式:流通式,制动压力调节器:分离式且独立安装;,1、结构特点,2、制动压力调节过程,(1)制动压力增大过程,,踏下制动踏板,由于电磁阀的进液阀开启,回液阀关闭,各电磁阀将制动总泵与各制动分泵之间的通路接通,制动总泵中的制动液将通过各电磁阀的进出液口进入各制动分泵,各制动分泵的制动液压力将随着制动总泵输出制动液压力的升高而升高 - 增压。,(2)制动压力保持过程,,当某车轮制动中,滑移率接近于20%时,ECU输出指令,控制电磁阀线圈通过较小电流(约2A),使电磁阀的进液阀关闭(回液阀仍关闭),保证该控制通道中的制动分泵制动压力保持不变 - 保压。,,(3)制动压力减小过程,,当某车轮制动中,滑移率大于20%时,ECU输出指令,控制电磁阀线圈通过较大电流(约5A),使电磁阀的进液阀关闭回液阀开启,制动分泵中的制动液将通过回液阀流入储液器,使制动压力减小-减压。 与此同时,ECU控制电动泵通电运转,将流入储液器的制动液泵回到制动总泵出液口。,3、电子控制系统控制过程,,,控制过程: (1)打开点火开关,ECU进入自检 ABS保护继电器线圈通电,蓄电池电压(12V)经触点送至ECU端子1,触发自检,时间大约为3~5秒 。 自检中,ECU端子27、28均未搭铁,电动泵继电器、电磁阀继电器常开触点均不闭合,电动泵及电磁阀均不工作。,,,(2)ABS警示灯亮,ABS警示灯亮后可能出现两种情况: 灯亮3~5秒后熄灭,说明系统正常; 灯亮3~5秒后不熄灭,说明系统有故障,ECU关闭ABS,汽车仅保持传统制动。,(3)自检正常ABS等待工作 ECU端子27搭铁,接通电磁阀继电器线圈电路。,电磁阀继电器线圈通电,铁芯产生吸力,常闭触点(30→87A)张开,ABS警示灯熄灭;常开触点(30→87)闭合,蓄电池电压作用在三个三位三通电磁阀线圈及ECU 端子32。,,(4)制动防抱死调节过程 制动中,各车轮滑移率均小于20%时,ECU端子2、35、18均开路,三个三位三通电磁阀线圈中均无电流通过,各制动分泵制动液压力将随制动总泵输出制动液压力的变化而变化-增压。。,制动中,某一车轮滑移率接近20%,ECU对其相应的电磁阀线圈通电(2A),使其制动分泵制动液压力保持不变-保压。 制动中,某一车轮滑移率大于20%,ECU对其电磁阀线圈通电(5A),使其制动分泵制动液压力减小-减压。,,,,(二)戴维斯MK20-I型ABS,戴维斯MK 20—I ABS是戴维斯MK II ABS的换代产品,是目前世界上最新一代ABS产品。 以桑塔纳2000Gsi轿车上装用的MK20—I ABS为例说明其结构特点。,,1、MK20—I ABS结构特点 (1)采用摸块式结构设计,将液压控制单元(储液器、电动回液泵、电磁阀)与电子控制单元集成于一体,使其结构更加紧凑。 (2)电磁阀线圈设置于控制单元内部,节省连接导线。采用大功率集成电路直接驱动电磁阀及回液泵电机,省去了电磁阀继电器。,(3)电子控制单元内部设有故障存储器,随车带有故障诊断接口,借助诊断仪调取故障码可以很方便地进行故障诊断。 (4)MK20—I ABS采用四传感器、三通道控制系统,其控制原则是对两前轮进行独立控制,对两后轮按低选原则一同控制。 其目的是在于制动过程中确保后轮不会先于前轮抱死,从而获得良好的制动稳定性。,,,,(二)主要组成与结构 1、轮速传感器 桑塔纳2000Gsi轿车上装用四个磁感应轮速传感器,每个轮速传感器均由传感器头和齿圈组成。 前轮轮速传感器齿圈(43个凸齿)镶嵌在制动盘后,随制动盘一同旋转,传感器头安装在转向节上。 后轮轮速传感器齿圈(43个凸齿)安装在轮毂上,随轮毂一同旋转,传感器头则安装在固定支架上。,,,,2、控制模块 控制模块由液压控制单元和电子控制单元组成。 液压控制单元由储液器、电动回液泵、电磁阀等组成。 电子控制单元ECU中具有两个完全相同的微处理器,它们按照同样的程序对输入信号进行计算处理,并将最终结果进行比较,一旦发现最终结果不一致,即判定自身存在故障,它会自动关闭ABS,同时将仪表板上的ABS警告灯点亮。,,3、故障警示灯 在仪表板及仪表板附加部件上装有两个故障警示灯,一个是ABS警示灯(K47),另一个是制动装置警示灯(K118)。 打开点火开关后ABS警示灯亮约2 S熄灭,说明自检结束的同时已启动ABS。若ABS警示灯常亮,说明ABS出现故障。 (三)液压控制系统 桑塔纳2000Gsi轿车上采用的MK20—I ABS液压控制系统为对角线双回路控制系统。,,,返回目录,,五、 EBD系统,电子控制制动力分配系统(electronic control brake-force distribution,EBD)功能是辅助防抱死制动系统ABS完成最佳制动过程。 在ABS的基础上添加限压阀、比例阀、感载比例阀或减速度传感器比例阀等硬件装置,并编制相应的软件程序即可实现制动力分配的最佳控制。,,1. EBD系统控制原理,由汽车理论可知,前、后轮制动器制动力具有固定比值的汽车在制动过程中,为了防止后轴抱死发生危险的侧滑现象,汽车制动系实际的前、后轮制动器制动力分配线(β线)应当控制在理想的前、后轮制动器制动力分配曲线(I曲线)的下方;,为了减少制动时前轮抱死而失去转向能力的机会并提高附着效率,两线应当尽可能靠近。,同样,若按利用附着系数 曲线图来考虑,为了防止后轮抱死并提高制动效率,前轴利用附着系数曲线应当控制在45°对角线上方,即控制在后轴利用附着系数 曲线的上方,同时还应尽可能靠近利用附着系数曲线。,(前轮先抱死),为了保证制动时汽车的方向稳定性和有足够的制动效率,欧洲经济委员会 (Economic Commission of Europe,ECE)制定了ECE R13制动法规,对双轴汽车前、后轮制动器的制动力提出了明确的要求,我国汽车行业标准ZBT 240007-1989也提出了类似的要求。 法规规定:对于利用附着系数 φ = 0.2到0.8之间的各种车辆,要求制动强度 z ≥ 0.1 + 0.85 (φ - 0.2 ) 对于最大总质量大于3.5t的货车,当制动强度z为0.15 到 0.3之间时,每根轴的利用附着系数曲线位于φ = z ± 0.08的两条平行于理想附着系数直线的平行线之间。,当制动强度z ≥ 0.3时,若后轴的利用附着系数满足关系式z ≥ 0.3 + 0.74 (φ- 0.38 ),即 则认为也满足了法规的要求。,,,但对轿车而言,当制动强度z为0.3到0.4之间时,在后轴利用附着系数曲线不超过直线φ = z + 0.05的条件下,允许后轴利用附着系数曲线在前轴利用附着系数曲线的上方,如图所示。,对于具有固定比值的前、后制动器制动力的制动系特性,其实际制动力分配曲线与理想的制动力分配曲线相差很大,制动效率低,前轮可能因抱死而丧失转向能力,后轮也可能抱死而使汽车有发生后轴侧滑的危险。 因此,现代汽车设有电控制动力分配程序EBD或比例阀、感载比例阀等制动力调节装置,根据制动强度、载荷等因素来改变前、后制动器制动力的比值,使之接近于理想制动力分配曲线,满足制动法规的要求。 汽车装备设有EBD的ABS之后,由于各车轮具有理想的制动力分配,因此能够进一步缩短汽车紧急制动时的制动距离和提高制动稳定性。 实际制动力分配曲线是兼顾制动稳定性和最短制动距离并优先考虑稳定性的原则进行设计。,,但是,制动力分配曲线实际转折点的选择是复杂的,I曲线是简单的直线制动情况,实际的制动工况会使I曲线发生改变,如发动机对制动的影响,转弯制动时左、右车轮载荷转移的影响等。 所以,转折点的选择一般低于I曲线,以保证有一定的稳定性的余地。 图4.10所示为制动系统设有限压阀、比例阀、感载比例阀、感载射线阀与减速度传感比例阀(D.S.P.V)的制动力分配曲线。,,,,所示为设置限压阀的制动力分配曲线,在其转折点后,后轮液压不变是一水平线。 虽然分配线对空载基本是合适的,但是,仍有一小段是非稳定区,且满载时效率偏低。,图示为设置比例阀的制动力分配曲线,在其转折点后是一条斜线,且与空载I曲线的交点(即同步附着系数)超过了0.82(见ECE法规),既消除了不稳定区又提高了制动效率; 但是满载时转折点下移会增加与I曲线的距离,降低制动效率。,,,图示为设置感载比例阀的制动力分配曲线,满载时转折点上移与满载I曲线靠近,提高了制动效率。,图示为设置感载射线阀的制动力分配曲线。,图示为根据ECE法规要求计算得到的轿车制动力分配所要求的范围。 可见,采用减速度传感比例阀能够满足ECE法规要求。,,,2.EBD系统基本组成及工作原理,组成:电子制动力分配系统由转速传感器、电子控制器和液压执行器三部分组成。电磁感应式转速传感器安装在4个车轮上,检测车轮转速。液压执行器主要由控制前、后轮压力的常开阀、常闭阀和低压蓄能器组成。低压蓄能器的作用是暂存降压时所排出的制动液。系统原理图见下图。,,系统工作原理: 轮速信号送至电子控制器,电子控制器根据这些信号计算汽车参考车速、车轮的转速及前后轮的滑移率之差,并按一定的控制规律向液压执行器中的电磁阀发出信号,对车轮实行保压、减压和加压的循环控制,使前、后轮趋于同步抱死。在制动结束后,制动踏板松开,制动主缸内的制动压力为零。此时,再次打开常闭阀,低压蓄能器中的制动液经常闭阀、常开阀返回制动主缸,低压蓄能器排空,为下一次电子制动力分配调节做好准备。,由图可见,当汽车载荷发生变化时,理想的前、后轮制动力分配关系会随之发生改变。如果制动系统安装了机械式制动压力调节阀,虽然可以避免出现后轮先抱死,但制动力调节曲线与理想的制动力分配曲线相差较大,导致制动效率不高。 如果制动系统安装了电子制动力分配系统,其制动力调节曲线在各种载荷下均能与理想的制动力分配曲线靠近,获得较高的制动效率。,4.2 ABS/ASR系统结构组成,4.2.1 ABS/ASR系统传感器,对于ASR系统的传感器主要是轮速传感器和节气门位置传感器,轮速传感器通常与ABS系统共用,而节气门位置传感器与发动机电控燃油喷射系统共用。 轮速传感器分类:电磁式、霍尔式 轮速传感器的安装位置:,(a) 驱动车轮 (b) 非驱动车轮车速转速传感头在车轮上的安装,传感头与齿圈之间的间隙很小,通常只有0.5mm到1mm左右,多数车轮转速传感器的间隙是不可调的。,电子线路原理:其工作电压为8V到15V,负载电流为100mA,工作频率为20kHz,输出信号电压幅值为7V到14V。,小结:1. EBD系统控制原理2. EBD系统基本组成及工作原理3. ABS/ASR系统结构组成 ABS/ASR系统传感器,
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