防抱死制动系统

防抱死制动系统（Anti-Lock Brake System）简称ABS。^[1]防抱死制动系统是一种为了避免紧急制动时车轮抱死的系统，其作用是在汽车制动时，自动控制制动器制动力的大小，使车轮不被抱死，处于边滚边滑（滑移率在20%左右）的状态，以保证车轮与地面的附着力在最大值。^[5]ABS 的出现解决了此前汽车无法调节制动轮缸、制动压力大小，也无法得知每个车轮的运动状态，导致汽车极易出现抱死拖滑的问题，提高了行车的安全性。^[1]

20世纪40年代末，ABS 初应用于飞机。1971年德国波许（BOSCH）公司首次推出了电子 ABS，ABS在汽车上的应用得以迅速地发展。^[5][1]1998 年中国上海大众汽车公司率先在其生产的桑塔纳 2000 型汽车上装备ABS。^[6]2010年ABS系统普及率已达80%以上。^[7]

ABS系统是在传统制动系统的基础上改进而成的。它除了传统的制动主缸、制动轮缸、真空助力器及管路外，主要用车轮转速传感器、电子控制器（ECU）压力调节器和ABS 警示灯等组成。^[3]按照结构不同分为液压制动 ABS、气压制动ABS等；按照控制参数不同分为以车轮减速度、加速度、滑移率为控制参数的ABS等；按照控制通道不同分为四通道、三通道、二通道、一通道式等；按照生产厂家的不同分为博世（Bosh）ABS系统、戴维斯（Teves）ABS系统等多个种类。^[2]

ABS 的历史可以追溯到 20 世纪 20 年代，随后在世界范围内发展与推广，不断完善与更新，直到20 世纪 60 年代末期，ABS技术基本成熟，开始广泛运用在世界汽车工业上。^[6][8]

在中国，1998 年上海大众汽车公司率先在其生产的桑塔纳 2000 型汽车上装备ABS。中国的两个新的汽车合资项目：上海别克和广州本田相继于 1998 年和 1999 年正式生产的别克世纪和本田 98 款雅阁，新车型将 ABS 作为标准配备，随后一汽大众和神龙也在其生产的捷达和富康汽车上装备 ABS。^[6]

ABS是一套发展自普通制动系统的先进制动控制系统，具有防止车轮抱死的功能。^[11]普通制动系统由真空助力器、制动轮缸、储油箱、制动主缸、液压管道等组成。^[1][12]

相比之下，ABS除了包含传统常规制动装置，还包括以下三部分^[1][13]：

轮速传感器的作用是检测车轮的速度，并将速度信号输入 ABS 系统的ECU。它是ABS系统的主要传感器，用于 ABS 系统的轮速传感器主要有电磁式和霍尔式两种。^[14]

电磁式轮速传感器是一种能够通过磁通量的变化产生感应电压的设备。该传感器由传感头和齿圈两个部分组成，齿圈一般固定在车轮或轴座上也可安装在差速器或传动轴上。齿圈随着车轮或传动轴的转动而动。传感头通过放置在车身上的支架装置安装在靠近齿圈的位置，与齿圈之间留有约1mm的间隙。传感头必须牢固地安装，以保证在汽车制动过程中不会遇到振动的干扰信号。^[14]

霍尔式轮速传感器也是由传感头和齿圈组成的。传感头由永磁体、霍尔元件和电子电路等组成。永磁体的磁力线穿过霍尔元件通向齿圈，圈相当于一个集磁器。霍尔式轮速传感器具有以下优点：首先，它的输出信号电压幅值不受转速影响，即使在汽车电源电压为12V的情况下，输出电压也能保持在11.5~12V之间。即使车速下降接近于零，这种电压也可以保持稳定。其次，频率响应非常高，可以达到20kHz，用于防滑控制系统时，相当于检测车速为1km/h的信号频率。最后，该传感器能够抵抗电磁波干扰，因为其输出信号电压不会随着转速的变化而发生变化，而电压幅值也很高，从而提供了很强的抗电磁波干扰能力。^[14]

电控单元（ECU）作为ABS系统的控制中枢，扮演着重要的角色。它接收来自轮速传感器以及其他传感器和开关的输入信号，并对这些信号进行测量、比较、分析、放大和判断处理。通过精确的计算，ECU可以获得车轮的滑动率、加速度和减速度等关键参数，以判断是否存在车轮抱死的趋势。在此基础上，ECU向输出级发出相应的控制指令，以控制制动压力调节器执行必要的压力调节任务。ECU的操作确保了与车轮速度匹配的恰当制动力，从而提高了行驶的安全性和稳定性。^[14][3]

执行器主要指电磁阀及制动压力调节器 （液压调节器）。液压调节器是ABS系统的执行机构，其功用是接受电控单元的指令，通过电磁阀的动作控制车轮制动轮缸的制动压力。它一般安装在制动主缸与车轮制动器之间的管路上。通常主要由电动液压泵、储能器和电磁阀等组成。^[1][14][3]

在汽车的制动过程中，车轮会与路面产生滑移，这是由于车速与车轮速度存在差异所导致的。而当滑移率在15-20%之间时，汽车能够产生最大的制动力。当车轮滑动太多，抱死时，其滑移率为100%。^[13][3]

滑移率 = 车轮的滑移速度 ÷ 车轮的实际速度 × 100%

=（车轮的实际速度 - 车轮的周向速度）÷ 车轮的实际速度 × 100%^[4]

ABS的基本工作原理是确保每个车轮在制动过程中都保持适当的滑移率，以达到最佳的制动效果。它可以使车轮在制动时滚动和滑动相结合，并尽可能地避免车轮的抱死现象，从而减少交通事故的发生。^[1][13]

在汽车行驶过程中，各个车轮的速度通过前轮速度传感器和后轮速度传感器实时向ABS电控单元电控单元通过对这些数据的分析和处理，能够快速判断出车轮是否有抱死或拖滑的现象。^[4]ABS装置可以控制每个制动轮缸的进液和出液电磁阀，实时调节每个车轮的制动压力，从而有效预防制动抱死的发生，在汽车制动过程中有着重要的安全作用。^[13][3]

典型的 ABS 系统工作过程分为常规制动过程、减压过程、保压过程、增压过程^[15][8]

常规制动过程：在常规制动过程中，当驾驶员踩下制动踏板时，制动主缸会产生高压制动液。这时，电磁阀不通电，液压泵也不工作。制动主缸的制动液通过电磁阀进入制动轮缸，从而产生制动力，使车轮制动器发挥作用。整个过程不涉及ABS的干预。^[15][16]减压过程：当ABS的电控单元（ECU）根据车轮速度等信号判断到某个车轮滑动率超过了某个设定的阈值时，需要减少该车轮的制动力。这时，ECU会通过控制电磁阀通入较大的电流，使电磁阀产生电磁力。电磁力会推动柱塞上移，切断制动轮缸和储液室之间的通路，使制动液流入储液室，从而降低制动压力。同时，驱动电机启动，液压泵开始工作，将制动液加压后输送到主缸和储液室，为下次制动做好准备。^[15][17]保压过程：当车辆的刹车系统侦测到需要维持制动轮缸的制动压力时，ABS的电控单元（ECU）会根据轮速等信号判断滑动率等参数是否达到控制值。磁阀线圈将通入较小的电流，以控制柱塞的位置。由于电磁阀产生的电磁力较小，柱塞只会上移一小段距离。柱塞上移时，制动主缸和制动轮缸之间的液路被切断，同时制动轮缸和储液室之间的液路也被切断这样一来，保持制动轮缸中的制动液压保持不变，既不会增大也不会减小。^[15]增压过程：当压力下降时，车轮会加速旋转。ABS系统中的DCU根据车轮速度等信号判断滑移率等参数是否达到控制值，并在需要增加制动轮缸制动压力时采取相应措施。ECU则会切断通往电磁阀的电流，使柱塞回到常规制动位置，打开制动主缸和制动轮缸的液路，并切断制动轮缸和储液室的液路，以增加制动压力。^[15]

按 ABS 的结构原理不同可分为液压制动、气压制动和气顶液制动三种类型。^[2][18]

液压制动 ABS：液压制动系统中，根据其液压控制部分结构原理的不同，可分为整体式、分离式和 ABS-VI 三种类型。其中整体式 ABS 的结构更为紧凑，制动压力调节器与制动主缸是一体的。主要应用于轿车和轻型载货汽车。^[2]气压制动 ABS：其结构原理分为两种类型。一种是用于四轮后驱动气压制动汽车上的 ABS；另一种是用于汽车挂车上的 ABS。主要应用于中、重型载货汽车上。^[2]气顶液制动 ABS：气顶液制动 ABS 综合了气压和液压两种制动系统的特点，并常用于部分中型、重型汽车上。^[2]

按控制参数的不同分类根据控制参数不同，ABS 可分为以下四种类型。^[2][19]

以车轮减速度为控制参数的ABS。这种形式的ABS 通过车轮转速传感器检测轮速，并对其进行微分计算，求得车轮减速度然后与设定的车轮减速度限定值进行比较，根据比较结果向执行机构发出指令调整制动压力，从而控制制动过程。^[2]使用单参数控制方式，适用于大多普通场景。^[2][19]以车轮的滑移率为控制参数的ABS。这种形式的ABS 使用传感器检测车速和轮速计算出车轮的滑移率，然后将其与设定的滑移率限定值进行比较，根据比较结果向执行机构发出指令调整制动压力，从而控制制动过程。而这种直接以滑移率为控制参数的 ABS 需要得到准确的车身相对于地面的移动速度信号和车轮的转速信号。车轮转速信号容易得到，但取得车身移动速度信号则较难。^[2][19]以车轮减速度和加速度为控制参数的ABS。在以车轮减速度和加速度为控制参数的ABS中，通过车轮转速传感器检测轮速计算出车轮减速度和加速度，然后将其与设定的门限值进行比较，根据比较结果向执行机构发出指令调整制动压力，从而控制制动过程。当车轮减速度或加速度超过门限值时，ABS控制器会相应地调整制动压力。^[2][19]以车轮减速度、加速度和滑移率为控制参数的ABS。ABS控制器会同时考虑车轮减速度、加速度和滑移率，根据定的门限值进行比较，并根据比较结果向执行机构发出指令调整制动压力。这种控制方式采用多参数控制方式，综合了前述三种控制方式的优点，提高了制动过程的控制精度。^[2][19]

ABS装置的控制通道分为四通道式、三通道式、二通道式和一通道式。^[20][18]

按生产厂家来分类有：博世（Bosh）ABS系统、戴维斯（Teves）ABS系统、德尔科（Delco）ABS系统和本迪克斯（Bendix）ABS系统等。^[20][19]

在ABS中，对能够独立进行制动压力调节的制动管路称为控制通道。ABS装置的控制通道分为四通道式、三通道式、二通道式和一通道式。^[21][2][22]

四传感器四通道 ABS 如图7、8所示，有四个轮速传感器，在通往四个车轮制动分泵的管路中，各设一个制动压力调节装置，进行独立控制，构成四通道控制形式。但在特殊的路面环境下，例如积水或结冰路面，汽车左右两个车轮的附着系数可能会产生较大的差异，导致地面制动力不均。这种情况会产生横摆力矩，使车身产生偏移，无法按预期方向行驶，降低了汽车制动方向的稳定性。因此，在这些状况下，驾驶员需要降低车速，并且不能盲目相信ABS装置，以减少事故发生的概率。^[21][22]

三通道ABS 如图9、10、11所示，是对两前轮进行独立控制，两后轮按低选原则进行一同控制 （即两个车轮由一个通道控制，以保证附着力较小的车轮不抱死为原则），又称混合控制。^[21][2]

三通道 ABS 的性能特点是：两后轮按低选原则进行一同控制时，可以保证汽车在各种条件下左右两后轮的制动力相等，即使两侧车轮的附着系数相差较大，两个车轮的制动力都限制在附着力较小的水平，使两个后轮的制动力始终保持平衡，保证汽车在各种条件下制动时都具有良好的方向稳定性。对于两前轮的独立控制，主要考虑小轿车，因为前轮的制动力在汽车总制动中所占的比例较大，可以充分利用两前轮的附着力。尽管两前轮制动力不平衡对汽车行驶方向稳定性影响相对较小，但驾驶员仍可通过转向操纵进行修正。因此，三通道ABS 在小轿车上广泛使用。^[21][2]

多传感器二通道 ABS 如图12所示，二通道式ABS较少采用，因为它难以在方向稳定性、转向控制性以及制动效能三个方面实现兼顾。^[21][22]

多传感器一通道 ABS 如图13所示，又称单通道 ABS，它是在后轮制动器总管中设置一个制动压力调节器，在两前轮各安装一个轮速传感器，在后桥主减速器上也安装一个轮速传感器。^[21][2]

针对汽车防抱死制动系统（ABS）国际上行的控制方法有门限值控制、PID控制、滑模变结构控制、最优控制、模糊控制和神经网络控制等控制方法。国际开发 ABS 用的控制方法还主要是最基本的逻辑门限值控制方法。以下主要介绍逻辑门限值控制法、PID控制法、模糊控制法。^[23]

逻辑门限控制是一种控制系统的阈值设定方法，通过设置车辆状态参数的临界逻辑门限值来控制系统的运行。当传感系统检测到反映制动状况的参数超过门限值时，ECU会发出指令，根据相应的逻辑对工作参数进行调节，将系统回归到门限所设定的特定状态。^[24]

ECU能够识别和监测的车辆状态参数可以包括制动减速度和滑移率等。通常，ECU会在其中设定一个基本的减速度值。当车辆的减速度超过该值时，系统会执行减压、保压和增压三种逻辑控制动作。理论上分析，车辆的减速度始终在控制值设定的“门限”之间变化，因此能够间接保证滑移率在特定数值范围内。^[24]

逻辑门限值控制法也存在一定的局限性。由于车辆在行驶过程中车轮与地面的附着系数不尽相同，因此无法保证在任何情况下采用车轮减速度作为阈值，可以使车轮与地面的值处于峰值状态。^[24]

PID控制是一种基于输出反馈的控制设计方法，它由三个单元组成：比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）。这些单元的作用不同，比例控制可降低稳态误差，但可能会降低系统的相对稳定性；积分控制可以消除稳态误差，但可能会增加超调；而微分控制可以加快惯性系统的响应速度以及减弱超调趋势。传统PID控制器结构简单，容易理解和调整，并能够适用于大多数工程系统并提供稳定的控制效果。但随着工程系统的日益复杂化和对控制要求的精确化，传统PID控制器对于非线性、时变及多变量系统的鲁棒性还不够强。^[25][26]

为了优化相关问题，智能PID控制器应运而生。它结合了PID控制器的优点和智能技术，在线调整PID控制器参数，以适应被控对象特性的变化。PID制方法仍然是应用最广泛的工业控制器之一，适用于纯电动汽车的位置及速度控制的场合，比如车速巡航控制、电机调速、无离合电子同步控制等。^[25]

模糊控制属于智能控制，是一种模拟人类智能的形式，它是在被控对象的模糊模型的基础上，采用类似于人脑的模糊推理方法，遵循一定的控制规则，同时结合实际经验，对系统进行动态控制。该控制方法通常包括三个步骤：模糊化、逻辑推理和反模糊化。^[25][26]

模糊化阶段，将输入变量映射到一个合适的量程，在语言值或模糊集合标识符上构建适当的响应论域。^[25]逻辑推理阶段，则采用if A then B 条件语句描述，并根据实际需要调整和校准模糊规则。^[25]反模糊化是模糊系统的重要环节，是将模糊推理中产生的模糊量转化为精确量 。^[25]

模糊控制可解决多变量、非线性系统的控制，其最大优势是可以将经验引入规则库实现基于规则库的逻辑推理，但规则库的设计合理性较难界定。纯电动汽车的复杂动力底盘系统控制领域，模糊控制方法被广泛应用，如基于多变量的自动换档控制和基于多目标优化的四轮分布式驱动控制等。^[25]

ABS系统的首要好处在于提升汽车制动时的安全性。当车辆制动时，若轮胎出现抱死现象，驾驶员将难以操控方向，这是非常危险的情况；如果后轮出现抱死，也可能导致车辆失控、侧滑或转向问题，甚至会引发严重事故。ABS系统可以有效避免轮胎完全抱死现象，提升了车辆行驶的稳定性。装有ABS系统的车辆，可以使由于轮胎侧滑引发的事故比例降低。^[4][27]

ABS系统可以在急制动时将滑移率控制在20%左右，从而实现最大的纵向制动力。值得注意的是，当车辆行驶在积雪路面上时，如果车轮抱死，车轮前端的楔状积雪会阻碍汽车前进。在这种情况下，装有ABS系统的汽车的制动距离可能会更长。因此，在车辆操作过程中，必须注意ABS系统的使用方法以及不同路况下的制动效果。^[4][28]

当车轮抱死时，会加剧轮胎磨损。这个过程会导致轮胎胎面磨耗不均匀，进而增加轮胎消耗。在紧急情况下，车轮抱死所造成的轮胎累加磨损费用已超过了一套防抱死动系统的成本。因此，使用ABS系统可以带来一定的经济效益。^[4][28]

ABS系统的工作方便且可靠，使用ABS系统和普通制动系统基本没有区别，驾驶员只需踩制动踏板，ABS系统就会自动运作。当遇到雨雪天气路面湿滑时，不必采用点制动方式进行制动，ABS系统可以将制动状态保持在最佳状态。^[4][28]

在平滑的干路面上，由有经验的驾驶员直接进行制动的情况下，熟练的驾驶员比ABS系统更能使轮胎在逐接近理想的滑移率范围内进行制动，这是因为当前的ABS系统允许滑移率降低到 5%，它稍低于获取最大轮胎牵引力所应具有的滑移率。但无论如何，对于一般的驾驶员或在不太理想的路况下，ABS系统总是能使汽车在较短的距离内进行制动。^[29][30]在松散的碎石路面、土质路面或积雪较深路面上，抱死车轮更有利于制动。因为在这些路况下，松散的碎石等会形成楔形物，有助于提供制动效果（如图15所示）。而ABS系统会阻止这种楔形物的形成。因此，一些ABS系统装备的汽车配有一个开关，使驾驶员可以在这些路况下手动关闭ABS系统，以便更好地进行制动。^[29][30]

无论ABS系统多么完善，它仍受制于物理规律。当一辆汽车在移动时，它具有巨大的动能，这个动能只能在一定时间内转化为制动力或转向力，以使汽车尽快停下。而这种转化受到轮胎和道路之间的牵引力的限制，ABS系统不能违背物理规律的限制。^[29]另一个物理规律限制是当汽车在弯道上行驶时，速度超过了允许的物理限制。在这种情况下，即使ABS系统也无法防止汽车在离心力的作用下离开弯道。然而，ABS系统可以帮助汽车降低速度并实现可靠的转向，从而减轻可能发生碰撞的危险性。^[29]

ABS的主要功能是在紧急制动或路面易打滑的情况下，快速、准确地检测车轮的滑移情况。通过电子控制器的处理和调节，ABS可以适时减小车轮的滑移，确保车辆制动时的稳定性和行驶安全。它利用内置的气囊，在制动时提供油压力，并将此压力逐渐释放回去，以避免车轮被锁死。这种系统可以有效减少制动距离，提高车辆的制动效率和操控性。^[13][4]

ABS首先用于飞机以助于飞行员安全降落利用ABS，飞机能在跑道上以非常安全的方式着陆，而飞行员不必担心轮子被抱死。着陆时轮子抱死会导致飞机的不稳定。1929年首次生产的被装到飞机上的ABS，由一名叫 Gabriel Voisin的飞机和汽车工程师设计。一种被称为 DunlopMaxaret 系统的知名ABS首次见于20世纪50年代生产的飞机上，此后飞机制动系统开始普遍采用 ABS，并很快成为飞机的标准装备，直到21世纪仍然在使用。^[31][32]

ABS 最初并不是为汽车所研制的，而是在火车上首先采用。早在 1908 年的J·E· Francis的机车防抱死，有效地防止了火车车轮和钢轨的不正常磨损，这里的机车，就是俗称的火车头。现代火车的制动系统采用盘形制动加电子防滑器。^[33][34]

中国防抱死制动系统规范标准参照 GB/T13594-2003《机动车和挂车防抱制动性能和试验方法》。^[35]

E.6.1 机动车辆空载试验

E.6.1.3.1 单一路面试验

在附着系数小于或等于0.3 和约为 0.8（干路面）的两种路面上，以 40 km/h 和表 E.1 规定的初速度急促全力制动，试验过程中，由防抱系统直接控制车轮不应抱死。^[35]

E.6.1.3.2 对接路面试验

当车辆从低附着系数（）路面驶向高附着系数（）路面时，≥ 0.5 且≥ 2，急促全力制动检查车辆的减速度在合适的时间内有明显的增加，同时车辆未偏离原来的行驶路线。^[35]

行驶速度和制动时刻的确定：防抱系统能在低附着系数路面上全循环，车辆以约为 50 km/h的速度从低附着系数路面驶入高附着系数路面。^[35]

E.6.1.3.3 对开路面试验

本项试验适用于装备 1类或 2 类防抱系统的车辆。^[35]

试验开始时，车辆的左右车轮分别位于两种不同附着系数（和）的路面上，≥ 0.5 且≥ 2，车辆的纵向中心平面通过高低附着系数路面的交界线。^[35]

以 50 km/h 的初速度急促全力制动，检查直接控制车轮未抱死，轮胎（外胎）的任何部分均未越过此交界线。^[35]

试验时，可利用转向来修正行驶方向，但转向盘的转角在最初 2 s 内不应超过 120°，总转角不应超过240°。^[35]

国际防抱死曲线行驶制动试验标准参照国际标准 ISO7975 。^[36]

曲线行驶制动试验要求尽可能不偏离所希望的路线，不应出现附加的横摆运动。进行曲线行驶的目的是确定制动对方向保持的影响。根据国际标准 ISO7975 中规定曲线行驶制动试验的方法为汽车按规定的速度，在规定半径的圆周上作匀速圆周行驶，然后进行制动并测量该过程。^[37]

随着全球汽车电子技术的进步，ABS 技术也在不断发展。未来ABS在以下方面还能做出更大突破^[22]：

提高 ABS 的安全性和可靠性，通过改善集成度、结构、软件和机械等方面的性能，从而实现更稳定、更可靠的使用效果。 ^[1][22]完善 ABS 技术性能，采用新的控制理论和方法，解决存在的局限性，如变工况控制方法和技术性能等相关领域。^[1][22]增加 ABS 系统的集成度，推动 ABS 轻量化方向的发展。因为 ABS 组件的特殊性，安装空间有限，要求控制器集成化、轻量化，减少对汽车经济性和动力性的影响，对于成本控制也十分重要。^[1][22]将 ABS 控制器芯片化、平台化，以适应科技日新月异的发展。随着现代生产技术的不断进步，芯片技术日趋成熟，未来 ABS 控制器也将越来越倾向于芯片化、平台化。^[1][22]