《电子技术在制动系统上的发展与应用》讲义

电子技术在制动系统上的发展与应用 从汽车诞生时起,车辆制动系统在车辆的安全方面就扮演着至关重要的角色 早期的制动系统只是驾驶员操纵一组简单的机械装置向制动器施加作用力以完成制 动。近年来,随着车辆技术的进步和汽车行驶速度的提高,电子技术的飞速发展则 给制动系统提供了更广阔的发展空间。本文着重介绍日新月异的电子技术在制动系 统上的发展与应用,并就制动系统的未来发展方向提出笔者的观点。 、电子技术在制动系统上的发展与应用 (一)主要电子技术在制动系统上的发展与应用 1.防抱死制动系统 随着电子技术的发展,世界汽车技术领域最大最显著的成就就是防抱死制动 系统(ABS)的使用和推广。早在1936年,德国博世( BSOCH)公司申请了一项电液 控制的ABS装置专利促进了防抱死制动系统在汽车上的应用。这一专利被认为是ABS 系统形成中的里程碑,其原理一直沿用至今。最早的ABS的控制部分主要是机械式 的,系统相对简单,只有在特定的车辆参数和工况下防抱死效果才显著;在车辆参数 及工况发生变化时,防抱死功能就会丧失。直到20世纪70~80年代电子技术有了 很大的发展,使得ABS系统性能可靠,不但更具智能化,而且更经济实用,能更广 泛地应用到汽车工业之中 目前的ABS集微电子技术、精密加工技术、液压控制技术为一体,是机电 体化的高技术产品。它的安装大大提高了汽车的主动安全性和操纵性。防抱死装置 ˉ般包括三部分:控制器(电子计算机)、电磁阀与轮速传感器。轮速传感器可以探 测到运动参数,如车轮角速度、角加速度、车速等,如果车轮有抱死倾向,此时控 制器控制执行系统减小制动压力。当轮速恢复并且地面摩擦力有减小趋势时,控制 器又控制执行系统增加制动压力。这样使车轮一直处于最佳的制动状态,最有效地 利用地面附着力,得到最佳的制动距离和制动稳定性

电子技术在制动系统上的发展与应用 从汽车诞生时起，车辆制动系统在车辆的安全方面就扮演着至关重要的角色。 早期的制动系统只是驾驶员操纵一组简单的机械装置向制动器施加作用力以完成制 动。近年来，随着车辆技术的进步和汽车行驶速度的提高，电子技术的飞速发展则 给制动系统提供了更广阔的发展空间。本文着重介绍日新月异的电子技术在制动系 统上的发展与应用，并就制动系统的未来发展方向提出笔者的观点。 一、电子技术在制动系统上的发展与应用 （一）主要电子技术在制动系统上的发展与应用 1．防抱死制动系统 随着电子技术的发展，世界汽车技术领域最大最显著的成就就是防抱死制动 系统（ABS）的使用和推广。早在 1936 年，德国博世（BSOCH）公司申请了一项电液 控制的 ABS 装置专利促进了防抱死制动系统在汽车上的应用。这一专利被认为是 ABS 系统形成中的里程碑，其原理一直沿用至今。最早的 ABS 的控制部分主要是机械式 的，系统相对简单，只有在特定的车辆参数和工况下防抱死效果才显著;在车辆参数 及工况发生变化时，防抱死功能就会丧失。直到 20 世纪 70～80 年代电子技术有了 很大的发展，使得 ABS 系统性能可靠，不但更具智能化，而且更经济实用，能更广 泛地应用到汽车工业之中。 目前的 ABS 集微电子技术、精密加工技术、液压控制技术为一体，是机电一 体化的高技术产品。它的安装大大提高了汽车的主动安全性和操纵性。防抱死装置 一般包括三部分:控制器（电子计算机）、电磁阀与轮速传感器。轮速传感器可以探 测到运动参数，如车轮角速度、角加速度、车速等，如果车轮有抱死倾向，此时控 制器控制执行系统减小制动压力。当轮速恢复并且地面摩擦力有减小趋势时，控制 器又控制执行系统增加制动压力。这样使车轮一直处于最佳的制动状态，最有效地 利用地面附着力，得到最佳的制动距离和制动稳定性

目前,一些国家和地区(如欧洲、日本、美国等)已制定法规,使ABS成为 汽车的标准装备。以1992年欧共体巸EC岀台的制动法规为例,该法规规定了03、 N2、N3及M3类部分车型强制装备ABS的时间表。而我国在制动法规中只规定了最 大总质量大于12000kg的M3类旅游客车和最大总质量超过16000kg允许挂接04类 挂车的N3类车辆必须安装符合GB1359中规定的一类防抱死制动系统[1]。由此可 以看出,我国对装备ABS的要求还远远低于国外的要求。 2.防滑控制系统 在车辆防抱死制动控制系统(ABS)发展成为成熟的产品之后,20世纪80 年代中后期,防滑控制系统(ASR)也得到了发展。ASR系统利用驱动轮上的车速传 感器,当感受到驱动轮打滑时,控制元件便通过油门降低转速,使之不再打滑,防 止因急剧加速而令车轮转速剧增或汽车突然偏离直线。它可以在起步或弯道中速度 发生急剧变化时,改善车轮与地面的附着力,提高其安全性能。该系统当任何一个 或两个车轮均不受控制而打滑时,会自动减低发动机输出功率并制动受影响的车轮, 因此在冰雪路面或湿滑路面上,有其优越的特点。此外,还能使汽车在车轮开始制 动的瞬间,使发动机以最小的输出扭力,配合制动压力的控制,来达到最大的减速 性能。车轮的驱动打滑与制动抱死是很类似的问题。 在汽车起动或加速时,或者汽车行驶在湿滑路面时因驱动力过大而使驱动轮 高速旋转,超过摩擦极限而引起打滑,此时,车轮同样不具有足够的侧向力来保持 车辆的稳定,车轮切向力也减少,影响加速性能。由此看出,防止车轮打滑与抱死 都是要控制汽车的滑移率,所以在ABS系统的基础上发展了驱动防滑系统(ASR)。 ASR大多借用ABS的硬件,两者共存一体,发展成为ABS/ASR系统 目前,ABS/ASR已在欧洲载货车新车中普遍使用,并且欧共体法规 EEC/71/320已强制性规定在总质量大于3.5t的某些载货车上使用,重型车是首先 装用的[2]。而在我国还没有这方面的强制规定 3.电子控制制动系统

目前，一些国家和地区（如欧洲、日本、美国等）已制定法规，使 ABS 成为 汽车的标准装备。以 1992 年欧共体 EEC 出台的制动法规为例，该法规规定了 O3、 N2、N3 及 M3 类部分车型强制装备 ABS 的时间表。而我国在制动法规中只规定了最 大总质量大于 12000kg 的 M3 类旅游客车和最大总质量超过 16000kg 允许挂接 O4 类 挂车的 N3 类车辆必须安装符合 GB13594 中规定的一类防抱死制动系统[1]。由此可 以看出，我国对装备 ABS 的要求还远远低于国外的要求。 2．防滑控制系统 在车辆防抱死制动控制系统（ABS）发展成为成熟的产品之后，20 世纪 80 年代中后期，防滑控制系统（ASR）也得到了发展。ASR 系统利用驱动轮上的车速传 感器，当感受到驱动轮打滑时，控制元件便通过油门降低转速，使之不再打滑，防 止因急剧加速而令车轮转速剧增或汽车突然偏离直线。它可以在起步或弯道中速度 发生急剧变化时，改善车轮与地面的附着力，提高其安全性能。该系统当任何一个 或两个车轮均不受控制而打滑时，会自动减低发动机输出功率并制动受影响的车轮， 因此在冰雪路面或湿滑路面上，有其优越的特点。此外，还能使汽车在车轮开始制 动的瞬间，使发动机以最小的输出扭力，配合制动压力的控制，来达到最大的减速 性能。车轮的驱动打滑与制动抱死是很类似的问题。 在汽车起动或加速时，或者汽车行驶在湿滑路面时因驱动力过大而使驱动轮 高速旋转，超过摩擦极限而引起打滑，此时，车轮同样不具有足够的侧向力来保持 车辆的稳定，车轮切向力也减少，影响加速性能。由此看出，防止车轮打滑与抱死 都是要控制汽车的滑移率，所以在 ABS 系统的基础上发展了驱动防滑系统（ASR）。 ASR 大多借用 ABS 的硬件，两者共存一体，发展成为 ABS/ASR 系统。 目前，ABS/ASR 已在欧洲载货车新车中普遍使用，并且欧共体法规 EEC/71/320 已强制性规定在总质量大于 3.5t 的某些载货车上使用，重型车是首先 装用的[2]。而在我国还没有这方面的强制规定。 3．电子控制制动系统

ABS/ASR只是解决了紧急制动时附着系数的利用,并可获得较短的制动距离 及制动方向的稳定性,但是它不能解决制动系统中的所有缺陷。因此ABS/ASR就进 一步发展演变成电子控制制动系统(EBS)[2]。对于采用气制动系统的汽车来讲 EBS系统主要由气压制动系统和电子控制系统组成。气压制动系统包括制动踏板、 储气筒、气压控制阀、气压制动管路和制动气室等。电子控制系统主要包括ECU控 制器、各种传感器(如3D力传感器、制动器摩擦片磨损传感器、耦合力传感器等) 及电子控制线路等。它在ABS/ASR功能之外又增加了很多新的功能,最重要的特点 是各个车轮上的制动力可以独立控制。ABS只有在极端情况下(车轮完全抱死)才 会控制制动,在部分制动时,电子制动便可控制单个制动压力,因此反应时间缩短, 确保在任一瞬间得到正确的制动压力。 EBS系统的优点是:由于使用了电子系统,减少了制动系统机械传动的滞后 时间,缩短了制动距离,从而增加了交通安全性。它在低制动强度时,使制动摩擦 片磨损最小;在中等制动强度时,利用ABS功能达到最佳的道路附着系数利用率;而 在高制动强度时,则可以施加最大的制动压力,从而获得最佳的控制制动力 近几年电子技术及计算机控制技术的飞速发展为EBS的发展带来了机遇。德 国自20世纪80年代以来率先发展了ABS/ASR系统并投入市场,在EBS的研究与发 展过程中走到了世界的前列。德国的博世公司在1993年与斯堪尼亚公司联合首次在 其牵引车及挂车上装用了EBS[2]。目前国内的汽车企业在应用EBS技术上还属于起 步阶段,距离实际应用尚需时日,因为无论是整车技术参数匹配还是各种性能试验 都是一个漫长而繁复的过程。因此EBS要想在实际中应用开来,并不是一个简单的 问题,除技术尚需进一步完善外,系统的成本和相关的法规也是其投入应用的关键 然而EBS作为一个全新的系统,它还是有很大的潜力,必将给现在及将来的制动系 统带来变革 (二)其他电子技术在制动系统上的发展 以下简要介绍一下其它电子技术在制动系统上的发展。作为电子控制系统, 它们都是在ABS系统的基础上发展起来并与ABS配合使用的。目前国外汽车业仅在 采用液压制动的轿车上使用过,对我们来讲先期了解还是十分必要的

ABS/ASR 只是解决了紧急制动时附着系数的利用，并可获得较短的制动距离 及制动方向的稳定性，但是它不能解决制动系统中的所有缺陷。因此 ABS/ASR 就进 一步发展演变成电子控制制动系统（EBS）[2]。对于采用气制动系统的汽车来讲， EBS 系统主要由气压制动系统和电子控制系统组成。气压制动系统包括制动踏板、 储气筒、气压控制阀、气压制动管路和制动气室等。电子控制系统主要包括 ECU 控 制器、各种传感器（如 3D 力传感器、制动器摩擦片磨损传感器、耦合力传感器等） 及电子控制线路等。它在 ABS/ASR 功能之外又增加了很多新的功能，最重要的特点 是各个车轮上的制动力可以独立控制。ABS 只有在极端情况下（车轮完全抱死）才 会控制制动，在部分制动时，电子制动便可控制单个制动压力，因此反应时间缩短， 确保在任一瞬间得到正确的制动压力。 EBS 系统的优点是:由于使用了电子系统，减少了制动系统机械传动的滞后 时间，缩短了制动距离，从而增加了交通安全性。它在低制动强度时，使制动摩擦 片磨损最小;在中等制动强度时，利用 ABS 功能达到最佳的道路附着系数利用率;而 在高制动强度时，则可以施加最大的制动压力，从而获得最佳的控制制动力。 近几年电子技术及计算机控制技术的飞速发展为 EBS 的发展带来了机遇。德 国自 20 世纪 80 年代以来率先发展了 ABS/ASR 系统并投入市场，在 EBS 的研究与发 展过程中走到了世界的前列。德国的博世公司在 1993 年与斯堪尼亚公司联合首次在 其牵引车及挂车上装用了 EBS[2]。目前国内的汽车企业在应用 EBS 技术上还属于起 步阶段，距离实际应用尚需时日，因为无论是整车技术参数匹配还是各种性能试验 都是一个漫长而繁复的过程。因此 EBS 要想在实际中应用开来，并不是一个简单的 问题，除技术尚需进一步完善外，系统的成本和相关的法规也是其投入应用的关键。 然而 EBS 作为一个全新的系统，它还是有很大的潜力，必将给现在及将来的制动系 统带来变革。 （二）其他电子技术在制动系统上的发展 以下简要介绍一下其它电子技术在制动系统上的发展。作为电子控制系统， 它们都是在 ABS 系统的基础上发展起来并与 ABS 配合使用的。目前国外汽车业仅在 采用液压制动的轿车上使用过，对我们来讲先期了解还是十分必要的

1.车辆动力学控制系统 车辆动力学控制系统(VDC)是ABS的另一个发展,它是在ABS的基础上通 过测量方向盘转角、横摆角速度和侧向加速度对车辆的运动状态进行控制[3]。VDC 目前在轿车上开始得到应用。这一系统与ABS系统不同的是,它可以在车辆运动状 态处于危险状态下自动进行控制,努力去纠正人为操纵中出现的错误。 2.循迹控制系统 循迹控制系统(ETS)可配合ABS系统,将四个车轮分别控制在最大转动扭 力范围内,对每个车轮的制动油压进行精密的控制,以提高循迹控制能力。当四个 车轮中有一个车轮的转速与其他三个车轮不相同时,ETS系统便会自动控制该车轮 的制动压力,以防止发动机扭力过大。在行驶速度为40km/h~80km/h时,ETS系统 就会发挥作用。制动时间过长时,ETS系统会自行关闭以避免刹车过热。当车速过 快时,ETS系统灯会自动亮起,以警示驾车者注意控制汽车速度。 3.电子控制行驶平稳系统 电子控制行驶平稳系统(ESP)的主要功能已包括ABS、ETS和ASR等系统的 普遍功能,在制动和加速时增强车轮的地面附着力及稳定性。它将每个车轮的制动 油压进行非常精确的控制,以减少发动机扭力的损失。该系统还可以再加上防滑传 感器,配合方向盘的转角和传动轴的转速,可计算出汽车在甩尾或失控的情况下的 最佳运动轨迹。ESP系统不仅能提供汽车最佳的循迹方向,而且能在行驶中保证最 佳的驾驶稳定性,特别是在转弯和180°回转的情况下,作用十分显著。 、制动系统的未来发展方向 车辆制动系统的发展主要是电子技术的发展 一方面是扩大控制范围、增加控制功能;另一方面是采用优化控制理论,实 施伺服控制和高精度控制

1．车辆动力学控制系统 车辆动力学控制系统（VDC）是 ABS 的另一个发展，它是在 ABS 的基础上通 过测量方向盘转角、横摆角速度和侧向加速度对车辆的运动状态进行控制[3]。VDC 目前在轿车上开始得到应用。这一系统与 ABS 系统不同的是，它可以在车辆运动状 态处于危险状态下自动进行控制，努力去纠正人为操纵中出现的错误。 2．循迹控制系统 循迹控制系统（ETS）可配合 ABS 系统，将四个车轮分别控制在最大转动扭 力范围内，对每个车轮的制动油压进行精密的控制，以提高循迹控制能力。当四个 车轮中有一个车轮的转速与其他三个车轮不相同时，ETS 系统便会自动控制该车轮 的制动压力，以防止发动机扭力过大。在行驶速度为 40km/h～80km/h 时，ETS 系统 就会发挥作用。制动时间过长时，ETS 系统会自行关闭以避免刹车过热。当车速过 快时，ETS 系统灯会自动亮起，以警示驾车者注意控制汽车速度。 3．电子控制行驶平稳系统 电子控制行驶平稳系统（ESP）的主要功能已包括 ABS、ETS 和 ASR 等系统的 普遍功能，在制动和加速时增强车轮的地面附着力及稳定性。它将每个车轮的制动 油压进行非常精确的控制，以减少发动机扭力的损失。该系统还可以再加上防滑传 感器，配合方向盘的转角和传动轴的转速，可计算出汽车在甩尾或失控的情况下的 最佳运动轨迹。ESP 系统不仅能提供汽车最佳的循迹方向，而且能在行驶中保证最 佳的驾驶稳定性，特别是在转弯和 180°回转的情况下，作用十分显著。 二、制动系统的未来发展方向 车辆制动系统的发展主要是电子技术的发展。 一方面是扩大控制范围、增加控制功能;另一方面是采用优化控制理论，实 施伺服控制和高精度控制

而笔者认为电子技术对制动系统的发展来说最可能的方向是完全电路制动 (BBW)。全电制动不同于传统的制动系统,因为其传递的是电,而不是液压油或压 缩空气,可以省略许多管路和传感器,缩短制动反应时间。全电制动的结构主要包 含如下部分 (1)电制动器。其结构和液压制动器基本类似,有盘式和鼓式两种,作动 器是电动机。 (2)电制动控制单元(ECU)。接收制动踏板发出的信号,控制制动器制动; 接收驻车制动信号,控制驻车制动;接收车轮传感器信号,识别车轮是否抱死、打滑 等,控制车轮制动力,实现防抱死和驱动防滑。 (3)轮速传感器。准确、可靠、及时地获得车轮的速度 (4)线束。给系统传递能源和电控制信号 (5)电源。为整个电制动系统提供能源,与其他系统共用。可以是各种电 源,也包括再生能源。 在结构上可以看出这种全电路制动系统具有其他传统制动控制系统无法比 拟的优点 (1)整个制动系统结构简单,使整车质量降低 (2)制动响应时间短,提高制动性能; (3)相对于液压制动无制动液,维护简单; (4)系统总成制造、装配、测试简单快捷,制动分总成为模块化结构; (5)采用电线连接,系统耐久性能良好 (6)易于改进,稍加改进就可以增加各种电控制功能

而笔者认为电子技术对制动系统的发展来说最可能的方向是完全电路制动 （BBW）。全电制动不同于传统的制动系统，因为其传递的是电，而不是液压油或压 缩空气，可以省略许多管路和传感器，缩短制动反应时间。全电制动的结构主要包 含如下部分: （1）电制动器。其结构和液压制动器基本类似，有盘式和鼓式两种，作动 器是电动机。 （2）电制动控制单元（ECU）。接收制动踏板发出的信号，控制制动器制动; 接收驻车制动信号，控制驻车制动;接收车轮传感器信号，识别车轮是否抱死、打滑 等，控制车轮制动力，实现防抱死和驱动防滑。 （3）轮速传感器。准确、可靠、及时地获得车轮的速度。 （4）线束。给系统传递能源和电控制信号。 （5）电源。为整个电制动系统提供能源，与其他系统共用。可以是各种电 源，也包括再生能源。 在结构上可以看出这种全电路制动系统具有其他传统制动控制系统无法比 拟的优点: （1）整个制动系统结构简单，使整车质量降低; （2）制动响应时间短，提高制动性能; （3）相对于液压制动无制动液，维护简单; （4）系统总成制造、装配、测试简单快捷，制动分总成为模块化结构; （5）采用电线连接，系统耐久性能良好; （6）易于改进，稍加改进就可以增加各种电控制功能