3.3.1 防抱死制动系统（ABS）理论基础
在一些特定的驾驶工况下，如在潮湿或者光滑路面上制动时，可能会产生车轮抱死，车辆失去转向能力或者发生侧滑和甩尾。ABS可以通过分析轮速传感器的转速提前识别车轮将要抱死的趋势，并通过对单个或者多个车轮的制动压力进行保持或者降低来避免车轮的抱死，从而保证车辆的转向能力和制动安全性。
ABS的功能是将车辆制动过程中的车轮滑移率控制在目标滑移率附近，从而充分利用车轮与路面间的摩擦作用力，在减小制动距离和提高制动效能的同时保证车辆制动过程的稳定性和可转向性能。ABS的组成如图3-10所示。
图3-10 ABS的组成
①—ABS控制器 ②—轮速传感器 ③—发动机控制器 ④—变速器控制器
ABS得到应用以来，车辆在任何路面紧急制动时，只需大力踩制动踏板，并通过转向操纵控制好行驶方向，对普通驾驶人来说紧急制动也变得容易又安全。一般情况下，配备ABS系统的车辆的制动距离比未配备ABS系统的车辆约可缩短10%，特殊情况下制动距离可能稍有延长，但有利于车辆的制动稳定性和可操纵性。从功能角度来说，在物理学极限范围内对ABS提出如下基本要求：
1）制动稳定性。车辆在任何路面条件下紧急制动时，制动压力上升到车轮抱死压力后，压力调节装置应保证制动滑移率在合理范围内变化，避免车轮抱死，以免车辆发生绕重心的回转运动（甩尾）。
2）转向可操纵性。车辆在不同附着系数路面上制动时应保证车辆可转向操纵，即尽管制动踏板被踩到底，车辆应仍可以转弯或避开障碍物。
3）优化制动距离。ABS应能够快速响应并适应路面特性的变化，使轮胎和路面之间的附着系数得到最大程度的利用，在物理学极限范围内，制动距离除少数特殊工况外应比未配备ABS的车辆短，如在湿滑路面上由于地面制动力需要不断适应轮胎与路面间的附着力，制动压力被调节处于较低水平而使制动距离比附着条件良好的路面稍有延长，在高速弯道ABS制动工况下，地面制动力也需要适当减小，以保证过弯所需的足够侧向力，制动距离也稍有延长。
1.ABS控制器硬件结构与液压原理
ABS控制器各供应商采用的结构设计及生产工艺各不相同，但总体构造是相同的，通常由液压控制单元（HCU）和电子控制单元（ECU）组成。其中液压控制单元由8个电磁阀（对于液压双回路4通道控制的ABS，每个车轮制动器受一对电磁阀即进液阀/出液阀控制）、铝合金阀体、柱塞泵和直流电机组成。图3-11所示为ABS控制器总成示意图。
图3-11 ABS控制器总成示意图
HCU是ABS液压调节的执行机构，最大工作压力通常定义为25MPa，通过制动硬管与制动主缸和4个车轮制动器轮缸连接。集成在HCU上的双回路液压柱塞泵由采用偏心轴设计的直流电机驱动，如图3-12所示。
图3-12 偏心轴示意图
柱塞泵的结构和工作原理如图3-13所示。柱塞泵主要由驱动柱塞泵运动的活塞、进液阀、出液阀和压缩腔组成。当电机驱动偏心轴运动到使活塞杆向伸张方向运动时，压缩腔容积增大，压力降低，此时柱塞泵的进液阀打开，出液阀由于制动主缸压力大于压缩腔压力处于关闭状态，制动液从低压蓄能器流入压缩腔，此时柱塞泵进行进液循环。当电机驱动偏心轴运动到使活塞杆向压缩方向运动时，压缩腔容积减小，压力升高，此时柱塞泵的压缩腔压力大于低压蓄能器压力，进液阀关闭，出液阀由于压缩腔压力大于制动主缸压力处于开启状态，制动液从压缩腔流入制动主缸，此时柱塞泵进行出液循环。
如图3-13所示，柱塞泵的工作行程h等于直流电机偏心轴偏心距e的2倍。过大的偏心距会导致柱塞泵在工作过程中振幅增大，噪声增大；而过小的偏心距在相同的液压流量下，要求的电机转速较高，从而会使电机在工作过程中产生高频振动噪声。所以电机偏心轴偏心距的大小要根据电机功率和液压流量要求进行匹配。
图3-13 柱塞泵的结构和工作原理
集成在HCU阀体内的电磁阀通过线圈与ECU耦合。每个控制通道布置一对电磁阀，包括一个带单向阀的进液阀和一个出液阀。进液阀在静止时处于打开状态，因此也称为常开阀；出液阀在静止时处于关闭状态，因此也称为常闭阀，如图3-14所示。
图3-14 ABS进液阀和出液阀
图3-15所示为制动系统采用X对角线型布置四轮独立控制的ABS控制器液压原理图。
ABS调节过程的增压—保压—减压阶段根据ECU发出的脉冲宽度调制（PWM）控制信号打开或关闭进液阀或出液阀，实现轮缸制动压力的脉动式调节。ABS压力调节如图3-16所示。
（1）增压阶段 ABS没有主动建立制动压力的能力，车轮只能靠驾驶人踩制动踏板通过制动主缸产生制动压力。在ABS功能介入之前，进液阀保持开启状态，出液阀保持关闭状态，制动主缸产生的制动压力直接通过进液阀传至轮缸，从而对车轮施加制动力。在ABS调节过程中，当轮速上升至超过最佳滑移率范围时，ECU向电磁阀发送增压指令的PWM信号，出液阀保持关闭，进液阀分多次短暂打开，使该轮制动压力脉动式增加。
（2）保压阶段 随制动踏板力增加，车轮的制动压力增加，车轮转速逐渐降低，当车轮出现抱死趋势时，进液阀关闭，制动器制动压力不再随制动踏板力继续增加。
（3）减压阶段 在保压阶段，如果轮速继续下降，制动滑移率增加至超出ABS调节门限时，ABS进入减压阶段。ECU对电磁阀发出降压指令，关闭进液阀，同时短暂打开出液阀以降低该轮制动压力，并根据车轮角加速度和滑移率下降趋势预测并控制出液阀打开时间，使制动压力降低，直到该车轮又开始加速。如果车轮未能如期出现加速趋势，则继续控制在减压阶段，如从沥青路面过渡到冰面的对接路面制动工况，路面附着系数出现由高到低的突变，则减压时间一直持续到车轮开始加速为止。
图3-15 ABS控制器液压原理图
MC1/MC2—制动主缸第一、第二回路 FREV/RLEV/RREV/FLEV—前右/后左/后右/前左进液阀
FRAV/RLAV/RRAV/FLAV—前右/后左/后右/前左出液阀
RFP1/RFP2—回流泵 A1/A2—低压蓄能器
上述三个阶段的增压—保压—减压过程在ABS调节过程中循环进行，每秒循环次数及循环顺序由ABS供应商的控制策略和路面特性决定。
图3-16 ABS压力调节
ECU是ABS的数据处理、计算和诊断机构，并作为通信接口通过CAN总线与其他控制器建立通信联系实现数据共享。
ECU的工作温度范围通常为-40～120℃。由于ECU与HCU组成的ABS控制器通常以总成形式布置在发动机，内其安装位置要求尽可能远离发动机热源，有风险时布置位置要求采用隔热罩进行保护。
2.ABS系统扩展功能
当ABS被越来越多地装备到车辆上时，ABS的高昂成本使开发者都在考虑基于ABS硬件系统是否可以为用户带来更多的附加价值，从而使ABS能够得到更好的推广。因此，一些基于ABS硬件系统的扩展功能被开发出来。
（1）扩展ABS
1）低速ABS。普通的ABS系统一般情况下在车速在8km/h以上时才会工作。低速ABS是ABS针对低速情况的再开发，可以使车辆的ABS系统在车速在5km/h以下时也能工作，不论前向行驶或者后向行驶都能保持车辆稳定性和转向性。
2）越野模式ABS。越野模式ABS功能是越野模式功能的一部分。在越野模式下，ABS允许车辆有更大的车轮滑移率，甚至短时的抱死，从而在砂石或者松软的路面上，在车轮前方和地面接触部分形成制动楔形，以缩短制动距离，如图3-17所示。
图3-17 常规与越野模式ABS功能
（2）电子制动力分配（EBD） 车辆在设计时，一般情况下前驱车辆前桥的载荷要大于后桥，并且在制动时后桥载荷会向前桥转移，因此在制动时车辆的后轮很容易先于前轮抱死。车辆制动时后轮先于前轮抱死会导致车辆不稳定和不可控制。为了避免这种情况发生，在车辆发展的前期通过安装机械式的制动比例阀来调节前后轮的制动力分配，但由于车辆在不同的载荷和驾驶工况下的制动力分配需求比较复杂，机械式的比例阀很难满足所有制动工况下的制动力分配需求，并且装备机械式比例阀的成本相对较高。
电子制动力分配（Electronic Brake force Distribution,EBD）是基于ABS控制器硬件的扩展功能，在制动时当后轮达到摩擦力的极限而前轮并没有进入ABS调节，此时激活EBD功能，通过建立合理的制动压力来避免后轮过度制动，并且根据道路的变化不断对后轮制动力进行优化调整，从而保证制动系统既能发挥最大的制动效能，又能避免制动力过大导致后轮先于前轮抱死而发生侧滑和甩尾。车轮的滑移率和ABS功能同样通过轮速传感器来确定。
（3）弯道制动控制（CBC） 弯道制动控制（Corner Brake Control, CBC）用于改善弯道制动的方向稳定性和转向操纵能力。CBC利用如下物理特性，即车辆的瞬时行驶状态决定了各个车轮特定的运动轨迹，该运动轨迹由轮速传感器识别并通过降低制动压力加以控制，以达到改善弯道行驶稳定性的目的。与车身电子稳定系统（ESP）不同的是，CBC需要驾驶人踩制动踏板，在尚未达到ABS介入门限前调节前轮或后轮制动压力，使车辆保持在相应车道内行驶。
当车辆在弯道中由于强制动导致转向不足时，CBC通过降低前轮的制动压力来提高前轴的侧向力传递能力，使车辆能保持在预定车道内。当车辆在弯道中由于强制动导致转向过度时，CBC通过降低弯道内侧的车轮制动压力而产生内外制动力差来使车辆保持平衡。
（4）发动机阻力矩控制（DTC） 发动机阻力矩控制（Drag Torque Control, DTC）是ABS/TCS的功能扩展。该功能也集成在ABS/TCS的控制软件中，仅通过CAN数据总线对发动机阻力矩进行控制。如果在低附着系数路面条件下行驶时突然松开加速踏板，或在发动机高转速下减档，将产生较大的发动机阻力矩，在不踩制动踏板的情况下也会对车辆产生制动作用，这种发动机制动作用会使驱动轮滑移率过高而导致车辆不稳定，在雨天或冰雪路面上行驶时，这种情况会经常发生。
DTC的作用是借助ABS轮速传感器对车轮滑移率进行识别，并借助CAN数据总线自动降低发动机阻力矩，也可理解为轻微“给油”，达到降低滑移率的目的来保证车辆的行驶稳定性。
（5）紧急制动提示（EBW） EBW由ABS软件根据车辆行驶数据（车速、加速度和时间）来识别紧急制动工况并发送触发指令，在车辆紧急制动满足一定条件时通过制动尾灯快闪，当制动强度降低直至车辆静止后自动开启危险报警闪光灯以警示后方车辆保持安全车距，当车辆重新加速达到一定加速度或起步超过一定车速（通常为10km/h）后解除。
紧急制动工况根据路面条件不同，识别方法也不同，高附着系数路面根据制动减速度大小及持续时间及当前车速识别，低附着系数路面根据ABS连续调节时间及当前车速识别。
（6）横摆力矩调节（YMR） 车辆在两侧路面附着系数不同的路面上制动时，车辆会受到较大的横摆力矩的影响，使得车辆发生侧滑，对于安全行驶非常不利。横摆力矩调节（Yaw Moment Reduction, YMR）通过传感器检测车辆横摆程度或者通过对路面附着系数的判断来确认车辆处于对开路面，当检测到对开路面时，通过单独控制高附着系数侧车轮，使其制动力缓慢增加，给予驾驶人足够的时间来修正车辆的行驶方向，从而提高车辆的稳定性。
YMR通过减缓制动压力的增加来提高车辆的稳定性，同时也会导致车辆制动距离的增加。