电控制动系统基础知识

一、电子制动与安全系统

电子制动与安全系统（Electronic Brake＆Safety Systems），其中包括人为施加制动触发的EBD和ABS功能，系统自动触发的ESP、TCS（ASR）、EDL（德EDS）、BAS等功能。这些电控制动技术并不一定要点亮刹车灯，只有在车速真实有下降时为警示后车才有必要点亮刹车灯，事实上，只有人为施加制动或ACC自适应巡航系统请示制动时，制动灯才有必要点亮。

二、电控制动系统简介

1.防抱死制动系统（ABS）

ABS是Anti-lock Braking System的缩写，称为防抱死制动系统。

没有安装ABS的汽车，在行驶中如果用力踩下制动踏板，车轮转速会急速降低，当制动力超过车轮与地面的摩擦力时，车轮就会被抱死，完全抱死的车轮会使轮胎与地面的附着系数降低，摩擦力下降。如果前轮被抱死，驾驶员将无法控制车辆的行驶方向；如果后轮被抱死，极容易出现侧滑现象。

装有ABS的汽车具有稳定的附着系数，因此具有转向功能，能绕过障碍物，避免碰撞，同时具有相对较短的制动距离和较好的制动稳定性（不侧滑、不甩尾）。为什么说是相对较短的制动距离呢？配有ABS的车辆在遇到较厚积雪路面或软沙地情况时，制动距离反而会有所增加，因为车轮抱死会形成制动楔形物，而配有ABS的汽车在车轮前部不能形成楔形物。轿车采用液压ABS已经十分普及，客车和货车采用气动ABS结构也越来越多。

应当注意的是，在遇到紧急情况制动时，装有ABS系统的汽车会有一些振脚，有时还会有声音，这时不能松开踏板，因为这表明ABS系统开始起作用了。

2.电子制动力分配（EBD）

EBD是Electronic Brakeforce Distribution的缩写，称为电子制动力分配，其作用相当于传统制动系统的感载比例阀。EBD是ABS系统的有效补充，当发生紧急制动时，EBD动作发生在ABS起作用之前，可依据车身的重量和路面条件，自动以前轮为基准去比较后轮轮胎的滑动率，如发觉此差异程度有必要调整，制动系统将会调整传至后轮的油压，以得到更平衡且更接近理想化的制动力分布。汽车在制动时，即使四只轮胎所附着的地面条件相同，其与地面的摩擦力也不同，由于惯性质量前移，后轮附着力降低，制动时稍转弯或地面稍有横向外力，后轮就易产生打滑而使车身倾斜不受驾驶员控制，冰雪路面制动时还可能发生甩尾调头的现象。为了有效避免这种现象，电子制动力分配装置应运而生，其作用是在汽车制动的瞬间，通过车轮的减速度计算得出不同的路面附着系数数值，使四只轮胎的制动装置根据不同的情况用不同的方式和力量制动，并在制动中不断调整，从而保证车辆的平稳、安全。

3.驱动防滑（TCS/ASR）

TCS是Traction Control System的缩写，即牵引力控制系统；ASR是Acceleration Slip Reg-ulation的缩写，即驱动防滑系统。两者是不同车型和不同年代的称呼，其本质目的都是防止驱动力大于地面附着力。比如在低附着系数路面，无经验的驾驶员在起步时用低挡，通常加大油门力图使车快速起步的方法会造成驱动轮打滑现象，行驶中也存在这种情况。这种情况下，不仅驱动困难，维持车辆起步行驶方向的稳定性也困难。

当制动ECU收到驱动车轮打滑的信号时，TCS/ASR首先会通过发动机控制电脑减小发动机点火提前角，再通过关闭电子节气门降低发动机进气量，从而在不改变发动机空燃比的条件下降低扭力输出，这样有利于排放（柴油汽车采用减少喷油量的方法），并从源头上降低牵引力。若车轮仍在惯性作用下转动，制动系统对打滑驱动轮施加制动，这样当车轮的驱动力降低到地面附着力以下（但大于阻力）时，驱动轮开始抓地行驶。有些在控制上，也可使变速箱维持较高的挡位，降低驱动力，进行中游控制。

4.电子差速锁（EDL）

EDL是Electronic Differential Locking的缩写，即电子差速系统（锁），德文为EDS。其功能是如果一侧的车轮打滑或者悬空时，差速器差速不差扭的特性会造成另一侧车轮完全没有动力，轮速传感器检测时，会通过电控制动系统对打滑一侧的车轮进行制动，从而使驱动力有效地作用到非打滑侧的车轮上，保证汽车平稳起步。EDS在车速低于40km/h时才会启动，主要是防止起步和低速时打滑，目前，只在一些高档车上才装置有EDS。

电子差速锁在对汽车的加速打滑进行控制时，不对发动机管理系统进行干预。

5.发动机制动控制（EBC）

EBC是Engine Brake Control的缩写，即发动机制动控制，德文为MSR。其作用是在加速踏板突然松开或者带着挡位施加制动力时，为防止因发动机制动效果而产生驱动轮抱死，控制发动机电子节气门适当增大以增加发动机动力，或通过变速器升挡方法来降低发动机制动效果。

6.电子稳定程序（ESP）

ESP是Electronic Stability Program的缩写，称为电子稳定程序。在车辆高速转弯时，车身出现不足转向和过度转向时，通过对四个车轮中的部分车轮制动来实现车身稳定。丰田将其缩写为VSC（Vehicle Stability Control，车辆稳定控制），马自达和尼桑将其缩写为DSC （Dynamic Stability Control，动态稳定控制）。

7.制动辅助系统（BAS）

BAS是Brake Assistance System的缩写，称为制动辅助系统。由于许多驾驶员在紧急情况下迅速制动，但踩制动踏板的力量和踏板行程不足，使制动距离较长，有可能导致碰撞事故。制动辅助系统（BAS）能在紧急制动情况下，确保立即产生最大的制动助力效果，以增加管路液压压强从而使制动距离显著减小。

三、制动系统基础知识

1.卡姆摩擦圆

底盘电子控制系统应保证汽车在制动、加速和转弯时的安全控制。汽车每一种运动或运动中的变化都是由车轮所受的力引起的。这些力包括以下几种：

（1）作为驱动力或制动力的纵向力（也称圆圈切向力），它们作用在轮胎的纵向方向。

（2）横向力，由转向或外部干扰（如横向风）产生的力。

（3）由汽车质量引起的正压力，它垂直作用在路面上。

这些力的大小取决于路面、轮胎状况和类型、天气条件等。

轮胎与路面之间可传递的力是由摩擦力确定的。最佳的力的传递只能根据轮胎与路面之间静摩擦的大小进行。底盘电子控制系统能较好地利用这种静摩擦。

纵向力通过静摩擦作为驱动力（FM）或制动力（FB）传递给路面，其大小等于正压力FN乘以摩擦系数μF（μ冰＝0.1，μ干沥青＝0.9，μ冰为冰雪路面摩擦系数，μ干沥青为干燥路面摩擦系数）。最大驱动力Fmax和制动力FB都等于FN×μF。

摩擦系数脚（抓地值）由以下因素决定：材料副、轮胎与路面、天气。

卡姆摩擦圆如图5-1所示。最大可传递给路面的力（Fmax＝FN×μF）被表示为一个圆（卡姆摩擦圆）。对稳定行驶情况来说，纵向力FU和横向力FS产生的合力FRes必须位于卡姆摩擦圆以内，因而FRes小于Fmax。

如果纵向力FU由于车轮抱死滑转而达到最大值，则横向力FS不能被传递，因而汽车不再能稳定操纵。

如果以最大转弯速度转弯时，横向力FS达到其最大值，则不能对汽车进行制动或加速，否则会使汽车后轮侧滑。

图5-1 作用在车轮上的力，卡姆摩擦圆

利用车轮与路面之间的附着力，汽车的车轮能够传递纵向力FU（驱动力或制动力）和横向力FS，所能传递的两个力的大小取决于正压力（车轮负荷）和附着系数。

图5-1所示的卡姆摩擦圆给出了这种边界条件。这样得到的FResmax就是在静摩擦条件下轮胎能够传递的最大作用力，此力可以分为两个分力：纵向力（如制动时产生的制动力FU）和横向力（如转弯时产生的横向力FS）。当纵向力达到最大极限值时，车轮就转向了。例如轮胎对地面的压力和附着系数的乘积为5000N（即FRes＝5000N），如果车轮在制动期间抱死，（力FU的方向向后，而起步时滑转，FU的方向向前。正常行驶时纵向力驱动力FU为4000N，则横向转向力为FS＝3000N，可以转向。一种情况是，制动时若驾驶员将制动踏板踩死，当车轮与路面之间发生纯滑动摩擦，制动力最大可达5000N，在这种情况下，没有横向力（横向力为零）传给路面，汽车失去转向能力；另一种情况经常发生在汽车起步时，驾驶员在起步时用低挡大油门加速，车轮因驱动力大于地面附着能力，这时车轮原地滑转不能行驶，更不能转向。

［完成任务］适当控制轮胎滑动和滚动的比例将控制轮胎的抓地能力，从而提高汽车驱动能力、制动能力、转向能力和提高汽车稳定性。

2.车轮滑移率和横纵向附着力

1）制动时的滑移率

如图5-2所示，当轮胎滚动时，会产生弹性变形和打滑。如果滚动周长为2m的车轮被制动，滚动1圈所行驶的距离仅为1.8m，那么，轮胎周长与制动距离之间的差为0.2m，即相当于有10％的打滑。

如果车轮被驱动时处于抱死或滑转状态，则打滑为100％。轮胎与路面之间力的无打滑传递是不可能的，因为轮胎不能充分抓住地面，所以，驱动或制动时总是要有一点打滑。

图5-2 车轮制动时的滑移率

2）横纵向附着力

汽车直线向前行驶时，车轮驱动力/制动力、横向力与滑移率之间的关系如图5-3所示。在滑移率较小时，制动力会急剧增加至最大值，当滑移率继续增加时，制动力又会下降一些。驱动力或制动力曲线轨迹和最大值取决于轮胎与路面的摩擦系数。

驱动力或制动力最大值位于8％～35％滑移率之间。曲线的第一个区域叫作稳定区域，在此区域车轮保持稳定行驶和转向。这是车轮具有最好的力传递的区域，因此电子控制系统应工作在这个范围内。当滑移率较大时，横向力会显著减小，因此汽车的方向可能会无法控制，并且行驶特性不再稳定。而汽车的控制系统能使稳定区域得到保持。

由于在这个过程中人为的脚制动力逐渐增加，超过ABS工作下限值时，对应于车轮的出液阀关闭，相对应的分缸工作压力增加，车轮趋于抱死；当车ABS工作时的滑移率超过上限值时，进液阀也关闭，此时进入车轮保压。此时有两种情况可能发生，滑移率再次超过上限值或滑移率低于下限值，若再次超过上限值则打开进液阀，若低于下限值则出液阀打开泄压。总之是要把车轮的滑移率控制在下限值（比如10％）和上限值（比如30％）之间，让轮胎更好地与地面进行滑动摩擦，事实上只有更好地抓住地才能更好地摩擦。

图5-3 车轮驱动力/制动力、横向力和滑移率的关系

汽车制动滑移率和制动减速度是同方向变化的两个量，在ABS软件中采集车轮转速进入ABSECU后，软件利用上一时刻和下一时刻的车轮转速变化换算出车轮的制动减速度，这样就可利用轮速传感器对相应的车轮进行滑移率控制了。

［完成任务］在图5-3中车轮驱动力/制动力、横向力和滑移率的关系中，当车轮滑移率超过上限35％时应如何控制？__________。当车轮滑移率低于下限8％时应如何控制？__________。

四、两种车轮转速传感器

目前车轮转速传感器常用的有两种类型，一种是磁感应型，另一种是霍尔型。

1.两线磁感应型转速传感器

两线磁感应型转速传感器结构为永磁体外部缠绕有线圈，信号轮转动导致通过线圈的磁通量发生改变，在线圈内产生近似正弦的交流电压。

传感头吸有铁屑和信号轮不完整或生锈是常见故障。由于工艺的进步，传感头和信号轮的间隙不准故障很少见到。

磁感应型转速传感器如图5-4所示。

图5-4 磁感应型转速传感器

［完成任务］调节示波器的幅值为1V/div，时基为5ms/div，车轮转速为60r/min，测量磁感应式车轮传感器波形，并画出来。

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2.霍尔型传感器

霍尔型传感器采用两线有源电流型传感器（图5-5），传感器内部共有两个这样的传感器。这样的传感器不仅能测量转速，还能判别车轮的转动方向。

图5-5 有源电流型传感器

［完成任务］调节示波器的幅值为1V/div，时基为5ms/div，，分别以车轮转速为60r/min和120r/min转动车轮，测量两线霍尔型车轮传感器波形，并画出来。

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五、方向盘转角传感器

如图5-6所示为丰田汽车转向角传感器，方向盘转向角传感器在电动转向章节中详细讲过，这里不再赘述。

六、偏移率传感器

如图5-7所示，减速度传感器安装在偏移率传感器中，用于检测偏移率和侧向加速度，并将此信号发送到制动防滑控制ECU中。

图5-6 丰田汽车转向角传感器

图5-7 丰田汽车偏移率传感器

如图5-8所示，德国大陆公司的横摆率传感器可以在三个轴向上进行横摆角速度和加速度测量。

维修更换偏移率传感器或制动防滑控制ECU后，制动防滑控制ECU侧的减速度传感器和偏移率传感器必须进行初始化。

图5-8 Lateral（横向）、Long（纵向）、Yawrate（转动率）三轴式传感器

七、电控制动系统的其他功能扩展

早期电控制动系统的软件功能多与制动有关，但近年来增加了许多与制动无关的软件，进一步扩展了电控制动系统的功能。例如德国大陆集团汽车制动系统ABSMK70M和ESC MK60/25E系统性能如下：

（1）ABS（Antilock Brake System）防抱死制动系统是ESCMK70M和MK60/25E的标配；

（2）EBD（Electronic Brake Force Distribution）电子制动力分配是ESC MK70M和MK60/25E的标配；

注：ABS和EBD是最基本的功能。

（3）TCS（Traction Control System）牵引力控制系统是MK60/25E的标配；

（4）ESC（Electronic Stability Control）电子稳定控制是MK60/25E的标配；

（5）E-TCS（Engine Traction Control）发动机干预牵引力控制系统为ESC MK70M可选；

（6）EDC（Engine Drag Control）发动机拖滞力矩控制系统是MK60/25E的标配；

（7）ABS Plus方向回正稳定性控制是ESC MK70M和MK60/25E的标配；

注：TCS、ESC、E-TCS、EDC、ABS Plus以上五项是常见的功能。

（8）HBA（Hydraulic Brake Assist）液压紧急制动系统是MK60/25E的标配；

（9）FBS（Fading Brake Support）制动衰退补偿是MK60/25E可选；

（10）TSA（Trailer Stability Assist）拖车稳定性辅助是MK60/25E可选；

（11）ARP（Active Rollover Protection）主动防侧翻系统是MK60/25E可选；

（12）DSR（Drive Steering Recommendation Steering torque overlay with EPS）前轮主动转向，针对电动转向系统，是MK60/25E可选；

（13）Cold Start/Booster Performance/Booster Failure-Support冷起动/助推器性能/助力失效支持是MK60/25E可选；

（14）RAB（Ready Alert Brake）制动预警是MK60/25E可选；

（15）DDS（Deflation Detection System）胎压检测系统是ESC MK70M及MK60/25E可选；

（16）HSA（Hill Start Assist）坡路起步辅助是MK60/25E可选；

（17）ACC（Adaptive Cruise Control）自适应巡航系统是MK60/25E可选。

ABSMK70M的特点：

（1）适用于小型及中级车，采用数字阀技术；

（2）系统软件标配有防抱死制动系统（ABS）、电子制动力分配功能（EBD），可选装牵引力控制（E－TCS）、胎压监测功能（DDS）。

（3）MK70MABS ECU特点是26针连接器，集成了泵电机连接器，泵电机驱动器集成在ECU内，电磁阀驱动器对8个电磁阀进行通电和断电控制。主/被动轮速传感器接口，ECU集成了CAN收发器，按照客户需要可具备轮速信号脉冲输出功能，支持客户化的数字输入、输出功能。

MK60E适用于小型及中级车，MK25E适用于高档车，系统具有高舒适性、平稳的压力调节、最小的制动踏板抖动、低噪声、可以将压力传感器集成到电子控制单元内等优点。

ESC MK60/25E（Mk25E）的特点：

（1）电子稳定性程序使用模拟阀技术；

（2）软件基本功能支持防抱死制动系统、牵引力控制系统、电子稳定性程序；其他功能包括紧急助力、制动衰退补偿、主动防侧翻、拖车稳定性辅助系统、前轮主动转向、制动预警、胎压检测；舒适性功能及驾驶员辅助系统功能包括坡道起步辅助系统和自适应巡航控制系统；

（3）Mk60/25E ABS ECU特点是采用47针连接器，集成化的泵电机连接器，泵电机驱动器集成在ECU内，12个阀驱动器，其中4个模拟阀，8个数字阀，主/被动轮速传感器（主动式转速传感器区别于传统的转速传感器不仅有测量转速功能，而且有带有前行/后退的方向识别功能）接口。CAN收发器集成在ECU内。集成化的压力传感器信号输入端口，集成化的组合传感器（可选），速度信号脉冲输出是可能的。支持客户化的数字输入、输出功能。Mk25EL的特点：

（1）Mk25为结构系列的名称，EL系列采用线性切换阀作为转换阀（2个）和进液阀（4个）；同时液压控制单元内部有一个集成式的压力传感器。

（2）其ESP系统特点：泵和阀有两个30号线接头；15号线只用于唤醒功能，不用于供电；无控制单元续动（继续工作）功能，主要是没必要有这个功能，因为无电子驻车EPB；主动制动助力器配备有制动灯截止继电器，当真空助力器膜片向后拉制动踏板时，这时制动灯不工作。车轮转速传感器确定转速，并能识别前行和后退以及安装位置识别；另有纵向加速度传感器用于精确识别车辆的减速，不采用Bosch公司那样的模拟计算；在GRA（巡航）或ACC（自适应巡航）工作状态采用独立的接口来控制制动灯（可靠性验证功能：只当出现CAN－信号和独立线上的信号时，制动灯才亮）；可通过VAS－检测仪来刷新升级。

目前电控制动系统软件新功能一般如下：

（1）制动保护（仅指带有自适应巡航装置的车）：该功能会在与前面车辆有碰撞危险时主动给驾驶员发出警告，预警时通过仪表声音和仪表中央显示屏的特定图形指示，另外紧急报警时，可通过快速压力建立来提供制动压力。

注：在售后维修中，若行驶过程中进行制动保护功能检查，则有发生事故的危险。

（2）越野（offroad）模式：根据车速来优化ESP-/ASR/EDS/ABS的接合情况，从而达到改善牵引状况和在松软路面上的制动过程的目的。此功能通过短促按压ESP按键（＜3s），驾驶员信息系统的显示屏上显示“offroad”（越野）字样，黄色的ESP指示灯亮起。

激活越野（offroad）模式后系统发生如下控制：

①为了使EDS提前开始工作，使用ESP，ASR，ABS控制的滑移率下限值升高；滑移率下限值不是一成不变的，而是根据车速来提高，约80km/h以上时，系统的状态就与“正常模式”相同。有的越野模式中无法通过按压ESP按键来关闭ESP。

②越野时拖车，为了防止拖车造成的误报警，系统关闭ESP功能。

③在上坡路上如果发生溜车，ABS的电子制动力分配系统会给前轮多一些制动力，后轮则少一些制动力；但若在上坡路上不想上坡行驶，挂入倒挡想倒回坡底时，ABS会给后轴更多的制动力，给前轴少一些制动力。

④下坡行驶辅助功能也叫下坡缓降功能：在下坡车速低于20km/h，而坡度在10％～15％时，ESP系统对车轮自动制动，保证在陡坡和光滑下坡时的恒速行驶功能。

⑤ESP系统会根据车速选择进行最佳牵引力和最佳稳定性控制（车速大于80km/h）。

注：在越野（offroad）模式激活后，仪表有指示灯显示以及文字说明。

（3）挂车稳定性控制：如果挂车趋于振动和摆动，那么前桥的两个制动器就会交替进行制动，以使挂车稳定下来。如果振动越来越大（振动激励），那么车上所有制动器都会以约2g的减速度进行制动，同时发动机扭矩也被降低，于是车速就降下来了，这就可使车辆脱离危险的车速范围。在制动过程中制动灯亮起，ESP指示灯会闪烁。

注：在售后维修中，挂车识别在行驶过程中进行功能检查有发生事故的危险。

（4）防滚翻稳定装置：当横向加速度达到约0.6g（g＝9.8），进入有侧翻危险的极限范围内，可通过降低横向加速度来使车辆稳定下来。这个过程是通过降低发动机扭矩，并在前桥上强有力的制动来实现的。尽管司机并没有感觉到有什么危险状况，但司机能注意到这个调节过程。在这个调节过程中，ESP指示灯会闪烁。

制动压力的建立是通过主动制动助力器的工作来实现的，并通过ESP来实现主动压力建立。通过主动制动助力器可以在ESP回流泵的吸油一侧快速建立起压力，因而可以通过ESP来实现快速提升制动压力。

注：售后维修时，在行驶过程中进行功能检查，但注意，有发生事故的危险。

（5）制动器性能防衰退（FBS）：由于摩擦衬块（制动蹄片）和制动盘之间的摩擦系数降低，制动效果变差，但可以通过回油泵建立压力来补偿制动力的损失。这个补偿过程出现在测得的制动压力很大，但没有明显的车轮制动效果时。

注：售后维修时，在行驶过程中进行功能检查会有非常不舒适的制动。

（6）制动盘清洗：当车速信号＞50km/h且CAN-总线上有风窗刮水器指令时（包括间歇工作模式），大约每行驶3km，就会启动一次回油泵，该泵会将0.8～1.2bar的压力作用到前轮制动块上，压力作用时间长约8s，这样做的目的是去掉制动盘上的水膜。这个功能不显示给驾驶员看。在每次操纵制动器时会重新启动功能间隔。在售后服务中可以通过测量数据块来检查这项功能。

注：会有制动盘清洗记录在测量数据块内。

应急制动信号：当以很大的减速度制动时或在ABS调节范围内制动时，危险警报灯会被激活。激活该功能时，通过ESP来区别车辆在公路上行驶时的摩擦系数是高还是低。

注：售后维修时，在行驶过程中进行功能检查，但注意，有发生事故的危险。

采用主动式真空制动助力器后，虽然驾驶员没有主动去施加制动，车上的制动灯也会自动点亮，这是正常现象，刹车灯不仅以刹车开关闭合为标准，也以车轮是否真的施加了制动为标准。因为启用主动式制动助力器的电磁阀后，可以使制动踏板在驾驶员不操作的情况产生少许位移，由此便可以控制刹车灯开关。发动机控制单元会读取刹车灯开关的变化信息，随后授权舒适/便捷系统的中央控制单元J393对刹车灯进行控制。舒适控制单元可以同时接收来自独立导线的刹车灯开关信号。如果出现CAN信息或独立信号，J393就会对刹车灯加以控制。

但在制动调节干预时，制动助力器也会受到控制，但刹车灯不应受到控制。在这些情况下，继电器会抑制独立信号的发送。ESP控制单元会为此切换继电器，并通知发动机控制单元不要对刹车灯进行控制。

售后服务范围：控制单元编码的功能内容得到扩展；安全气囊控制单元增加了编码内容（与A6上的wie Bosch8.0一样）；制动灯可进行执行元件诊断；新的测量值；有关转速传感器的故障在清除故障存储后要试车；无法单独更换控制单元。

注：控制单元编码依据制动装置（前驱、后驱、四驱）、发动机类型（排量、汽/柴油）、底盘类型（自适应悬架、标准底盘、舒适底盘、运动底盘）三者的不同而不同。