1.1 汽车制动防抱死控制系统概述
驾车经验告诉我们，行车时若紧急踏下制动踏板，车轮可能会在车辆停止前抱死。在这种情况下，若前轮抱死则汽车的操纵性能会降低，若后轮抱死则汽车的稳定性便会降低，从而可能导致汽车行车事故的出现。这些现象的产生，均源自于制动过程中车轮的抱死。汽车防抱死制动装置就是为了消除在紧急制动过程中出现的上述不稳定因素，避免出现由此引发的各种危险状况而专门设置的制动压力调节系统。
汽车制动过程分析：汽车在水平路面上制动时汽车的受力包括：汽车的重力G，前后轮上作用的地面支承力FZ1和FZ2，汽车制动时的减速惯性力Fj，地面作用在车轮边缘上的摩擦力Fxb1和Fxb2。汽车制动减速过程实际上就是汽车在行驶方向上受到地面制动力Fxb而改变运动状态的过程。制动效果的好坏完全取决于这种外界制动力的大小及其所具有的特性。
由于地面制动力是地面与轮胎之间的摩擦力，因此，它具有一般摩擦力的特性，即汽车减速度较小时，地面摩擦力未达到极限值，它可随所需惯性力增加而增加；汽车减速度达到一定数值后，地面摩擦力达到其极限值，以后便不再增大。按照摩擦的物理特性可知，此时
式中 Fxbmax——地面制动力（摩擦力）的最大值；
FZ——作用在车轮上的法向载荷；
ϕ——摩擦系数（通常称为附着系数）。
由此可以看出，在汽车紧急制动情况下，若欲提高制动效能，即缩短制动距离或增大制动减速度，必须设法增大Fxbmax。为此，可以采取两条途径：一方面，可以通过提高汽车的正压力FZ来增大Fxbmax；另一方面，也可以通过提高摩擦系数ϕ而使Fxbmax得以提高。考虑到汽车具体使用情况，后一种途径更具有实际意义。
大量试验证明，轮胎与路面之间的附着系数主要受到三方面要素影响：路面的类型、状况；轮胎的结构类型、花纹、气压和材料；车轮的运动方式和车速。
通过观察汽车制动过程中车轮与地面接触痕迹的变化（图1-1），可知制动车轮的运动方式一般均经历了三个变化阶段，即开始的纯滚动、随后的边滚边滑和后期的纯滑动。
图1-1 汽车制动过程中车轮与地面接触痕迹的变化
为能够定量地描述上述三种不同的车轮运动状态，即对车轮运动的滑动和滚动成分在比例上加以量化和区分，便定义了车轮滑转率
式中 S——车轮滑转率；
v——车速；
r——车轮半径；
ω——车轮角速度。
按照上述定义可知，车轮运动特征可由滑转率的大小来表达，即：车轮纯滑动时S=100%，车轮纯滚动时S=0%，而当车轮处于边滚边滑的状态时0%<S<100%。试验所获得的车轮与地面摩擦系数随车轮运动状态不同而变化的规律如图1-2所示，可以看出，车轮纵向附着系数（又称制动力系数）随车轮滑动成分的增加呈先上升后下降的趋势，附着系数最大值（亦称峰值附着系数）一般出现在滑转率S=15%～25%之间，滑转率S达到100%车轮抱死时的附着系数（也称滑动附着系数）φs小于峰值附着系数φp。一般情况下，（φp-φs）随道路状况的恶化而增大，即滑动附着系数φs会远远低于φp。同时，当S=100%时，车轮的横向附着系数（又称横向力系数）趋近于0，这时，车轮无法获得地面横向摩擦力。若这种情况出现在前轮上，通常发生侧滑的程度不甚严重，但是此时前轮无法获得地面侧向摩擦力，导致转向能力丧失；若这种状况出现在后轮上，则会导致后轮抱死，此时，后轴极易产生剧烈的侧滑，使汽车处于危险的失控状态。综上所述，理想制动系统的特性应当是：当汽车制动时，将车轮滑转率S控制在峰值系数滑转率（S=20%）附近，这样既能使汽车获得较高的制动效能，又可保证它在制动时的方向稳定性。
图1-2 附着系数与滑转率关系图
从ABS出现到今天在汽车上广泛应用，已经历了半个多世纪的发展过程。至今为止，ABS的整体结构已日渐趋于成熟，今后的发展将集中体现在以下几个方面：
1）实时跟踪路面特性变化，采用更加有效的控制方法，实现真正意义上优化控制。
2）提高关键元件的指标和可靠性，消除系统控制过程的不平滑、易振动、噪声大的缺陷。
3）由单一ABS控制目标转向多目标综合控制，全面提高汽车整体动力学水平。
4）进一步降低系统装车成本。
1.1.1 汽车制动防抱死控制系统的基本组成
图1-3 ABS的基本组成
一般来说，带有ABS的汽车制动系统，由基本制动系统和制动力调节系统两部分组成，前者是由制动主缸、制动轮缸和制动管路等构成的普通制动系统，用来实现汽车的常规制动；而后者是由传感器、控制器、执行器等组成的压力调节控制系统（图1-3）。制动中车轮趋于抱死时，ABS中的ECU才控制制动压力调节器对制动压力进行调节；ABS工作时的汽车车速必须大于5～8km/h（我国一般在15km/h），若小于该车速，ABS不工作，制动时车轮仍可能抱死；常规制动系统出故障时，ABS随之失去控制作用；ABS出故障时，将自动关闭该系统，同时点亮ABS警告灯，但常规制动系统仍可正常工作。在制动压力调节系统中，传感器承担感受汽车行驶状态参数，将运动的物理量转换成电信号的任务。控制器即电子控制装置（ECU）根据传感器信号及其内部存储信号，经过计算、比较和判断后，向执行器发出控制指令，同时监控系统的工作状况。而执行器（制动压力调节器）则根据ECU的指令，依靠由电磁阀及相应的液压控制阀组成的液压调节系统对制动系统实施增压、保压或减压的操作，让车轮始终处于理想的运动状态。ABS系统组件在车上的安装位置如图1-4所示。
图1-4 ABS系统组件在车上的安装位置
1—ABS控制器 2—制动主缸和真空助力器 3—自诊断插口 4—ABS警告灯 5—制动警告灯 6—后轮转速传感器 7—制动灯开关 8—前轮转速传感器
1.1.2 汽车制动防抱死控制系统的基本功能
1）缩短制动距离。车辆的制动距离主要取决于制动过程中的平均减速度，如果车辆能够充分地利用各个车轮的最大纵向附着力进行制动，车辆就能够在最短的距离内制动停车。因此，充分利用车轮的最大附着力进行制动是缩短制动距离的关键，特别是前轮的附着力。这是由于前轮的附着力通常约占车辆全部附着力的70%～80%。在湿滑的路面上，制动距离的缩短尤为显著。
2）在汽车制动过程中，自动调节车轮的制动力，防止车轮抱死滑移，从而提高方向稳定性、增强转向控制能力，减少交通事故。
3）防止车辆转向制动时因转向内外轮横向附着力差所造成的侧滑。如果转向轮的横向附着力不足以提供车辆转向所需的横向作用力，此时，即使转向车轮已经发生了偏转侧滑，车辆也不会按预期的方向行驶，车辆也就丧失了转向操纵能力。而转向内外轮在其旋转平面内所受的作用力不平衡也造成车辆转向制动侧滑。对于装有ABS的车辆，在转向制动过程中，不会因转向车轮抱死使得横向附着力不足而产生侧滑。
4）改善了轮胎的磨损状态。事实上，车轮抱死会加剧轮胎磨损，而且使轮胎胎面磨耗不均匀。经测定，在汽车的使用寿命内，将紧急制动时车轮抱死所造成的轮胎磨损而引起的花费进行累加，已大大超过一套ABS的造价。因此，装用ABS具有一定的经济效益。
5）减轻制动踏板踩下时的力，提升制动辅助效果，驾驶人也没有必要用一连串的点制动方式进行制动，ABS会使制动状态保持在最佳点。
1.1.3 汽车制动防抱死控制系统的分类
目前，汽车上使用的ABS有许多不同的结构形式，可以按以下方式进行分类：
1.按ECU所依据的控制参数不同分类
（1）以车轮滑转率为控制参数的ABS ECU根据车速和车轮转速传感器的信号计算车轮的滑转率，作为控制制动力的依据。当计算的滑转率超出设定值时，ECU就会输出减小制动力信号，通过制动压力调节器减小制动压力，使车轮不被完全抱死；当滑转率低于设定值时，ECU输出增大制动力信号，制动压力调节器使制动力增大。通过这样不断地调整制动压力，控制车轮的滑转率在设定的最佳范围内。这种直接以滑转率为控制参数的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。已有用多普勒（Doppler）雷达测量车速的ABS，但到目前为止，此类ABS应用还很少。
（2）以车轮角加速度为控制参数的ABS ECU根据车轮的转速传感器信号计算车轮角加速度，作为控制制动力的依据。制动时，当车轮角减速度达到设定值时，ECU输出减小制动力信号；当车轮转速升高至角加速度设定值，ECU输出增加制动力信号。如此不断地调整制动压力，使车轮不被抱死，处于边滚边滑的状态。目前汽车上使用的ABS基本上都是此种形式。
2.按制动压力调节器的结构分类
按制动压力调节器的结构不同可分为机械柱塞式ABS和电磁阀式ABS。目前，电磁阀式制动压力调节器的ABS系统较为多见。
3.按功能和布置形式分类
按功能和布置形式不同可分为后轮ABS和四轮ABS。现代汽车基本上都采用了四轮防抱死制动系统。
4.按主要生产厂家分类
按主要生产厂家分类，有德国的博世（Bosch）ABS、戴维斯（Teves）ABS、美国的邦迪克斯（Bendix）ABS、美国的达科（Delco）ABS、日本的OEM ABS。在这些系统中，Bosch及Teves是被广泛应用的，且均由德国设计制造生产。而美国制造生产的Bendix ABS又可根据液压总成中的电磁阀进行分类。
5.按控制通道数目分类
按控制通道数目可分为四通道式、三通道式、二通道式和单通道式，如图1-5所示。
6.按制动力系统结构分类
（1）整体式ABS其结构特点是将制动总泵与蓄能器、液压阀等组合成一体，并且可以看到一只黑色圆球状的蓄能器，没有真空辅助液压元件，这种ABS结构应用较广泛。
（2）分离式ABS分离式ABS的制动总泵与液压阀没有装合在一起，且其制动总泵及真空辅助液压元件仍采用传统式结构，没有黑色球状的蓄能器。
（3）真空式ABS其特点是只控制后轮，并采用真空液压控制机构。
分离式ABS及真空式ABS也可统称为非整体式ABS。
图1-5 ABS控制通道和传感器数