ABS 防抱死系统到底在紧急制动时起什么作用?
防止打滑失控。
再看ABS原理策略始末
1 轮胎滑移现象
轮胎在车轮路面接触面上的纵向力受到可用牵引力的限制。
对轮胎来说,要施加一个纵向力,则轮胎必定有纵向的滑移,即轮胎的实际角速度必然不等于(制动时小于,驱动时大于)纯滚动时的角速度。
轮胎滑移所带来的问题不仅仅是导致纵向力下降,而且还会严重影响到操纵性以及车辆本身的稳定性。
当纵向牵引力提高时,轮胎提供转向的能力下降,当达到牵引力的约束条件时,轮胎施加在地面上的力与螺纹带和地面之间的相对速度的方向相同。在这样的条件下,轮胎的侧偏刚度几乎完全消失,车轮丧失提供转向的能力。如果后轮抱死车轮,会车辆会变得不稳定,而前轮抱死会导致车辆无法控制,只能沿着直线轨迹前进。
2 打滑原理
如前所述,对轮胎来说,要施加一个纵向力,则轮胎必定有纵向的滑移,即轮胎的角速度必然不等于(制动时小于,驱动时大于)纯滚动时的角速度。
纵向滑移定义为,

其中,v代表轮胎在地面上的平均滑移速度。
纵向力,更准确的来说是纵向力系数,

如下图所示的纵向滑移非线性相关。其中假设纵向力和纵向滑移在制动时间时均为负值,驱动时均为正值。

轮胎的不稳定工作时,一旦牵引力达到峰值,随后不但牵引力会下降,而且在制动时车轮趋向于抱死,在驱动时车轮趋向于一直加速直到完全打滑。
一个自由转动的车轮,在制动时的运动方程为,

其中作用于轮胎上的驱动力矩 等于车轮-路面接触面的纵向力
,乘以承载半径
。
如果 在滑移增加时降低,那么车轮的任何减速以及与之相应的滑移增加,都将导致纵向力的降低,以及车轮进一步减速滑移,进一步增加。如果驾驶人不松开制动踏板,降低制动力矩的话,车轮就会抱死。与此相似,驱动轮则会持续加速,直到完全打滑。
3 ABS系统的重要性
在传统车辆中,驾驶人要了解车辆的状态、控制制动力使其不超过最大牵引力状态,能够帮助驾驶人完成这项任务的装置其实用价值显而易见,这种装置能将车轮滑移限制在可控范围内,防止超过最大牵引力状态。
实际上轮胎的纵向滑移很难测量,因为这需要同时测量车轮角速度(比较简单)以及车辆的速度(比较复杂)。
4 汽车ABS变迁史
最早投入使用的这类装置是飞机上的防抱死系统(ABS),用于在降落和终止起飞的时候进行制动。
这种装置仅测量机轮的速度,并计算其导数。
速度快速下降说明抱死即将发生。发生这种情况时,装置会直接降低液压制动系统中的压力,以此减小制动力矩。机轮随后会回到接近纯滚动的速度,系统停止干预。其后再次进行制动,使得抱死条件可能再度发生。接着ABS重新进行干预制动,动作如前。
ABS实时介入,纵向力系数保持在接近最大值的水平。

以这种方法控制制动无法取得如下曲线附着力系数最大值那样高的牵引力,但却能防止车轮抱死并能维持较好的侧向力和侧偏刚度。

在汽车领域,ABS最早应用在拖车上,这是由于驾驶人难以了解拖车的制动状态,之后ABS应用在工程车辆和豪华轿车上。目前在售的绝大多数小型汽车都装配了ABS。
虽然防抱死系统的控制逻辑依然主要建立在测量车轮速度和计算其减速度的基础上,但也经历了不断的发展。
不过,虽然这一方法对于非驱动轮来说足够用,但在驱动轮上事情要复杂的多。
在驱动轮上不但要考虑车轮的惯量,还要考虑发动机和变速器的惯量。
此外,第二节公式中的 值(取决于传动比)也要高很多。
在最高挡位上车轮惯量会明显增加200%或300%,在最低挡位上惯量则会增加一到二个数量级。
车轮在这种条件下的减速度可能也要同时取决于发动机的制动力矩和加速踏板位置。

评估滑移很重要,但如前所述,也需要在不依赖车轮速度的情况下,对车辆速度进行测量,这就要用到复杂且昂贵的设备。
ABS的控制,可以使用多种不同的策略,有时候能应用的不止一种,通过精确测量所有车轮的速度,以及在可能的情况下测量车辆的纵向加速度,可以定义出一个参考速度。取车轮速度的平均值,可以求出可靠的参考速度,直到车轮的快速减速显示出纵向滑移开始增加的迹象。
及时求出车辆加速度的积分,可以更新速度值,从而获取对滑移情况的更准确估算。
在这一点上,可以使用不同的参考速度定义和不同的算法来对其进行运算;也可以对不同的轴使用不同的定义;这样能获得所需的性能。可以引入适合的修正,从而将不同的因数纳入计算,例如道路不平度(可以通过车轮减速度的震荡来探测)。
5 ABS控制策略
防抱死系统如何作用于不同的车轮对于稳定性有很大影响。
比较老的系统是简单的双通道装置,一并控制同一轴上的两个车轮,对一个轴的控制可以遵循两种完全不同的策略进行。这两种策略通常称为“选择高”和“选择低”。
在前者的情况下,如果两个车轮处于不同的状态,则决定系统动作的是状态最好的车轮。
换言之,ABS装置允许状态较差的车轮打滑,只有在状态最好的车轮也开始打滑的时候才会降低制动系统压力。
“选择高”策略允许利用状态最好的车轮施加一个较大的力,而其他车轮则在接近打滑的状态下工作。 制动力比另一种策略要高出很多,但车轴会产生一个横摆力矩,而且可能会比较大。车轴产生转向力的能力受到了影响,这是因为状态最差的车轮的侧偏刚度会消失,而另一个车轮的侧偏刚度由于较大的纵向力也会受到减弱。
而第二种策略“选择低”则是在状态最差的车轮到达临界情况的时候,就开始降低制动压力。
后一种策略确保两个车轮施加相同的纵向力,从而防止产生横摆力矩。但这种策略会使得当所有车轮都处于最初打滑的车轮的状态,车轴能够施加的总制动力减小。这一策略的另一个优点是能保持车轴有一个较高的侧偏刚度。

一个比较合理的通用策略是,在后轮使用“选择低”。因为后轮在任何情况下都不会施加很大的制动力。在前轮使用"选择高“,因为前轮产生大部分的制动力,这样总制动力就接近可能的最高值。后轴拥有较高的侧偏刚度,而前轴侧偏刚度降低,其结果是车辆更加偏向于不足转向,也因此更加稳定。
这种方式的缺点是会产生一个横摆力矩,强迫驾驶人使用方向盘控制车辆运动轨迹,而由于前轮产生侧向力的能力降低,所需的转向角度可能会比较大。
在前轮使用2套独立的ABS可以提高性能,这样状态最差的车轮不会抱死,总体制动力提高,横摆力矩降低,并且最重要的是,前轮侧偏刚度降低的程度减轻车辆依然保持灵活,而且驾驶人更容易对抗横摆力矩。
后轴可以依然用单一的ABS装置,通过”选择低“逻辑来控制,这样整套系统就有三个通道,或者可以拥有2套不同的ABS装置。在后一种情况下(四通道ABS)”选择低“策略可以应用在ECU上,使得根据若干参数的值来修改策略成为可能。

地面通常并不是均匀一致的,因此不同车轮间的牵引力可能会有所不同。不过四个车轮的平均牵引力(时间上)一般都是相同的,在一些情况下,一侧车轮下的路面与另一侧车轮不同,例如接近路肩的一侧车轮下把路面潮湿,甚至有积雪或冰层,而靠路中间一侧车轮下的路面则清洁干燥,这种状态通常称为谬 分割。
这种情况下,前轴使用”选择低“策略会导致极低的制动力数值,而”选择高“策略会带来非常高的横摆力矩,使用加速度计测量横摆角加速度或使用可以测量横摆角速度的仪器之后,就可以采用比较折中的策略。
当横摆角加速度增加时,前轮中状态较好的车轮的制动力可以受到限制,这样就能维持车辆稳定性,同时不会过度降低制动力。
这种策略很大程度上取决于车辆的性质,特别是其横摆轴的惯性力矩以及其几何性质(轴距、轮距)。横摆惯性力矩越大,可允许的横摆力矩就越大。
