ABS性能的台架试验方法与故障诊断研究

一、什么是ABS
制动防抱死系统（Antilock Brake System）简称ABS。作用就是在汽车制动时，自动控制制动器制动力的大小，使车轮不被抱死，处于边滚边滑（滑移率在20%左右）的状态，以保证车轮与地面的附着力在最大值。



二、ABS的工作过程



1 制动轮缸减压过程



电磁阀通入较大的电流时，柱塞移至上端，主缸和轮缸的通路被截断，轮缸和液压油箱接通，轮缸的制动液流入液压油箱，制动压力降低。与此同时，驱动电动机启动，带动液压泵工作，把流回液压油箱的制动液加压后输送到主缸，为下一个制动周期作好准备。

2 制动轮缸保压过程



这种液压泵叫再循环泵。它的作用把减压过程中的轮缸流回的制动液送回高压端，这样可以防止ABS工作时制动踏板行程发生变化。因此，在ABS工作过程中液压泵必须常开。保压过程给电磁阀通入较小的电流时，柱塞移至图中所示的位置，所有的通道都被截断，所以，能保持制动压力。

3 制动轮缸增压过程



电磁阀断电后，柱塞又回到图中所示的初始位置。主缸和轮缸再次相通，主缸端的高压制动液(包括液压泵输出的制动液)再次进入轮缸，增加了制动压力。

三、性能要求

1、任何影响到系统功能和性能要求的电器故障或传感器工作不正常，包括供电、控制器的外电路、控制器和调节器的失效，应以专门的光报警信号向驾驶员报警。
2、 除M和Ni类车辆外，装备防抱系统并允许挂接装备防抱系统挂车的机动车辆应为挂车防抱系统单独安装一个符合要求的光报警信号。当与没有安装防抱系统的挂车挂接或没有挂接挂车时报警信号不得点亮。该功能应是自动的。



3、防抱系统失效时，剩余制动效能应达到GB12676--1999中4.2.4规定的相应车辆在行车制动传能装置的部件失效时的性能。该要求不应作为背离应急制动有关规定的理由。对于挂车，防抱系统出现1所述故障时，其剩余制动效能至少应达到该类挂车满载时行车制动规定性能的80%。
4、 防抱系统的工作受磁场或电场的不利影响时应能正常工作，应按GB/T17619的规定验证；对装有防抱系统的车辆在进行骚扰试验时应符合GB18655的要求。
5、不应用手动装置来切断或改变防抱系统的控制模式，GB/T15089中定义的N2和N3类越野车除外。



四、ABS性能台架试验

道路试验具有一定的危险性，需要耗费大量时间和资金，特别是在ABS开发中和ABS成品上市装车前的测试易受到自然条件的限制。另外，对于ABS环境试验测试，如耐高温、高寒、电磁兼容性等，需要在紧凑而且密封环境下进行。面对这样的难题，国内外有些厂商和研究机构开发了或正在研制ABS检测试验台，利用台架试验方法实现对ABS综合性能的测试，从而大大节约测试费用，缩短测试周期，增加测试的安全性和可靠性。随着现代技术的发展，ABS测试法规也需要不断得到修订和完善。因而ABS性能的台架试验评价的研究尤为重要。

1 ABS测试试验台



1）原理
通过旋转飞轮及其他旋转部件的运动为汽车提供了与实际制动时等效的车轮转矩。采用粘沙滚筒支撑车轮，由于计算机控制电磁滑差离合器结合程度，为车轮提供不同的制动阻力，以模拟在不同附着系数路面上的制动过程。测速滚筒与车轮紧密接触，测速滚筒装有速度传感器，从而能测出车轮的实际运动线速度。
在汽车前后车轮制动未抱死时，汽车前后轮地面制动力按该车前后制动器制动力比例（汽车的β线）变化，设在汽车制动的车轮角减速度ε时，试验台测试车轮对应实车上车轮产生的制动力占整车制动力的比例为ｋ，则皮带传递力矩：



上式可知，为保证ABS试验台上车轮运动状况与汽车道路行驶时一致，有两种方案可以采用，一是用试验台飞轮等部件的转动惯量完全模拟汽车运动惯量，其代价是必须配备大惯量的飞轮。另一方案是由试验台飞轮等部件模拟部分汽车运动惯量，其差值由电磁滑差离合器传递力矩补偿，此即为汽车转动惯量的机电混合模拟技术。
上式中只有车轮的角减速度ε=dω/dt为变量，由于ε可以通过采集轮速，进行一定的计算得到，因此电磁滑差离合器的控制目标就可以得到。



2）工作过程



2 ABS混合仿真试验台
上述试验台与道路测试相比减少了以往路面测试所需的测试场地及复杂的路面情况，能够在极短时间内完成车辆在各种路面上的测试，并且通过计算机快速分析，得出结果，大大提高了检测效率，节约了资金和时间。但是该测试台只能单一分析ABS制动性能是否正常，对于ABS综合性能参数以及制动执行机构和轮速传感器工作性能，ABS环境适应性，ABS抗电磁干扰能力等，不能进行测试。因此这种台架试验方法没有得到广泛应用。
近年来，随着计算机技术的高速发展以及车辆动力学模型的不断完善，混合仿真技术已经逐步成为ABS开发与测试过程中的重要手段。

1）试验原理



试验台架可以根据试验目的任意组合软件模块及实际部件，构成不同形式的闭环仿真系统。

2）功能



其中在台架采取1-A，2-D，3-F，4-G，5-I连接方式，可以实现对ABS性能测试试验。通过计算机输入车辆及道路情况参数，模拟不同的车辆及路面情况。当测试结束后，通过试验数据以及曲线分析ABS的制动性能。通过其他连接方式可以测试ABS其他部件的性能，如压力调节器电磁阀的动作规律等性能。

3 回路仿真（HILS）台架试验
HILS就是实际的控制器和用来代替真实环境或设备的仿真模型一起组成闭环测试系统，难以建立数学仿真模型的部件(如液压系统)可以保留在闭环中，进行整个系统的仿真测试。



线测试时可以采集和监控车辆的各个参数(如轮速、轮加速度、制动压力等)，通过这些采集的数据可以分析ABSECU的性能。此外还可以很方便的改变车辆的操纵以及路面信息.例如改变路面的摩擦系数，改变车辆的行驶时间，改变道路情况等，从而在各种不同的仿真条件下对ABSECU进行测试。试验中除了采集实时的车辆参数进行分析外，还要对ABSECU进行故障测试(如电源短路故障)以及ABSECU负载工作能力（如电磁阀)测试。



五、ABS仿真计算模拟和评价

用仿真计算取代试验日前已经成为制造业中的种发展趋势，因为一方面这可以缩短产品的设计周期，另一方面可以大大减少产品的制造成本。国外许多汽车厂家已经在这一方面取得了巨大进步。

1 轮胎稳态E指数模型


式中，Vr为滚动速度；ω为转速；R为滚动半径；Vx为车轮速度；μx为纵向摩擦系数；μy为侧向摩擦系数；Kcy为侧向刚度；Ky为侧偏刚度；Vxy为侧向滑移速度；α为侧偏角；F为无量纲力。
这样就表出了轮胎的稳态侧向力Fy，纵向力Fx、回正力矩Mz。

2 评价指标的确定及仿真验证



如上图所示，假设在ABS的控制下，制动过程中滑移率Sx，保持在SA点，则制动过程中纵向力变化规律如曲线OAC，相应地侧向力变化如曲线EBD所示。在制动过程中，从最佳滑移率点到车轮抱死，侧向力的变化幅度较大，纵向力变化幅度相对较小，相应地侧向力曲线下所包含的面积变化大，纵向力曲线下所包含的面积变化较小。另外在制动过程中，如果车辆要保持较好的侧向稳定性，即要求要有较大的侧向力，相应地侧向力曲线下所包含的面积就要增大。由此，定义如下评价指标：



式中，AFy为侧向力曲线下所包围的面积；AFx为纵向力曲线下所包围的面积。如果车辆的侧向稳定性较好，则AFy值较大，相应地G值较大，车辆的侧向稳定性越好。而且在式中，指标G不仅包含侧向力信息，而且也包含纵向力信息。
为了指标G可以在实际中方便应用，将G处理后引入下式：



式中，n为数据总点数。

经过这样处理以后，G(Sx)就是一个与数据总点数无关的量。如果G(Sx)值越大，则车辆制动过程中侧向稳定性越好，反之则侧向稳定性越差。则G(Sx)主要着重于评价车辆在制动过程中的侧向稳定性，利用模糊控制、滑模变结构控制、模糊滑模变结构控制三种方法建立ABS仿真模型，对车辆的制动过程进行仿真计算，得出了指标G(Sx)的值。下表是仿真时所采用的有关车辆参数和仿真计算所得的G(Sx)值。





由上表所示的G(Sx)值可知，模糊控制方法的侧向稳定性最好，模糊滑模变结构控制方法次之。这个结果可由下图中滑移率仿真曲线和中Fy/Fx仿真曲线(车速均截止到5km/h)得到解释。





上图可知，在仿真过程中，模糊控制方法的滑移率控制在0.13左右，滑模变结构控制方法的滑移率控制在0.22左右，模糊滑模变结构控制方法的滑移率控制在0.18左右，由于模糊控制方法的滑移率控制的比较低，在这个区域内，纵向力较小、侧向力较大，所以制动过程中侧向稳定性最好，但制动时间长。模糊滑模变结构控制方法和滑模变结构控制方法的滑移率都控制在最佳滑移率附近，比较充分利用了地面提供的附着力，在保证制动效能的同时，保持了一定的侧向稳定性。另外由于滑模变结构控制方法的滑移率比模糊滑模变结构控制方法的滑移率大，故其侧向稳定性比较差。



六、ABS的故障诊断方法

1 ABS故障诊断仪器和工具
在多数防抱控制系统中，可以通过跨接诊断座串相应的端子，根据防抱警示（或电子控制装置的发光二极管）的闪烁情况读取故障代码。所以，在故障代码读取时，往往需要合适的跨接线，跨接线是两端带有插接端子的一段导线，也有的跨接线在中间设有保险管。故障代码只是代表故障情况的一系列数码，要确切地了解故障情况，还须根据维修手册查对故障代码所代表的故障情况。另外，要正确地对系统进行故障诊断的排除，也需要利用维修手册作参考，因此，维修手册是故障诊断和维修过程中最为重要的工具。



1）对防抱控制系统进行检查时，万用表是基本的测试工具，由于指针式万用表能够反应电参数的动态变化，所以更适合于是防抱控制系统的电路检查。另外，也可以用一些更为专用的电参数测试器（如多踪示波器等），可更为方便和更为深入地对系统进行检查。
2）对防抱控制系统进行电路测试时，将系统的线束插头从电子控制装置上卸下，再将接线端子盒的线束插头与系统线束插头插接，这祥，接线端子盒子的端子标号就与系统线束端子标号相对应，通过对接线端子盒上端子的测试，就相当于求系统线束插头中相应端子进行测试。



3）在对防抱控制系统的液压装置进行检查时，有时需要使用压力表。对防抱控制系统进行故障诊断时，也可以借助各种测试仪器，有些系统甚至只有用专用诊端测试仪才能进行故障诊断。专用诊断测试仪器可分为两大类，其中一类可以替代系统的电子控制装置，对系统工作情况进行检查和模拟，这类仪器有博世ABS诊断测试器和丰田ABS诊断测试器。
另一类诊断测试器则需要系统的端子控制装置通过与系统的电子控制装置进行双向通讯。既能读取系统工电子控制装置所存储记忆的故障代码，并将故障代码转换为故障情况后显示，部分地替代了维修手册的作用，又可向系统电子控制半装置传输控制指令，对系统进行工作模拟。这类测试仪器有SNAP-ON红盒子扫描仪SCANNER及通用的TECH-L和克莱斯的ORB-LL等，这些诊断测试仪器因可以读解故障代码，一般称为解码器。解码器不仅可以对防抱控制系统进行故障诊断，而且还可以对汽车的其它一些电控制系统进行诊断测试，只是需要选择相应的软件而已。

2 故障诊断与排除的一般步骤

当防抱控制系统警示灯持续点亮时，或感觉防抱控制系统工作不正常时，应及时对系统进行故障诊断和排除。在故障诊断和排除。在故障诊断和排除时应该按照一定的步骤进行，才能取得良好的效果。故障诊断与排除的一般步骤如下：
1）确认故障情况和故障症状；
2）对系统进行直观检查，检查是否有的制动液泻漏`导线破损、插头松脱、制动液液位过低等现象；
3）读解故障代码，既可以用解码器直接读解，也可以通过警示灯读取故障代码后，再根据维修手册查找故障代码所代表的故障情况；
4）根据读解的故障情况，利用必要的工具和仪器对故障部位进行深入检查，确诊故障部位和故障原因；
5）故障排除；
6）清除故障代码；
7）检查警示灯是否仍然持续点亮，如果警示灯仍然持续点亮，可能是系统中仍有故障存在，也有可能是故障己经排除，而故障代码未被清除。



在故障诊断和维修过程中，应当注意，不仅不同型号的汽车所装备的防抱系统可能不同，而且即使是同一型号的汽车，由于生产年份不同其装备的防抱控制系统也可能不同。防抱控制系统的故障大多是由于系统内的接线插头松脱或接触不良、导线断路或短路、电磁阀线圈断路或短路、电动泵电路断路或短路、车轮转速传感器电磁线断路或短路、续电器内部断路或短路，以及制动开关、液位开关和压力开关等不能正常工作引起的。另外，蓄电池电压过低、车轮转速传感器与齿圈之间的间隙过大或受到泥污沾染、储液室液位过低等也会影响系统的正常工作。



七、结语

对于目前国内外ABS台架测试方法都采用计算机仿真为测试主体，只是所侧重的ABS检测项目不尽相同，还没有真正意义上用于ABS综合性能检测的试验台以及完整的评价指标，因此为了达到对ABS制动性能、ABS电磁阀性能和传感器性能进行测试，以及完成ABS环境试验等多种功能，需要对ABS计算机仿真台架试验方法进行更深入的研究，为开发ABS综合性能检测试验台打下基础。

仿真计算模拟的最大优点是在设计阶段就可对ABS的性能作出评价，从而缩短了设计周期，节省了开发费用。这也是汽车设计制造业的发展趋势，目前在国外许多试验已经被仿真计算所替代。同时，在台架测试中可以尽量模拟整车状态，对于ABS可能产生的故障及诊断方法在实验中完善，只有在台架上将功能开发完全，并模拟整车可能发生的故障模式，才能确保在整车性能开发过程中ABS才能更好的与整车性能匹配。

说明：文中部分图片、信息来源于网络，
由漫谈君根据经验整理，仅供学习、交流！

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