汽车防滑控制系统－－ABS与ASR

一、概述

汽车防滑控制系统是防止汽车在制动过程中车轮被抱死滑移和汽车在驱动过程中(特别是起步、加速、转弯等)驱动轮发生滑转现象的控制系统。

1．滑动率对附着系数的影响

汽车在制动过程中，车轮的运动可以划分为三个阶段：纯滚动、边滚边滑、完全拖滑。一般用滑动率S表征滑动成分在车轮纵向运动中所占的比例。

车轮与路面之间的附着系数是随滑动率而变化的，二者之间的关系如下图所示。

当滑动率处于15%～35%的范围内时，纵向附着系数φz和侧向附着系数φc的值都较大。纵向附着系数φz大，可以产生较大的制动力，保证汽车制动距离较短；侧向附着系数φc大，可以产生较大的侧向力，保证汽车制动时的方向稳定性。

2．防滑控制系统的作用和控制方式

汽车在驱动过程中，驱动轮可能发生滑转，滑转成分在车轮纵向运动中所占的比例用正滑动率来表示，即

完全滑转时，v=0，S=100%

汽车在驱动和制动时的φ—S关系及最佳控制范围如下图所示。

防滑控制系统就是在汽车驱动状态下，将驱动轮滑转率控制在5%～15%的最佳范围内。制动防抱死系统是在汽车制动状态下，将车轮滑动率控制在8%～35%的最佳范围内。在上述最佳范围内，不仅车轮和地面之间的纵向附着系数较大，而且侧向附着系数的值也较大，保证了汽车的方向稳定性。

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第七节　汽车防滑控制系统－－ABS与ASR

二、制动防抱死系统（ABS）

1．制动防抱死系统的基本组成和工作原理

制动防抱死系统主要由轮速传感器、制动压力调节器和电子控制器（ECU）等组成。

其基本工作原理是，汽车制动时，首先由轮速传感器测出与制动车轮转速成正比的交流电压信号，并将该电压信号送入电子控制器（ECU）。由ECU中的运算单元计算出车轮速度、滑动率及车轮的加、减速度，然后再由ECU中的控制单元对这些信号加以分析比较后，向压力调节器发出制动压力控制指令。使压力调节器中的电磁阀等直接或间接地控制制动压力的增减，以调节制动力矩，使之与地面附着状况相适应，防止制动车轮被抱死。

2．制动防抱死系统（ABS）的类型及布置形式

1）按汽车制动系统分类

（1）液压制动系统ABS；

（2）气压制动系统ABS；

（3）气顶液制动系统ABS。

2）按ABS中控制管路(通道)数和传感器数量，又可分为以下6种布置形式

（1）四传感器四通道四轮独立控制的ABS

（2）四传感器四通道前轮独立后轮低选控制的ABS

（3）四传感器三通道前轮独立后轮低选控制的ABS

（4）三传感器三通道前轮独立后轮低选控制的ABS

（5）四传感器二通道前轮独立控制的ABS

（6）四传感器二通道前轮独立后轮低选控制的ABS

3．ABS部件的结构及其工作原理

1）车轮转速传感器（简称轮速传感器）

汽车防滑控制系统中都设置有电磁感应式轮速传感器。它可以安装在车轮上，也可以安装在主减速器或变速器中。

轮速传感器由永久磁铁、磁极、线圈和齿圈组成。齿圈在磁场中旋转时，齿圈齿顶和电极之间的间隙以一定的速度变化，使磁路中的磁阻发生变化，磁通量周期地增减，在线圈的两端产生正比于磁通量增减速度的感应电压，该交流电压信号输送给电子控制器。

2）电子控制器（ECU）

电子控制器（ECU）是防滑控制系统的控制中枢，其作用是接收来自轮速传感器的感应电压信号，计算出车轮速度，并与参考车速进行比较，得出滑动率S及加减速度，并将这些信号加以分析，对制动压力调节器发出控制指令。

3）制动压力调节器

制动压力调节器的功用是接收来自ECU的控制指令，控制制动压力的增、减，它是ABS的执行器。

（1）循环式制动压力调节器

循环式制动压力调节器由电磁阀、液压泵和电动机等部件组成。调节器直接装在汽车原有的制动管路中，通过串联在制动主缸和制动轮缸之间的三位三通电磁阀直接控制轮缸的压力，可以使轮缸的工作处于常规工作状态、增压状态、减压状态或保压状态。三位是指电磁阀有三个不同位置，分别控制轮缸制动压力的增、减或保压，三通是指电磁阀上有3个通道，分别通制动主缸、制动轮缸和储液器。

（2）可变容积式制动压力调节器

可变容积式制动压力调节器主要由电磁阀、控制活塞、液压泵和储能器等组成，是在原液压制动系统中增设一套液压控制装置，控制制动管路中容积的增减，以控制制动压力的变化。可变容积式制动压力调节器有4个不同工作状态：常规制动状态、轮缸减压状态、轮缸保压状态和轮缸增压状态。

第七节　汽车防滑控制系统－－ABS与ASR

三、驱动防滑转系统（ASR）

汽车行驶过程中，轮速传感器将车轮转速转变为电信号传输给ASR电子控制器（ECU），ECU根据车轮转速计算驱动车轮的滑转率，如果滑转率超出了目标范围，ECU综合参考节气门开度信号、发动机转速信号以及转向信号(有的车没有)等确定其控制方式，并向相应执行机构发出指令使其动作，将驱动车轮的滑转率控制在目标范围之内。

驱动防滑转系统（ASR）和ABS一样，主要由电子控制器、传感器、制动压力调节器等三大部分组成。ASR中的电子控制器可以是独立的，也可以与ABS共用，轮速传感器可与ABS共用，ASR与ABS的制动压力调节器也可以共用。因此通常将ASR和ABS组合在一起。

1．ASR的电子控制器（ECU）

由于ASR和ABS的一些输入信号和处理都是相同的，为了减少电子器件的应用数量，使结构更紧凑，ASR电子控制器和ABS电子控制器通常组合在一起。

ASR的电子控制器（ECU）发出的控制指令有如下几种：① 控制滑转车轮的制动力；② 控制发动机输出功率；③ 同时控制发动机输出功率和驱动车轮的制动力。

在实际应用的ASR中，绝大多数都是采用调节发动机输出转矩的方式来控制汽车驱动力矩。而调节发动机的输出转矩，通常是利用发动机电子控制装置，通过控制节气门开度和点火提前角的方式来实现。

2．ASR的传感器

ASR的传感器主要是轮速传感器和节气门位置传感器。轮速传感器与ABS共用，而节气门位置传感器则与发动机控制系统共用。

ASR专用的信号输入装置是ASR选择开关，关闭ASR选择开关，可停止ASR的作用。如在汽车维修中需要将汽车驱动车轮悬空转动时，ASR就可能对驱动车轮施以制动，影响故障的检查。这时关闭ASR开关，停止ASR作用，就可避免这种影响。

3．ASR的制动压力调节器

ASR制动压力调节器执行ASR电子控制器的指令，对滑转车轮施加制动力并控制其大小，以使滑转车轮的滑动率在控制目标范围之内。ASR制动压力源是蓄压器，通过制动压力调节器中的电磁阀来调节驱动车轮制动压力的大小。

1）独立式的ASR制动压力调节器

所谓独立式是指ASR制动压力调节器和ABS制动压力调节器在结构上各自分开。

独立式ASR制动压力调节器有4种不同工作状态，分别是不起作用、轮缸增压、轮缸保压、轮缸减压。

2）组合式的ASR制动压力调节器

组合式是指ASR制动压力调节器与ABS制动压力调节器在结构上组合为一个整体，亦称ABS/ASR制动压力调节器。这种调压阀是采用流通式（亦称循环式）调压原理。

4．装有驱动力控制系统(ASR)的汽车实例

广州本田雅阁（3.0L）轿车装有牵引力控制系统(TCS)的实例。该轿车的防滑控制系统ABS和ASR（TCS）组合在一起。整个系统由ABS/ASR电子控制装置（ECU）、制动压力调节器和传感器等三部分组成。

各部件在整车的布置如下图所示。

CR200J动车组动力车防滑速度传感器故障分析及改进

王正 黎丹 刘锋 蒋廉华

中车株洲电力机车有限公司重载快捷大功率电力机车全国重点实验室

关键词： 动车组;电缆;防滑速度传感器;

作者简介： 王正（1994—）,男,硕士,助理工程师,从事轨道交通车辆制动系统设计工作。;

0概论

空气制动防滑控制系统是运用于轨道交通装备的一种先进的监测、控制系统。作为空气制动防滑控制系统重要组成部分之一的防滑速度传感器,其主要功能是作为防滑控制系统的监测前端为其提供可靠、稳定的电信号，用以分析判断机车的运行状态。在车辆运用过程中，复杂的天气、受力及运动状态是影响防滑速度传感器精度或寿命的主要原因。防滑速度传感器的可靠性对列车的行车安全非常重要[1]。

该文以防滑速度传感器较为常见的故障为基础，重点以CR200J动车组动力车频发故障为例进行展开，基于FTA（故障树分析）方法梳理并分析信号电缆相关故障的发生原因，最终提出对应优化措施并解决故障，对相关设计、安装和选型运用均具有一定的指导意义。

1防滑速度传感器结构及工作原理

CR200J动车组动力车防滑速度传感器部分由测速齿轮和速度传感器组成，其结构如图1所示。速度传感器本身是一个速度脉冲信号发生器，这是一种非接触式的传感器，速度传感器探头端部与齿顶间的安装间隙为（1.0±0.2)mm。速度传感器探头部采用永久式磁电传感器，主要部件包括铁芯、线圈组件（包括线圈、骨架及其他辅件）、磁钢和壳体。传感器内部的磁钢通过铁心聚磁和导磁，将磁钢产生的永久磁场尽可能地聚集在工作气隙内，为其提供工作磁场。测速齿轮是安装于车轴端部的磁场感应部件，并与车轮同步转动，齿顶齿谷交替通过传感器，切割磁力线，会产生一个交变磁场，使传感器输出线圈上感应出频率正比于运行速度的电脉冲信号。

图1 速度传感器部分组成 下载原图

2防滑速度传感器的故障树分析

2.1故障树分析方法

故障树分析（FTA）是产品可靠性和安全性分析的主要分析方法之一。故障树分析是假设底事件相互独立，以一个不希望的系统故障事件（或灾难性的系统危险）作为分析的目标和出发点，然后由上向下地严格按层次的故障因果逻辑分析，逐层找出故障事件的必要而充分的直接原因，最终找出导致顶事件发生的所有原因和原因组合。因此，该方法具有分析方法直观、应用范围广泛和逻辑性强等特点，深入的分析可为优化系统设计、预防设备故障提供理论支持。

2.2防滑速度传感器典型故障树

为了便于直观分析故障原因，基于防滑速度传感器结构和工作原理，结合故障案例，建立了防滑速度传感器典型故障树。其故障树如图2所示。

故障树底事件序号如表1所示。

图2 防滑速度传感器故障树 下载原图

表1 防滑速度传感器故障树底事件 下载原图

造成防滑速度传感器组成发生故障包括以下原因：

(1）除了气候环境、运行条件等外界因素，电缆与连接器接头处的压接质量与连接器稳定性密切相关。如连接器插针变形、脱线和虚接等故障现象。而密封问题则容易导致连接器内进水或氧化，直接导致传感器短路烧损。

(2）在车辆运用过程中，复杂的受力及运动情况是导致外防护层或内部电缆的损伤开裂的主要原因，严重影响着传感器电缆疲劳寿命[2]。

(3）防滑速度传感器探头顶部与测速齿轮齿顶间的间隙一般为（1.0±0.2)mm，具体调整方法是增减垫片来调整间隙距离。如果安装间隙过小，极可能导致齿顶部与传感器前端产生擦碰，从而损坏传感器或者测速齿轮；安装间隙过大，则会造成电磁信号太弱或不稳定，导致脉冲信号丢失，影响防滑主机判断，造成故障。

(4）接地碳刷与安装在车轴端部的接触盘存在相对摩擦，脱落形成所带磁性的粉末物质极可能被探头吸附影响信号采集。此外，由于装配不良等原因造成齿轮松动或者不规则转动，造成的传感器探头与齿轮间的擦碰，导致齿轮产生缺陷，会产生故障的脉冲信号。

3故障分析

3.1故障现象及分析

图3是已经发生故障的防滑速度传感器信号电缆，逐层剥离外护层、绝缘层，可见内部芯线发生断裂，报故障主要原因在于探头端信号电缆发生折损形成断路，引起防滑主机报故障。

图3 防滑速度传感器损伤电缆 下载原图

列车在线路上运行时转向架与车体相对运动频繁，在过弯时车体与转向架会出现较大程度的相对位移，因此防滑速度传感器电缆会长期承受拉伸、压缩、扭转等应力作用[3]。

通过简化电缆运动轨迹，对其固定点附近电缆弯曲受力状态进行分析，如图4所示，在固定点附近电缆随着两端固定点间距离的变化所受到弯曲应力也不同，并且在端子压接处由于结构特点对应力更加敏感易损。在理想情况下，车辆正常直线行驶时，对于定长合适的电缆其探头侧固定点附近可以近似保持拉压应力平衡状态；当车体固定点运动到最近点时，电缆处于压缩状态，受力情况较平衡状态加剧，电缆内侧和外侧分别受到更大拉应力与压应力作用；当车体固定点运动到最远点时电缆处于拉伸状态，电缆内侧则受到压应力，外侧受到拉应力作用。

图4 电缆弯曲应力分析 下载原图

因此，防滑速度传感器探头端根部电缆断裂的主要原因有以下几点：

(1）速度传感器引出布线不够平顺且未固定，电缆定长不够合理等因素致使在车辆运行过程中电缆弯曲半径的变化范围过大或使电缆处于紧绷状态，从而导致根部电缆承受更大的弯曲应力，增加断裂风险。

(2）防滑速度传感器探头端部与信号电缆结合强度不足，绝缘层开裂倾向很大，卡箍式外护套对此处的保护作用非常有限。

(3）信号电缆选型时对线材柔韧度和使用环境之间的关系缺少考虑，较软的电缆可以释放一定的应力，而较硬的电缆在使用时可以抑制变形或弯曲半径的变化。

3.2优化建议及措施

防滑速度传感器信号电缆损坏部位多集中在探头安装座根部附近这一范围内，可以针对安装结构及走线进行相应改进：

(1）在速度传感器安装螺钉处增加固定支架（图5），将尼龙护管根部相对固定并合理导向至车体安装固定点，使电缆运动点和集中受力点远离较为脆弱的根部。

图5 固定支架及安装 下载原图

(2）直接在防滑速度传感器探头端根部外加一段约20 cm金属护管（图6），增加抗扭强度。该金属管内部为不锈钢波纹管，外部为不锈钢编织网，可弯曲定型为各种方向角度，便于引出电缆定型导向至车体固定点，避免根部因剧烈摆动所造成的根部损伤。

图6 金属硬管及安装 下载原图

(3）在转向架构架上通过焊接的方式增加2个固定点（图7），车体地板下方传感器电缆布线路径也相应调整，这样可以使电缆的运动点和集中受力点转移到探头远端的线夹处，杜绝根部应力集中的问题，改善根部的受力状态。外部裸露电缆的减少，也有利于降低车辆在运行时电缆受到的风阻对根部产生的拉扯。

图7 构架上增加固定点 下载原图

前期采用方案1进行小批量装车优化验证，经过考核优化后的传感器根部尼龙护管没有受损痕迹，内部线缆根部的绝缘层无明显损伤；对于加装固定支架时绝缘层有局部断裂的速度传感器，在后续考核中断裂处没有明显加剧，防滑速度传感器运行正常。在整个考核阶段内未发生支架断裂或脱落问题。

后期对新造车辆采用方案3进行改造并优化了线缆路径，杜绝其他可能存在的风险。该方案已通过了相对恶劣环境的考验，未出现电缆异常开裂问题，提高了速度信号采集的稳定性。

工程实践表明上述两种优化方法优化效果明显，且具有较强的通用性，其他车型设计可借鉴参考并开展应用。

4结语

该文基于防滑速度传感器结构及故障案例建立了防滑速度传感器典型故障树，针对传感器根部电缆开裂这一高频故障，从运动状态等方面进行分析，并以此进行优化改进，从而降低故障率，延长电缆寿命，提高了空气制动防滑控制系统可靠性。

参考文献

[1] 蒋廉华,唐亮,刘泉,等.制动防滑控制系统关键技术研究[J].电力机车与城轨车辆, 2017(2):10-14.

[2] 黄沈阅,董静.地铁车辆转向架区域动态模拟试验电缆断裂分析及建议[J].电力机车与城轨车辆, 2016(4):86-89.

[3] 张宏应,李洪德.跨接电缆安装设计研究[J].技术与市场, 2014(6):49-52.

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