自动驾驶专题介绍 ———— 制动系统

制动系统

 使行驶中的汽车减速甚至停车，使下坡行驶的汽车保持速度稳定，以及使已停驶的汽车保持不动，这些作用统称为汽车制动。而对汽车进行制动的外力来源则是制动系统。
 制动系统由制动器和制动驱动机构构成。制动器是指产生阻碍车辆运动或运动趋势的制动力部件，其中包括辅助制动系统中的缓速装置。制动驱动机构包括功能装置、控制装置、传动装置、制动力调节装置以及报警装置、压力保护装置等附加装置。汽车制动系统的类型有很多，按其功用可以分为以下几类：
  1. 行车制动系统：使汽车减低速度甚至停车的装置。
  2. 驻车制动系统：使已经停车的汽车保持原地不动的装置。
  3. 第二制动系统：在行车制动系统失效时，保证汽车仍能实现减速或停车的装置。
  4. 辅助制动系统：在车辆下长坡时用以稳定车速的装置。

 制动系统按制动能源区分可以划分为以下几类：
  1. 人力制动系统：以驾驶员的肌体作为唯一制动能源的制动系统。
  2. 动力制动系统：完全靠发动机的动力转化而成的气压或液压形式的势能进行制动的制动系统。
  3. 伺服制动系统：兼用人力和发动机动力进行制动的制动系统。

 制动系统还可以按照气液压回路进行分类：
  1. 单回路制动系统：传动装置采用单一的气液压回路。如果某一处损坏，则整个系统失效。
  2. 双回路制动系统：行车制动器的气液压管路属于两个彼此隔绝的回路。这样就可以保证在某一个回路破损时，整个系统仍然能够正常工作。我国自1988年1月1日就规定所有的汽车必须采用双回路制动系统。

制动器

 制动器是制动系统中用以产生阻碍车辆运动或运动趋势的制动力部件。若制动器的制动力矩直接作用于车轮上，则称为车轮制动器；若制动力矩需经过驱动桥之后分配给车轮，则称为中央制动器。车轮制动器一般用于行车制动，也会在第二制动和驻车制动中；中央制动器一般只用于驻车制动和辅助制动。行车制动、驻车制动和第二制动基本上都是利用固定元件与旋转元件产生的摩擦力作为制动力，称为摩擦制动器。目前汽车所用的摩擦制动器大致可以分为盘式和鼓式两大类。

鼓式制动器

 鼓式制动器以制动鼓为摩擦副中的旋转元件，其工作表面为圆柱面。鼓式制动器按其结构形式可以分解为轮缸式制动器、凸轮式制动器和楔式制动器。轮缸式制动器以液压制动轮缸作为促动装置，利用液压促动制动蹄与制动鼓接触形成摩擦力，而从进行制动。根据其工作原理和制动力矩的不同，有领从蹄式、双领蹄式、双向双领蹄式、双从蹄式以及自增力式多种类型。凸轮式制动器和楔式制动器与轮缸式制动器的结构大体相同，只有促动装置有区分。凸轮式时采用的是制动凸轮，楔式采用的是制动楔。

盘式制动器

 盘式制动器摩擦副中的摩擦元件是以端面工作的金属圆盘，此圆盘称为制动盘。盘式制动器相比于鼓式制动器存在以下优点：
  1. 制动效能稳定，受摩擦系数影响较小；
  2. 盘式制动器两面传热，圆盘易于冷却，不易变形；
  3. 长时间使用后，制动盘沿厚度方向的热膨胀极小；
  4. 浸水后制动效能降低较少；
  5. 结构简单，尺寸和质量较小，维修方便，易实现间隙自动调整。

 最大的不足时制动效能较低。为了弥补这个不足，一般会另行装设动力伺服系统。目前，盘式制动器已广泛运用于轿车。盘式制动器根据其固定元件的不同大体可分为钳盘式和全盘式。两者比较之下，钳盘式的运用面更广泛，这里就着重介绍一下。
 钳盘式制动器由制动盘和制动钳组成。摩擦块与其金属背板组成的制动块及其促动装置装在夹钳形支架中构成了制动钳。制动钳又可分为定钳盘式和浮钳盘式两类。

 定钳盘式制动器的工作原理图如下。它的制动钳体固定在车桥上，制动钳体两侧各有一个制动轮缸和活塞。制动时，由制动主缸来的油液经进油口进入制动钳体中两个相同的液压缸，通过活塞将摩擦衬块压在制动盘上，从而使车轮减速。

 浮钳盘式制动器工作原理如下。相比于定钳盘式来讲，浮钳盘式制动器的制动钳是浮动的，可相对于制动盘进行移动。它只在制动盘内侧设置液压缸，用以驱动内侧的制动块，而外侧的制动块附装在制动钳体上，随制动钳体做轴向运动。制动时，内侧活塞及摩擦片在液压作用力下，向左移动压向制动盘。同时，液压的反作用力推动制动钳体向右移动，使外侧的摩擦片也压靠到制动盘上，从而实现制动效果。

制动助力系统

伺服制动系统

 伺服制动系统是在人力液压制动系统的基础上加设一套动力伺服系统形成的，即是兼用人力和发动机作为制动能源的制动系统。正常情况下，制动能量大部分由动力伺服系统供给，在动力伺服系统失效时，可以完全依靠驾驶员供给。伺服制动系统按照伺服能量的类型可分为：
  1. 真空伺服式
  2. 气压伺服式
  3. 液压伺服式
 如果按照对控制装置的操作方式不同，可以分为两类：
  1. 助力式 —— 控制装置使用制动踏板机构直接操纵，其输出力也作用域液压主缸。
  2. 增压式 —— 控制装置使用制动踏板机构通过主缸输出的液压操纵，且伺服系统的输出力与主缸液压共同作用域一个中间传动液缸，使该液缸输出到轮缸的液压远高于主缸液压。

 这里展开介绍一下真空伺服式制动系统的相关情况。系统内的真空助力器有膜片将其分为前后腔，前腔通过真空单向阀与发动机的进气管相同，后腔与外界空气相同，两腔内有通道相连。发动机工作以后，真空单向阀悲喜开，真空助力器前后腔内都将产生一定的真空度。若此时操纵制动踏板，制动踏板将进而操纵控制阀将伺服气室的前后腔的通道关闭，并将后腔进气阀打开，后腔进入空气与前腔产生真空度差值，形成推力。该推力直接作用于制动主缸，弥补踏板力不足。

 真空增压伺服制动系统的原理图如下。发动机工作时，在进气管中的真空度的作用下，真空罐中的空气经真空单向阀被吸入发动机，从而在罐中产生并积累一定的真空度，作为伺服制动系统中的能源。在踩下制动踏板时，制动主缸的输出液压首先传入辅助缸，一面作为制动促动压力传入制动轮缸，另一面作为控制压力输入控制阀。控制阀在主缸液压控制下，使镇康伺服气室的工作腔通真空罐或通大气，并保证伺服气室输出力与主缸液压、制动踏板力和踏板行程成递增函数关系。真空伺服气室的输出力与来自主缸的液压作用力一同作用与辅助缸。

动力制动系统

 动力制动系统中，用以进行制动的能量是空气压缩机产生的气压能或由液压泵产生的液压能，而空气压缩机或液压泵则由汽车发动机驱动。因此可见，动力制动系统是以汽车发动机为唯一制动初始能源的，驾驶员肌体仅作为控制能源，而不是制动能源。动力制动系统一般可以分为以下三类：
  1. 气压制动系统：供能装置和传动装置全部是气压式。控制装置大多数是由制动踏板机构和制动阀等气压控制元件组成。
  2. 气顶液制动系统：供能装置和控制装置与气压制动系统相同，传动装置包括气压式和液压式两部分。
  3. 全液压动力制动系统：除制动踏板机构之外，其供能、控制和传动装置全是液压式的。

制动力调节系统

 从理论的角度讲，制动越大越容易制动。但是，制动力大于附着力时，车轮将停止转动，在这种情况下车轮将进行滑移。如果前轮抱死，会使汽车失去方向操纵性，无法转向；如果后轮抱死而前轮滚动，会使汽车失去方向稳定性，丧失对侧向力的抵抗能力而侧滑。基于上述情况，我们需要对制动力进行分配和调节，从而避免上述情况的发生。

ABS

 ABS - Antilock Brake System，制动防抱死系统。该系统由轮速传感器、电子控制器和液压部件三部分组成。

 具体的工作流程大致有以下几种：
  1. 常规制动：电磁阀不通电，制动主缸和制动轮缸可随时控制制动压力的增减。
  2. 轮缸减压过程：当车速传感器向电控单元输入车轮抱死信号时，ABS开始工作，输入电磁阀较大电流，柱塞向上移动，制动主缸和主动轮缸通路截断，制动轮缸和储液器相通，制动液流入储液器，制动压力降低。同时，驱动电机带动液压泵工作，把流回储液器的制动液加压后输送到制动主缸，为下一次制动做准备。
  3. 轮缸保压过程：当车速传感器输出抱死信号时，电磁阀通有限电流，柱塞移动到所有通路都被截断的位置，以保持系统压力。
  4. 轮缸增压过程：压力降低后，车轮轮速加快，此时电控单元切断电磁阀的电流，柱塞返回最下方位置，制动主缸和制动轮缸再次相通，制动液再次进入制动轮缸，制动压力得到提高。

EBD

 EBD - Electric Brake force Distribution，电控制动力分配系统。EBD系统其实是ABS的辅助功能，是ADAS的控制计算机里增加了一个控制软件，机械系统与ABS完全一致。 它是ABS系统的有效补充，一般和ABS组合使用，可以提高ABS的功效。EBD可以在汽车制动的瞬间，高速计算出4个轮胎由于附着不同而导致摩擦力的不同数值，然后快速调整制动装置，按照之前设定的程序进行制动力的分配，从而保证车辆的平稳和安全。当紧急制动情况下出现了车轮抱死的情况，EBD在ABS之前就已经平衡了每个车轮的有效地面附着力，可以防止出现甩尾和侧移，还能够缩短制动距离。

ASR

 ASR - Acceleration Slip Regulation，汽车驱动防滑系统。该功能可以理解为ABS系统功能的延申和补充。ASR系统的主要部件是可以跟ABS系统共用的。ASR系统的作用是防止汽车加速过程中的打滑，特别是在非对称、摩擦力小的路面或者转弯时驱动轮的空转。ASR由轮速传感器、节气门位置传感器、制动压力调节器、节气门驱动装置和电控单元组成。它可以在驱动轮打滑时对比每个车轮的轮速，电控单元判断出驱动轮打滑，自动立刻减少节气门进气量，降低发动机转速，从而减少动力的输出，还可以对打滑的驱动轮进行制动，将驱动车轮的滑转率控制在目标范围内。

TCS

 TCS - Traction Control System，牵引力控制系统。该系统是根据驱动轮的转数及传动轮的转数来判定驱动轮是否发生打滑现象，当前者大于后者时，进而抑制驱动轮转速的一种防滑控制系统。TCS与ABS作用模式十分相似，两者都使用感测器及刹车调节器。当TCS感应到车轮打滑的时候，首先会经过引擎控制电脑改变引擎点火的时间，减低引擎扭力输出或是在该轮上施加刹车以防该轮打滑，如果在打滑很严重的情况下，就再控制引擎供油系统。TCS利用计算机检测4个车轮的速度和转向盘转向角，当汽车加速时，如果检测到驱动轮和非驱动轮转速差过大，计算机立即判断驱动力过大，发出指令信号减少发动机的供油量，降低驱动力，从而减小驱动轮轮胎的滑转率。该系统可以利用转向盘转角传感器检测汽车的行驶状态，判断汽车是直线行驶还是转弯，并适当地改变各轮胎的滑转率。但是牵引力控制系统也有缺点。当司机利用油门开度，调整汽车行驶状态时，该系统妨碍司机的驾驶意图。

ESP

 ESP - Electronic Stability Program，车身电子稳定系统。ESP其实可以理解为ABS、ASR、EBD、TCS功能的综合与延申。它由转向传感器、轮速传感器、侧滑传感器、横向加速度传感器和控制单元组成。通过对从各种传感器传输雇来的信息对车身行驶状态进行分析，然后向ABS、ASR发出纠偏指令，帮助车辆维持动态平衡。ESP可以使汽车在各种工况下保持最佳的稳定性，在转向不足或过度转向的工况下效果尤为明显。当ESP的传感器检测到车辆发生转向不足时，ESP会额外对内侧车轮增加制动力；当发现车辆过度转向时，ESP会额外对外侧车轮增加制动力。