现代汽车安全技术-主动安全四轮转向控制技术卫星导航与车距控制系统.ppt

,第2章汽车主动安全技术 - 4 四轮转向控制技术 - 5 卫星导航与车距控制系统,主讲：朱明 高级技师、经济师,工程师 高级技能专业教师 汽车维修工高级考评员,2019/7/11,2,2.4四轮转向控制技术,目前的轿车转向分为： 前轮转向(2WS)和四轮转向(4WS),前者普遍使用，后者是近年出现的一种新技术，主要应用在一些比较高级和新型轿车上。 四轮转向， 是指后轮也和前轮相似，具有一定的转向功能，不仅可以与前轮同方向转向，也可以与前轮反方向转向。其主要目的是增强轿车在高速行驶或者在侧向风力作用下的操纵稳定性，改善低速时的操纵轻便性，在轿车高速行驶时便于由一个车道向另一个车道的移动调整，以及减少调头时的转弯半径。,2019/7/11,3,2.4四轮转向控制技术,汽车转向基本要求及其关键技术 为使汽车实现车轮无侧滑的转向，车轮的偏转必须满足阿克曼特性，即在汽车前轮定位角都等于零、行走系统为刚性、汽车行驶过程中无侧向力的前提下，整个转向过程中全部车轮必须围绕同一瞬时中心相对于地面作圆周滚动，例如对于图1所示两轮转向情况，前内轮转角b与前外轮转角a之间应满足如下阿克曼转向特性公式： (1),图1 阿克曼两轮转向要求,2019/7/11,4,汽车转向基本要求及其关键技术,车轮的偏转是通过转向机构带动的。 对于两轮转向汽车，为减小车轮侧滑，转向机构应使两前轮偏转角在整个转向过程中始终尽可能精确地满足式(1)关系。 从运动学角度来看，两轮转向机构的设计涉及到的关键技术主要是： (1)机构的形式设计，即确定能满足转向传动功能要求的机构结构组成；(2)机构的尺度设计，即确定能近似再现式(1)关系的机构运动尺寸。从系统和机构 学角度来看，转向系统的组成及其相互关系可用框图2表示，其中转向机构是该系统的执行机构。,图2 转向传动系统的组成,2019/7/11,5,2.4四轮转向控制技术,图2 转向传动系统的组成,2019/7/11,6,当前两轮转向技术的主流,(1) 与非独立悬架配用的转向机构 1) 转向梯形后置，转向直拉杆纵置 如图3(a)所示， 图3 与非独立悬架配用的转向机构 2) 转向梯形前置，如图3(b)所示。 3) 转向梯形前置，转向直拉杆横置 如图3(c)所示， (a) (b) (c) 1转向摇臂 2转向直拉杆 3转向节臂 4梯形臂 5转向横拉杆,2019/7/11,7,两轮转向的存在问题,汽车两轮转向技术虽经历了近两百年的发展，存在主要问题： (1) 两轮转向汽车在转弯时，现有各类转向机构均不能保证全部车轮绕瞬时中心转动，从而在技术上难以完全消除车辆行驶中的车轮侧滑。 (2) 独立悬架汽车中的转向梯形断开点难以确定，这将导致了横拉杆与悬架导向机构之间运动不协调，使汽车在行驶中易发生摆振，从而加剧轮胎磨损，转向性能随车速、转向角、路面状态的变化而变化，车速越高，操纵稳定性越差。 (3) 在采用两轮转向方式时转弯半径较大，汽车的机动灵活性不高。 随着电子技术的不断发展及在汽车中的应用，可以从多方面改善转向系统的各种性能，但这种改善往往是局部的和微小的。基于两轮转向方式的汽车转向技术发展至今，应该说已经到了一个顶峰，就目前的技术和经济性而言，两轮转向在性能上难以再有突破性进展。,2019/7/11,8,四轮转向与普通汽车转向的比较 P48,2019/7/11,9,四轮转向及其实现技术,1 四轮转向方式的提出及其特点 鉴于两轮转向方式存在的诸多不足，日本于20世纪60年代首先提出通过四轮转向方式来提高汽车的操纵稳定性，到20世纪80年代末，四轮转向系统得到实际应用。1990年，本田、马自达、尼桑三家汽车公司首先在部分轿车上推出了四轮转向系统。1991年，美国克莱斯勒和日本的三菱也推出了四轮转向车型。 四轮转向， 是指车辆行驶过程中四个车轮能同时发生偏转的转向方式。其中后轮偏转角一般不超过5。 根据转向时前、后轮偏转方向的异同分为同向偏转及逆向偏转两类。 对于行驶中的四轮汽车，当采用同向偏转时，车身的动态偏转减小，从而可显著提高汽车高速行驶稳定性；当采用逆向偏转时，则可显著减小汽车转弯半径，,2019/7/11,10,四轮转向方式的提出及其特点,如图6所示，由此增加了低速行驶的灵活性，有利于汽车的转向调头。因此采用四轮转向方式时，在一定程度上提高了横摆角速度和侧向加速度的瞬态响应性能指标， 如图7所示。所以四轮转向方式具有转向能力强、转向响应快、直线行驶稳定性高、低速机动性好等优点。 图6 2WS与4WS转弯半径的比较 图7 2WS与4WS车辆转向特性比较,2019/7/11,11,2 四轮转向驱动方式,实现四轮转向的关键是如何将转向盘的转动量传递给前后转向轮，并为转向轮提供动力使其发生协调、联动偏转。根据转向盘转动量传递途径以及转向轮动力来源的不同，对四轮转向系统作如下的分类： (1) 集中驱动四轮转向系统 当用机械传动链将转向盘的转动量分别传递给前后轮转向机构，从而在前后转向轮偏转量与转向盘的转动量之间形成确定的机械联系时，即属集中驱动四轮转向系统。其结构框图如图8所示，其中前后转向轮偏转的驱动动力来自于转向盘以及由液压系统等提供的辅助动力。 图8 集中驱动四轮转向系统结构框图,2019/7/11,12,(1) 集中驱动四轮转向系统,此类集中驱动转向系统可进一步分为机械式和机电控制式两种，其差异主要在后轮偏转方向的操纵方式上。 1.机械式集中驱动四轮转向系统没有图8中的电子控制单元虚框，前后轮的偏转方向和偏转角大小均由转向盘操纵，并通过机械传动链获得确定的协调关系。这种四轮转向系统结构简单，转向特性固定，与车速无关。 2.对于机电控制式集中驱动四轮转向系统，后轮偏转角大小由转向盘操纵，而后轮偏转方向则根据传感器获取的前轮偏转方向与角度以及车速信息由控制单元确定。 集中驱动四轮转向系统的制造成本较低，但当传动链零件磨损后不能精确保证前后轮转角大小关系。,2019/7/11,13,四轮转向驱动方式,(2) 分散驱动四轮转向系统 在图9所示分散驱动四轮转向系统中，前轮转向动力由转向盘直接提供，前转向轮偏转方向及偏转量与转向盘转动量之间通过机械传动链形成确定关系；后转向轮偏转的操纵由专门的液压系统或电动机提供动力，至于后轮偏转方向及偏转量则根据传感器获取的转向盘转动方向与转角信息以及车速等其他信息由控制单元综合确定。 分散驱动四轮转向系统的基本特征在于：前后转向轮偏转的驱动动力是分开的，前后转向轮偏转方向和偏转角度之间不是靠机械传动链形成固定的联系，而是靠电子控制系统进行协调控制实现预设关系，因此后轮转向控制灵活、方便，能够获得更加精确和复杂的转向特性。,图9 分散驱动四轮转向系统结构框图,2019/7/11,14,2.4四轮转向控制技术,结构 四轮转向装置按照前后轮的偏转角和车速之间的关系分为两种类型： 1.转角传感型是指前轮和后轮的偏转角度之间存在着一定的因变关系，即后轮可以按前轮偏转方向做同向偏转，也可以做反向偏转。 2.车速传感型是根据事先设计的程序规定当车速达到某一预定值时(通常为35至40公里/小时)，后轮能与前轮同方向偏转，当低于某一预定值时，则与前轮反方向偏转。 目前的四轮转向轿车既有采用转角传感型，也有采用车速传感型，还有二者兼而用之的。例如马自达929型轿车的四轮转向就是具有两种类型的特点。,2019/7/11,15,2.4四轮转向控制技术,结构 四轮转向轿车的前后轮转向装置之间的联系形式有 机械式，也有液压式、电子式等。 目前四轮转向装置已将机械、液压、电子、传感器及微处理机控制技术紧密结合在一起，在很大程度上改善轿车的转向特性，提高操纵稳定性。,2019/7/11,16,2.4四轮转向控制技术原理,汽车转向的基本过程都是使汽车在转弯时产生重心的平移和绕着重心的转动，这两种运动的结合促使汽车完成了转向的过程。 两轮转向和四轮转向的根本差别： 当汽车方向盘的转角和车速确定的时候，那么前轮转向汽车的行驶状态是单一的，而四轮转向汽车的行驶状态则会随着后轮与前轮之间的角度不同或相同而变得多种多样，也是后者比前者优越的关键之处。 汽车前轮在做转向时，会产生一个作用在前轮的侧向力，这时后轮也会产生一种离心力，这种作用力就会使车辆在垂直轴线方向上产生一个扭矩，增大了倾翻作用力使车辆不能稳定。 而有四轮转向装置的汽车，前后轮会相互配合，减弱倾翻作用力，侧滑也会减少，从而保障了行车的安全。 汽车在做直线行驶时，由于受到车速和路面侧向风的影响经常会走偏。这时有四轮转向装置的汽车的微处理机就会根据车速和前轮转角加以计算，确定后轮的转角数值，以变动对变动来保持车子行驶的稳定性。,2019/7/11,17,2.4四轮转向控制技术,低速行驶时进行逆相转向（即与前轮转向方向相反），提高转弯半径小的转向特性； 而中高速时则进行同相转向（即与前轮转向方向相同）；在高速时进行区域变换或提高转弯时的操纵稳定性。,2019/7/11,18,2.4四轮转向控制技术,4WS的转向特性 1. 4WS低速时的转向特性,2019/7/11,19,24WS中高速时的转向特性,4WS中高速时的转向特性如图7-41所示。,2019/7/11,20,转向角比例控制,转向角比例控制使转向方向的偏离足够小 1系统组成 转向枢轴 4WS转换器 2控制逻辑,2019/7/11,21,转向角比例控制,2019/7/11,22,转向角比例控制,转向角控制, 2WS选择控制, 安全性控制,2019/7/11,23,转向角比例控制,2019/7/11,24,三、横摆角速度比例控制,1系统组成 前轮转向操纵机构 后轮转向操纵机构,2019/7/11,25,三、横摆角速度比例控制,2控制状态 大转向角控制 小转向角控制 （机械控制） （电子式控制）,2019/7/11,26,三、横摆角速度比例控制,3控制逻辑 车体侧滑角的零控制 受侧向风干扰时的控制 ABS工作时的控制,2019/7/11,27,四轮转向系统类型,四轮转向系统可以分为三种类型： 机械式四轮转向系统、 机电组合控制四轮转向系统、 电控四轮转向：电控-电动四轮转向、电控-液压驱动四轮转向。,2019/7/11,28,四轮转向汽车的后轮转向方式,四轮转向汽车的后轮转向主要有三种方式： 1.同相位方式：在高速行驶时，后轮与前轮同向偏转。 2.反相位方式：在低速行驶时，后轮与前轮反向偏转 3.同相位与反相位转换方式：在低速或急转弯行驶时，后轮先反向偏转，再同向偏转。,2019/7/11,29,2.5卫星导航与车距控制系统,.,2019/7/11,30,2.5卫星导航与车距控制系统,精确坐标汽车卫星导航系统 年，德国宝马汽车公司第一个在它生产的“”系列的顶级汽车上提供卫星导航设备，年，它又将荷兰飞利浦公司生产的电子装置用在它新的中级“”系列汽车上。 美国福特公司也在辆德国和英国商用汽车上试验一种与卫星相连接的导航系统。这种汽车能确定行驶路线和显示汽车的位置，车位显示的误差在百米以内。卫星导航装置依靠发射到空间的信标工作。信标是美国的军事设施全球定位系统，共有颗卫星，小时绕地球一周。每颗卫星发射一个连续定时信号，为确定其位置，接收器必须处在四颗卫星的覆盖区内。由于卫星的轨道可以预测，因此接收器可以推算出在一确定时间，它们的相对位置而得出本车的位置。,2019/7/11,31,2.5卫星导航与车距控制系统,精确坐标汽车卫星导航系统 目前这些系统标准的指令有：“对于这条路线正在计算中”，“向左”，“向右”，或者“在接到新的指令之前，沿着这条道路走下去。”如果司机由于疏忽而错过了一个转弯处时，计算机立即重新对路线加以计算，并恢复它的不带感情的指令。到世纪末，大多数中等级别的汽车都将有卫星导航系统。公路的利用率将因此而提高，并逐步会发展成全球一体化的运输网。,2019/7/11,32,2.5卫星导航与车距控制系统,汽车导航系统自1987年装在光盘只读存储器中投放市场以来已经成为发达国家新的经济增长点。 进入20世纪90年代，随着美国全球定位系统（GPS）的推广应用，导航装置的市场规模也急剧扩大。 1990年日本汽车用导航装置的市场只有8000台，1994年达到3040万台，2000年市场规模达5000亿到1万亿日元。 汽车导航装置将成为新一代车辆重要的主动安全装置。,2019/7/11,33,2.5卫星导航与车距控制系统,汽车卫星导航系统的地图数据库 当GPS提供的坐标信息重叠到电子地图上时，驾车人就可以看出自己目前的位置以及未来的方向了。这最后一个环节叫做成图，也是车载导航系统中最重要的一环。离开了成图，导航系统就等于是没有了方向。 车载导航系统的地图数据库来源于多种渠道，其中最主要的来源是城市政府机关提供的街区数据库。对一个好的车载导航系统来说，地图的数量，准确程度，以及数据的及时性，都很重要。,2019/7/11,34,导航检测系统,2019/7/11,35,导航检测系统,.,2019/7/11,36,.,2019/7/11,37,汽车卫星导航系统的缺点,由于汽车卫星导航系统的自身工作特点决定了它要精确工作需要的两个条件：精确的坐标和准确的地图。前者依靠全球卫星地位系统来解决，后者则涉及到各国的保密制度，地图的精度是很难保证的。 精确的坐标 这个只有依靠全球定位系统才能解决的，目前也就四个系统，美国的GPS，俄罗斯“格洛纳斯”，中国“北斗”，欧盟“伽利略“，民用方面所能够达到的精度有限，在一些特殊时期精度将会人为降低，定位不准，从何导航？ 准确的地图 地图的准确程度就不好说了，处于国家安全的考虑，各国公布的地图精度有限，某些特殊地区（政府机关所在地等）可能会发生一定的偏移。而在一些急需导航的偏远地区地图的准确度更低，经济发达地区的地图精度要好一些。,2019/7/11,38,车距控制模式,2019/7/11,39,车距控制模式,基本控制系统是由车速反馈、车距反馈构成。 目标车距以车距时间2秒的距离，即从先行车的减速开始的2秒以内，如以相同的减速度进行减速，设定为不冲撞的车距。 该车距按照从驾驶者的加速踏板转换到制动踏板的反应时间与驾驶者通常驾驶时的车距调查结果，考虑到安全性而设定的值。 如当车速100km/h时车距约为55m。,2019/7/11,40,车距控制模式,车距控制运用远、近高精度雷达测距搭配计算机，帮助驾驶者煞车控制车速的这类系统，虽然目前只在高级车上出现，但随着时间的流逝，它肯定会逐渐地普及到更多车型中，且这将是无人驾驶的基础。将来只要和卫星导航连动，之后输入目的地就一切搞定，预估未来十年内便会有初步成果。,2019/7/11,41,1转向角传感器 2停车灯开关 3节气门执行机构 4电动负压泵 5节气门位置传感器（TPS）（内装怠速开关）（不装TCS的车辆） 6激光雷达 7