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汽车驱动防滑控制系统的仿真研究 摘要 汽车驱动防滑控制系统( a s r ) 是一种在汽车驱动起步或加速时能够自动 控制驱动车轮的驱动力矩，使驱动轮不致过度滑转，以提高汽车的驱动性能和 行驶稳定安全性能的汽车电子控制系统。本文简单介绍了汽车防滑控制技术的 历史、研究现状等，重点叙述了研究驱动防滑a s r 控制的理论基础包括a s r 控制原则、控制策略和控制途径以及典型的a s r 结构和工作过程。结合江淮汽 车集团生产的h f c 6 8 2 0 客车，建立该车驱动过程的数学模型和计算机仿真模 型，包括：整车动力学模型、车轮模型、发动机模型、传动系模型、轮胎地面 模型、制动器模型、a s r 控制逻辑。运用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件，对 基于汽车驱动轮滑转率门限控制的a s r 系统进行仿真研究，仿真研究结果可作 为进一步软硬件开发的理论根据。最后是h f c 6 8 2 0 客车驱动性能试验研究，常 规驱动试验结果验证了h f c 6 8 2 0 客车驱动性能仿真研究结果的正确性和可靠 性。 关键词；汽车驱动防滑控制系统逻辑门限控制计算机仿真 s i m u l a t i o ns t u d yf o r a n t i s k i dr e g u l a t i o no ft h ea u t o m o b i l e a b s t r a c t a n t i s k i d r e g u l a t i o n ( a s r ) i sa k i n do fa u t o m o b i l ee l e c t r o n i c e q u i p m e n t ， w h i c hc a nc o n t r o la u t o m o b i l ed r i v i n gw h e e l s s k i dt oe n h a n c et h ea u t o m o b i l e d r i v i n gp e r f o r m a n c ea n dt r a f f i cs a f e t y t h ep a p e rc o n c l u d e d t h ea s rr e s e a r c h h i s t o r y a n di t st h e o r e t i cb a s e m e n t ，p r o v i d e da s rm a t h e m a t i cm o d e l s ，i n c l u d e d ： v e h i c l em o d e l ，w h e e l sm o d e l ，t r a n s m i s s i o ns y s t e mm o d e l ，b r a k es y s t e mm o d e la n d c o n t r o ll o g i cm o d e le t c r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fa b s a s rf o rh f c 6 8 2 0 l i g h tb u s ”i sac h a l l e n g i n gp r o j e c t i nf a c tt h ed i s s e r t a t i o ni s ar e p o r to ft h ep r o j e c t i nt h i sd i s s e r t a t i o nal o g i ct h r e s h o l dc o n t r o l l e rb a s e do nt h ed r i v i n gw h e e ls k i dr a t e i ss u c c e s s f u l l yd e s i g n e df o rt h eh f c 6 8 2 0l i g h tb u s f u r t h e r m o r et h i sp a p e rs t u d i e d t h es i m u l a t i o nf i g u r e so ft h eb u sd r i v i n go nd ，ga n dd ka d h e s i v ec o e f f i c i e n t s r o a d sw i t ha n dw i t h o u ta s r t h el a s tp a r to ft h ed i s s e r t a t i o ni st h er o a dt e s t i n g r e s e a r c h ，t h et e s t i n gr e s u l t sv a l i d a t e dt h es i m u l a t i o nf i g u r e sa n dd a t a i nt h ee n di t i sd e f i n i t et h a tt h ec o m p r e h e n s i v ek n o w l e d g eo fd r i v i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f h f c 6 8 2 0l i g h tb u sb ys i m u l a t i o na n dt e s t i n gs t u d yp r o v i d es t r o n gt h e o r yb a s et o t h ed e v e l o p m e n to fa s r k e y w o r d s ：a u t o m o b i l e a s r l o g i ct h r e s h o l dc o n t r o lc o m p u t e rs i m u l a t i o n 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 揣耷民屈易大多友 赖：降伽 影吩 够分奄v l ；铥椭了- b 导师： 纵炒 饥口火弘梭 多f 钦攫锄托啄 南乒擞啡嬲伺 驯叛嗄翎影各久 图2 1 图2 2 图2 3 图3 1 图3 2 图3 ，3 图3 ，4 图4 1 图4 ，2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 ，8 图4 9 图4 ，1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 ，l3 图4 1 4 图4 15 图4 1 6 图4 1 7 图4 18 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 图4 ，2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 图4 2 6 图4 2 7 插图清单 a b s a s r 典型结构组成15 a s r 制动液压系统1 6 a s r 控制流程图l7 汽车驱动过程整车受力图2 0 汽车驱动起步时前后车轮受力图2 2 发动机节气门最大开度下的转速扭矩输出特性图2 3 附着系数与纵向滑转率关系图2 5 系统仿真研究的基本步骤3 0 汽车常规驱动系统计算机仿真模型3 1 汽车驱动防滑转控制系统计算机仿真模型3 i 低附常驱车身加速度曲线3 2 低附常驱车身速度曲线3 2 低附常驱左驱动轮角速度曲线3 2 低附常驱右驱动轮角速度曲线3 2 低附常驱左驱动轮滑转率曲线3 2 低附常驱右驱动轮滑转率曲线3 2 低附常驱汽车加速位移曲线3 3 低附左驱动轮侧向附着系数3 3 低附右驱动轮侧向附着系数3 3 高附常驱车身加速度曲线3 3 高附常驱车身速度曲线3 3 高附常驱左驱动轮角速度曲线3 4 高附常驱右驱动轮角速度曲线3 4 高附常驱左驱动轮滑转率曲线图3 4 高附常驱右驱动轮滑转率曲线3 4 高附常驱汽车加速位移曲线3 4 左右驱动轮侧向附着系数曲线3 4 右驱动轮侧向附着系数曲线3 4 对开常驱车身加速度曲线3 5 对开常驱车身速度曲线3 5 对开常驱左驱动轮角速度曲线3 5 对开常驱右驱动轮角速度曲线3 5 对开常驱左驱动轮滑转率曲线3 6 对开常驱右驱动轮滑转率曲线3 6 图4 2 8 图4 2 9 图4 3 0 图4 3 l 图4 3 2 图4 3 3 图4 3 4 图4 3 5 图4 3 6 图4 ，3 7 图4 3 8 图4 3 9 图4 4 0 图4 4 l 图4 4 2 图4 4 3 图4 4 4 图4 4 5 图4 4 6 图44 7 图4 4 8 图4 4 9 图4 5 0 图4 5 1 图4 5 2 图4 5 3 图4 5 4 图4 5 5 图4 5 6 图4 5 7 图4 5 8 图4 5 9 图5 ，1 图5 2 图53 图5 4 对开常驱汽车加速位移曲线3 6 对开常驱左驱动轮侧向附着系数曲线 6 对开常驱右驱动轮侧向附着系数曲线3 6 驱动防滑转a s r 控制流程图3 7 驱动防滑转a s r 控制器3 8 低附带a s r 驱动车身加速度曲线3 8 低附带a s r 驱动车身速度曲线3 8 低附带a s r 驱动左驱动轮角速度曲线3 8 低附带a s r 驱动右驱动轮角速度曲线3 8 低附带a s r 驱动左驱动轮滑转率曲线3 9 低附带a s r 驱动右驱动轮滑转率曲线3 9 低附带a s r 驱动汽车加速位移曲线3 9 低附带a s r 驱动左驱动轮侧向附着系数曲线3 9 低附带a s r 驱动右驱动轮侧向附着系数曲线3 9 对开带a s r 驱动车身加速度曲线4 0 对开带a s r 驱动车身速度曲线4 0 对开带a s r 驱动左驱动轮角速度曲线4 0 对开带a s r 驱动右驱动轮角速度曲线4 0 对开带a s r 驱动左驱动轮滑转率曲线4 0 对开带a s r 驱动右驱动轮滑转率曲线4 0 对开带a s r 驱动控制汽车加速位移曲线4 1 对开带a s r 驱动左驱动轮侧向附着系数曲线4 1 对开带a s r 驱动右驱动轮侧向附着系数曲线4 1 高附带a s r 驱动车身加速度曲线4 l 高附带a s r 驱动车身速度曲线4 1 高附带a s r 驱动左驱动轮角速度曲线4 2 高附带a s r 驱动右驱动轮角速度曲线4 2 高附带a s r 驱动左驱动轮滑转率曲线4 2 高附带a s r 驱动右驱动轮滑转率曲线4 2 高附带a s r 驱动汽车加速位移曲线4 2 高附带a s r 驱动左驱动轮侧向附着系数曲线4 2 高附带a s r 驱动右驱动轮侧向附着系数曲线4 2 h f c 6 8 2 0 客车驱动性能试验数据采集总体布置框图4 6 转动惯量测试示意图4 7 质量、质心高、前后轴载荷参数台架试验4 8 h f c 6 8 2 0 客车在不同工况路面上的试验图4 8 d s p s 动态数据记录仪4 9 数据处理计算机框图4 9 低附路面驱动左前轮速试验图5 2 低附路面驱动右前轮速试验图5 2 低附路面驱动左后轮速试验图5 2 低附路面驱动右后轮速试验图5 2 低附路面驱动汽车加速度及加速位移试验图5 2 低附路面驱动左后轮滑转率试验图5 2 低附路面驱动右后轮滑转率试验图5 2 高附路面驱动左前轮速试验图5 3 高附路面驱动右前轮速试验图5 3 高附路面驱动左后轮速试验图5 3 高附路面驱动右后轮速试验图5 3 高附路面驱动汽车加速度及加速位移试验图5 3 高附路面驱动左后轮滑转率试验图5 3 高附路面驱动右后轮滑转率试验图5 3 对开路面驱动左前轮速试验图5 4 对开路面驱动右前轮速试验图5 4 对开路面驱动左后轮速试验图5 4 对开路面驱动右后轮速试验图5 4 对开路面驱动汽车加速度及加速位移试验图5 4 对开路面驱动左后轮滑转率试验图5 4 对开路面驱动右后轮滑转率试验图5 4 ，o，o，m他h怕他”加引娩”拍 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 图图图图图图图图图图国图图图图图图图图图图图图 表3 1 表3 2 表4 i 表5 1 表5 2 表格清单 y c 6 1 0 5 z l q ( 15 5 k w ) # b 特性台架试验数据2 4 各种路面上的平均附着系数2 7 i o s 后各仿真数据表4 3 被测量部件转动惯量结果数据表4 7 常规驱动试验结果与计算机仿真结果数据比较5 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位做储签字卸4 1 9 蠛字帆瓣罗月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒目b 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 壁至业太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索- 可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：勃彩凶 签字日期：西年3 月弱日 ， 学位论文作者毕业后去向 l + 作单位： 通讯地自l ： 导师签名 i 鼬以 彤 月 良， 话编价琢邮 日 字痧勃1料嘶 z 锄 致谢 硕士研究生两年多的美好时光匆匆而过，当论文完成之际我首先向我的导 师张代胜副教授表示深深的感激之情。在研究生期间我一点一滴的收获都得益 于张老师的教诲和培养! 张老师在学业上给予了我最大的悉心指导，他渊博深 厚的专业知识、废寝忘食的工作作风和细致严肃的治学态度给予我以深深的激 励，使我终生受益；恩师如父，感谢张老师在生活上对于我的无私帮助。 感谢教研室a b s 课题组羊拯民教授、王启瑞副教授、孙骏副教授、尹安东 副教授、王荣贵试验师和江淮汽车股份有限公司技术中心赵虎工程师在我课题 研究过程中的帮助和指导。 感谢陈朝阳教授对于我论文上的指导。 感谢我的同学顾勤林、袭著永、吴伟岸、刘立强、谷叶水、李先锋、张建 军、赵君卿、乔明侠、王阳阳、汤筠筠、肖悦，我的许多成绩都得益于他 们的启发和帮助。 最后感谢我的家人和亲友，是他们多年的养育、爱护和支持使我完成了今 天的学业，向他们表示最大的感激。 作者：邹海斌 2 0 0 5 年3 月 第一章绪论 1 1 概述 在驾驶员、汽车和环境三者所组成的闭环系统中，汽车与环境之阀的最基 本联系是轮胎和路面之间的作用力( 包括纵向力、侧向力、法向力以及回正力 矩、反转力矩等) 。汽车的行驶状态主要是由轮胎和路面的作用力决定的，因此， 驾驶员对汽车的控制实际上是在控制轮胎与路面间的作用力，但是，轮胎与路 面间的作用力要受到轮胎与路面间的附着特性的限制。当轮胎与路面间的作用 力接近或达到附着极限，例如在汽车起步或加速行驶过程中，如果路面附着系 数较小，常常会使车辆驱动力超过轮胎与路面间的纵向附着极限，产生驱动轮 过度滑转，这不但降低汽车的驱动性能，加剧轮胎磨损，增大传动系载荷和驾 驶员负担，增加燃油消耗，而且损害车辆的操纵性、稳定性和安全性i 。车辆 在低附着路面和高速行驶下转弯。由于车轮滑转率较高，侧向力常常接近侧向 附着极限，不但使车辆不能按正确路径行驶，而且容易发生事故。如果汽车装 备了防滑转装置，就会避免或减轻这些不安全现象1 ：l 。 1 2 汽车防滑控制的发展及研究现状 目前在汽车上流行的且为大家所熟悉的防滑控制系统有a b s 、a s r 、e s p 等电子装置。 1 2 1 汽车制动防抱死系统a b s 简介 在汽车防滑装置家族中，最为大家熟悉的是a b s 汽车制动防抱死系统。如 今a b s 已经普遍装备于轿车、客车以及载货车上，而且从2 0 0 3 年开始已经成为 我国家用轿车的标准配嚣。一般汽车遇到紧急情况刹车时，当驾驶员把刹车踩 到底会造成抱死，路况不好，会造成滑移或侧滑，容易造成车祸，而a b s 通过 控制制动的单环系统，对所有的制动车轮进行控制，防止在制动时车轮被抱死， 这样就可以正常对汽车进行转向与操纵控制p l 。 汽车制动防抱死系统( a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m 或a n t i s k i db r a k i n g s y s t e m ，简记为a b s ) 是在传统制动系统的基础上采用电子控制技术的种机 电液( 气) 一体化装置，它在汽车制动过程中可自动调节车轮制动力，防止车 轮抱死以取得最佳制动效果，即在制动过程中，时时发挥出最大制动力( 即始终 保持在附着系数峰值点附近工作) 。a 1 3 s 可以保证汽车在各种行驶条件下制动时 均能充分利用轮胎与路面间的纵向和侧向附着力，提高汽车抗侧滑的能力，减 小轮胎磨损，改善汽车的操纵性和方向稳定性，缩短制动距离，有效提高行车 安全性。 汽车a b s 的研究开发，始于1 9 3 2 年第一个英国防滑专利u k 3 8 2 2 4 1 ，1 9 3 6 年 德国r o b e r t b o s c h 公司将电磁式传感器用于测量车轮速度并申请专利，这是a b s 形成中一个重要的里程碑。1 9 5 4 年美国f o r d 公司首次在林肯牌轿车上试装法国 航空公司的a b s 装置，虽然以失败而告终，但揭开了汽车应用a b s 的序幕。6 0 年代a b s 开始应用电磁式车轮速度传感器，但简单的机械式控制部分并不能适 应车辆参数和工况的变化，经常出现防抱死功能失效，所b a a b s 发展陷于进退 两难的境地。7 0 年代初期随着大规模集成电路的发展和应用，依赖于硬件逻辑 电路的a b s 控制器应运而生，但a b s 本身复杂的控制逻辑又制约其体积减小和 可靠性的增加。1 9 7 8 年b o s c h 公司与b e n z 公司合作研制出带有数字式微处理器 控制器的三通道四轮a b s ，并批量装配于奔驰轿车上，这是a b s 开发中一个突 破性的发展，奠定了a b s 发展的基本模式。8 0 年代中后期，随着a b s 在技术上 的进一步发展与成熟，许多汽车零部件公司纷纷开始生产a b s 产品，a b s 也进 入了快速推广应用阶段，其装车率均以直线速度增长，截止2 0 0 0 年北美已达 9 0 ，西欧、日本和澳大利亚为5 0 ，汽车工业的后起之秀韩国和巴话也已分 别达到4 0 和3 0 。各个著名a b s 公司如：b o s c h ，i t tt e v e s ，k e l s e yh a y e s ， d e l p h i d e l c o ，a l l i e ds i g n a i ，b e n d i x ，l u c a s ，w a b c o ，k n o t t 等都在为争夺和 保持已经占有的市场份额而竞争，各个汽车公司亦同样把a b s 系统作为汽车的 促销手段1 1 , 3 , 4 i 。 a b s 按产品结构可分为机械式a b s 和电子式a b s ，对于电子式a b s ，按传 递制动力矩介质的不同又分为液压a b s 和气压a b s 两种。液压a b s 主要用于轿 车和轻型车，而气压a b s 一般用于中、重型载货汽车和大客车1 4 i 。 1 ，2 2 汽车驱动防滑控制系统a s r 简介 a s r ( a n t i s k i dr e g u l a t i o n ) 是驱动防滑控制系统，又称为牵引力控制系统。 具体说，就是防止驱动轮在起步或加速阶段打滑的控制系统，目的是防止车辆 尤其是大马力的车子在起步、再加速情况下驱动轮打滑，维持车辆行驶方向稳 定，保持良好的操纵稳定性和驱动性，使行车安全性能提高。汽车行驶在易滑 的路面上，没有a s r 装置在加速时驱动轮容易打滑，后驱动的汽车容易甩尾， 前驱动的汽车容易方向失控。有a s r 装置的汽车在加速时，a s r 将驱动轮的滑 转率控制在一定的范围内，从而防止驱动轮的过度滑转，这样就会使车辆沿着 正确的路线行驶，避免发生驱动轮过度打滑导致牵引性和安全性能降低。因此 可以说a s r 是在a b s 基础上的升级，在功能上的延伸。 随着对汽车性能要求的不断提高，而且高级轿车的质量功率比在不断降 低，为了提高汽车的加速性能，充分乖j 用车轮的附着力，获得尽可能大的驱动 力己成为一项重要的技术课题。在此背景下，许多大公司研制了具有制动防抱 死和驱动防滑转功能的驱动防滑控制系统( a b s a s r ) ，因此驱动防滑控制技术 目前已经得到了广泛而迅速的发展，汽车驱动防滑控制的历史可以追溯到一个 世纪前。 2 二十世纪初，汽车设计师们都把汽车在低附着系数路面上的牵引力控制着 眼于轮胎技术，所以在当时出现了大量有关防滑链、防滑轮胎的专利，但是由 于当时汽车发动机的功率较小、速度较低，驱动轮发生过度滑转的情况并不多 见，所以一宜没有引起人们的特殊注意，特别是四轮驱动车的研制成功，仿佛 使这一问题得到的解决，但是人们很快发现，四轮驱动虽然能够大大提高车辆 的牵引性，但驱动系统结构复杂、汽车整车整备质量大、成本高、振动噪声明 显尤其是在低附着性能路面上，车辆的行驶稳定性较两轮驱动车还要差，所 以人们认识到全轮驱动并不是解决汽车在低附着系数路面上驱动能力与驱动稳 定性的最佳方案。而且，随着汽车发动机功率的不断提高，车速的不断增大， 特别是前轮驱动方式的广泛采用，使驱动轮过度滑转的现象经常出现，所以自 上世纪七十年代起，汽车设计师们便逐渐开始重视这问题的研究，并相继有 人在目本、德国和美国申请了汽车驱动防滑控制的专利。 1 9 7 2 年日本首次登记了一种以停止发动机气缸点火为控制手段的汽车驱动 防滑控制装置1 1 l 。这种装置是通过变速器从动轴上的传感器测定汽车驱动轮加 速度的瞬时值，然后与给定的轮胎和道路附着系数的某一可能极限值进行比较， 确定获得相当于极限加速度的加速对间和极限加速度当测定的车轮加速度超 过确定的极限加速度时。发出停止气缸点火的信号。 1 9 7 8 年德国注册了一种以减少气缸供油来实现汽车驱动防滑控制的装置。 它是把轮速传感器测得的信号经放大后送入一个运算装置中，在运算装置中计 算出驱动轮与非驱动轮的速度差当二者的差值超过预先设定的门限值时。控 制器就发出控制指令，减少进入发动机气缸的油量，直到滑转现象消失1 6 , 7 i 。 同年，美国登记了一种以在驱动轮上施加制动力矩的汽车驱动防滑控制装 置i “8 l 。它是在车架上安装一个电动机，电动机的轴上装有一个曲柄，曲柄通过 钢丝绳与一个杠杆相连，杠杆上固定着与手制动操纵机构相连的钢丝绳。当司 机发现驱动轮发生过度滑转时，作用操纵机构，使钢丝绳拉紧，杠杆向前移动， 同时拉紧与驱动轮相连的钢丝绳，这时两后轮均制动，当汽车驱动轮遇到低附 着系数路面时，司机接通电动机，曲柄向前和向后拉紧钢丝绳，并交替地向相 反方向转动杠杆，时而拉紧一个驱动轮的钢丝绳，时而拉紧另一个驱动轮的钢 丝绳，使驱动轮交替被制动。 1 9 8 1 年，日本又注册了一种以调节离合器接合程度来限制汽车驱动轮过度 滑转的汽车驱动防滑控制专利。 此后，汽车牵引力控制系统的专利越来越多，在结构、控制方式等方面也 各不相同。但是，v o l v o 汽车公司是世界上第一个在实车上应用驱动防滑控制 系统的。1 9 8 5 年，v o l v o 汽车公司将一种称为e t c 的电子牵引力控制系统安装 在v 0 1 v 0 7 6 0t u r b 汽车上，该系统是通过调节燃油供给量来调节发动机输出扭 矩，从而控制驱动轮滑转率，产生最佳驱动力。 1 9 8 6 年，在底特律汽车巡回展中，美园g m 汽车公司c h e v e r o l e t 分部在其生 产的克尔维特英迪牌轿车上安装了牵引力控制系统，为驱动防滑控制系统的 发展作了良好的宣传。同年9 月，b e n z 公司- 与w a b c o 公司联合开发出了应用在 货车上的驱动防滑控制系统，并在芬兰的北极圈内做了性能试验，试验表明汽 车驱动防滑控割系统在改善车辆牵引性、操纵性和稳定性等方面具有强大的优 势；1 2 月，b o s c h 公司第一次将制动防抱死( a b s ) 控制技术与驱动防滑( a s r ) 控制技术结合起来应用到m e r c e d e ss 级轿车上，并开始了小批量生产 1 - 8 1 。 1 9 8 7 年，b o s c h 公司在原a b s a s r 的基础上开始大批量生产两种不同形式 的汽车驱动防滑控制系统，一种是可保证方向稳定性的完全通过发动机输出扭 矩控制的a b s a s r ；另一种是既可保证方向稳定性，又可改善牵引性的驱动轮 制动力调节与发动机输出扭矩综合控制的a b s a s r 。同年9 月，日本t o y o t a 公司 在其生产的c r o w n 牌轿车上安装了t c s 系统，它采用了发动机副节气门调节和驱 动轮液压制动调节联合控制的方式。后来t o y o t a 公司又在l e x u sl s 4 0 0 轿车上发 展了这一技术。它通过对节气门和制动控制方式进行改进，当轿车行驶在对开 路面上时，该系统能够独立调节左右轮的制动压力。而且，通过在阿拉斯加、 加拿大、瑞典等地试验。轿车在低附着路面上( 冰雪路面) 转向稳定性得到明显 改善。 1 9 8 9 年，德国a u d i 公司将驱动防滑控制系统安漩在前置前驱动的a u d i 牌轿 车上f ( i , t i ，这是世界上第一次将驱动防滑装置安装在前置前驱动轿车上。 截止1 9 9 0 年底，世界上己有2 3 个厂牌的5 0 余种车型安装了驱动防滑控制装 置，并且许多厂家开始削减四轮驱动车型号，而改为发展a s r 系统。 进入二十世纪九十年代。许多新的技术和控制方法应用到了a s r 上。丰田 公司开发出了一种新型的牵引力控制系统。它仅通过控制节气门开度来控制发 动机输出扭矩，而不涉及制动力调节。此系统有下列特征：节气门最初开度角 自适应设定、节气门开度角自动调节、输出扭矩的有效控制。通过这些方式， 系统达到了与制动压力调节几乎相同的效果，而其成本却大大降低。并且，由 于这一系统既不影晌转向，又不会增加噪声和振动，从而减轻了驾驶员的负担， 增强了驾驶轻便性。 另外，新的牵引力控制系统采用了模糊控制逻辑，它大大增强了汽车在各 种不同路面上行驶的稳定性。由于车轮的滑转率随着不同路面和不同车速而不 断变化，模糊控制能够适时的获取最佳滑转率，从而使得汽车制动性和加速性 最佳，并且轮胎磨损减小。 在中国，a s r 的研究与开发起步较晚。由于我国在a b s 独立自主的研究方 面尚来取得实质性突破，致使a s r 技术的研究工作亦没有充分的进展，只能说 目前还处在初期的理论研究和探索阶段，尚未进行实用化a s r 产品的研究与开 发 t o - 13 1 。国内a s r 技术研究的侧重点主要倾向于控制算法方面的理论研究，且 4 控制理论方面大多以制动力控制为主、发动机扭矩输出控制为辅，在离合器、 电子控制变速器、电子控制防滑差速器的研究方面还没有明显的进展。就现在 大多数a s r 控制策略的研究来看，还存在控制精度和其他诸多问题，距离产品 化研究还有一定的差距。所以说，国内a s r 技术的研究与开发和国外比起来还 属于刚刚起步阶段。 根据汽车专家分析，驱动防滑控制系统也许不久就会和汽车上的安全带一 样，变得很普及。由于顾客对汽车装置要求的提高，促进了驱动防滑控制的发 展，汽车驱动防滑控制系统也必将和a b s 一样逐渐成为车辆的标准配置。 1 2 3 车辆稳定电控系统e s p 简介 目前汽车防滑的最高级装置应该属e s p i 引，e s p 是a b s 、a s r 这两种系统在 功能上的延伸，称得上是当前汽车防滑装置的最高级形式。a b s 和a s r 只能在 汽车车轮发生滑动时被动地作出反应，而e s p 能够探测和分析车况并纠正驾驶 错误，对过度转向或不足转向很敏感，传感器感觉到不良滑动就会迅速制动车 轮使其恢复附着力，产生相反的转矩而使汽车保持在原来的车道上。 e s p 包含以下部件：转向传感器、车轮传感器、侧滑传感器、横向加速度 传感器。控制单元通过这些传感器的信号对车辆的运行状态进行判断，进而发 出控制指令，并自动地向一个或多个车轮施加制动力。甚至在某些情况下每秒 进行百次以上的制动，以把车子保持在驾驶者所选定的车道内。这些传感器还 向控制装置提供汽车在任何瞬间的运行状况信息。e s p 目前有3 种类型：能自动 向全部四个车轮独立施加制动力的四通道或四轮系统：只能对两个前轮独立施 加制动力的双通道系统：能对两个前轮独立施加制动力而对后轮只能一同施加 制动力的三通道系统。e s p 可以和a b s 及a s r 集成在一起共同工作。在非紧急 的情况下，e s p 可充分发挥其主动做出反应的优势，其转弯控制功能可在正常 转弯制动时为内侧轮和外侧轮分别选择最佳的制动压力，以提高方向的稳定性。 a b s 和a s r 可以防止车轮过度滑转，以提高汽车的制动性和驱动性能。 随着计算机技术和现代控制技术的发展，汽车防滑控制技术必将更迅速地 向性能更完善的方向发展。以达到汽车的更佳安全性、操纵性、经济性和舒适 性，使汽车成为人类的最优代步工具。 1 3汽车驱动防滑a s r 的研究方法 当今进 ? a s r 研究主要采用试验与仿真相结合的方法逐步推进而完成的。 仿真方法是研究a s r 此类非线性系统常用的工具，是初期研究和系统分析必不 可少的方法；试验方法在a s r 整个设计与研究中的作用更不能忽视，它是进行 控制方法验证与实现的基础，又能进一步修正仿真模型，为理论研究打下坚实 的基础。前人的经验告诉我们，只有通过仿真方法和试验方法两个环节紧密结 合才能高效地开发出性能优良的a s r 系统i l “”。 a s r 进行仿真分析需要建立的数学模型有：整车动力学模型，驱动轮、从 动轮模型，发动机模型，传动系模型，n n - n 面模n ，e c u 控制逻辑，制动器 模型等。 对a s r 常见的试验有 3 , 4 , 1 8 - z l , 2 3 1 ： 1 ) 均匀路面直线行驶试验。为了检验汽车牵引性能，粗略评价其附着利用 率，分为高附着系数路面( 水泥路面) 、低附着系数路面( 冰雪路面) 试验。 2 ) 对接路面行驶试验。汽车行驶时会遇到从高附着系数路面到低附着系数 路面或从低附着系数路面到高附着系数路面的路段，把这种急剧变化的路面叫 做对接路面，在这种路面上进行试验可以验证a s r 的适应性能。 3 ) 在对开路面上行驶试验。在左右附着系数不同的路面上进行试验，评价 其方向稳定性。 4 ) 曲线行驶试验。曲线行驶可在各种路面上进行，汽车沿一定直径的圆周 行驶，测定汽车的侧滑量、偏转角、偏转角速度、方向盘转角，然后对其进行 评价。 5 ) 强化路试验。在搓板路面( 例如间距0 7 1 0 m ，突起高度1 0 3 0 r a m ) 上 行驶时，考察传感器安装部位的强度、耐久性和可靠性。 1 4 a s r 研究的关键技术及难点 a s r 研究的关键技术及难点主要包括在下列几点： 1 ) 节气门开度调节与制动力矩控制协同工作i l b 2 0 1 。与a b s 系统不同，a s r 是由反应时间不同的制动控制和发动机控制等组成的多环系统。各环节怎样协 同工作才能使驱动力调节效果达到最佳，需要经过反复试验和分析研究。 2 ) 执行机构的滞后问题1 3 , 4 , 2 0 - 2 2 , 2 4 - 2 7 1 。a s r 在各个传递环节上需要消耗时 间，因而制动驱动力矩就存在时间上的滞后，累积后就会脱离要求的控制范围。 3 ) e c u 的抗干扰问题1 3 , 4 i 。干扰可通过各种途径侵入到控制系统，造成控 制信号混乱，导致一系列严重后果。 4 ) 路面状况的识别技术1 9 , 2 7 1 。不同的道路条件下作为a s r 控制逻辑中重要 参变量的车辆目标滑转率及路面的峰值附着系数都不是一个固定的量。需要动 态地加以控制。因此a s r 的控制系统应该根据车辆所处的道路状况采取不同的 控制门限值，所以正确识剐路面状况就成了a s r 领域一个重要的课题。 5 ) 车辆运行速度的实时准确估计问题 2 8 , 2 9 i 。在a s r 中，无论是对基于车轮 加、减速度和参考滑转率的逻辑门限控制，还是对基于最佳滑转率的控制，都 需要实时获取车辆的运行速度。同样的问题也存在于a b s 的研究中，仅依赖四 个轮速传感器而不附加任何传感器的条件下，a b s 研究中车辆运行参考速度的 估计，一直被各a b s 生产厂家视为商业机密并加以格守。近年来采用非接触式 传感器进行车身速度的精确测量一直是各a b s 厂家探寻的热点。光电传感器虽 然在很多工况下可以实现对车身速度的精确测量，但它对环境的要求较为苛刻， 6 而且在冰雪路面上其功效要受到影响。多普勒雷达测速仪采用电磁波进行测量， 具有测量精度高、受环境影响小等优点，但其成本较高，在定程度上限制了 其普及应用。而在a s r 系统中，一般认为非驱动轮的线速度即为车辆速度，并 由此来近似计算驱动轮的滑转率。另外由于路面状况、轮胎动力半径变化等外 部因素的影响，使采集到的轮速信号携带很大的噪音，因此必须进行相应的滤 波或补偿。使参考车速和参考滑转率更接近于实际车速或滑转率，以便进一步 提高控制精度。 6 ) 强鲁棒性非线性控制理论及其在a s r 中的应用 4 6 , 4 7 , $ 6 1 是另外一个难点。 目前国内外学者在该领域进行了大量的研究，也获得了一定成果，但许多理论 所基于的模型甚至包括算法本身都还有不完善的地方，这就决定了其无法进行 适时、精确的控制，更谈不上实用了。 1 5 本文研究的目的及意义 在中国经济与世界经济的快速接轨的宏观背景下，中国的汽车工业得到了 迅猛的井喷式发展，汽车产销量连年快速增长。随着汽车行驶速度的提高、道 路行车密度的增大，对于行车安全性能的要求愈来愈高。a s r 系统是在a b s 的基础上的进一步发展，由于该装置获得信息的方法也是靠车轮角速度传感器 传来的信息而工作的，且大多数控制系统与a b s 的控制系统制成体，因此可 共用一个计算机控制系统。因此a s r 系统可使用a b s 系统的许多相同的零部 件。可是a b s 是在制动时起作用，而a s r 是在驱动时起作用，a s r 与a b s 两 者之间的工作状态与要求是不同的。这就决定了进一步研究a s r 的可行性和必 要性。而且在中国加入世界贸易组织( w t o ) 后，我国的民族汽车工业应该迎 头赶上世界汽车工业的先进水平。而且随着我国汽车法规的不断完善，使用 a b s a s r 系统的车辆正在迅速增加，因此a b s ，a s r 技术的研究开发成功将会 产生重大的社会效益和经济效益。对于a b s a s r 的核心技术国外厂商实行严 密封锁，目前国内对于a b s 的研究与开发已经处于应用阶段，因此在继a b s 之后研究具有自主知识产权的a s r 系统，对于我国民族汽车工业的发展具有重 大现实意义。 1 6 本文研究的主瑟内容 本文结合江淮汽车一合肥工大汽车技术研究院的“h f c 6 9 2 0 防滑控制系统 f a b s a s r ) 研究”项目，以江淮汽车公司生产的h f c 6 8 2 0 客车为研究对象，建 立客车常规驱动、防滑驱动数学模型以及各自的计算机仿真模型，预测在该车 型上装备a s r 后的性能，探讨在该车型上实际应用驱动防滑转系统的可行性。 并对h f c 6 8 2 0 客车进行驱动性能试验。为此做了下述几方面的工作： 1 ) 建立h f c 6 8 2 0 客车驱动防滑转控制( a s r ) 数学模型，包括整车动力 学模型、车轮模型、发动机模型、传动系模型、轮胎一地面模型、制动器模型、 7 a s r 控制逻辑； 2 1 利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件，分别建立h f c 6 8 2 0 客车常规驱动 和驱动防滑控制( a s r ) 计算机仿真模型： 3 ) 设计基于驱动轮滑转率门限的a s r 控制逻辑，进行计算机仿真研究； 4 1 对h f c 6 8 2 0 客车进行驱动性能试验研究。 第二章汽率驱动防滑控制a s r 理论基础 2 1 汽车驱动防滑转控制原则 汽车在不同行驶条件下对行驶性能各方面的要求有所侧重，因此，在不同的 车速范围内就应以不同的原则对驱动车轮进行防滑转控制，以满足一定行驶条件 下重点性能作为主要控制目标，而对其它性能则进行适度兼顾，汽车在不同车速 范围内的控制目标不同。实施驱动车轮防滑转的途径也就不同。 2 ，11 汽车起步及加速初期的防滑转控制原则 汽车在起步及初期加速阶段，驱动防滑转控制应以提高汽车的起步加速性能 为主要控制目标，即以充分利用各驱动车轮的附着力获得最大牵引力为控制原则 t 7 , 8 , 1 3 1 。在车速较低时，即使各驱动车轮所产生的牵引力存在较大程度的不平衡， 对汽车的行驶方向稳定性也不会产生太大的影响，所以，在这一阶段对各驱动车 轮的滑动率控制应按独立原则进行，此时，如果各驱动车轮间的附着条件相差较 大，可以通过电控悬架的主动调节，使附着条件较差的驱动车轮的载荷向附着条 件较好的驱动车轮进行适度调配。使各驱动车轮总的附着力有所增大；如果汽车 装备有可控防滑差速器，在这一阶段应该使其进入防滑差速状态，即使差速器不 具备防滑差速功能，也可以对附着条件较差的驱动车轮通过制动介入施加适度的 制动力矩，使其滑转率处于最大纵向附着系数的范围之内；如果附着条件较好的 驱动车轮也发生了滑转，则应通过适度减小发动机的输出转矩和变速器的传动比 使其驱动力矩减小，必要时也可以对其施加一定的制动力矩，以加速滑转率的控 制速度。 2 1 2 汽车中速的防滑转控制原则 汽车在中速行驶时，驱动防滑转控制应以保证汽车的行驶方向稳定性为主要 控制目标，但也应兼顾汽车的加速性能1 7 ，8 l 。此时，可以对各驱动车轮一同施加 相同的制动力矩，使附着条件较差的驱动车轮滑转率处于横向和纵向附着系数都 较大的范围内，从而保证各驱动车轮产生相同的牵引力，并且使各驱动车轮都具 有较强的抗侧滑能力，使汽车获得较好的方向稳定性。但是制动介入的时间必须 予以控制，以免制动器因长时间产生较大的制动力矩而发生过热和过度磨损。为 此，必要时可辅之以减小发动机的输出转矩和变速器的传动比进行控制，使作用 于驱动车轮的驱动力矩有所减小。另外在这一阶段电控悬架一般不应进行载荷调 配，因为，如果载荷从附着条件差的驱动车轮向附着条件好的驱动车轮进行调配， 会使驱动车轮之间的牵引力相差较多，从而影响汽车的方向稳定性；如果汽车从 附着条件好的驱动车轮向附者条件羞的驱动车轮进行调配，则会使各驱动车轮的 牵引力总和有所减小，从而影响汽车豹加速性能，防滑差速器在这一阶段也不应 9 进入防滑状态，原因与上述相同。 2 1 3 汽车高速的防滑转控制原则 汽车在高速行驶时，驱动防滑转控制应以保证汽车的行驶方向稳定性为唯一控制 目标，在驱动防滑转过程中，应使各驱动车轮产生的牵引力始终保持一致一42 ：8 1 。 为了防止制动器发生过热和过度磨损，这一阶段不应再通过制动介入途径控制驱 动车轮的滑转率，而应通过减小发动机的输出