第3章 汽车行驶稳定性控制系统(汽车电子控制技术)PPT课件

汽车电子控制技术 汽车类专业应用型本科示范教材 机械工业出版社出版主编于京诺 第3章汽车行驶稳定性控制系统 学习目标 了解ABS ASR的基础理论 了解ABS ASR的组成和分类 掌握ABS的结构和工作原理 掌握ASR的结构和工作原理 了解ESP的功能 掌握ESP的结构和工作原理 3 1防抱死制动系统 ABS 3 1 1概述1 ABS的基础理论 第3章汽车行驶稳定性控制系统 1 汽车制动时的附着条件地面制动力只能小于或等于附着力 3 1 附着力正比于地面对车轮的法向反作用力FZ以及车轮与地面之间的附着系数 即 3 2 在地面对车轮的法向反作用力FZ一定的情况下 附着力的大小取决于附着系数 附着系数的大小与路面和轮胎的性质有关 还与车轮的滑移率有关 2 车轮滑移率车轮滑移率就是表示制动过程中车轮滑移程度的 滑移率是指车速与车轮速度的差值与车速之比 滑移率s的表达式为 3 3 式中v 车速 m s v 车轮速度 m s r 车轮半径 m 车轮转动角速度 rad s 车轮在路面上纯滚动时 v v s 0 车轮完全抱死时 即在路面上纯滑移 0 车轮滑移率s 100 车轮在路面上边滚动边滑移时 v v 车轮滑移率0 s 100 车轮滑移率越大 说明车轮运动中滑动成分所占比例越大 汽车制动时 在路面附着系数以及作用于车轮上的垂直载荷一定的情况下 车轮制动器的制动力矩越大 车轮的滑移率将越大 3 附着系数与滑移率的关系车轮与地面之间的附着系数会随着车轮滑移率的变化而变化 干燥硬实路面附着系数与滑移率的关系如图3 1所示 开始时随着滑移率的增大 纵向附着系数迅速增大 当滑移率达到约20 时 纵向附着系数达到最大值 当滑移率达到100 即车轮完全被抱死滑移时 其附着系数称为滑动附着系数 当滑移率为0时 横向附着系数最大 随着滑移率的增大 横向附着系数逐渐减小 当滑移率达到100 时 横向附着系数接近于零 图3 1干燥硬实路面附着系数与滑移率的关系 4 汽车采用ABS的必要性由附着系数与滑移率之间的关系可知 汽车制动时如果车轮完全抱死 就纵向附着系数而言 其滑动附着系数低于峰值附着系数 这将使车轮完全抱死时的制动距离比具有峰值附着系数时的制动距离变长 就横向附着系数而言 由于在车轮抱死时的横向附着系数接近于零 汽车几乎失去了横向附着能力 因此使汽车的方向稳定性变差 一旦汽车遇到横向干扰力的作用 就可能产生侧滑 甩尾甚至回转等情况 另外 一旦转向车轮抱死 汽车不会按照转向轮偏转的方向行驶 而是沿汽车行驶惯性力的方向向前滑动 从而使汽车失去转向控制能力 综上所述 汽车制动时车轮抱死会使制动距离变长 方向稳定性变差 失去转向控制能力 因此制动时应避免车轮抱死 汽车上采用ABS的目的就是避免制动时车轮抱死 将滑移率控制在10 30 在此范围内既有最大的纵向附着系数 使制动距离最短 又有较大的横向附着系数 以获得较好的横向稳定性和转向控制能力 2 ABS的组成和工作过程 图3 2典型ABS的组成 1 轮速传感器2 右前制动器3 制动主缸4 制动液罐5 真空助力器6 电子控制单元7 右后制动器8 左后制动器9 ABS警告灯10 制动压力调节器11 左前制动器 工作过程 装有ABS的汽车并非只要制动ABS就起作用 当制动强度较低时 ABS不起作用 只有当制动强度达到一定程度ABS才起作用 汽车行驶时 轮速传感器会将每一个车轮的转速信号送至ECU 汽车制动时 ECU通过监测每一个车轮的轮速信号判断车轮的运动状态 如果制动强度比较低 ECU监测到的车轮滑移率较小 ABS不起作用 此时的制动就是常规制动 随着制动踏板的继续踏下 制动强度增大 如果ECU监测到某一车轮滑移率增大到一定程度 ECU将发出指令 控制制动压力调节器 使该车轮的制动压力降低或保持不变 防止该车轮滑移率的进一步增大 防止车轮抱死 将车轮滑移率控制在10 30 的理想范围 3 ABS的分类 1 按总体结构布置分类ABS按总体结构布置分类可以分为整体式和分开式两类 整体式ABS是指ABS的制动压力调节器与制动主缸构成一个整体 这种结构紧凑 管路接头少 但结构复杂 成本较高 一般用于高级轿车 分开式ABS是指ABS的制动压力调节器与制动主缸分开布置 通过制动管路连接 分开式制动压力调节器在车上布置灵活 成本较低 但制动管路接头较多 目前大多数汽车采用分开式ABS 2 按控制通道和传感器数目分类所谓控制通道是指在ABS系统中能够独立进行制动压力调节的制动管路 按照控制通道数目分 ABS可以分为四通道式 三通道式 二通道式和一通道式 1 四通道式 四通道式ABS又可分为以下两种形式 前后管路布置四通道式由于四通道ABS可以单独对每一个车轮进行制动压力控制 因此附着系数利用率高 使制动距离最短 四通道ABS的缺点是在某些情况下左右两侧制动力不平衡 影响汽车制动时的行驶稳定性 1 制动压力调节器2 轮速传感器 X管路布置四通道式 a 前后管路布置b X管路布置 图3 3四通道ABS 2 三通道式 三通道式ABS又可分为以下3种形式 四传感器 前后管路布置 前轮独立控制 后轮低选控制三通道式前轮独立控制的好处是由于轿车前轴的垂直载荷较大 再加上制动时的载荷转移 使前轮的制动力占汽车总制动力的比例较大 可达70 前轮独立控制有利于充分利用两前轮的附着系数 缩短制动距离 然而前轮独立控制可能导致制动过程中两前轮的制动力不相等 但由于两前轮制动力不平衡对汽车行驶时方向稳定性的影响相对较较小 可以通过驾驶员的转向操纵对此造成的影响进行修正 后轮低选控制是指在制动过程中 ECU监测到两个后轮中的任何一个首先趋于抱死 就同时对两个后轮的制动压力进行控制 这就是所谓的后轮低选原则 后轮低选原则可以保证汽车在各种条件下两侧后轮的制动力相等 保证了汽车在各种条件下制动时都具有良好的方向稳定性 后轮低选原则的缺点是附着条件较好一侧车轮的附着系数不能充分利用 与四通道 四轮独立控制的ABS系统相比 制动距离稍长 三传感器 前后管路布置 前轮独立控制 后轮低选控制三通道式这种形式与前一种的区别仅在于省去了一个轮速传感器 两个后轮共用一个安装在后桥主减速器上或者变速器输出轴上的轮速传感器 四传感器 X管路布置 前轮独立控制 后轮低选控制三通道式这种形式虽然两后轮的车轮制动器分别与两条制动管路连接 管路彼此独立 并且在每一条制动管路都有一路制动压力调节电磁阀 但制动过程中ECU是按照低选原则对两侧后轮的制动压力同时进行控制 相当于两后轮制动器为一个通道 a 四传感器 前后管路布置 前轮独立控制 后轮低选控制b 三传感器 前后管路布置 前轮独立控制 后轮低选控制c 四传感器 X管路布置 前轮独立控制 后轮低选控制 图3 4三通道ABS 3 二通道式 二通道式ABS根据传感器数量 制动管路布置形式的不同 又可分为4种形式 见图3 5 二通道式ABS结构简单 成本低廉 但在制动时的方向稳定性 转向控制能力和制动效能等方面难以得到兼顾 因此很少采用 a 三传感器 前后管路布置二通道式 b 四传感器 前后管路布置二通道式c 二传感器 前后管路布置二通道式d 二传感器 X管路布置二通道式 图3 5二通道ABS 4 一通道式 一通道ABS在后轮制动管路中设置一个制动压力调节器调节两后轮的制动压力 在后桥主减速器上安装一个轮速传感器 或者在两个后轮上各安装一个轮速传感器 一通道ABS通常都是按照低选原则对两后轮进行控制 这样使得附着条件较好的一侧后轮的附着系数不能得到充分利用 缩短制动距离的效果并不明显 但可以提高汽车制动时的方向稳定性 图3 6一通道ABS 4 ABS的控制技术 1 ABS的控制方式ABS有多种控制方式 其目的都是根据轮速 减速度 车速等信号 判断制动时车轮的运动状态 并通过调节车轮制动器轮缸的制动压力 将车轮滑移率控制在10 30 的范围内 从而获得最佳制动性能 目前ABS的控制方式有车轮滑移率控制方式 逻辑门限值控制方式 最优化控制方式 滑模动态变结构控制方式和模糊控制方式等 其中车轮滑移率控制方式和模糊控制方式需要使用成本较高的多普勒雷达检测车速 因此采用较少 在剩下的3种控制方式中 逻辑门限值控制方式由于实时响应好 执行机构比较容易实现而应用广泛 2 ABS的控制过程在制动初始阶段 车轮制动轮缸的制动压力随制动踏板力的增大而增大 车轮速度vW下降 减速度增大 如图3 7中第1阶段曲线所示 由于制动力较小 ABS未起作用 此阶段为常规制动 当减速度增加到设定门限值 a时 ABSECU发出指令 使相应的电磁阀转换到 保持压力 状态 控制过程进入第2阶段 保压阶段 取此时的车轮速度为初始参考车速 然后按照给定的斜率计算并确定参考车速vref 由参考车速可以计算出任意时刻的车轮滑移率 称为参考滑移率 将参考滑移率与设定的滑移率门限值S1进行比较 如果参考滑移率小于滑移率门限值 表明车轮还工作在附着系数与滑移率关系曲线 参见图3 1 的稳定区 则继续维持 保压 状态 以充分利用路面附着系数 当参考滑移率大于滑移率门限值时 说明车轮已工作在附着系数与滑移率关系曲线的不稳定区 ABSECU发出指令 使相应的电磁阀转换到 减压 状态 控制过程进入第3阶段 减压阶段 V 车速Vref 参考车速S1 滑移率门限值VW 车轮速度 A a 车轮加速度门限值 a 车轮减速度门限值 2 ABS的控制过程 在制动初始阶段 车轮制动轮缸的制动压力随制动踏板力的增大而增大 车轮速度vW下降 减速度增大 如图3 7中第1阶段曲线所示 由于制动力较小 ABS未起作用 此阶段为常规制动 图3 7高附着系数路面ABS的控制过程 V 车速Vref 参考车速S1 滑移率门限值VW 车轮速度 A a 车轮加速度门限值 a 车轮减速度门限值 图3 7高附着系数路面ABS的控制过程 当减速度增加到设定门限值 a时 ABSECU发出指令 使相应的电磁阀转换到 保持压力 状态 控制过程进入第2阶段 保压阶段 取此时的车轮速度为初始参考车速 然后按照给定的斜率计算并确定参考车速vref 由参考车速可以计算出任意时刻的车轮滑移率 称为参考滑移率 V 车速Vref 参考车速S1 滑移率门限值VW 车轮速度 A a 车轮加速度门限值 a 车轮减速度门限值 图3 7高附着系数路面ABS的控制过程 将参考滑移率与设定的滑移率门限值S1进行比较 如果参考滑移率小于滑移率门限值 表明车轮还工作在附着系数与滑移率关系曲线 参见图3 1 的稳定区 则继续维持 保压 状态 以充分利用路面附着系数 当参考滑移率大于滑移率门限值时 说明车轮已工作在附着系数与滑移率关系曲线的不稳定区 ABSECU发出指令 使相应的电磁阀转换到 减压 状态 控制过程进入第3阶段 减压阶段 V 车速Vref 参考车速S1 滑移率门限值VW 车轮速度 A a 车轮加速度门限值 a 车轮减速度门限值 图3 7高附着系数路面ABS的控制过程 减压后车轮制动力下降 在汽车惯性力作用下车轮减速度开始向正值方向变化 当车轮减速度的绝对值小于车轮减速度门限值 a的绝对值时 ABSECU使相应的电磁阀再次转换到 保压 状态 控制过程进入第4阶段 V 车速Vref 参考车速S1 滑移率门限值VW 车轮速度 A a 车轮加速度门限值 a 车轮减速度门限值 图3 7高附着系数路面ABS的控制过程 进入第4阶段后 由于汽车惯性力的作用 车轮减速度的绝对值越来越小而变为正值 加速度 如果车轮加速度未能超过第一个加速度控制门限值 a 则判定路面情况为低附着系数 此时按照低附着系数路面的控制过程进行控制 如果车轮加速度超过第一个加速度控制门限值 a 则继续 保压 如果车轮加速度超过第二个加速度控制门限值 A时 ABSECU使制动压力控制进入第5个阶段 增压 阶段 V 车速Vref 参考车速S1 滑移率门限值VW 车轮速度 A a 车轮加速度门限值 a 车轮减速度门限值 图3 7高附着系数路面ABS的控制过程 增压后 车轮加速度下降 当车轮加速度低于加速度控制门限 A时 控制过程进入第6阶段 保压 阶段 直至车轮加速度降低到加速度控制门限值 a 第6阶段结束 V 车速Vref 参考车速S1 滑移率门限值VW 车轮速度 A a 车轮加速度门限值 a 车轮减速度门限值 图3 7高附着系数路面ABS的控制过程 此后 为了充分利用路面附着系数 进入 增压 和 保压 快速转换的第7阶段 由于制动压力的增大 车轮减速度大于设定门限值 a时 控制过程进入第8个阶段 减压 阶段 ABS进入第二个控制周期 控制过程与上述相同 V 车速Vref 参考车速S1 滑移率门限值VW 车轮速度 A a 车轮加速度门限值 a 车轮减速度门限值 图3 7高附着系数路面ABS的控制过程 ABSECU按照设定的控制方式和控制过程 控制制动压力调节器以每秒2 10次的频率调节制动轮缸的压力 防止车轮抱死滑移 将各车轮的滑移率控制在理想滑移率附近 缩短汽车的制动距离 提高汽车制动时的方向稳定性和转向控制能力 3 1 2ABS主要部件的结构和工作原理 1 轮速传感器轮速传感器的作用是检测车轮转速 并将车轮转速信号送入ABSECU 轮速传感器一般都安装在车轮处 但有些驱动车轮的轮速传感器安装在主减速器或变速器等传动系统部件中 目前ABS轮速传感器主要有电磁式和霍尔式两种 1 电磁式轮速传感器 a 驱动轮b 从动轮 图3 8安装在车轮处的轮速传感器 安装在传动系统部件中的轮速传感器如图3 9所示 传感器安装在主减速器或变速器壳体上 齿圈安装在变速器输出轴上 或借用主减速器从动齿轮作为齿圈 图3 9安装在传动系统中的轮速传感器 2 霍尔式轮速传感器霍尔式轮速传感器也是由传感器和齿圈组成 传感器则由永久磁铁 霍尔元件和集成电路等组成 霍尔式轮速传感器根据霍尔效应原理产生轮速信号 霍尔式轮速传感器的优点是 1 输出的信号电压不随转速的变化而变化 在汽车电源电压为12V的条件下 信号的幅值保持在11 5 12V 即使车速很低时也是如此 2 传感器频率响应可达20kHZ 在ABS中相当于车速为1000km h时所检测的信号频率 因此不会出现高速时频率响应差的问题 3 由于霍尔式轮速传感器输出的电压信号强弱不随转速变化 且幅值较高 因此抗电磁干扰能力较强 霍尔式轮速传感器的缺点是结构复杂 成本较高 并且工作时需要有电源电压 2 电子控制单元 ABS电子控制单元 ECU 主要用于接收轮速传感器和其他传感器的输入信号 根据设定的控制逻辑 通过计算和逻辑分析 判断后输出控制指令 控制制动压力调节器调节制动压力 ABSECU主要由输入电路 计算电路 输出电路 安全保护电路等组成 图3 10ABSECU电路框图 三通道四传感器式 1 输入电路输入电路由低通滤波电路和整形 放大电路组成 用于对轮速传感器等输入的信号进行处理 并将模拟信号转变成数字信号输入计算电路 2 计算电路计算电路的作用是根据轮速传感器和其他传感器的输入信号 按照设定的控制逻辑 经计算和逻辑分析 判断后输出控制指令 计算电路不仅能够监测ECU内部的工作情况 还能监测轮速传感器和泵电动机继电器 电磁阀继电器等执行器的工作电路 当监测到这些电路工作不正常时 立即向安全保护电路输出指令 使ABS停止工作 3 输出电路输出电路的主要功能是将计算电路输出的数字控制信号 如制动压力增加 保持 降低 转变成模拟信号 通过功率放大器驱动执行器工作 4 安全保护电路安全保护电路由电源监控 故障记忆 继电器驱动和ABS警告灯驱动等电路组成 安全保护电路接收汽车电源的电压信号 对电源电压是否稳定在规定范围内进行监控 同时将12V或14V电源电压变成ECU内部需要的5V标准电压 3 制动压力调节器 制动压力调节器是ABS的执行器 其功用是接收ECU的指令 通过电磁阀自动调节车轮制动器的制动压力 制动压力调节器按照压力调节方式的的不同 可以分为循环式和可变容积式 1 循环式制动压力调节器1 循环式制动压力调节器的组成循环式制动压力调节器主要由电磁阀 回油泵 储液器等组成 1 回油泵2 单向阀3 制动主缸4 电磁阀5 制动轮缸6 储液器 图3 11循环式制动压力调节器的组成 电磁阀 制动压力调节器的电磁阀主要有三位三通电磁阀和二位二通电磁阀两种 三位三通电磁阀的结构和工作原理如图3 12所示 a 不通电b 通小电流c 通大电流1 进液阀2 回液阀3 主弹簧4 副弹簧5 衔铁套筒6 电磁线圈 图3 12三位三通电磁阀的工作过程 回油泵和储液器 回油泵和储液器如图3 13所示 回油泵由永磁电动机和柱塞泵组成 当电动机工作时 带动凸轮旋转 驱动柱塞向下运动 柱塞下方的制动液受到压缩 顶开出液阀 制动液被泵回制动主缸 当凸轮基圆与柱塞接触时 柱塞在弹簧力的作用下向上运动 出液阀关闭 储液器内的制动液进入柱塞泵泵腔 a 柱塞上行b 柱塞下行 图3 13回油泵和储液器 2 循环式制动压力调节器的工作过程 常规制动过程 根据ABSECU的指令 制动压力调节器的电磁线圈不通电 制动主缸的管路经电磁阀与制动轮缸管路相通 制动轮缸的压力随制动主缸压力的变化而变化 此时回油泵不工作 图3 14常规制动过程 保压过程 在ABS工作过程中 当需要对制动轮缸保持制动压力时 根据ABSECU的指令 给电磁阀通入小电流 进液阀和回液阀都关闭 制动轮缸内的制动压力保持不变 回油泵不工作 图3 15保压过程 减压过程 当需要对制动轮缸进行减压时 ABSECU发出指令 使制动压力调节器电磁阀通入大电流 回液阀打开此时制动主缸与制动轮缸之间的通路被切断 而制动轮缸与储液器之间的管路被接通 制动轮缸中的部分制动液流入储液器 从而减小了该车轮的制动压力 ABSECU同时启动回油泵工作 将流入储液器的制动液泵回制动主缸 3 16减压过程 由于减压过程中由制动轮缸流入储液器的制动液被回油泵又 循环 回制动主缸 因此这种制动压力调节器称为循环式制动压力调节器 制动液在循环回制动主缸的过程中 会造成制动主缸内的制动液压力波动 因而制动踏板会有反弹的感觉 踏板反弹的频率约为3 4次 s 增压过程 当需要对制动轮缸增加制动压力时 ABSECU发出指令 使电磁阀断电 进液阀打开 回液阀关闭 来自制动主缸的制动液可以再次进入制动轮缸 使制动轮缸的压力增大 2 可变容积式制动压力调节器 1 可变容积式制动压力调节器的组成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 储液器和储能器等组成 2 可变容积式制动压力调节器的工作过程 常规制动过程 图3 17常规制动过程 保压过程 ABSECU发出指令 给制动压力调节器的电磁线圈通入小电流 电磁阀中的柱塞在电磁吸力和弹簧力的共同作用下处于中间位置 控制活塞大端工作腔的控制油液被密封 控制活塞保持一定位置不动 因此控制活塞小端工作腔的容积不发生变化 而此时单向阀仍处于关闭状态 所以制动轮缸的油压保持不变 图3 18保压过程 减压过程 ABSECU给制动压力调节器的电磁线圈通入大电流 储能器与控制活塞工作腔之间的油路接通 同时将通向储液器的油路关闭 液压泵工作 来自储能器或液压泵的高压控制油液进入控制活塞大端的工作腔 克服弹簧弹力 推动控制活塞右移 图3 19减压过程 增压过程 当需要增大制动压力时 ABSECU切断制动压力调节器电磁线圈的电流 电磁阀中的柱塞在弹簧力的作用下回到左端原始位置 将控制活塞大端工作腔与储液器的管路接通 控制活塞大端工作腔内的控制油液流入储液器 控制活塞在弹簧力的作用下回到左端初始位置 控制活塞端部的推杆顶开单向阀 将制动主缸与制动轮缸之间的油路连通 来自制动主缸的制动液可以再次进入制动轮缸 使制动轮缸的压力增大 3 1 3典型防抱死制动系统 1 MK20 1型ABS的组成MK20 1型ABS为三通道 前轮独立控制 后轮低选控制式ABS 主要由4个轮速传感器 ABS控制器 ABS故障警告灯 制动装置警告灯等组成 图3 20MK20 1型ABS的液压管路系统 1 轮速传感器4个轮速传感器为电磁式 前轮速传感器的齿圈 43个齿 安装在半轴上 传感器安装在转向节上 后轮速传感器的齿圈 43个齿 安装在后轮毂上 传感器安装在固定支架上 2 ABS控制器MK20 1型ABS将电子控制单元和制动压力调节器组合在一起 形成了ABS控制器 主要包括ABS电子控制单元 J104 液压控制单元 N55 液压泵 V64 等 3 ABS故障警告灯和制动装置警告灯ABS故障警告灯为黄色 用于指示ABS自诊断系统是否检测到ABS有故障 制动装置警告灯为红色 用于指示制动液位过低或驻车制动装置未解除 2 MK20 1型ABS的工作原理 1 常规制动过程ABSECU不给任何电磁阀通电 来自制动主缸的制动液通过常开的进油阀进入轮缸 出油阀处于关闭状态 制动过程为常规制动 制动轮缸内的压力随制动主缸压力的升高而升高 2 保压过程当驾驶员继续踏下制动踏板 油压继续升高到车轮出现抱死趋势时 ABSECU发出指令使 给进油阀通电 进油阀关闭 出油阀仍然不通电 因此出油阀仍然关闭 制动轮缸的油压保持不变 3 减压过程当保持制动压力不变车轮仍有抱死趋势时 ABSECU发出指令 给出油阀通电 出油阀打开 而进油阀继续保持通电 进油阀关闭 制动轮缸内的部分制动液经出油阀进入储液器 并由液压泵泵入制动主缸 因此制动轮缸内的制动压力降低 4 增压过程当减压后如果车轮转速增加到一定值时 ABSECU发出指令 使进油阀和出油阀都断电 因此进油阀打开 来自制动主缸和液压泵的制动液再次进入制动轮缸 制动轮缸的制动压力增加 MK20 1型ABS工作原理 进油阀为常开电磁阀 出油阀为常关电磁阀 图3 20MK20 1型ABS的液压管路系统 1 常规制动 进 出油阀都不通电 MK20 1型ABS工作原理 图3 20MK20 1型ABS的液压管路系统 2 保压 进油阀通电 出油阀断电 MK20 1型ABS工作原理 图3 20MK20 1型ABS的液压管路系统 3 减压 进 出油阀都通电 MK20 1型ABS工作原理 图3 20MK20 1型ABS的液压管路系统 4 增压 进 出油阀都不通电 MK20 1型ABS工作原理 图3 20MK20 1型ABS的液压管路系统 3 2驱动防滑转系统 ASR 3 2 1概述驱动防滑转系统 Anti SlipRegulation 简称ASR 其作用是在汽车驱动过程中 将车轮的滑转率控制在理想范围 10 30 内 防止车轮滑转 以提高汽车在驱动过程中的方向稳定性和转向控制能力 并且提高汽车的加速性能 由于驱动防滑转系统主要是通过调节车轮的牵引力实现对车轮的防滑转控制 因此该系统也称为牵引力控制系统 TractionControlSystem 简称TCS 丰田公司则称其为TRAC或TRC 1 ASR的基础理论 1 汽车行驶的附着条件汽车行驶时 随着传递到驱动轮转矩的增大 汽车的驱动力随之增大 但当驱动力达到地面附着力时 如果传递到驱动轮上的转矩继续增大 驱动轮将在地面上滑转 驱动力将被限制在地面附着力之内 因此汽车行驶的附着条件是 式中Ft 汽车驱动力 N Mn 作用于驱动轮上的转矩 N m r 车轮半径 Fz 地面对车轮的法向反作用力 车轮与地面之间的附着系数 2 车轮滑转率指车轮速度与车速的差值与车轮速度之比 滑转率sd的表达式为 式中v 车轮速度 m s v 车速 m s r 车轮半径 m 车轮转动角速度 rad s 车轮在路面上纯滚动时 v v sd 0 车轮在地面上完全滑转时 车速v 0 车轮滑转率sd 100 车轮在路面上边滚动边滑转时 v v 车轮滑转率0 sd 100 车轮滑转率越大 说明车轮驱动过程中滑转成分所占比例越大 3 附着系数与车轮滑转率之间的关系驱动时车轮与路面之间的附着系数与滑转率之间的关系与制动时相似 在完全滑转的情况下 不仅会由于纵向附着系数比峰值时下降导致所能够提供的地面驱动力减小 而且由于横向附着系数接近于零导致汽车行驶稳定性和操纵性能的下降 对于后轮驱动汽车会失去方向稳定性 对于前轮驱动汽车会失去转向控制能力 图3 21纵向附着系数与滑移率和滑转率的关系 在汽车上装备ASR的目的就是在汽车起步 加速或在附着系数较低的路面上驱动时 将车轮的滑转率控制在10 30 使车轮与路面保持较高的附着力 提高汽车的牵引力和操控性 ASR有如下优点 1 提高了汽车的动力性 汽车在起步 行驶过程中可获得最佳的驱动力 尤其是在附着系数较小的路面 汽车起步 加速及爬坡能力得到改善 2 提高了汽车的行驶稳定性和前轮驱动汽车的转向控制能力 3 减少了轮胎磨损 降低了发动机油耗 2 ASR的控制方式 ASR工作时将驱动轮滑转率控制在最佳范围的方式有 1 对发动机输出转矩进行控制当驱动轮滑转率超过理想滑转率范围时 ASR减小发动机输出转矩 减小发动机输出转矩的手段有 1 调节发动机进气量 如通过副节气门调节发动机进气量 2 调节燃油量 如减少或中断喷油 3 调节点火时间 如减小点火提前角 2 对滑转车轮进行制动控制当驱动轮滑转时 ASR控制执行机构对滑转车轮进行制动 就可以阻止车轮进一步滑转 将车轮滑转率控制在理想范围内 3 对防滑差速器进行锁止控制这种防滑差速器具有多片离合器式差速锁 差速器的锁止由液压油将多片离合器压紧实现 通过控制油压的高低 就可以实现锁止程度从0到100 的变化 控制油压来自ASR的蓄能器 压力的大小由ECU控制油压电磁阀进行调节 当一侧驱动轮滑转或两侧驱动轮有不同程度的滑转时 ECU控制电磁阀调节差速器的锁止程度 以提高汽车的驱动力和行驶稳定性 3 ASR的特点 1 ASR有一个开关可以控制其工作或者不工作 2 如果ASR正在起作用的工作状态 驾驶员对车辆进行制动 ASR将会自动退出工作 不会影响制动过程的进行 3 ASR通常只在一定车速范围内进行防滑转调节 当车速较高时 ASR将自动退出防滑转控制 4 ASR工作时具有不同的优先选择性 当车速较低时 优先考虑提高牵引力 因此可以只对滑转一侧的车轮制动 或者对滑转程度不同的两侧驱动轮施加不同的制动力矩 但当车速较高时 优先考虑行驶稳定性 即使一侧车轮滑转时 也同时对两侧驱动轮施加相等的制动力矩 5 ASR具有自诊断功能 当自诊断系统诊断出系统有故障时 ASR将自动退出工作 并点亮警告灯 6 ASR和ABS都是通过控制作用于被控车轮上的力矩 而将车轮的滑移率或滑转率控制在理想范围内 以提高附着系数的利用率 从而缩短汽车制动距离或提高汽车的加速性能 改善汽车的行驶方向稳定性和转向控制能力 3 2 2ASR的基本组成和工作原理 1 ASR的组成ASR由传感器和开关 ECU 执行器组成 图3 22典型ASR的组成 2 ASR的工作原理 1 对发动机输出转矩进行控制对发动机输出转矩进行控制常用的方法是减小发动机进气量 通常在主节气门前方设置一个副节气门 见图3 23 ABS ASRECU控制副节气门驱动步进电动机使副节气门关小 减小发动机的进气量 降低发动机的输出转矩 当ASR不起作用时 ABS ASRECU使副节气门完全打开 不影响发动机的正常工作 a 全开位置b 半开位置c 全闭位置 图3 23副节气门的工作情况 2 对滑转车轮进行制动控制 当ABS ASRECU判定需要对滑转车轮进行制动时 ABS ASRECU将控制ASR制动执行器使高压制动液进入滑转车轮的制动轮缸对车轮进行制动 ASR制动执行器由两部分组成 一部分是制动供能总成 由液压泵9 蓄能器10和压力传感器12组成 另一部分是电磁阀总成 由3个二位二通电磁阀组成 制动供能总成的作用是为车轮制动器提供高压液压源 液压泵工作时 将制动液泵入蓄能器中 当蓄能器内的压力达到规定值时 压力传感器将压力信号传至ABS ASRECU ECU使液压泵停止工作 当压力传感器检测到系统压力低于规定值时 ECU使液压泵重新工作 从而保证制动供能总成内总是保持恒定的油压 电磁阀总成的作用是控制ASR工作时的制动油路 其中的储液罐隔离电磁阀13和蓄能器隔离电磁阀14为常闭电磁阀 制动主缸隔离电磁阀15为常开电磁阀 ASR制动压力执行器工作时可分为增压 保压 减压三个过程 图3 24ABS ASR防滑控制系统 1 发动机 自动变速器ECU2 主节气门位置传感器3 副节气门位置传感器4 ASR关闭指示灯5 ASR工作指示灯6 副节气门执行器7 ABS ASRECU8 ASR制动执行器9 ASR液压泵10 蓄能器11 限压阀12 压力传感器13 储液罐隔离电磁阀14 蓄能器隔离电磁阀15 制动主缸隔离电磁阀16 制动主缸17 液位开关18 比例阀和平衡阀19 ABS制动压力调节器20 右前调压电磁阀21 前回油泵22 左前调压电磁阀23 前储液器24 右前制动轮缸25 右前轮速传感器26 左前轮速传感27 左前制动轮缸28 右后轮速传感器29 右后制动轮缸30 右后调压电磁阀31 后回油泵32 左后调压电磁阀33 后储液器34 左后轮速传感器35 左后制动轮缸 1 增压过程 当ABS ASRECU需要对滑转车轮进行制动时 就使ASR制动执行器中的3个电磁阀都通电 制动主缸隔离电磁阀15将制动主缸至后制动轮缸的制动管路封闭 蓄能器隔离电磁阀14将蓄能器至ABS制动压力调节器的制动管路接通 储液罐隔离电磁阀13将ABS制动压力调节器至制动主缸储液罐之间的回油管路接通 蓄能器中具有一定压力的制动液就会经蓄能器隔离电磁阀14 然后经ABS制动压力调节器的两个三位三通电磁阀30和32进入两个后轮制动轮缸对后驱动轮进行制动 并且随着电磁阀通电时间的延长 制动轮缸内的压力逐渐增大 如果只需要对某一个驱动车轮进行制动 ABS ASRECU只要给另一驱动车轮的ABS制动压力调节器的电磁阀通以小电流 ASR制动供能总成的制动液就不能进入这一车轮的制动轮缸使该车轮制动 2 保压过程 当ABS ASRECU判定需要保持两驱动车轮的制动压力时 就使ABS制动压力调节器中的两个电磁阀30和32通以小电流 两电磁阀都处于中间位置 将两后制动轮缸的进 出液管路都封闭 两后制动轮缸的制动压力就保持不变 3 减压过程 当ABS ASRECU判定需要减小两驱动车轮的制动压力时 就使两个电磁阀30和32通以大电流 电磁阀将两后制动轮缸的进液管路封闭 而将两后制动轮缸的出液管路连通 两后制动轮缸中的制动液经电磁阀30和32 电磁阀13流回到制动主缸储液罐 两后制动轮缸的制动压力减小 当ABS ASRECU判定ASR不需要起作用时 就使各电磁阀均不通电 图3 24所示状态 后制动轮缸中的制动液经电磁阀30和32 电磁阀15流回制动主缸 驱动车轮的制动完全解除 3 ABS ASR防滑控制系统的工作过程 1 常规制动这意味着ABS和ASR都不工作 ABS ASRECU不给ABS制动压力调节器的4个三位三通电磁阀以及ASR制动执行器的3个二位二通电磁阀通电 ABS制动压力调节器三位三通电磁阀将制动主缸与制动轮缸之间的液压管路接通 另外由于ASR制动执行器中的制动主缸隔离电磁阀也处于常开状态 保证制动主缸与制动压力调节器之间的油路畅通 因此来自制动主缸的制动液可以不受任何限制地直接进入各制动轮缸使车轮制动 2 ABS工作这意味着ASR不工作 ABS ASRECU不给ASR制动执行器的3个二位二通电磁阀通电 ASR制动执行器中的制动主缸隔离电磁阀处于常开状态 ABS ASRECU根据轮速传感器信号计算车轮的滑移状态 然后确定对制动轮缸进行 保压 减压 或者 增压 控制 并通过对ABS制动压力调节器的三位三通电磁阀通以小电流 通以大电流或者不通电实现 3 ASR工作这意味着ABS不工作 如上所述 ABS ASRECU通过控制副节气门步进电动机控制副节气门开度来控制发动机的输出转矩 以及通过控制ASR制动执行器对滑转的驱动车轮进行制动 3 3电子制动力分配 EBD 3 3 1调节制动力分配比例的必要性对于没有装ABS的汽车而言 汽车制动时如果前轮先抱死车辆将失去转向控制能力 后轮先抱死则会发生侧滑甚至甩尾 因此理想的前 后桥制动力分配关系应该总是使前后桥的制动强度相等 即图3 25中的理想前 后桥制动力分配曲线 I线 由于制动时轴荷的转移 I线是一条曲线 但实际上前 后桥制动力分配关系由制动主缸和车轮制动器等确定 只能是一条直线 线 图3 25 为了解决 线与I线不重合这一问题 在EBD出现之前 通常在前 后桥制动管路间增加比例阀来调节前 后桥制动力的分配比例 见图3 26 使 线靠近I线 避免制动时后轮先抱死 但由于机械式比例阀调节性能的限制 后桥的附着利用率仍然不是最好 图中的阴影部分即为附着损失 图3 26有比例阀的前 后桥制动力分配曲线 装有ABS的汽车制动过程可以分为两个阶段 即常规制动阶段和ABS起作用阶段 当ABS起作用时 ABS将根据每一个车轮的滑移情况调节各个车轮制动轮缸内的制动压力 EBD不起作用 在常规制动阶段 EBD起作用 见图3 27 自动调节前 后桥制动力的分配比例 使前 后桥制动强度相等 推迟ABS起作用的时间 缩短制动距离 图3 27EBD与ABS的工作范围 3 3 2EBD的工作原理 EBD是借用ABS进行工作的 通过对ABS控制软件的改进 ABSECU控制ABS制动压力调节器自动调节前 后桥制动力 使其前 后桥制动力实际分配曲线尽可能靠近理想分配曲线 制动初期 EBD不对前 后桥制动力分配比例进行调节 前 后桥制动力按照固定的比例分配 前 后桥制动力分配呈直线关系 如图3 28所示 当超过该直线与理想制动力分配曲线的交点P以后 EBD开始调节前 后桥制动力分配比例 ECU不断计算汽车在各种行驶状况下前轮和后轮的滑移率 如果在制动过程中后轮与前轮的滑移率之比超过设定的阈值 则后轮的ABS制动压力调节器的制动液进液阀关闭 以阻止后轮轮缸中的制动液压力继续增加 如果驾驶员继续踏下加速踏板 即增加制动压力 则前轮滑移率增大 后轮与前轮的滑移率之比再次减小 后轮制动液进液阀重新开启 后轮制动压力再次增加 如此反复 使实际的制动力分配曲线接近理想制动力分配曲线 1 电子制动力分配曲线2 理想制动力分配曲线3 带比例阀的制动力分配曲线4 后桥上增加的制动力 图3 28带EBD的前 后桥制动力分配曲线 3 4电子稳定程序 ESP ESP是ElectronicStabilityProgram的缩写 意为电子稳定程序 应用于大众 奥迪 奔驰等车系 与此功能相似的系统在其他车系上的名称有所不同 例如丰田的车辆稳定性控制 VehicleStabilityControlVSC 系统 宝马的动态稳定控制 DynamicStabilityControDSC 系统 沃尔沃的动态稳定循迹控制 DynamicStabilityTracingControlDSTC 系统和三菱的主动稳定控制 ActiveStabilityControlASC 系统等 3 4 1ESP的功能汽车操纵失控是非常危险的 因为汽车操纵失控时 汽车不能按照驾驶员的驾驶意图行驶 很容易导致交通事故的发生 当汽车在弯路上高速行驶时 或者虽然车速不高 但路面较滑 或者为躲避障碍物而急转弯时 由于离心力的作用 会使汽车侧滑 假如汽车只有前轮侧滑 后轮没有侧滑 或者虽然前 后轮都侧滑 但前轮的侧滑程度大于后轮 就会使汽车绕其垂直轴转动 转动方向与汽车转弯的方向相反 从而导致汽车不能按照驾驶员的驾驶意图行驶 即不能沿驾驶员给定的转向轮偏转路线行驶 汽车将驶出转弯路面的外侧 图3 29a 这种情况会造成不足转向 a 不足转向b ESP避免不足转向 图3 29避免不足转向的原理 如果汽车只有后轮侧滑 前轮没有侧滑 或者虽然前 后轮都侧滑 但后轮的侧滑程度大于前轮 也会使汽车绕其垂直轴转动 但转动方向与汽车转弯的方向相同 同样会导致汽车不能按照驾驶员的驾驶意图行驶 汽车将驶出转弯路面的内侧 图3 30a 这种情况会造成过度转向 a 过度转向b ESP避免过度转向 图3 30避免过度转向的原理 3 4 2ESP的基本组成和基本原理 ESP也是由传感器 ECU和执行器组成的 但ESP大部分元件与ABS和ASR共用 传感器在原来ABS和ASR的基础上增加转向盘转角传感器 横摆角速度传感器 侧向加速度传感器等 ECU增加ESP的控制功能 执行器则在原来ABS和ASR执行器的基础上改进功能 使ASR制动供能装置可以对每一个车轮都能进行单独制动 ASR只能对驱动车轮进行制动 ESP工作时 首先通过转向盘转角传感器 轮速传感器信号识别转弯方向 角度 速度 从而判断驾驶员的驾驶意图 与此同时 ESP通过横摆角速度传感器 侧向加速度传感器识别车辆绕其垂直轴转动的方向 角速度以及旋转角度等 从而确定车辆的实际运动方向 ECU将车辆实际运动方向与驾驶员的驾驶意图进行比较 如果车辆实际绕其垂直轴转动的角度小于由转向盘转角和轮速确定的车辆应该绕其垂直轴的转角 则判断为不足转向 ECU立即指令执行器使汽车内侧后轮制动 地面制动力将对汽车产生一个与转向方向相同的力矩 纠正不足转向 使汽车回到正常的路线 按照驾驶员的驾驶意图行驶 反之 如果车辆实际绕其垂直轴转动的角度大于由转向盘转角和轮速确定的车辆应该绕其垂直轴的转角 则判断为过度转向 ECU立即指令执行器使汽车外侧前轮制动 地面制动力将对汽车产生一个与转向方向相反的力矩 纠正过度转向 使汽车回到正常的路线 按照驾驶员的驾驶意图行驶 图3 30b ESP起作用时 如果单独制动某一车轮不足以稳定车辆 还可以根据情况同时对两个或多个车轮制动 对各个车轮的制动力也可以不同 此外 还可以根据情况对发动机的工作进行干预 降低发动机的输出转矩 达到迅速有效控制车辆稳定的目的 3 4 3ESP主要部件的结构和工作原理 1 转向盘转角传感器转向盘转角传感器的作用是检测转向盘的转动方向 转动角速度和转动角度 以便ECU根据转向盘转角的大小和转角变化速率来识别驾驶员的驾驶意图 确定车辆的预期行驶方向 常见的转向盘转角传感器有电位器式 光电式 电磁式 霍尔式 磁阻式等 图3 31所示为各向异性磁阻 AMR 式转向盘转角传感器 转向轴带动传动齿轮1转动 齿轮1驱动两个齿数不等 差一个齿 的测量齿轮2转动 两个驱动齿轮中有磁铁3 磁铁上方有各向异性磁阻传感器5及集成电路4 当转向盘转动时 带动驱动齿轮2中的磁铁3转动 各向异性磁阻传感器5中的磁场变化 使磁阻传感器的电阻变化 电阻的变化即反映了测量齿轮的位置 也就反映了转向盘的旋转角度 由于两个测量齿轮的齿数不同 其转速不同 故产生的信号的相位不同 因此可以判断转向盘的转动方向 图示为各向异性磁阻 AMR 式转向盘转角传感器 转向轴带动传动齿轮1转动 齿轮1驱动两个齿数不等 差一个齿 的测量齿轮2转动 两个驱动齿轮中有磁铁3 磁铁上方有各向异性磁阻传感器5及集成电路4 当转向盘转动时 带动驱动齿轮2中的磁铁3转动 各向异性磁阻传感器5中的磁场变化 使磁阻传感器的电阻变化 电阻的变化即反映了测量齿轮的位置 也就反映了转向盘的旋转角度 由于两个测量齿轮的齿数不同 其转速不同 故产生的信号的相位不同 因此可以判断转向盘的转动方向 1 传动齿轮2 测量齿轮3 磁铁4 集成电路5 各向异性磁阻传感器 图3 31转向盘转角传感器的结构 2 横摆角速度传感器 横摆角速度传感器也称横摆率传感器 偏航率传感器 陀螺仪等 其作用是检测车辆绕其垂直轴转动的角速度 以便ECU根据横摆角速度信号和侧向加速度等信号判断车辆的实际行驶方向 图3 32所示的MM2型横摆角速度传感器为MEMS微机械陀螺仪 采用MEMS技术制造 MEMS是英文MicroElectroMechanicalsystems的缩写 即微电子机械系统 MEMS是使用微电子技术和微加工技术相结合的制造技术 可以制造出各种性能优异 价格低廉 微型化的传感器 执行器 驱动器和微系统 MM2型横摆角速度传感器是在硅晶体上运用MEMS技术制成一个带有梳齿的转子 转子在中心由挠性支轴支撑 转子上的梳齿与固定在基座上的固定梳齿形成梳状结构 在转子与基座之间具有检测电容CDet MM2型横摆角速度传感器采用静电驱动 电容检测的方式工作 通过在固定梳