汽车底盘控制技术的研究与分析

1、汽车底盘控制技术的研究与分析摘要：随着汽车技术的发展,出现了各种针对汽车不同的功能子系统(单系统)而设计的控制器。汽车底盘控制技术的关键是如何采取有效合理的整合控制策略,在各系统共享传感器信息的条件下,消除各系统间的冲突和干涉,进而整体上改善车辆性能。本文首先论述了车辆底盘控制系统的三个发展历程及技术特点,然后对车辆底盘控制技术的发展做出展望。 关键词：车辆； 底盘控制； 集成控制； 智能控制 Abstract: with the development of automobile industry, is made up of many different function of car s

2、ubsystem (single system) and the controller design. Automobile chassis control technology is key to how to take effective integration of reasonable control strategy, in every system under the condition of the sensor information sharing, eliminate the conflict between the system and interference, and

3、 then, on the whole, improve vehicle performance. This paper first discusses the vehicle chassis control system development and the three technical characteristics, and then for vehicle chassis control technology development make prospect. Keywords: vehicles; Chassis control; Integrated control; Int

4、elligent control 中图分类号：F407.471文献标识码：A 文章编号： 根据车辆底盘控制技术在时间上的发展顺序及控制系统的控制目标, 车辆底盘控制系统的发展大体可分为三个阶段: 第一阶段的底盘控制技术是以车辆的单一性能为控制目标的控制系统。这些系统通常是通过优化路面和轮胎间的相互作用来提高车辆的动态性能。车辆在路面上行驶时, 轮胎和路面间的作用力可分解为三个方向的分力, 即纵向力、侧向力和垂直方向的力。防抱死制动 系统 ABS ( anti-lock brake sys-tem) , 四轮驱动 4WD( four- wheel driving) 和牵引力控制系统( T RC/

5、 TCS/ ASR) 是用来优化纵向动态稳定性的三个系统。ABS 是目前在汽车上应用最普及的控制系统, 也是电子控制技术在汽车上最有成效的应用项目之一。它是以标志汽车车轮滑移成分多少的滑移率作为控制目标, 在制动时保证车轮在非抱死状态下具有最大的制动力矩和最短的制动距离, 从而防止汽车因车轮抱死而丧失操纵性和安全性。4WD 也叫全轮驱动 AWD( all-wheeldriving) , 比两轮驱动具有更好的牵引性能。1970年以前主要应用于越野车辆, 目前以高级轿车为中心迅速普及。该技术根据前后轴的转速信息, 控制并分配前后轴驱动力, 使汽车具有防滑能力、良好的加速性和行驶稳定性。T RC 的

6、控制目标与 ABS相反, 它是以标志汽车车轮转动成分多少的滑转率为控制目标的,其作用是防止汽车在加速和起步过程中车轮滑转, 特别是防止车辆在非对称路面或在转弯时驱动轮空转, 保持车辆的方向稳定性和最佳的驱动力分配。ABS、4WD 和 TRC 都是根据附着系数和滑移率的关系曲线, 控制滑移率或滑转率在某一范围, 从而改善车辆在某极限状态下仍具有较好的稳定性和操纵性。四轮转向系统 4WS( four-wheel steering) 和直接横摆率控制系统 DYC( direct yaw moment con-trol) 是保证车辆侧向动态稳定性的控制系统。4WS 是提高汽车操纵稳定性和主动安全性最普

7、通的底盘控制策略。它根据方向盘转角与轮胎侧偏力成比例的特性, 通过控制质心侧偏角和横摆角速度, 保证车辆的侧向动态性能。在侧向加速度较小时, 方向盘转角与轮胎侧偏力成比例, 因而能得到较好的控制效果。当侧向加速度较高时, 轮胎侧偏力呈现出较强的非线性, 不再与方向盘转角成比例, 只能通过 DYC 系统直接控制横摆力矩来保证车辆的侧向动态性能。这也是 4WS 和 DYC 两个控制系统的最主要的区别。用来控制车辆在垂直方向上动态稳定性的控制系统主要是主动/ 半主动悬架( ACT-SUS/ Semi-A CT- SU S, active suspension/ Semi-act ive suspen

8、-sion) 控制系统。目前, 半主动悬架控制系统已进入实际应用阶段, 主动悬架控制系统由于结构复杂和成本高等因素, 只有少数几款排量大的高档车上有应用。半主动悬架通过输入较少的调节能量来局部改变悬架系统的动态特性, 即改变悬架的弹性元件的刚度 K 或减振器阻尼系数 C, 从而保证车辆在垂直方向上的稳定性。主动悬架与半主动悬架的主要区别在于, 主动悬架需要有执行机构对悬架系统施加控制力, 消耗能量较多。不同的控制方法其控制参数也不尽相同, 但最终都是使车辆能够根据运行工况和路面条件, 调节悬架刚度、阻尼及车身高度到最佳状态, 以保证悬架在任意工况下都具有最佳的平顺性和操纵稳定性。 第二阶段底盘

9、控制系统的特点是: 以整车或部分性能综合考虑作为控制目标, 使用电子驱动部分或全部代替传统的机械控制结构。目前, 在这类集成控制系统中, 已经得到应用的控制系统主要有电子稳定程序 ESP( electronic stability program) 控制系统以及线控驱动 DBW( driving by wire) 系统, 其中包括线控转向系统 SBW( steering by wire) 、线控制动系统 BBW( braking by wire) 及线控油门 TBW( throttle by wire) 等, 可统称为 XBW。ESP 是 20 世纪 90 年代中期, 在 ABS 和 TRC的

10、基础上发展起来的, 被认为是汽车主动安全技术发展的里程碑, 全球只有为数不多的几家国外汽车零部件制造商生产该系统。ESP 可以被看作是A BS 和 T RC 的集成控制系统, 它通过感知车辆横摆角速度、横向加速度、方向盘转角和制动压力等参数的传感器, 精确控制每一个车轮的滑移率, 使各个车轮的纵向和侧向力调整至最佳, 从而使车辆在所有的工况下都能获得所期望的操纵稳定性。随着电子技术的广泛应用和 CAN 总线技术的日臻完善, 早期应用于飞机驾驶控制的线控驱动技术, 由于在降低制造成本、减轻整车质量和改善车辆动态性能等方面的优势, 从 21 世纪初开始成为许多世界级汽车公司竞争发展的目标, 并在其

11、生产的概念车和几款顶级配置车辆上得到应用。传统的车辆转向和制动等机构是独立工作的, 他们对车辆某些参数的要求是相反的, 为了达到整体性能的平衡, 就只能对这些参数进行折中选择, 这使得车辆的整体性能大打折扣。理论上的 XBW 取消传统的机械系统, 使用传感器实时感知车辆工况及路况, 并将信息传送给主控单元 ECU 进行分析判断和计算, 得出结果, 再由ECU 发出控制指令给执行机构, 调整车辆参数至最佳状态, 达到控制目的。尽管 XBW 在提高车辆整体性能上有如此多的优势, 但由于该系统的电子电气部件的可靠性要比机械部件低, 所以安全性和可靠性仍是不可忽视的问题, 需要系统具有尽可能多的容错能

12、力。解决此问题的方法有两种: 一是使用两套电子系统互为冗余; 二是再使用一套机械系统作为备用。考虑现在的技术水平, 后者似乎比较合适。线控驱动技术发展的最终目标是将汽车的制动系统、离合系统、转向系统、变速和悬架等系统相互结合、相互作用, 更好地发挥各个子系统的性能, 以求获得最佳的汽车整体性能, 提高汽车的操纵性、稳定性和安全性, 使汽车具有一定的智能化。 第三阶段是智能车辆控制技术。除了把现有的底盘控制技术组成协调控制系统外, 它的重要改进就是使用引导车辆在路上行驶的外部传感器。碰撞缓冲系统 CMS( collision miti-g at ion syst em ) 就是这类技术的代表。CMS 系统在车辆头部安装雷达探测车辆前方路况, 通过制动控制系统减小碰撞中的危险。这些系统未能改善车辆的动态性能, 而是用外部传感器使车辆智能化, 并且大大的减轻了驾驶员的操作负担, 其最终目标是实现无人驾驶。 结语 智能车辆是控制系统和机械结构的有机结合,它们之间的协调对高效的底盘控制是十分重要的。除了车辆系统本身的发展, 集成智能车辆的