汽车系统动力学第6章-纵向动力学控制系统课件

1、第六章 纵向动力学控制系统第一节 防抱死制动控制第二节 驱动力控制系统第三节 车辆稳定性控制系统第一节 防抱死制动控制一 概述图6-1所示为车辆在制动行驶时,地面作用于车轮的制动力Fxb和侧向力Fy随车轮制动滑移率sb的变化关系。可以看出,侧向力随滑移率的增加而下降,当滑移率为1时降至为0;而制动力开始随滑移率的增加而迅速增加,当滑移率增至某值sopt时,则随滑移率的增加而逐渐减小。可见,车轮完全抱死拖滑时,不仅制动力减小,制动强度降低,而且车轮侧向附着力也大大减小。如果当前轮抱死滑移时,车辆丧失转向能力;而后轮抱死滑移则属于不稳定工况,易引起车辆急速甩尾的危险。防抱死制动系统(ABS)可通过

2、调节车轮制动压力保证制动过程中的最佳滑移率,以在获得良好侧向力的同时获得较高的制动强度。一 概述图6-1制动力Fxb和侧向力Fy随滑移率sb的变化第一节 防抱死制动控制第一节 防抱死制动控制二 控制目标由图6-1所示的制动力与滑移率关系曲线可知,制动力通常在滑移率为某一特定值附近达到最大值,因而将该滑移率值认为是最佳滑移率,并作为ABS的控制目标。但由于车轮的滑移率通常不易直接测得,因此必须采用其他参数作为ABS的控制目标参数。由图6-2所示的制动车轮受力情况,根据力矩平衡方程,可得出车轮制动器制动力矩Mb为:Mb=Fz,wrd-Iw (6-1)二 控制目标图6-2制动车轮受力情况第一节 防抱

3、死制动控制第一节 防抱死制动控制二 控制目标由式(6-1)可见,制动过程中,当超出地面最大附着极限时,地面制动力Fz,w和地面制动力矩Fz,wrd将会降低;而当Mb保持恒定时,势必导致车轮角加速度的减少,即增加了车轮角减速度。由于地面提供的制动力矩Fz,wrd比车轮惯性力矩Iw大得多,当地面附着系数发生微小变化时,将会引起车轮角速度的显著变化。因此,车轮的角减速度可作为一个主要的ABS控制目标参数。电子控制的防抱死装置通常采用轮速传感器测量车轮转速信号,通过车轮转速信号的微分来获得车轮的角减速度。但若要准确地控制制动强度,还需更多地控制目标参数。二 控制目标图6-3轮胎附着率传感器工作原理第一

4、节 防抱死制动控制第一节 防抱死制动控制三 控制过程理论上讲,ABS控制车轮角减速度的过程基本上相同,也就是调整驾驶人施加的过高制动压力,将车轮角减速度控制在要求的上下限之间。但不同类型的ABS保证最佳制动效果和抵抗外界干扰的方法不尽相同。下面以一典型的ABS为例,结合图6-4分析说明系统在一个循环周期不同时间段内的控制过程。第1段:首先,由于驾驶人的作用使制动器管路压力增加,车轮线速度变化比车速变化更快。第2段:当车轮角加速度达到或小于某一门限值(-a)时,附着力接近最大值,制动压力保持在当前值不变。第3段:若车轮转速小于滑移率门限值sb1对应的值时,减小制动压力。第一节 防抱死制动控制三

5、控制过程第4段:若车轮角加速度再次达到门限值(-a)时,重新进入保压状态。第5段:尽管此时制动压力保持稳定,但车轮因惯性作用会进一步加速转动。若车轮角加速度越过门限值(+A),则再次升高制动压力。第6段:保持制动系统压力,使车轮角加速度在(+A)(-a)之间,然后慢慢增压,直至车轮角加速度再次达到门限值(-a)。第7段:本次循环以直接减压结束,然后进入下一个循环。三 控制过程图6-4博世公司开发的ABS的控制过程第一节 防抱死制动控制第一节 防抱死制动控制四 控制策略1.单轮控制要使车辆实现最大的制动强度,首先需保证每个车轮都能够最大程度地利用可用的附着系数。要使每个车轮的独立控制策略均可实现

6、这一目标,每个车轮都要有一套传感器用于信号测量及其参数计算,都有各自的制动管路以实现对每个车轮制动压力的独立控制,从而与其他车轮的工作情况无关。2.低选控制所谓低选控制是对同一车轴两侧车轮同时施加制动压力控制,大小由附着系数低的那侧车轮来决定。这种控制策略可通过安装于每个车轮上的传感器或安装于差速器驱动齿轮上的传感器信息来实现。第一节 防抱死制动控制四 控制策略3.高选控制高选控制是由高附着系数路面上的那侧车轮来决定车桥两侧车轮的制动压力,因此每个车轮上均需分别安装传感器。与低选控制相比,高选控制可获得更高的制动强度。然而,低附着路面上的那个车轮可能会抱死,因而导致车辆丧失转向能力。由于作用于

7、两侧的制动力不等,还会产生横摆力矩。但因高选控制能获得较高的制动强度,这种控制方式通常用于前轴车轮的制动控制。根据上述这些不同的制动力控制原则,若应用于普通的两轴四轮车辆上,可有多种不同的组合形式。表6-1给出了几种形式的比较,其中包括采用传感器及控制管路四 控制策略表6-1对于两轴四轮车辆ABS控制策略的不同组合形式及特点比较第一节 防抱死制动控制四 控制策略表6-1对于两轴四轮车辆ABS控制策略的不同组合形式及特点比较第一节 防抱死制动控制第一节 防抱死制动控制四 控制策略若在两轴四轮车辆中采用单轮独立控制策略,不论哪种方案都需要四个传感器和四条控制管路。对于采用高选控制前轮和低选控制后轮

8、的防抱死装置,在制动管路交叉布置中也需要四个传感器和四条控制管路,而常用的所谓“标准布置”防抱死制动系统只需三条管路。采用三个传感器的双管路防抱死装置通常采用高选控制,但在两侧车轮附着系数不同的情况下不能保证车辆的转向性和稳定性。若采用管路交叉布置方案,一个后车轮的制动压力可与交叉相对的前轮一起控制,前轮可以独立控制,这样的双管路系统也不能保证车辆的转向性和稳定性。单管路系统只能在左右车轮附着系数相差不大的路面上才能保证良好的行驶稳定性,但仍不能保证转向性,且制动距离相对比较长。第一节 防抱死制动控制五 应用案例实际中应用的制动防抱死装置有机械控制式和电子控制式两种。早期应用机械式防抱死装置的

9、主要原因是它的成本低,但与电子控制系统相比,系统响应很慢。随着电子技术的发展,机械式防抱死装置的低成本优势越来越小,因此现已被淘汰。目前车辆中常用的多为电子控制的ABS,通常由以下三个模块构成(图6-5):(1)传感器监测运动状态,作为检测判断依据。(2)电控单元处理传感器信号。(3)液压执行单元利用电磁阀将ECU发出的指令转化为车轮上制动压力的变化。下面介绍几个具体的应用实例。图6-5电子控制的ABS结构和控制回路示意图1传感器2电控单元(ECU)3液压执行单元第一节 防抱死制动控制五 应用案例图6-6博世公司ABS-3/3型电磁阀工作原理第一节 防抱死制动控制第一节 防抱死制动控制五 应用

10、案例应用实例1博世公司的防抱死系统采用前轮单独控制和后轮低选控制方式,作为一套附加的结构单元安装于制动系统中。根据制动回路的不同布置方式,分别采用了三或四个制动阀和若干传感器。三管路ABS在后轴差速器位置装有一个测量转速的传感器,将通过轮速计算出的车轮角减速度作为第一控制目标参数,得出的相对滑移率作为第二控制目标参数。根据这两个控制目标,ECU发出控制指令给电磁阀,控制制动系统压力。电磁阀的工作原理如图6-6所示,它有增压、保压和减压三个工作位置。每次停车后,ECU和液压执行单元中的电子部件都例行自检,以确保系统正常工作。如果出现故障,ABS将关闭,常规制动系统仍然工作,同时通过警示信号灯提醒

11、驾驶人:ABS系统出现故障。五 应用案例图6-7特韦斯公司防抱死制动系统的液压总成示意图第一节 防抱死制动控制应用实例2第一节 防抱死制动控制五 应用案例应用实例3本田公司的防抱死制动ALB系统采用了四个感应式速度传感器和四个电磁阀,根据高选控制原则共同控制前轴车轮,采用低选控制原则控制后轴车轮,采用这种组合方式主要是为了获得较高的制动强度,但可能会导致前轮抱死。应用实例4三菱公司的防抱死制动系统ASBS只对后轴车轮施加控制,并且采用低选控制方式。当充分制动时前轮可能抱死,车辆失去转向能力,但可保证车辆行驶稳定性。为了准确判断车辆工况,该系统在与变速器相关联的里程表柔性联接轴上安装了一个转速传

12、感器和一个加速度传感器,以测量车辆的制动减速度作为ABS的参考目标参数。第二节 驱动力控制系统一 概述驱动力控制系统(TCS) 是在ABS基础上发展起来的一套主动安全系统,它的工作原理是:根据车辆的行驶工况,通过采用适当的控制算法使车辆驱动轮在恶劣路面或复杂行驶条件下也能产生最佳的纵向驱动力。博世公司也称其为防滑控制系统。没有装备TCS的车辆在光滑路面上加速时,驱动轮容易打滑,后轮驱动车辆则可能出现甩尾,前轮驱动车辆则容易方向失控,导致车辆侧向滑移。而TCS可将驱动轮的滑转率控制在最佳范围内,从而可避免车辆在加速时驱动轮打滑,并保证车辆转向能力。1985年,沃尔沃公司研制生产了世界上最早的车辆

13、电子驱动防滑装置,并安装在沃尔沃760 Turbo车型上,它通过调节燃油供给量来调节发动机的输出转矩,从而控制驱动轮的滑转率,达到产生最佳驱动力的目的。第二节 驱动力控制系统二 基本原理和控制目标车辆在路面行驶时, 无论是驱动力还是制动力,均受轮胎与路面之间的附着极限限制。制动力系数和滑移率的关系已在图3-32中做了介绍。图6-8给出了不同工况下路面附着系数与车轮滑转率的关系。由图可见,当驱动滑转率从零增加时,纵向附着系数也随之增加, 当滑转率达到一特定值sopt时,经陡然上升达到峰值max后,纵向附着系数随滑转率的继续增加而逐渐下降。因而从驱动性能考虑, 车轮的滑转率最好控制在与max相对应

14、的sopt处。另一方面, 由于轮胎与路面间的侧向附着系数s随车轮滑转率的增加而急剧减小, 因此,从车辆侧向稳定性考虑,驱动滑转率应尽量小。综合来看,驱动轮的理想滑转率应取在sopt附近,以保证同时产生合适的纵向驱动力和侧向力。第二节 驱动力控制系统二 基本原理和控制目标图6-8驱动/制动工况下路面附着系数与车轮滑转率的关系第二节 驱动力控制系统三 控制方式1.发动机输出转矩调节(1) 点火参数调节它是指减小点火提前角。(2) 燃油供给调节它是指减少供油或暂停供油。(3) 节气门开度调节它是指在原节气门的基础上,再串联一个副节气门, 由传动机构控制其开度, 从而使其有效节气门开度得到调节。其中,

15、发动机输出转矩调节是最早应用的驱动防滑(ASR)系统。在附着系数较小的冰雪路面上或高速行驶中, 当驱动轮发生过度滑转时, 这种控制方式效果很好。图6-9所示为某发动机输出转矩调节的驱动力控制系统,该车辆同时具有防抱死制动系统(ABS)。第二节 驱动力控制系统三 控制方式图6-9发动机输出转矩调节的驱动防滑控制系统示意图第二节 驱动力控制系统三 控制方式2.驱动轮制动力矩调节这种调节方式是在发生打滑的驱动轮上施加制动力矩来降低轮速,使车轮滑移率处于最理想的范围内。制动力矩调节方式的实质是控制差速,因而对两侧路面附着系数相差较大而出现打滑且车速不高的情况效果较好。3.差速器锁止控制普通的对称式差速

16、器在任何时刻都向左右车轮输出相同大小的转矩, 差速器锁止控制就是使左右两侧驱动轮的输入转矩可根据控制指令(锁止比) 和路面情况而变化。但其缺点是硬件成本较高,图6-10所示为一采用防滑差速器实现的驱动防滑控制系统示意图。第二节 驱动力控制系统三 控制方式图6-10防滑差速器控制的驱动防滑控制系统示意图第二节 驱动力控制系统三 控制方式4.离合器/变速器控制离合器控制是指当发现车辆驱动轮发生过度滑转时, 减弱离合器的接合程度, 使离合器主、从动盘之间出现部分相对滑转, 从而减小传递至驱动轮的转矩; 变速器控制则是指通过改变传动比来改变传递至驱动轮的驱动转矩, 以减小驱动轮滑转程度。由于离合器和变

17、速器控制响应较慢,且变化突然,所以一般不作为单独的控制方式使用。另外,压力和磨损等问题也限制了这种控制方式在驱动防滑控制系统中的应用。上述几种控制方式各有其优缺点和局限性,实际应用中通常是多种控制手段组合应用。表6-2中对比了上面介绍的几种方式及其组合方式的特点。目前在TCS系统中,广泛采用的是发动机节气门开度调节与驱动轮制动力矩调节相结合的控制方式。第二节 驱动力控制系统三 控制方式表6-2不同控制方式的TCS性能对比控制方式驱动性操纵性稳定性舒适性经济性节气门开度调节-+ +点火参数及燃油供给调节0+-+ +驱动轮制动力矩调节(快)+ +- -驱动轮制动力矩调节(慢)+0000差速器锁止控

18、制+ +- -离合器或变速器控制+0+- -节气门开度+制动力矩控制(快)+ + + +-节气门开度+制动力矩控制(慢)+00+-点火参数+制动力矩控制+ + +-节气门开度+差速器锁止控制+ +- -点火参数+差速器锁止控制+ +-第三节 车辆稳定性控制系统一 概述1.系统组成在ABS和TCS的基础上,为防止车辆高速行驶时失控状态的出现或加剧,近年来又出现了所谓的车辆稳定性控制(Vehicle Stability Control, VSC)系统。VSC主要用来控制车辆的横摆力矩,将车轮侧偏角限制在一定范围内,并在紧急情况下对车辆的行驶状态进行主动干预,防止车辆在高速行驶转弯或制动过程中失控。

19、VSC系统主要在大侧向加速度、大侧偏角的极限工况下工作,它是利用控制左右两侧车轮制动力或驱动力之差产生的横摆力矩来防止出现难以控制的侧滑现象,保证车辆的路径跟踪能力,控制效果如图6-11所示。第三节 车辆稳定性控制系统一 概述图6-11极限工况下VSC的控制效果a) 抑制前轮侧滑b) 抑制后轮侧滑第三节 车辆稳定性控制系统二 系统组成和工作原理车辆稳定性控制系统主要由ABS、TCS、三个子系统组成,如图6-12所示。其中,ABS和TCS分别在制动和加速时工作,直接控制车轮的纵向滑动率,提高车辆的制动或驱动性能,同时间接控制车辆的侧向稳定性;YSC在车辆行驶的任何时刻都起作用,它直接控制车辆的侧

20、向稳定性。最初的VSC系统以ABS和TCS为主,主要依赖轮速传感器提供车辆的状态信号,仅能控制各车轮纵向滑动率,来实现间接对车辆的横摆控制。近年来VSC系统又增加了转向盘转角传感器,可以确定驾驶人期望的行车路线,ECU将其与车辆实际位置状态比较后,发出指令调节各轮的驱动力或制动压力,以提高车辆在转向过程中的操纵稳定性。第三节 车辆稳定性控制系统图6-12车辆稳定性控制系统的组成二 系统组成和工作原理第三节 车辆稳定性控制系统二 系统组成和工作原理丰田公司最近研制的VSC系统如图6-13所示,其中采用了许多传感器用于测量横摆角速度、侧向加速度、转向盘转角和制动回路压力等信号,以便更准确地描述车辆

21、的动态工况,同时可采用更复杂的控制算法和控制逻辑对车辆进行综合控制。第三节 车辆稳定性控制系统图6-13丰田轿车的VSC系统二 系统组成和工作原理第三节 车辆稳定性控制系统二 系统组成和工作原理2.基本原理由图6-11可见,由于制动或转向等因素,汽车会发生驶出行驶轨道或激转等危险工况。采用VSC系统的主要控制目标就是通过施加一个横摆力矩Mz,来减小或消除车辆行驶方向的偏差,在保证驾驶人希望的行驶轨迹的同时,保证车辆的行驶稳定性。结合图6-13,VSC的工作原理说明如下:由于车辆的行驶状态主要由行驶车速、侧向速度和横摆角速度来反映,因而,VSC系统的ECU能根据转向盘转角和制动主缸压力等信号判断

22、驾驶人的驾驶意图,计算出理想的车辆运行状态参数值,通过与各传感器测得的实际车辆状态信号值比较,根据控制逻辑算法计算出期望的横摆力矩,然后通过控制液压调节制动系统,对各车轮施加制动力,以实现所需的车辆横摆力矩。第三节 车辆稳定性控制系统三 控制方式1.控制制动系统压力(1) 仅控制单个车轮的制动压力过度转向控制是通过对外侧前轮施加制动力来实现的。(2) 控制两个对角车轮的制动压力实现过度转向控制时,在对外前轮增加一定制动力变化量的同时,对内后轮减少相应的制动力变化量。2.发动机控制发动机控制是根据与车辆稳定性要求相应的车轮驱动力,计算出所需的发动机输出转矩,并将此指令送给发动机ECU,使发动机输

23、出转矩调整至所需值。第三节 车辆稳定性控制系统四 VSC系统实例 丰田公司采用的VSC系统主要由以下各部件构成,如图6-14所示。(1) 传统制动系统真空助力器、制动管路和制动器。(2) 传感器四个轮速传感器、转向盘转角传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、制动主缸压力传感器。(3) 其他液压调节器、车辆稳定控制电控单元(ECU)。下面以丰田皇冠轿车为例,分析其VSC系统采用不同控制方式的控制效果。1.横摆力矩及制动力控制在极限工况下,对每个车轮都进行制动力主动控制,以利用左右车轮制动力之差形成横摆力矩,记为Mz,同时还可利用制动力之和控制车辆纵向减速度。第三节 车辆稳定性控制系统四 V

24、SC系统实例图6-14丰田公司采用的VSC系统布置图第三节 车辆稳定性控制系统四 VSC系统实例图6-15横摆力矩或纵向制动力对汽车稳定性的影响第三节 车辆稳定性控制系统四 VSC系统实例图6-15反映了转向盘转向角为正弦输入时,当车辆受到向外侧的横摆力矩Mz或纵向制动力Fx时,车辆质心处的最大侧偏角变化的情况。其中正弦输入的幅值为0.18rad, 频率为0.6Hz,Mz或Fx是在输入后的1.5s开始起作用。由图中所示的试验结果可见,施加的横摆力矩Mz可显著减少车辆最大侧偏角,而施加的纵向制动力Fx则无影响。这是因为,当Fx作用时,车辆前、后轴垂向载荷转移引起车辆的过多转向趋势,这带来的负面影

25、响大于其降低车速带来的正面影响。第三节 车辆稳定性控制系统四 VSC系统实例图6-16横摆力矩或纵向制动力对路径跟踪能力的影响第三节 车辆稳定性控制系统四 VSC系统实例图6-16反映了在前轮转向角f为斜阶跃输入条件下,当施加横摆力矩Mz或纵向制动力Fx于车辆时,车辆质心的最大侧偏角和转弯半径R的变化情况。1s后,斜阶跃输入f的最大值为0.25rad,此时横摆力矩或纵向力开始作用于车辆上。由图可知,施加于车辆的外力矩Mz或纵向制动力Fx对减小转弯半径都很有效。但较大的向内侧的Mz会使汽车失去稳定性,而纵向制动力Fx的大小对车辆稳定性影响不大。然而,由于纵向制动力Fx使汽车减速,随着时间的增加,

26、Fx的影响加大。总之,为了保持汽车的稳定性,当后轴即将产生侧滑发生激转时,应对车辆施加向外的横摆力矩;当前轴侧滑使汽车驶离弯道时,应对车辆施加适当的向内侧的横摆力矩,使后轮胎产生最大侧偏力,同时,还应对车辆施加纵向制动力。第三节 车辆稳定性控制系统四 VSC系统实例2.各车轮制动力分别控制的效果各个车轮分别作用制动力时产生的横摆力矩Mz如图6-17所示。当后轴将发生侧滑时,可于前外轮上施加制动力Fxfo,以产生一向外的横摆力矩,且随Fxfo的增大而增大。这种控制方式易于实现,也能有效地抑制后轴侧滑。若前轴发生侧滑时,应施加一定向内的横摆力矩Mz和纵向制动力Fx。图6-17表明,制动前内轮、后内轮或后外轮均可产生向内的横摆力矩Mz,只是Mz随各车轮制动力的变化趋势不尽相同。因此,若通过施加一个较大的制动力来抑制前轴侧滑,应避免通过对其中某单个车轮来实现控制,应采用设计适当的控制律将制动力分配到每个车轮,以获得适当的横摆力矩和总制动力,从而提高路径跟踪性能。第三节 车辆稳定性控制系统四 VSC系统实例图6-17各个车轮上作用制动力时第三节 车辆稳定性控制系统四