现代汽车安全技术-2

2.2.1ESP的工作原理汽车技术进步的一个主要任务，就是提高主动安全性以避免发生事故，并充分发挥车辆的动力性能。ABS/TCS系统就是要防止在车辆加速或制动时出现我们所不期望的纵向滑移。而ESF(ElectronicStabilityPrograme)就是要控制横向滑移。它是各种情况下的一个主动安全系统，处理各种异常情况，减轻驾驶员的精神紧张及身体疲劳。只要ESP识别出驾驶员的输入与车辆的实际运动不一致，它就马上通过有选择的制动/发动机干预来稳定车辆。2.2.1.1ESP安全性意义如图2-2-3、图2-2-4、图2-2-5、图2-2-6所示。下一页返回2.2.1ESP的工作原理2.2.1.2ESP工作原理ESP在对危急驾驶情况作出反应前，必须获得两个问题的应答，如图2-2-7所示。如上所述，ESP可以克服控制过度及控制不足。但ESP还应保证，在不直接干涉转向器的情况下引起方向改变。基本原理可用履带式车辆来说明。如果履带车要左转弯，弯度内侧的履带应制动，而外侧的履带应加速，如图2-2-8所示。如果想回到原来的方向上，那么原来的弯度内侧(现在已变成了弯度外侧)的履带应加速，另一侧的履带应制动，如图2-2-9所示。上一页下一页返回2.2.1ESP的工作原理ESP的工作过程与此相似。先看没装ESP的车的情况。(1)车辆必须躲避突然出现的障碍物。司机首先向左急转，然后又迅速右转，如图2-2-10所示。(2)车辆会由于这个转向动作而突然甩尾侧滑。司机无法控制绕垂直轴线的转动，如图2-2-11所示。再看装有ESP的车在相同情况下的表现。(1)车辆在试图躲避障碍物，ESP根据传感器传来的数据判断出现不稳定状态，并计算出应对措施。ESP对左后车轮实施制动，如图2-2-12所示，于是车的转动得到了加强，前车轮的侧导向力仍保持着。上一页下一页返回2.2.1ESP的工作原理(2)当车左转弯行驶时，司机向右转向，为加强这个反转向，右前轮被制动如图2-2-13所示。后车轮可自由旋转，以保证在后桥产生最佳侧向力。(3)这种轮迹变化导致车绕垂直轴线的转动，为避免车甩尾，左前轮被制动。在特别紧急的情况下，制动可将车轮抱得很死，以便能限制前桥侧向力的形成(摩擦圆)，如图2-2-14所示。(4)车辆的不稳定状态得到校正以后，ESP就结束了其调节工作，如图2-2-15所示。2.2.1.3ESP典型工作情况躲避前方突然出现的障碍物，如图2-2-16所示。在急转弯车道上高速行驶，如图2-2-17所示。上一页下一页返回2.2.1ESP的工作原理3.在地面附着力不同的路面行驶，如图2-2-18所示。2.2.1.4ESP的新增功能以AudiQ7上使用的Continental-Teves公司生产的新型ESP为例。1.制动保护(仅指带有自适应巡航装置的车)该功能会在与前面车辆有碰撞危险时主动给司机发出警告，如图2-2-19所示:(1)预警:声音和视觉信号。(2)紧急报警:通过快速压力建立来提供制动压力。2.越野(Offroad)模式根据车速来优化ESP-ASR-EDS-ABS的接合情况，从而达到改善牵引状况和在松软路面的制动过程的目的。上一页下一页返回2.2.1ESP的工作原理(1)激活:短促(<3s)按压ESP，按键如图2-2-20所示。(2)显示:驾驶员信息系统的显示屏上显示“Offroad"(越野)字样，黄色的ESP指示灯亮起，如图2-2-21所示。(3)激活越野(Offroad)模式的措施。①激活ESP,ASR,ABS的下限值有所升高，EDS提前开始工作(例如，因车轮前面有楔状物时要提高牵引力，以及两个车轮悬空时)。②下限值根据车速来提高，约自80km/h以上时起，系统的状态就与“正常模式”一样了。③关闭挂车稳定功能:因为越野路面的质量，可能会导致虚假的挂车振动识别，这就可能导致错误的触发。上一页下一页返回2.2.1ESP的工作原理④在倒车时激活ABS(正常车辆倒车时ABS不起作用)。如果车辆在坡路上向后移动的话，那么电子制动力分配功能会使得后桥制动力小于前桥制动力，这样在倒车时却有好处:后桥的制动可以像前桥那样增大制动力。⑤激活“坡路起步辅助装置”。在坡路(10%~15%)上且车速低于20km/h时，坡路起步辅助装置通过让制动器工作的方式来帮助司机起步。当在坡路上起步时，如果由于路面某些地方很滑或由于车轮悬空而出现车轮转速差的话，那么坡路起步辅助功能在越野(offroad)模式下会自动激活。该功能的目的，就是使得车辆在司机干预的情况下以恒定车速驶过上坡路段。上一页下一页返回2.2.1ESP的工作原理⑥无法通过按压ESP按键来关闭ESP。该功能的触发是以这个为前提条件的:某个车轮在空转，或者短时强制动时至少有一个车轮在打滑。这时无法用ESP按键来关闭ESP了。3.挂车稳定性挂车的轻微摆动在一定的行驶状态下可能会增强到严重影响行车安全的程度。这种危险状况多数出现在车速在75~120km/h时。如果超过这个危险车速范围后出现摆动，那么这个摆动的振幅会持续增大。这个摆动会使得牵引车绕其垂直轴周期性地摆动。横摆传感器会接收到这个偏转运动信号，ESP控制单元会分析这个信号。如果超过了特定的极限值，那么ESP调节功能就会选择相应的调节模式来对前桥进行调整。上一页下一页返回2.2.1ESP的工作原理如果这个调整力度还不够，那么ESP控制单元就会请求发动机控制单元来降低扭矩，以便降低车速并同时对所有四个车轮进行制动，如图2-2-22所示。在制动过程中制动灯亮起，ESP指示灯会闪烁。车辆在出厂前都对挂车进行了编码，ESP控制单元能自动识别出是否已连接上挂车。在售后服务中，如果要更换控制单元的话，必须在连接好挂车藕合器后给该功能编码。4.滚翻稳定性在有侧翻危险的极限范围内，可通过降低横向加速度来使车辆稳定下来。这个过程是通过前桥上强有力的制动来实现的，同时也降低了发动机扭矩。司机能注意这个调节过程，尽管司机并没有感觉到有什么危险状况(自横向加速度达到约0.6g起)。在这个调节过程中，ESP指示灯会闪烁。上一页下一页返回2.2.1ESP的工作原理制动压力的建立是通过主动制动助力器的工作来实现的，并通过ESP来实现主动压力建立。通过主动制动助力器，可以在ESP回流泵的吸油一侧快速建立起压力，因而就可以通过ESP来实现快速提升制动压力。5.制动性能衰退补偿(FBS)当摩擦片与制动盘之间的摩擦系数较低而使制动效果下降时，ESP泵会额外产生压力以弥补制动力的哀减，如图2-2-23所示。在检测到制动压力较高但车轮未达到预期控制效果时，此功能将会介入。当驾驶员明显减轻制动压力后，该功能自动关闭，对此没有显示提示。上一页下一页返回2.2.1ESP的工作原理6.制动盘清洁雨、雪天行车时，在前轮制动衬块上会定期(每隔185s)作用有一个较小的压力(0.5~1.5bar)，作用时间约为2.5s，如图2-2-24所示。这是为了定期清洁制动衬块，以便提高制动响应性能。当然这有个前提条件:就是必须接通前挡风玻璃刮水器且车速要高于70km/h。7.紧急制动信号当以很大的减速度制动时或在ABS调节范围内制动时，危险警报灯会被激活。激活该功能时，通过ESP来区别车辆在公路上行驶时的摩擦系数的高低，如表2-2-1所示。上一页返回2.2.2ESP系统及其部件大众集团的ESP有两个供货商供货。一个供货商是BOSCH，另一个是ITT-Automotive。这两个系统的作用及原理是相同的，但部件有所不同。因此，更换部件时，一定要看清车上用的是哪个供货商的ESP系统。在BOSCH系统上，这个预压力是由一个预增压泵产生的，该泵称为行驶动力调节液压泵，它位于总支架上的液压单元下部。ESP控制单元与液压单元是分开的，如图2-2-25所示，不过现在新款车型二者是在一起的。在ITT系统上，这个预压力是由一个主动式制动助力器产生的，该助力器也叫加压器。液压单元与控制单元构成一个组件，如图2-2-26所示。下一页返回2.2.2ESP系统及其部件ESP是以车轮滑动调节系统为基础的。但ESP又扩展了一项重要内容:ESP可提前识别出车辆的各种不稳定状态(如侧滑)并进行补救。为了能做到这一点，就需要再加上几个部件。现以BOSCHESP系统为例介绍各组件。2.2.2.1带EDS/ASR/ESP的ABS控制单元J104控制单元如图2-2-27所示与液压单元是分开的，该控制单元在右前部脚坑内。1.结构和功能该控制单元包括一台功能强大的微机。由于对安全性有很高要求，该系统内有两台计算机，一个自身电压监控器及一个诊断口。这两个计算机使用同一软件来处理信息并彼此相互监控，这种双重系统称为“主动多余信息”。上一页下一页返回2.2.2ESP系统及其部件功能:①控制ESP,ABS,EDL,TCS,EBD及EBC;②连续监控所有电气部件;③支持自诊断:打开点火开关后，控制单元将做自测试。所有的电器连接都将被连续监控，并周期性检查电磁阀功能。2.电路控制单元J104是通过仪表板线束内的正极连接获得供电的，如图2-2-28所示。3.出现故障后的影响该控制单元一般是不会出故障的，即使出现故障，司机仍可操纵制动器，但此时它只是一个普通制动器，而无ABS,EBS,ASR及ESP功能。上一页下一页返回2.2.2ESP系统及其部件2.2.2.2方向盘转角传感器G85该传感器在转向柱锁开关和方向盘之间的转向柱上。安全气囊的带滑环的回位环集成在该传感器内且位于该传感器下部如图2-2-29所示。1.作用该传感器将方向盘的转角信息传递给带EDS/ASR/ESP的ABS控制单元。角度的变化范围为±7200，也就是说，方向盘转四圈。2.出现故障后的影响如果缺少转向角传感器的信息，ESP就无法得知所需要的行驶方向，ESP功能失效。上一页下一页返回2.2.2ESP系统及其部件3.自诊断在更换了控制单元或传感器后，须重新校准起始位置(零位)。①转向角传感器无法通讯;②调整不当;③机械故障;④损坏;⑤不可靠信号。4.电路G85是ESP系统中唯一直接通过CAN总线将信息传递给控制单元的传感器，如图2-2-30所示。只要方向盘转角达到4.50，接通点火开关后，该传感器就开始初始化，这相当于转动了约1.5cm。上一页下一页返回2.2.2ESP系统及其部件5.拆装注意事项安装时，要保证G85在正中位置，观察孔内黄色标记可见，如图2-2-31所示，进行标定。6.结构原理(1)结构。角度的测量是通过光栅原理来实现的。基本构件如图2-2-32所示有:①光源a;②编码盘b;③光学传感器c、d;④计数器e，用于传递转动的圈数，编码盘由两个环构成，一个是绝对环，一个是增量环。每个环由两个传感器进行扫描。上一页下一页返回2.2.2ESP系统及其部件(2)功能。如图2-2-33所示。为了简化结构，将两个带孔蔽光框放在一起，①是增量蔽光框，②是绝对蔽光框。在两个蔽光框之间有光源③，其外侧是光学传感器④+⑤。光透过缝隙照到传感器上，就会产生一个信号电压;如果光源被遮住，这个电压就又消失了。移动蔽光框，就会产生两个不同的电压。增量传感器传送一个均匀的信号，这是因为间隙是均匀分布的;绝对传感器传送一个不均匀信号，这是因为间隙是不均匀分布的。系统通过对比这两个信号，就可计算出蔽光框移动的距离，于是就确定了绝对部件运动的起始点。转向角传感器的工作原理与此相同，只是运动变成了旋转运动。上一页下一页返回2.2.2ESP系统及其部件2.2.2.3横向加速度传感器G2006200传感器如图2-2-34所示，由于物理方面的原因，该传感器应尽量与汽车重心离的近一些，因此，该传感器装在司机座椅下。1.作用G200用于接收是否有侧向力及该侧向力的大小的信息，这个侧向力总是试图使车脱离原行驶路线。2.出现故障后的影响如果缺少横向加速度信息，控制单元就无法计算出车辆的实际状态，ESP也就失效了。该传感器很容易损坏。3.自诊断在诊断过程中会确定导线是否断路及是否对正极/地短路。系统会进一步确定传感器是否损坏。

上一页下一页返回2.2.2ESP系统及其部件4.电路横向加速度传感器通过三根导线与控制单元J104相连，如图2-2-35所示。5.结构原理结构:简单地说:横向加速度传感器由一块永久磁铁①，一个弹簧②，一个阻尼盘③一个霍尔传感器④组成，如图2-2-36所示。永久磁铁、弹簧及阻尼器构成了一个磁力系统。该磁铁与弹簧牢固地连接在一起，并可在阻尼盘上方左右摇动。上一页下一页返回2.2.2ESP系统及其部件功能:当横向加速度(a)作用到车上时，永久磁铁也会有相应运动，但由于惯性，这个运动要稍迟发生，如图2-2-37(a)所示。也就是说:阻尼盘与传感器壳体及整车一同偏离永久磁铁(该磁铁先前处于静止状态)。这个运动会在阻尼盘内产生电涡流，而电涡流又会产生一个与永久磁铁磁场极性相反的磁场。因此，总磁场的强度就被削弱了。这会使霍尔传感器的电压改变，电压的变化是与横向加速度的大小成比例的，如图2-2-37(b)所示。也就是说，阻尼器与磁铁之间的运动幅度越大，那么磁场强度削弱得就越厉害，霍尔传感器电压变化得就越明显，如图2-2-37(c)所示。如果没有横向加速度，霍尔传感器电压保持恒定。上一页下一页返回2.2.2ESP系统及其部件2.2.2.4偏转率传感器G202偏转率传感器G202如图2-2-38所示，这个传感器也应尽量离车的重心近一些。Passat'98车上，该传感器位于左前脚坑的舒适系统中央控制单元前。1.作用该传感器是从宇航技术借用来的，它用来确定物体上是否作用有转矩。按照安装位置就能确定绕空间某一轴的转动。在ESP中，该传感器用于确定车辆是否绕垂直轴线转动。入们把这个过程称作偏转率或旋转率的测量。以前在BOSCH系统上装有一个传感器，该传感器是按陀螺仪的原理工作的。但这种传感器不久就被横向加速度和偏转率组合传感器所取代，这个组合传感器是按另一种原理工作的。上一页下一页返回2.2.2ESP系统及其部件2.结构和功能其基本组件是一个小的金属空心圆筒①，其上有八个压电元件②，其中四个使空心圆筒处于谐振状态a，另四个用于监控作用在圆筒上的振荡波节是否改变，如图2-2-39所示。如果空心圆筒上作用有转矩，振荡波节的位置就会改变。振荡波节会移动b，起监控作用的压电元件会测量到这个改变并通知控制单元，控制单元就可以计算出偏转率了。2.2.2.5组合传感器横向加速度传感器6200;偏转率传感器G202。如图2-2-40所示，这两个传感器装在一个壳体内。优点如下:①安装尺寸小;上一页下一页返回2.2.2ESP系统及其部件②两传感器彼此可精确调整，调整后就无法改变;③结构更牢靠:部件都装在一个印刷电路板上，按微机械原理工作。通过一个六脚插头连接。按电容原理对横向加速度进行测量。偏转率是通过测量科氏(Coriolis)加速度而获得的。位于副仪表台内烟灰缸下方，此处接近整车的重心位置。例如:站在北半球水平开炮时，对于正在与地球一同旋转的观察者来说，炮弹看起来是偏离直线的。原因就是观察者受到了一个力，该力逆着地球旋转方向使炮弹加速并偏离直线方向，这个力就叫科氏力(Coriolis)，如图2-2-41所示。上一页下一页返回2.2.2ESP系统及其部件1.横向加速度传感器的结构传感器是组合传感器印刷电路板上的一个极小的部件。如图2-2-42所示，我们可以这样简单粗略地描述其结构:放好质量可动的电容器片，使它能来回摆动。两个固定安装的电容器片围住可动的电容器片，这样就形成了两个串联电容器K1和K2。借助电极就可以测量出这两个电容器容纳的电荷量，这个电荷量就叫电容C。功能:如果没有加速度作用在这个系统上，那么测出来的两个电容器的电荷量C1和C2是相等的，如图2-2-43所示。若作用有横向加速度，那么可移动质量就会因惯性而作用到中间板上，即它顶着固定板并逆着加速度方向移动。于是两板之间距离改变，相应的分电容器的电荷量也就增加了，如图2-2-44所示。上一页下一页返回2.2.2ESP系统及其部件对于电容器K1，若其两板间距离变大，那么其电容C1就变小。对于电容器K2，若其两板间距离变小，那么其电容C2就变大。2.偏转率传感器的构造在同一板上，还有偏转率传感器，该传感器与横向加速度传感器在空间上是分开的。为了便于理解，这里只作简要说明:在恒定磁场的南极和北极之间的托架内放一个可摆动的质量块，在这个质量块上装一个导电轨道，这个轨道用以代替真正的传感器，如图2-2-45所示。在真正的传感器上，为保险起见，有两个这种结构。上一页下一页返回2.2.2ESP系统及其部件功能:如果接上交流电压U，那么支撑导电轨道的托架就会在磁场内摆动，如图2-2-46所示。如果现在有旋转加速度作用在此结构上，那么由于惯性作用，摆动质量块的状态与前述的炮弹是一样的。就是说:由于出现了科氏加速度，质量块偏离了来回的直线摆动。由于这一切都是发生在磁场内的，因此导电轨道的电气性能就改变了。测量出这个变化就能知道科氏加速度的大小和方向，电子装置根据这个值即可计算出偏转率的大小，如图2-2-47所示。2.2.2.6制动压力传感器G201该传感器如图2-2-48所示，在行驶动态调节液压泵内。上一页下一页返回2.2.2ESP系统及其部件1.作用该传感器向发动机控制单元提供制动管路内的实际压力信号。发动机控制单元根据这个压力信号计算出车轮制动力及作用在车上的纵向力。如果需要ESP工作，控制单元会将此值用于计算侧导向力。2.出现故障后的影响如果缺少实际制动压力信号，那么系统就无法计算正确的侧导向力，ESP也就失效了。3.自诊断自诊断会确定导线是否断路及是否对地/正极短路。此外，系统还将判定传感器是否损坏。上一页下一页返回2.2.2ESP系统及其部件4.电路制动压力传感器通过三根导线与控制单元J104相连，如图2-2-49所示。说明:不可从液压泵上拧下压力传感器，而应与该泵一同更换。5.结构与功能结构:该传感器的核心部件是一个压电元件a，制动液的压力就作用在其上。另一个是传感器电子元件b，如图2-2-50所示。上一页下一页返回2.2.2ESP系统及其部件功能:如果制动液的压力作用到压电元件上，该元件上的电荷分布就会改变。如果没有压力作用，电荷分布是均匀的，如图2-2-51所示;有压力作用时，电荷分布在空间发生变化，于是就产生了电压如图2-2-52所示状态。压力越大，电荷分离的趋势越强，产生的电压就越高。这个电压由电子装置放大，然后作为信号传给控制单元。电压的高低就是制动压力大小的直接反映。上一页下一页返回2.2.2ESP系统及其部件2.2.2.7ASR/ESP按键E256如图2-2-53所示，该按键的位置根据车型不同而不同，一般在组合仪表区。司机用该按键可关闭ESP功能。踏下制动踏板或再次按下该按钮，即可再次接通ESP。如果忘了再次接通ESP，那么在下次启动发动机时，ESP就会自动激活。ESP在下述情况下应关闭:①车在深雪或松软上地上艰难行进时②车带防滑链行驶时③车在功率检测试验台上检测时当ESP正在工作时，超过某一车速后，就无法关闭ESP了。上一页下一页返回2.2.2ESP系统及其部件1.出现故障后的影响如果该开关损坏，ESP就无法关闭了。故障由组合仪表上ASR/ESP指示灯来指示。2.自诊断自诊断不能诊断该按键的故障。3.电路如图2-2-54所示2.2.2.8行驶动态调节液压泵V156该泵在发动机舱内的液压单元下面，与液压单元在同一梁上，如图2-2-55所示。上一页下一页返回2.2.2ESP系统及其部件1.作用在ABS系统中，踏下制动踏板时必须输送少许制动液，这些制动液的流向与制动踏板产生的较大的压力是相反的，这个输送工作由回液泵来完成。但若是踏板压力过小或根本没有踏板力，那么回液泵就不能输送大量制动液，这是因为在低温时制动液的豁度过高。因此对于ESP就需要有一个辅助液压泵，该泵用于在回液泵的吸液侧建立起必要的预压力。这个预压力的大小由总泵内的一个节流阀来限制。行驶动态调节液压泵本身是不可调的。2.电路液压泵通过两条导线接在控制单元J104上，如图2-2-56所示。上一页下一页返回2.2.2ESP系统及其部件3.信号中断后的影响ESP不能工作，但AB民ED民ASR不受影响。4.自诊断自诊断会显示导线是否断路及是否对正极/地短路。说明:液压泵不可以进行修理，只能整体更换。作为备件供应的液压泵内已经加注了制动液，因此不要过早取下堵塞。不可使用未加注制动液的液压泵。2.2.2.9液压单元如图2-2-57所示，该单元在发动机舱内的一个梁上。车型不同，安装位置也不同。上一页下一页返回2.2.2ESP系统及其部件1.作用液压单元的两个制动管是按对角线布置的。与以前的ABS单元相比，现在的单元每个制动管都有一个转换阀和一个吸液阀。回液泵是自吸式的。转换阀有:行驶动态调节分配阀—1-N225行驶动态调节分配阀—2-N226吸液阀有:行驶动态调节高压阀—1-N227行驶动态调节高压阀—2-N228上一页下一页返回2.2.2ESP系统及其部件通过液压单元内的各阀就可控制各车轮分泵的压力。通过控制液压单元内各分泵的进液阀和出液阀，可以出现下述状态:①建立压力;②保持压力;③卸压。2.电路如图2-2-58所示。3.出现故障后的影响如果不能保证这些阀的功能，那么整个系统就关闭了。上一页下一页返回2.2.2ESP系统及其部件4.自诊断检查阀N225,N22氏N227,N228的导线是否断路及是否对正极/地短路。5.流程图一个制动管路及一个车轮的情况，如图2-2-59所示，制动管路部件包括:分配阀N225a;高压阀N227b;进液阀c;出液阀d;制动分泵e;回液泵f;行驶动态调节液压泵g;制动助力器h。上一页下一页返回2.2.2ESP系统及其部件①建立压力。当ESP开始工作时，行驶动态调节液压泵就开始将制动液从储液罐输送到制动管路，于是制动分泵和回液泵很快就产生了制动压力。回液泵开始供液，以进一步提高制动压力，如图2-2-60所示。②保持压力进液阀关闭，出液阀保持关闭状态。制动分泵内的压力就不会卸掉，回液泵停止工作N227关闭，如图2-2-61所示。③卸压。N225切换到相反方向。进液阀保持关闭状态，同时出液阀打开。制动液可以通过串联的总泵流回储液罐，如图2-2-62所示。上一页下一页返回2.2.3ESP系统功能图ESP系统功能图，如图2-2-63、图2-2-64所示。返回2.2.4自诊断中的警报灯和按键如果在调节过程中出现故障，ESP会尽可能结束调节。调节结束后，相应的子系统关闭，同时警报灯亮起，如表2-2-2所示。出现的故障及警报灯亮起，会被记录到故障存储器内。可以用ASR/ESP按键来关闭ESP功能。警报灯:返回图2-2-3肇事车:发生伤亡返回图2-2-4肇事车在超车后发生侧滑返回图2-2-5侧面碰撞数量/总碰撞数量=11%返回图2-2-6侧面碰撞伤亡/总碰撞伤亡=47%返回图2-2-7ESP工作原理流程图返回图2-2-8履带车左转弯返回图2-2-9履带车右转弯返回图2-2-10车辆躲避突然出现的障碍物返回图2-2-11车辆甩尾侧滑返回图2-2-12ESP对左后车轮实施制动返回图2-2-13ESP对右前车轮实施制动返回图2-2-14ESP对左前车轮实施制动返回图2-2-15ESP结束其调节工作返回图2-2-16车辆躲避前方突然出现的

障碍物返回图2-2-17车辆在急转弯车道上高速行驶返回图2-2-18车辆在地面附着力

不同的路面行驶返回图2-2-19车辆与前面车辆有碰