48第十一章 汽车行驶安全性控制系统

第十一章汽车行驶安全性控制系统1电动助力转向系统由电动机直接提供转向助力。组成：电动式电子控制动力转向系统通常由扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元（ECU）、电动机和电磁离合器等组成。利用电动机作为助力源，根据车速和转向参数等，由电子控制单元完成助力控制。原理:当操纵转向盘时，装在转向盘轴上的扭矩传感器不断地测出转向轴上的扭矩信号，该信号与车速信号同时输入到电子控制单元。电控单元根据这些输入信号，确定助力扭矩的大小和方向，即选定电动机的电流和转向，调整转向辅助动力的大小。电动机的扭矩由电磁离合器通过减速机构减速增扭后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与汽车工况相适应的转向作用力。分类:转向轴助力式、转向器小齿轮助力式、齿条助力式第十章内容回顾：第十一章汽车行驶安全性控制系统211.1汽车防滑控制系统11.2汽车电子制动系统11.3汽车防/避撞控制系统11.4安全气囊和安全带11.5汽车行驶记录系统简介主动安全性：汽车避免发生事故的能力被动安全性：汽车在发生意外事故时对乘员进行有效保护的能力第十一章汽车行驶安全性控制系统311.1汽车防滑控制系统11.1.1汽车防抱死制动系统（ABS）汽车防抱死制动系统汽车驱动防滑控制系统当行车在湿滑路面上突遇紧急情况而实施紧急制动时，汽车会发生侧滑，严重时甚至会出现旋转调头；当左右侧车轮分别行驶于不同摩擦系数的路面上时，汽车的制动也可能产生意想不到的危险；弯道上制动遇到上述情况则险情会更加严重。这些现象的产生，均源自于制动过程中的车轮抱死（车轮抱死是在制动过程中，车轮由于制动力矩的作用，停止转动，在路面上拖滑的现象。车轮抱死使车轮失去了抵抗横向力作用的能力，易发生侧滑、汽车失控等）。汽车防抱死制动装置就是为了消除在紧急制动过程中出现上述非稳定因素，避免出现由此引发的各种危险状况而专门设置的制动压力调节系统。第十一章汽车行驶安全性控制系统4制动效果的好坏完全取决于外界制动力的大小及其所具有的特性。由于地面制动力是地面与轮胎之间的摩擦力，因此，它具有一般摩擦力的特性。即：当车减速度（即惯性力）较小时，地面摩擦力未达到极限值，它可随所需惯性力增加而增加；汽车减速度（即惯性力）达到一定数值后，地面摩擦力达到其极限值，以后便不再增大。按照摩擦的物理特性可知，Fxbmax＝Fz·φ式中：Fxbmax——地面制动力（摩擦力）的最大值；Fz——作用在车轮上的垂直（法向）载荷；φ——摩擦系数（通常称为附着系数）。1、制动过程分析第十一章汽车行驶安全性控制系统5由此可以看出，在汽车紧急制动情况下，若欲提高制动效能，即缩短制动距离或增大制动减速度，必须设法增大Fxbmax。为此，可以采取两条途径：一方面，可以通过提高正压力Fz来增大Fxbmax；另一方面，也可以通过提高摩擦系数φ中使Fxbmax得以提高。考虑到汽车具体使用情况，后一种途径更具有实际意义。①路面的类型、状况；②轮胎的结构类型、花纹、气压和材料；③车轮的运动方式和车速。大量试验已经证明，轮胎与路面之间的附着系数是一个与车轮滑移程度有关的变量，主要受到三方面要素影响，即：滑移为制动时车轮速度小于汽车车身速度而导致车轮既滚动又滑动的现象。第十一章汽车行驶安全性控制系统6制动车轮的运动方式一般均经历了三个变化阶段，即开始的纯滚动、随后的边滚边滑和后期的纯滑动。第十一章汽车行驶安全性控制系统7100%vwv为能够定量地描述三种不同的车轮运动状态，即对车轮运动的滑动和滚动成分在比例上加以量化和区分，便定义了如下的车轮滑移率v汽车行驶（平移）的速度w车轮的瞬时线速度车轮纵向附着系数（又称制动力系数）随车轮滑动成分的增加呈先上升后下降的趋势，附着系数最大值一般出现在滑动率为15％～25％之间，滑动率达到100％（车轮抱死）时车轮的横向附着系数（又称横向力系数）趋近于0，这时，车轮无法获得地面横向摩擦力。第十一章汽车行驶安全性控制系统8汽车防抱死制动系统（ABS）便是一套能在制动过程中随时监控车轮滑移程度，并依此自动调节作用在车轮上的制动力矩，防止车轮抱死的电子控制装置。它不仅能缩短制动距离,有效避免各种因制动引起的事故，还可减少轮胎磨损，使其达到使用寿命。理想制动系统的特性应当是：当汽车制动时，将车轮滑移率控制在峰值系数滑移率（即＝20％）附近，这样既能使汽车获得较高的制动效能，又可保证它在制动时的方向稳定性。若这种情况出现在前轮上，会导致前轮无法获得地面侧向摩擦力，导致转向能力的丧失；若这种状况出现在后轮上，则会导致后轮抱死，此时，后轴极易产生剧烈的侧滑，使汽车处于危险的失控状态。第十一章汽车行驶安全性控制系统92、ABS的基本组成及控制部件的安装位置（P291图11-3、4）带有ABS的汽车制动系统由基本制动系统（实现汽车的常规制动，由制动主缸、制动轮缸和制动管路等组成）和制动力调节系统（在制动过程中用来确保车轮始终不抱死，车轮滑动率处于合理范围内，由传感器、控制器、执行器等组成。）两部分组成。第十一章汽车行驶安全性控制系统10传感器承担感受系统控制所需的汽车行驶状态参数，将运动物理量转换成为电信号的任务。ABS系统由三大部分组成：轮速传感器、压力调节器和电子控制装置。轮速传感器检测车轮的转速，并把检测到的信息传给电子控制装置。由传感头和齿圈组成。第十一章汽车行驶安全性控制系统11传感头的极轴被传感器线圈包围，并与永磁体相连。永磁体的磁通延伸到齿圈并与它构成磁路。齿圈随车轮旋转，轮齿和齿隙交替地对向磁极，齿圈和传感头的空气间隙交替发生变化，引起磁通的变化，在线圈中产生感应电压信号，并由线圈末端通过电缆输出至电子控制装置。第十一章汽车行驶安全性控制系统12控制器即电子控制装置（ECU）,根据传感器信号及其内部存储信号，经过计算、比较和判断后，向执行器发出控制指令，同时监控系统的工作状况。第十一章汽车行驶安全性控制系统13电控装置接收轮速传感器信号，滤波整形放大，计算制动滑动率、车轮的角减速度或角加速度，再通过判别处理，发指令信号给压力调节器，调节制动压力。电控装置由输入级，数字控制器，输出级及稳压与保护装置四部分组成。第十一章汽车行驶安全性控制系统14执行器（制动压力调节器）安装在制动系总缸与车轮轮缸之间，根据ECU的指令，依靠由电磁阀及相应的液压控制阀组成的液压调节系统对制动系统实施增压、保压或减压的操作，让车轮始终处于理想的运动状态。回油泵在制动轮缸压力减小时，抽吸制动轮缸的制动液，并把它泵回制动主缸。存贮器暂时储存压力减少时流出制动轮缸的制动液。三位三通电磁阀用于车轮制动轮缸液压力的调节。压力调节器由回油泵、存贮器和电磁阀组成。第十一章汽车行驶安全性控制系统153、ABS制动的过程（原理P300）常规制动ABS不介入控制，各进液调压电磁阀断电导通，各回液电磁阀断电关闭，电动泵不通电运转，各制动轮缸与储液器隔绝，系统处于正常制动状态。紧急制动（ABS工作）制动压力调节过程由制动保压、制动减压和制动增压组成。第十一章汽车行驶安全性控制系统16制动增压当传感器告知右前轮抱死趋势已消失，右前轮进液调压电磁阀和回液凋压电磁阀均断电，进液调压阀导通，回液调压阀关闭，电动泵运转，与主缸一起向右前轮轮缸送液，实现制动增压。制动减压当传感器告知ECU右前轮抱死趋势无改善，右前轮回液调压电磁阀也通电导通，轮缸制动液回流储液器，实现制动减压。制动保压当传感器告知ECU右前轮趋于抱死，右前轮进液调压电磁阀通电关闭，右前轮回液调压电磁阀仍断电关闭，实现制动保压；其他车轮仍随制动主缸增压。第十一章汽车行驶安全性控制系统17踩下制动踏板，滑阀1接通，滑阀2断开，轮缸压力增加，车轮开始制动。轮速传感器检测车轮运动状态，送电控装置，判断出车轮即将抱死时，电控装置向压力调节器发出减压信号。滑阀1断开，滑阀2接通，电机驱动油泵抽吸轮缸中的压力油，开始减压，避免车轮抱死。滑阀1和滑阀2均断开，轮缸压力保持不变。滑阀式第十一章汽车行驶安全性控制系统18柱塞式是当轮缸需要减压时，只需通过柱塞的移动来改变油缸容积即可，反应比较快捷，因而系统的调节性能有较大的改善。柱塞移动的驱动机构比较复杂，价格贵。第十一章汽车行驶安全性控制系统194、ABS的控制①在制动过程中，只有当车轮趋于抱死时，ABS系统才起作用，此前保持常规制动状态。②ABS系统只在车速超过一定值时才起作用。③ABS系统具有自诊断功能，以确保系统出现故障时，常规制动系统仍能正常工作。ABS对车轮制动压力的调节通常可以采用以下两种方式进行。①双参数感测控制同时利用两种传感器获得车速和车轮转速信号，并按照一定的控制方法由计算机控制制动系统工作。由于目前测取车速信号需借助多普勒雷达作为传感器，价格较高，故实际使用较少。②单参数感测控制此方法仅仅利用车轮转速传感器获取车轮转速信号，通过计算机，依靠某种计算方法估算出汽车速度、加速度信号，根据这些数据由计算机控制制动系统工作。由于这种方法性能价格比较好，故得到了广泛的使用。第十一章汽车行驶安全性控制系统20可供选择作为ABS自动调节控制参数及其组合:车轮的滑动率S。车轮滑动率对时间的一阶导数ds/dt。车轮的角减速度或角加速度d/dt。车轮的角减速度或角加速度d/dt和车轮滑动率S的组合。车轮的角减速度或角加速度d/dt和车轮滑动率S作为主调节参数，汽车的减速度a作为辅助调节参数。车轮—路面的纵向附着系数对滑动率的一阶导数dx/ds和车轮滑动率S的组合。控制参数：第十一章汽车行驶安全性控制系统21车轮滑动率对时间的一阶导数ds/dt。车轮的运动状态从稳定工况过渡到不稳定工况时，S迅速增加，ds/dt变得很大，可通过限制ds/dt的办法把车轮的运动状态保持在稳定区域内。这种方法不能保证S始终在其最佳值附近变动。测得整车速度v和车轮的角速度，即可计算而得。S在不同的附着系数路面及制动工况下变化很大。门限值很难确定。车轮的滑动率S。第十一章汽车行驶安全性控制系统22车轮的角减速度或角加速度d/dt和车轮滑动率S的组合。d/dt作为唯一的调节参数对于非驱动轮是可行的。对于驱动轮来说，制动时发动机与传动系断开也是可行的。若制动时驱动轮与发动机、传动系仍连在一起，发动机和传动系的旋转件转换到驱动轮上的转动惯量就很大，车轮减速度的响应就比较迟钝。故把d/dt选为唯一的调节参数是受局限的。实用的ABS系统均采用d/dt和S两个参数对车轮的运动状态进行联合控制。d/dt大小不能给出车轮是否处于最佳滑转状态的倍息，不能把制动距离缩到最短。第十一章汽车行驶安全性控制系统230opxSSddt车轮—路面的纵向附着系数对滑动率的一阶导数dx/ds和车轮滑动率S的组合。在维持足够的侧向附着能力的前提下，为获得最短的制动距离，需选择dx/ds对S的一阶导数，或地面制动力对S的一阶导数和S的组合作为调节参数。最佳S时，具有下述关系：此时，x=xmax采用dx/ds便于设置门限值，保证x能在xmax周围变动，获得最短制动距离。第十一章汽车行驶安全性控制系统24ABS控制过程在计算机控制过程中，为了提高控制效率和加快控制收敛速度，各国研究人员提出了许多控制方法，如：逻辑门限控制法、滑动模态变结构控制法、最优控制法和模糊控制法等。其中逻辑门限控制方法使用最广泛。该控制方式以车轮减速度和车轮加速度为控制参数，在ECU中预先设定好车轮加、减速度门槛值，并以参考滑动率和参考速度为辅助控制参数，对制动过程实施控制。第十一章汽车行驶安全性控制系统25在制动开始阶段，轮缸压力快速上升，车轮减速度很快超出门槛值，电磁阀从升压切换到保压状态，同时，以控制起始时刻的车轮角速度作为初始参考速度，计算出制动控制的参考车速，并以该参考车速和车轮角速度为依据，计算出参考滑动率门槛曲线。在保压阶段，轮速继续下降，当轮速降到低于滑动率门槛值时，电磁阀由保压切换到减压状态。在减压过程中，轮速在一段时间以后会开始上升，当车轮减速度减