第5章 汽车行驶安全性控制系统

第五章汽车安全性控制系统回顾汽车存在哪些安全问题？•起步或加速时车轮打滑；•制动时车轮抱死，失去转向；•发生猛烈碰撞时，车毁人亡；汽车的安全性•汽车的行驶主动安全性是指汽车避免发生意外事故的能力；主动安全性就是要使汽车在行驶时“有惊无险”；车上普遍装备的ABS和ASR（驱动防滑控制系统），都是属于主动安全性配置。•被动安全性，则是指汽车在发生意外事故时对乘员进行有效保护的能力。被动安全性则是做到汽车发生事故时“车毁人不亡”。如安全带、安全气囊等。汽车防滑控制系统主要包括两方面的内容：汽车防抱死制动系统（Anti-lockBrakingSystem，缩写ABS），保证汽车制动过程中方向的稳定性、操纵性，并缩短制动距离。汽车驱动防滑系统又称为防滑转控制系统ASR（Anti-SlipRegulation）或驱动力控制系统TCS（TractionControlSystem)。主要用于汽车行驶过程中。两个系统同时使用极大的提高汽车的方向稳定性和操纵性汽车防抱死制动系统（ABS）•产生•（1）最早应用于飞机、铁路机车，1936年BOSCH取得专利。•（2）1945年，美国开发了用于喷气式飞机的ABS。•（3）1948年，WestinghouseAirBrake开发了用于铁路机车的ABS；•ABS在汽车上的使用：•（1）1954年，福特公司将法航机用ABS装在林肯车上，失败。•（2）1957年，福特公司研制开发了车用ABS系统，并于1968年获得成功应用。(一)汽车ABS的理论依据•汽车的行驶状态主要由轮胎与路面间的纵向作用力和横向作用力决定的，但是车轮与路面之间作用力必然受到轮胎与路面之间附着力的限制。•加、减速运动主要取决于纵向附着力。•汽车转向运动和抵抗外界横向力作用的能力则主要受车轮横向附着力的限制。•汽车制动性能：汽车在行驶过程中，强制的减速以至停车，且能维持行驶方向稳定的能力。评价制动性能的指标制动效能—汽车强制减速以至停车的能力制动距离制动时间制动减速度制动时的方向稳定性---汽车在制动时仍能按照指定的方向的轨迹行驶，即不发生跑偏、侧滑、以及失去转向能力。Ｖ——车速ω——车轮旋转角速度Ｍｊ——惯性力矩Ｍμ——制动阻力矩Ｗ——车轮法向载荷Ｆｚ——地面法向反力Ｔ——车轴对车轮的推力Ｆｘ——地面制动力ｒ——车轮半径ｒω——车轮切向速度，简称轮速制动时车轮受力分析车轮作用力分析（1）制动器制动力—Fμ制动蹄与制动鼓（盘）压紧时形成的摩擦力矩Mμ通过车轮作用于地面的切向力。（2）地面制动力—Fx制动时地面对车轮的切向反作用力，取决于地面制动力和附着力。（3）附着力—Fφ轮胎与路面间摩擦力。ZFF地面制动力、制动器制动力及附着力之间的关系XFF车轮抱死条件结论•汽车的制动力首先取决于制动器制动力，但同时又受地面附着条件限制。•要想获得足够的地面的地面制动力，汽车应具有足够的制动器制动力，其次路面还要提供较高的附着力。地面附着力•制动刚开始的时候，地面制动力取决于制动器制动力，制动进行到一定程度后，地面制动力就等于附着力，随附着力的变化而变化。•制动时的地面附着系数并非常数，而与车轮的滑移程度有关的变量。ZFF制动时车轮的滑移滑移是汽车制动时出现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。定义车轮的滑移率附着系数与滑移率•制动效能的高低主要反映在对地面最大附着系数的利用率上。将车轮滑移率s控制在20%左右，便可获取最大的纵向附着系数和较大的横向附着系数，使制动处于处于最佳状态。ABS可使作用在车轮制动器上的制动力按要求变化，以控制车轮瞬时速度，确保车轮滑移率维持在上述最佳范围内，获得最好的制动效果。路面印痕与胎面花纹基本一致。车速V=轮速Vω纯滚动路面印痕可以辨认出轮胎花纹，但花纹逐渐模糊。车速V＞轮速Vω又滚又滑抱死托滑路面印痕粗黑。轮速Vω=0制动过程中车轮的三种工作状态ABS的结构组成（1）车轮转速传感器1）电磁感应式车轮转速传感器（1）作用：测出车轮的转速，并将信号送到ECU。（2）结构：由传感头（电磁感应头）和齿圈两部分组成，传感头由永磁铁、极轴、感应线圈等组成。一般汽车前轮上的传感器被固定在车轮转向架上，转子安装在汽车轮毂上、与车轮同步转动。后轮上的车速传感器被固定在后轴支架上，转子安装在驱动轴上，与车轮同步转动。(a)齿隙与磁心端部相对时(b)齿顶与磁心端部相对时(c)传感器输出电压电磁感应式车轮转速传感器的工作原理:电磁式车轮转速传感器结构简单，成本低，但存在以下缺点：①电磁感应式轮速传感器向ABS的ECU输送的电压信号的强弱是随转速的变化而变化的，信号幅值一般在1V到15V的范围内变化。当车速很低时，传感器输出的电压信号若低于1V，则ECU无法检测到如此弱的信号，ABS也就无法正常工作。②电磁感应式轮速传感器频率响应较低。当车轮转速过高时，传感器的频率响应跟不上，容易产生错误信号。③电磁感应式轮速传感器的抗电磁波干扰能力较差，尤其在输出信号幅值较小时。霍尔效应式车轮转速传感器结构：由传感头和齿圈组成，传感头由永磁体、霍尔元件、电子电路等组成。齿圈转动时，磁场强弱发生交替变化，从而引起霍尔电压的变化。毫伏级→伏级电压信号→标准的脉冲信号→输出级放大后→输出给ECU电子电子电路各级电压波形霍尔效应式车轮转速传感器的特点•①输出的电压信号强弱不随转速的变化而变化。即使车速很低时也不变。•②传感器频率响应高达20kHz，用于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跟不上的问题。•③霍尔式车轮转速传感器抗电磁波干扰能力较强。减速度传感器（G）•测量汽车制动时的减速度，识别是否为雪路、冰路等易滑路面。•常用的有差动变压器式、水银开关式和光电式传感器。•在四轮驱动的汽车上应用较为广泛。差动变压器式G传感器汽车正常行驶的时候，铁心位于线圈中部，汽车减速时，铁心由惯性力相对于线圈移动，移动方向与减速度方向相反，感应线圈内电流发生变化，转换为电压作为输出信号。四轮驱动汽车常用水银开关式G传感器，与水平面有一定的夹角，汽车处于水平位置时开关处在“ON”状态。汽车在低摩擦系数路面上制动时，由于减速度较小，开关内的水银不移动，开关仍保持在“ON”状态。在高摩擦系数路面上制动时，因为减速度较大，开关内的水银离开触点，开关成为“OFF”状态。这样可识别出路面的摩擦系数信息并传送到电子控制单元。透光板的两面分别装有光敏晶体管和发光二极管，汽车匀速行驶时，透光板不动，无信号输出，减速时，透光板纵向摆动，减速度大小不同，摆动角度不同，两只光电晶体管“导通”和“截止”状态不同，减速度越大，摆动角度越大。ECU根据减速度判断路况。光电式减速度传感器两只发光二极管两只光电晶体管一块透光板信号处理电路等组成ECU•是ABS的控制中枢，ECU首先根据减速度传感器，识别路面状况，再根据各个车轮转速传感器,计算出车轮的瞬时线速度和汽车行驶的瞬时速度，计算此行驶状态下的滑移率。•根据滑移率的大小和车速，通过制动压力调节器，实现制动压力的升高、保持或降低的调节功能。•ECU还具有对整个ABS工作状况进行自检和安全监视警告功能。当系统发生故障时，首先停止ABS工作，并使仪表板上的ABS报警灯点亮，将故障信息以故障代码的形式存储在存储其中。双ECU的ABS制动压力调节器•制动压力调节器种类较多，其结构和工作原理也有较大的差别，按其动力来源不同，可分为液压式（小轿车和轻型载货车）、真空式、气压式（大型客车和载货车）和机械式几种。•作用：处于制动主缸和车轮制动缸之间，接收ECU的控制指令，驱动电磁阀动作，直接或间接调节制动器制动力。•液压式制动压力调节器主要由电磁阀、电动泵和储液器等元件组成。•电磁阀：二位二通电磁阀，二位三通电磁阀，三位三通电磁阀二位二通电磁阀•二位二通常开电磁阀：电磁线圈中通电，电磁阀关闭。电磁线圈中没有电流，电磁阀开启。•二位二通常闭电磁阀：电磁线圈中通电，电磁阀开启，不通电，电磁阀关闭。电动泵与储液器•电动泵由永磁式直流电动机与柱塞泵组成。电动机根据ABSECU的控制指令，通过凸轮驱动柱塞在泵套内上、下运动而产生压力。•储液器压力范围分为低压储液器和高压储液器（蓄能器）。ABS工作过程分泵对ABS控制质量的要求•高性能的ABS必须满足以下控制质量的要求:①汽车在各种路况下制动时，车轮应获得尽可能大的侧向力，以保持汽车在制动过程中的稳定性和转向能力。②制动压力调节必须很快地适应路面附着系数的变化。③充分利用轮胎与道路的附着力，已取得最佳的减速度，缩短制动距离。④系统必须具有工作状态检测功能，ABS出现故障时，自动关闭ABS，但要保证常规制动起作用。ABS控制方案•以BOSCH公司生产的ABS为例。采用逻辑门限值控制方式。•参数：轮速、轮加速度、参考车速、滑移率。轮速输入信号是这些参数计算的基础，ECU根据轮速传感器的输入信号，通过各自的算法程序依次计算出轮速、轮加速度、参考车速和滑移率。•控制参数：采用轮加速度和滑移率作为控制参数。轮速的计算•轮速参数的取得是硬件电路部分和软件算法部分相配合的结果，频率法计算轮速。T,N轮速的算法•测量时间为T，脉冲的个数为N，齿圈的齿数为Z，车轮的滚动半径为r,则有：Zr2K,NTT0设常数信号的周期TNKZTrNZTr22V0轮速轮加速度的计算参考车速的计算•参考车速的计算是控制软件中非常重要的一部分，只有计算出可靠的参考车速才能得到正确的滑移率。•参考车速的计算一般分为软件方法和硬件方法两类。•现在大多数的ABS产家通过软件方法利用车轮速度计算参考车速。•采用固定斜率法计算参考车速。jtvvref+逻辑门限值控制方法•轮加、减速度作为主门限，滑移率为辅门限。•不涉及具体系统的数学模型，可提高系统的实时响应，相对于执行机构来说容易实现。控制逻辑复杂，控制不够平稳。车型不同，控制参数不同，不具有互换性。•汽车在高附着系数的路面上直线行驶时，采用门限值控制方法的ABS的控制过程。低附着系数路面汽车驱动防滑控制系统防滑转控制系统（ASR）的主要功用是：在车轮开始滑转时，采取降低发动机的输出转矩或控制制动系统的制动力等方法来减小传递给驱动轮的驱动力，防止驱动力超过轮胎与路面之间的附着力而导致驱动轮滑转，提高车辆的通过性，改善车辆的方向操纵性和行驶稳定性。汽车驱动防滑控制系统，又称为防滑转控制系统ASR（Anti-SlipRegulation）或驱动力控制系统TCS（TractionControlSystem)。ＡＳＲ实现防滑控制的理论依据汽车制动时，用滑移率来描述滑移的程度；汽车起步或加速时，如果出现车轮打滑或空转，用滑转率来描述。滑转率的定义：防滑转控制系统的控制方式控制发动机输出转矩控制驱动轮制动力传动系统的传动比控制防滑转差速器的锁止程度。三者的共同点：调节驱动轮上的驱动力，并将驱动轮的滑转率控制在最佳滑转率范围内。控制发动机的输出转矩•使滑转率在最佳控制范围（5%~25%）内，纵向附着系数最大，横向附着系数较大。控制输出转矩的方法：1、控制点火时间，减小点火提前角，切断个别气缸的点火电流，可降低发动机的输出转矩。2、控制燃油喷射量，减小燃油喷射量，中断个别气缸的燃油喷射。3、控制节气门开度可以控制进入气缸的空气量，可以显著改变发动机的输出转矩，LEXUS常采用。LEXUSLS400汽油发动机节气门开度•ASR控制系统通过改变发动机辅助节气门的开度来控制发动机的输出功率。•节气门驱动装置由步进电机和传动机构组成。步进电机根据ASR控制器输出的控制脉冲转动规定的转角，通过传动机构带动辅助节气门转动。副节气门位置传感器主节气门位置传感器步进电机副节气门主节气门空气进口气缸控制驱动轮的制动力在驱动轮上施加制动力是使驱动轮保持最佳滑转率响应速度最快的控制方式。时间过长会导致舒适性变差，制动器过热。可以作为采用节气门开度来调节发动机输出转矩控制的补充措施。从而达到响应速度快，方向操纵性和制动稳定性好的目的。丰田车