汽车的转向与制动控制

汽车的转向与制动控制主讲人：安树科4.1汽车转向系统概述4.1.1转向系统的作用与相关要求用来改变或保持汽车行驶或倒退方向的一系列装置称为汽车转向系统（AutomobileSteeringSystem，图6-1）。为确保行车安全，对转向系统有如下要求：①转向系统应工作可靠，操纵轻便。②对轻微的路面冲击，转向系统应有自动回正能力。③转向机构应能减小地面传到方向盘上的冲击，并保持适当的“路感”。④当汽车发生碰撞时，转向装置应能减轻或避免对驾驶员的伤害。6.1.2转向系统的分类汽车转向系统可按转向的能源不同分为机械转向系统（Mechanicalsteeringsystem）和动力转向系统（Powersteeringsystem）两类。其中电控动力转向系统可以在低速时减轻转向操作力，以提高转向系统的操纵轻便性；在高速时则可适当加重转向力，以提高操纵稳定性。四轮转向系统的应用，在提高汽车转向操纵稳定性的同时，能显著缩短转弯半径，提高车辆的弯道通过性能。4.2机械转向系统1）机械转向系统机械转向系统所需转向操纵力完全由驾驶员提供，转向器作为一种增力装置，对驾驶员的操纵力按一定比例进行放大，以获得足够大的力矩使转向轮偏转。转向轮的高灵敏性，要求转向器具有较小的传动比；而好的操纵轻便性则要求转向器具有较大的传动比。但是由于转向器的传动比是固定的，所以这两个要求是矛盾的。传统机械转向系统的设计，主要是通过选择最佳转向器速比曲线等措施来协调这一矛盾的。2）动力转向系统对于重型汽车和车速较高的轿车，机械转向系统很难满足转向的灵敏性和操作的轻便性两方面的要求。因此，对于轴荷重的中、重型车和广泛应用低压轮胎的轿车，为了转向操纵轻便和提高高速行驶的安全性，已较为广泛的使用动力转向系统。动力转向系统是在传统机械转向系统的基础上假设一套转向加力装置而形成的，驾驶员能轻松地控制转向。按传力介质的不同，动力转向系统可以分为液压动力转向、气压动力转向、电动式动力转向三大类。按控制的方式不同，动力转向系统可分为机械控制式和电控式两种。电控式根据动力源不同又分为电控液压式动力转向系统（EHPS）和电控式动力转向系统（EPS）4.3汽车电控动力转向系统4.3.1动力转向系统1.液压式动力转向系统的组成为使汽车操纵轻便及行驶安全，目前轿车、载重汽车、客车大多采用液压转向助力器，构成液压式动力转向系统（Hydraulicpowersteeringsystem，略作HPS）。液压式动力转向系统结构示意图4.3.2电控动力转向系统1.电控动力转向系统的组成电子控制动力转向（ElectronicControlPowerSteering，EPS）系统在低速行驶时可使转向轻便、灵活；当汽车在中高速区域转向时，又能保证提供最优的动力放大倍率和稳定的转向手感，从而提高了高速行驶的操纵稳定性。图6-5电控动力转向系统2.电控动力转向系统的分类根据动力源的不同，电子控制动力转向系统可分为液压式电子控制动力转向系统（液压式EPS）和电动式电子控制动力转向系统（电动式EPS）。液压式EPS在传统的液压动力转向系统的基础上增设了控制液体流量的电磁阀、车速传感器和ECU等，ECU根据检测到的车速信号，控制电磁阀，使转向动力放大倍率实现连续可调，从而满足汽车在中、低速时的转向助力要求。电动式EPS是利用直流电动机作为动力源，ECU根据转向参数和车速等信号，控制电动机转矩的大小和方向。电动机的转矩由电磁离合器通过减速机构减速增加转矩后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向作用力。3.电控动力转向系统的特点为满足现代汽车对转向系统的要求，电控动力转向系统具有以下特点。①良好的随动性：即方向盘与转向轮之间具有准确的——对应关系，同时能保证转向轮可维持在任意转向角位置。②有高度的转向灵敏度：即转向轮对方向盘具有灵敏的响应。③良好的稳定性：即具有很好的直线行驶稳定性和转向自动回正能力。④助力效果能随车速变化和转向阻力的变化作相应的调整：低速时，有较大的助力效果，以克服路面的转向阻力；中、高速时，要有适当的路感，以避免因转向过轻（方向盘“发飘”）而发生事故。4.4电动式电控动力转向系统4.4.1电动式电控动力转向系统概述1.电动式EPS的组成图6-10电动式EPS的组成1-方向盘；2-输入轴（转向轴）；3-ECU；4-电动机；5-电磁离合器；6-转向齿条；7-横拉杆；8-转向车轮；9-输出轴；10-扭力杆；11-转矩传感器；12-转向齿轮4.5电控四轮转向系统4.5.1电控四轮转向系统概述目前，绝大多数汽车都是以两个前轮作为转向车轮，这样的转向系统称为两轮转向系统（Two-wheelsteering，略作2WS）。为了使汽车具有更好的弯道通过性和操纵稳定性，一些汽车在后桥上也安装了转向系统，前后左右四个车轮均为转向车轮，这样的转向系统称为四轮转向系统（Four-wheelsteering或all-wheelsteering，略作4WS）。汽车采用四轮转向（4WS）系统的目的是：在汽车低速行驶时，依靠逆向转向（前、后车轮的转角方向相反）获得较小的转向半径，改善汽车的操纵性；在汽车以中、高速行驶时，依靠同向转向（前、后车轮的转角方向相同）减小汽车的横摆运动，使汽车可以高速变换行进路线，提高转向时的操纵稳定性。4WS转向系统的一般布置形式1-车速传感器；2-方向盘转角传感器；3-车轮转速传感器；4-后轮转向执行机构；5-后轮转角传感器（a）2WS车（b）4WS车低速转向时的行驶轨迹（a）2WS车（b）4WS车中、高速转向时的操纵性比较4.5.2转向角比例控制式4WS系统所谓转向角比例控制，是指使后轮的偏转方向在低速区与前轮的偏转方向相反，在高速区与前轮的偏转方向相同，并同时根据方向盘转向角度和车速情况控制后轮与前轮偏转角度比例。转向角比例控制式四轮转向系统的构成偏置轴与转向枢轴的工作原理2.系统的主要控制功能1）转向控制方式的选择当通过2WS选择开关选择2WS方式时，ECU控制4WS转换器使后轮在任何车速下的转向角为零，这是为习惯于前轮转向的驾驶人设置的；在4WS方式下，驾驶员还可根据驾驶习惯和行驶情况通过4WS转换开关进行NORM工况与SPORT工况的变换，对后轮转向角比例控制特性进行选择。2）转向角比例控制当选定4WS方式时，ECU根据车速信号和转向角比例传感器信号，计算车速与转向角的实际数值，控制4WS转换器电动机调节后轮转向角控制比例。3）安全保障功能当转向控制系统发生故障时，4WS故障警告灯将点亮，并在ECU中记忆故障部位，同时，后备系统实施以下控制。①当4WS转换器主电动机发生故障时，ECU驱动辅助电动机工作，使后轮以NORM模式与前轮作同向转向运动，并根据车速进行转向角比例控制。②当车速传感器发生故障时，ECU取SP1和SP2两个车速传感器中输出车速信号高的为依据，控制4WS转换器主电动机仅进行同向转向的转向角比例控制。③当转向角比例传感器发生故障时，ECU驱动4WS转换器辅助电动机使后轮处于与前轮同向转向最大值，并终止转向角比例控制。如果辅助电动机发生故障，则通过驱动主电动机完成这一控制。④当ECU出现异常时，4WS辅助电动机驱动后轮至与前轮同向转向最大值位置，以避免后轮处于反向运动状态，并终止转向角比例控制。当后轮处于与前轮同向转向状态时，后轮的最大转向角很小，且有利于确保高速转向时的方向稳定性。4.5.3横摆角速度比例控制式4WS系统横摆角速度比例控制是一种能根据检测出的车身横摆角速度来控制后轮转向量的控制方法。它与转向角比例控制相比，具有两方面优点：一是它可以使汽车的车身方向从转向初期开始就与其行进方向保持高度一致；二是它可以通过检测车身横摆角速度感知车身的自转运动。因此，即使有外力（如横向风等）引起车身自转，也能马上感知到，并可迅速通过对后轮的转向控制来抑制自转运动。1.系统组成横摆角速度比例控制式4WS系统的组成如6-25所示。1）前轮转向机构图6-26前轮转向机构1-方向盘；2-齿轮齿条副；3-液压油缸；4-齿条端部；5-控制齿条；6-前带轮；7-转角传动拉索；8-弹簧；9-带轮传动组件2）后轮转向机构图6-27后轮转向机构1-后带轮；2-凸轮推杆；3-衬套；4-滑阀；5-主动齿轮；6-脉动电动机；7-从动齿轮；8-阀控制杆；9-液压缸右室；l0、12-功率活塞；11-液压缸轴；13-液压缸左室；14-弹簧；15-阀套筒；16-控制凸轮2.控制原理1）后轮转角控制方向盘转角与后轮转角的关系如图6-28所示。图6-28中的后轮转角特性是由机械转向与电动转向特性合成后得到的。图6-28方向盘转角与后轮转角之间的关系①大转角控制（机械式转向）。图6-29大转角控制原理1-前带轮；2-滑阀；3-支点A；4-阀控制杆；5-液压缸轴；6-功率活塞；7-阀套筒；8-控制凸轮②小转角控制（电控转向）。（a）阀控制杆的运动（b）整体的运动图6-30小转角控制原理1-阀套筒；2-滑阀；3-支点A；4-从动齿轮；5-阀控制杆二、汽车的制动控制汽车的制动分为行车制动、驻车制动和应急制动。本节主要介绍现代汽车的行车制动控制。1.汽车的制动性能及其评价指标汽车的制动性能是指汽车以一定速度行驶时，能在规定的距离内停车并维持稳定的行驶方向，以及在长下坡过程中能持续维持一定车速和驻留原地的能力。制动性能是汽车的重要使用性能和安全性能，以下从三个方面对其进行评价。（1）制动效能，及以一定初速度制动时获得的制动距离或制动减速度。（2）制动效能的恒定性，即抗衰退性，包括长时间制动抗热衰退性和涉水后抗水衰退性。（3）制动时汽车的方向稳定性，即抗跑偏、抗侧滑和保持转向能力的稳定性。一般通过改进制动系结构、选取恰当的摩擦材料，可提高制动效能及其恒定性，制动方向稳定主要通过前后轴制动力的变分配来改善。2、汽车的制动原理3、汽车制动系统的组成及分类4汽车防抱死制动系统在车辆制动时如果车轮抱死滑移，则车轮与路面间的侧向附着能力将完全丧失。防抱死制动系统（Anti-1ockBrakingSystem，ABS）的设计目的，就是在汽车制动过程中，不论道路情况如何，始终将车轮滑移率控制在20％左右，从而保证车辆能获得最佳的制动性能和转向操纵性能。4.1防抱死制动系统的功能和分类（1）汽车制动时的车轮运动分析汽车在制动过程中，当制动器制动力大于轮胎-道路附着力时，车轮就会抱死滑移。只有汽车具有足够的制动器制动力，同时地面又能提供较大的附着力时，汽车才能获得良好的制动效果。轮胎滑移的程度用滑移率S来表示。车轮滑移率是指实际车速v与车轮速度vw之差同实际车速v的比值，其表达式为S=%1001%1001%100wwvrvvvvv式中，S为车轮滑移率；v为车速(车轮中心纵向速度，m/s)；vw为车轮速度(车轮瞬时圆周速度，vw=rw，m/s)；r为车轮半径(m)；w为车轮转动角速度(rad/s)。当v=vw时，滑移率S=0，车轮自由滚动；当vw=0时，滑移率S=100%，车轮完全抱死滑移；当v＞vw时，滑移率0＜S＜100%，车轮既滚动又滑移。滑移率越大，车轮滑移程度越大。图4-1附着系数与滑移率的关系(虚线与实线标注的上下顺序一一对应)φB—纵向附着系数；φS—横向附着系数；S—滑移率横向附着系数是研究汽车行驶稳定性的重要指标之一。横向附着系数越大，汽车制动时的方向稳定性和保持转向控制的能力越强。当滑移率为零时，横向附着系数最大；随着滑移率的增加，横向附着系数逐渐减小。当车轮抱死时，横向附着系数接近于零，汽车将失去方向稳定性和转向控制能力，其危害极大。如果前轮抱死，虽然汽车能沿直线向前行驶，但是失去转向控制能力。由于前轮维持转弯运动能力的横向附着力丧失，因此，汽车仍将按原行驶方向滑行，可能冲入其他车道与车辆相撞或冲出路面与障碍物相撞而发生恶性交通事故。（a）前轮防滑控制（b）后轮防滑控制有无ABS的比较（蓝车无ABS，灰车有ABS）如果后轮抱死，汽车的制动稳定性就会变差，