第3章-汽车行驶稳定性控制系统(汽车电子控制技术)

汽车电子控制技术汽车类专业应用型本科示范教材机械工业出版社出版主编于京诺第3章汽车行驶稳定性控制系统•学习目标•·了解ABS、ASR的基础理论。•·了解ABS、ASR的组成和分类。•·掌握ABS的结构和工作原理。•·掌握ASR的结构和工作原理。•·了解ESP的功能。•·掌握ESP的结构和工作原理。3.1防抱死制动系统（ABS3.1.1概述1．ABS的基础理论第3章汽车行驶稳定性控制系统（1）汽车制动时的附着条件地面制动力只能小于或等于附着力：（3-1）附着力正比于地面对车轮的法向反作用力FZ以及车轮与地面之间的附着系数，即(3-2)在地面对车轮的法向反作用力FZ一定的情况下，附着力的大小取决于附着系数。附着系数的大小与路面和轮胎的性质有关，还与车轮的滑移率有关。FFXZFF（2）车轮滑移率车轮滑移率就是表示制动过程中车轮滑移程度的。滑移率是指车速与车轮速度的差值与车速之比。滑移率s的表达式为：（3-3）式中v-车速（m/s）v-车轮速度（m/s）r-车轮半径（m）-车轮转动角速度（rad/s）车轮在路面上纯滚动时，v=v，s=0；车轮完全抱死时（即在路面上纯滑移），=0，车轮滑移率s=100%；车轮在路面上边滚动边滑移时，v＞v，车轮滑移率0＜s＜100%。车轮滑移率越大，说明车轮运动中滑动成分所占比例越大。汽车制动时，在路面附着系数以及作用于车轮上的垂直载荷一定的情况下，车轮制动器的制动力矩越大，车轮的滑移率将越大。%100%100vrvvvvs（3）附着系数与滑移率的关系车轮与地面之间的附着系数会随着车轮滑移率的变化而变化，干燥硬实路面附着系数与滑移率的关系如图3-1所示。开始时随着滑移率的增大，纵向附着系数迅速增大，当滑移率达到约20%时，纵向附着系数达到最大值。当滑移率达到100%，即车轮完全被抱死滑移时，其附着系数称为滑动附着系数。当滑移率为0时，横向附着系数最大，随着滑移率的增大，横向附着系数逐渐减小，当滑移率达到100%时，横向附着系数接近于零。图3-1干燥硬实路面附着系数与滑移率的关系（4）汽车采用ABS的必要性由附着系数与滑移率之间的关系可知，汽车制动时如果车轮完全抱死，就纵向附着系数而言，其滑动附着系数低于峰值附着系数，这将使车轮完全抱死时的制动距离比具有峰值附着系数时的制动距离变长；就横向附着系数而言，由于在车轮抱死时的横向附着系数接近于零，汽车几乎失去了横向附着能力，因此使汽车的方向稳定性变差，一旦汽车遇到横向干扰力的作用，就可能产生侧滑、甩尾甚至回转等情况。另外，一旦转向车轮抱死，汽车不会按照转向轮偏转的方向行驶，而是沿汽车行驶惯性力的方向向前滑动，从而使汽车失去转向控制能力。综上所述，汽车制动时车轮抱死会使制动距离变长，方向稳定性变差，失去转向控制能力，因此制动时应避免车轮抱死。汽车上采用ABS的目的就是避免制动时车轮抱死，将滑移率控制在10%～30%，在此范围内既有最大的纵向附着系数，使制动距离最短，又有较大的横向附着系数，以获得较好的横向稳定性和转向控制能力。2．ABS的组成和工作过程图3-2典型ABS的组成1-轮速传感器2-右前制动器3-制动主缸4-制动液罐5-真空助力器6-电子控制单元7-右后制动器8-左后制动器9-ABS警告灯10-制动压力调节器11-左前制动器工作过程:装有ABS的汽车并非只要制动ABS就起作用，当制动强度较低时，ABS不起作用，只有当制动强度达到一定程度ABS才起作用。汽车行驶时，轮速传感器会将每一个车轮的转速信号送至ECU，汽车制动时，ECU通过监测每一个车轮的轮速信号判断车轮的运动状态，如果制动强度比较低，ECU监测到的车轮滑移率较小，ABS不起作用，此时的制动就是常规制动。随着制动踏板的继续踏下，制动强度增大，如果ECU监测到某一车轮滑移率增大到一定程度，ECU将发出指令，控制制动压力调节器，使该车轮的制动压力降低或保持不变，防止该车轮滑移率的进一步增大，防止车轮抱死，将车轮滑移率控制在10%～30%的理想范围。3．ABS的分类（1）按总体结构布置分类ABS按总体结构布置分类可以分为整体式和分开式两类。整体式ABS是指ABS的制动压力调节器与制动主缸构成一个整体，这种结构紧凑、管路接头少，但结构复杂，成本较高，一般用于高级轿车。分开式ABS是指ABS的制动压力调节器与制动主缸分开布置，通过制动管路连接。分开式制动压力调节器在车上布置灵活，成本较低，但制动管路接头较多。目前大多数汽车采用分开式ABS。（2）按控制通道和传感器数目分类所谓控制通道是指在ABS系统中能够独立进行制动压力调节的制动管路。按照控制通道数目分，ABS可以分为四通道式、三通道式、二通道式和一通道式。1）四通道式。四通道式ABS又可分为以下两种形式：①前后管路布置四通道式由于四通道ABS可以单独对每一个车轮进行制动压力控制，因此附着系数利用率高，使制动距离最短。四通道ABS的缺点是在某些情况下左右两侧制动力不平衡,影响汽车制动时的行驶稳定性。1-制动压力调节器2-轮速传感器②X管路布置四通道式a)前后管路布置b)X管路布置图3-3四通道ABS2）三通道式。三通道式ABS又可分为以下3种形式：①四传感器、前后管路布置、前轮独立控制、后轮低选控制三通道式前轮独立控制的好处是由于轿车前轴的垂直载荷较大，再加上制动时的载荷转移，使前轮的制动力占汽车总制动力的比例较大（可达70%），前轮独立控制有利于充分利用两前轮的附着系数，缩短制动距离。然而前轮独立控制可能导致制动过程中两前轮的制动力不相等，但由于两前轮制动力不平衡对汽车行驶时方向稳定性的影响相对较较小，可以通过驾驶员的转向操纵对此造成的影响进行修正。后轮低选控制是指在制动过程中，ECU监测到两个后轮中的任何一个首先趋于抱死，就同时对两个后轮的制动压力进行控制，这就是所谓的后轮低选原则。后轮低选原则可以保证汽车在各种条件下两侧后轮的制动力相等，保证了汽车在各种条件下制动时都具有良好的方向稳定性。后轮低选原则的缺点是附着条件较好一侧车轮的附着系数不能充分利用，与四通道、四轮独立控制的ABS系统相比，制动距离稍长。②三传感器、前后管路布置、前轮独立控制、后轮低选控制三通道式这种形式与前一种的区别仅在于省去了一个轮速传感器，两个后轮共用一个安装在后桥主减速器上或者变速器输出轴上的轮速传感器。③四传感器、X管路布置、前轮独立控制、后轮低选控制三通道式这种形式虽然两后轮的车轮制动器分别与两条制动管路连接，管路彼此独立，并且在每一条制动管路都有一路制动压力调节电磁阀，但制动过程中ECU是按照低选原则对两侧后轮的制动压力同时进行控制，相当于两后轮制动器为一个通道。a)四传感器、前后管路布置、前轮独立控制、后轮低选控制b)三传感器、前后管路布置、前轮独立控制、后轮低选控制c）四传感器、X管路布置、前轮独立控制、后轮低选控制图3-4三通道ABS3）二通道式。二通道式ABS根据传感器数量、制动管路布置形式的不同，又可分为4种形式（见图3-5）。二通道式ABS结构简单，成本低廉，但在制动时的方向稳定性、转向控制能力和制动效能等方面难以得到兼顾，因此很少采用。a)三传感器、前后管路布置二通道式、b)四传感器、前后管路布置二通道式c）二传感器、前后管路布置二通道式d）二传感器、X管路布置二通道式图3-5二通道ABS4）一通道式。一通道ABS在后轮制动管路中设置一个制动压力调节器调节两后轮的制动压力，在后桥主减速器上安装一个轮速传感器，或者在两个后轮上各安装一个轮速传感器。一通道ABS通常都是按照低选原则对两后轮进行控制，这样使得附着条件较好的一侧后轮的附着系数不能得到充分利用，缩短制动距离的效果并不明显，但可以提高汽车制动时的方向稳定性。图3-6一通道ABS4．ABS的控制技术（1）ABS的控制方式ABS有多种控制方式，其目的都是根据轮速、减速度、车速等信号，判断制动时车轮的运动状态，并通过调节车轮制动器轮缸的制动压力，将车轮滑移率控制在10%～30%的范围内，从而获得最佳制动性能。目前ABS的控制方式有车轮滑移率控制方式、逻辑门限值控制方式、最优化控制方式、滑模动态变结构控制方式和模糊控制方式等。其中车轮滑移率控制方式和模糊控制方式需要使用成本较高的多普勒雷达检测车速，因此采用较少。在剩下的3种控制方式中，逻辑门限值控制方式由于实时响应好，执行机构比较容易实现而应用广泛。（2）ABS的控制过程•在制动初始阶段，车轮制动轮缸的制动压力随制动踏板力的增大而增大，车轮速度vW下降，减速度增大，如图3-7中第1阶段曲线所示。由于制动力较小，ABS未起作用，此阶段为常规制动。•当减速度增加到设定门限值-a时，ABSECU发出指令，使相应的电磁阀转换到“保持压力”状态，控制过程进入第2阶段，保压阶段。取此时的车轮速度为初始参考车速，然后按照给定的斜率计算并确定参考车速vref，由参考车速可以计算出任意时刻的车轮滑移率，称为参考滑移率。•将参考滑移率与设定的滑移率门限值S1进行比较，如果参考滑移率小于滑移率门限值，表明车轮还工作在附着系数与滑移率关系曲线（参见图3-1）的稳定区，则继续维持“保压”状态，以充分利用路面附着系数。当参考滑移率大于滑移率门限值时，说明车轮已工作在附着系数与滑移率关系曲线的不稳定区，ABSECU发出指令，使相应的电磁阀转换到“减压”状态，控制过程进入第3阶段，减压阶段。V-车速Vref-参考车速S1-滑移率门限值VW-车轮速度+A、+a-车轮加速度门限值-a-车轮减速度门限值（2）ABS的控制过程①在制动初始阶段，车轮制动轮缸的制动压力随制动踏板力的增大而增大，车轮速度vW下降，减速度增大，如图3-7中第1阶段曲线所示。由于制动力较小，ABS未起作用，此阶段为常规制动。图3-7高附着系数路面ABS的控制过程V-车速Vref-参考车速S1-滑移率门限值VW-车轮速度+A、+a-车轮加速度门限值-a-车轮减速度门限值图3-7高附着系数路面ABS的控制过程②当减速度增加到设定门限值-a时，ABSECU发出指令，使相应的电磁阀转换到“保持压力”状态，控制过程进入第2阶段，保压阶段。取此时的车轮速度为初始参考车速，然后按照给定的斜率计算并确定参考车速vref，由参考车速可以计算出任意时刻的车轮滑移率，称为参考滑移率。V-车速Vref-参考车速S1-滑移率门限值VW-车轮速度+A、+a-车轮加速度门限值-a-车轮减速度门限值图3-7高附着系数路面ABS的控制过程③将参考滑移率与设定的滑移率门限值S1进行比较，如果参考滑移率小于滑移率门限值，表明车轮还工作在附着系数与滑移率关系曲线（参见图3-1）的稳定区，则继续维持“保压”状态，以充分利用路面附着系数。当参考滑移率大于滑移率门限值时，说明车轮已工作在附着系数与滑移率关系曲线的不稳定区，ABSECU发出指令，使相应的电磁阀转换到“减压”状态，控制过程进入第3阶段，减压阶段。V-车速Vref-参考车速S1-滑移率门限值VW-车轮速度+A、+a-车轮加速度门限值-a-车轮减速度门限值图3-7高附着系数路面ABS的控制过程④减压后车轮制动力下降，在汽车惯性力作用下车轮减速度开始向正值方向变化，当车轮减速度的绝对值小于车轮减速度门限值-a的绝对值时，ABSECU使相应的电磁阀再次转换到“保压”状态，控制过程进入第4阶段。V-车速Vref-参考车速S1-滑移率门限值VW-车轮速度+A、+a-车轮加速度门限值-a-车轮减速度门限值图3-7高附着系数路面ABS的控制过程⑤进入第4阶段后，由于汽车惯性力的作用，车轮减速度的绝对值越来越小而变为正值（加速度），如果车轮加速度未能超过第一个加速度控制门限值+a，则判定路面情况为低附着系数，此时按照低附着系数路面的控制过程进行控制；如果车轮加速度超过第一个加速度控制门限值+a，则继续“保压”；如果车轮加速度超过第二个加速度控制门限值+A时，ABSECU使制动压力控制进入第5个阶段，“增压”阶段。V-车速Vref-参考车速S1-滑移率门限值VW-车轮速度+A、