汽车电子底盘控制系统ch5车辆稳定性

1、Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen课程内容n Ch1. 底盘电子系统发展概况n Ch2. 电子悬架系统n Ch3. 电控转（EHPS,EPS,AFS,SBW）n Ch4. 制动防抱死系统（ABS）n Ch5. 车辆性系统（VDC/VSC/ESP）2013/5/13Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System2Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Uni

2、v.,hui-chen学底盘电子系统(Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System)同济大学 汽车学院2013年5-6月2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System1Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chenn 影响车辆侧向运动的主要因素有哪些？n 这些影响因素会造成什么样的现象或后果？n 如何才能抑制这些影响因素所造成的后果？n 车辆性系统（ESP

3、）的作用？n 车辆性能主要有哪些评价指标？2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System4Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen车辆性系统(Vehicle Dynamics Control VDC; Vehicle Stability Control VSC; Electronic Stability Program ESP; Dynamics Stability Control - DSC)n 概述（基本概念、

4、系统分类、发展趋势）n 基本原理n 系统组成n 工作原理n 技术2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System3Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen1 概述各种动力学系统的作用时机和效果：ABS：可防止制动时车轮抱死； ASR/TCS：可防止驱动轮驱动时发生； VDC/VSC/ESP：是ABS和ASR系统的发展和集成，在各种行驶工况下利用横摆力偶矩来防止出现难以的侧滑现象，特别是大侧向度、大侧偏角的极限工况时能

5、提高车辆侧向性和行驶安全性的极限。前后轮侧偏角:a1=-(d-x)=b+awr/u-d在汽车上的作用a2=(v-bwr)/u=b-bwr/u2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System6Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen1 概述一项德国的研究表明，25造成严重的交通事故和60引起的交通事故都是因为车辆侧滑所致。侧向性能够对18%的交通事故，34%的致命交通事故产生有效的预防作用。ASR: Accelerat

6、ion Slip Regulation; TCS: Traction Control System2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System5侧向性VDC/VSC/ESP/侧向动力学Lateral Dynamics Control动力学ABS制动防抱死ASR/TCS驱动防滑纵向动力学Longitudinal Dynamics ControlChapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen1 概述ESP (Electro

7、nic Stability Program) : Bosch公司的电子性程序。VDC (Vehicle Dynamics Control) : Bosch公司的车辆动力学系统。DSC (Dynamics Stability Control) : 宝马公司的动力学系统。VSC (Vehicle Stability Control) : 丰田公司的车辆性系统 。VSA（Vehicle Stability Assist）：本田公司的汽车性辅助系统虽然各公司对其称呼各有不同，但其主要功能和原理基本相同。2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic

8、Control System8Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen1 概述VDC系统的优点除了ABS和ASR的优点之外，VDC还在以下几方面主动安全性：n 即使在临界的侧向动态状况也能提供给驾驶员一种主动的支持；n 在所有工作模式达到极限状态时也可增强车辆的和行驶能力；n 即使在转向操作中，也可增强车辆的性，使迅速减少；n 车辆的驱动能力并缩短制动距离。2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System7Chapt

9、er 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen2 基本原理n 当汽车转弯行驶时，若侧向 度较小，轮胎的侧向力与侧偏角近似成线性 ，此时车辆转弯半径与转向盘转角近似为线性 ，驾驶员可很容易的 车辆。n 当侧向 度较大时，由于轮胎的侧向力与侧偏角成非线性 ，此时若司机进一步增大转角，车辆转弯半径不再成比例减小，驾驶员将不能准确地 车辆。n 此极限情况下，若前轮先侧滑，则车辆 驶离车道(Flow/Drift-out)；若后轮先侧滑，易出现车辆急转(Spin)现象。稳态横摆角速度增益:wr/d=u/L/(1+Ku2)性

10、因素:K=m/L2(a/k2-b/k1)2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System10Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen不同车型的ESP装载率Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen2 基本原理汽车轮胎受地面力的n 汽车轮胎受地面的三个力： X方向的作用力，即纵向的制动和牵引力； Y方向的作用力，即侧偏力；

11、 Z方向的作用力，即地面垂直力。纵向力和侧偏力的椭圆侧偏力和侧偏角的2s EFZFYFXFXFYFZChapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen2 基本原理极限工况下VDC/VSC/ESP 效果前轮侧滑Æ后轮内侧制动后轮侧滑Æ前轮外侧制动2014/6/17Automotive ElectronicsCChapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen3 组成n 车辆性系统是ABS和ASR/T

12、CS系统的发展，一般由传感器、执行机构和ECU等部分组成。n 传感器：轮速、转向盘转角、纵向和侧向度、横摆角速度、制动传感器等。n 执行机构：给车轮施加制动的执行机构（ABS）和用于驱动力的节气门执行机构（ASR）。n ECU：车辆程序。n 与ABS、ASR相比，性系统主要增加了转向盘转角、纵向和侧向度、横摆角速度、制动等传感器。2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System14Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-ch

13、en2 基本原理n VDC/VSC/ESP是通过对车轮上的纵向力（驱动力和制动力）进行调节以提供车辆的横摆力矩，来减小或消除车辆行驶方向的偏差，在保证驾驶员希望的行驶轨迹的同时，保证车辆的行驶性。n VDC/VSC/ESP的被量(controlled signals)或输出量(measurement)为汽车的横摆角速度和质心侧偏角，控制量(control signal)为左右纵向力差产生的横摆力矩。2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System13Chapter 5Hui CHEN, School of Auto

14、motive Studies, Tongji Univ.,hui-chen3 组成 调节单元+电子横摆角速度+2轴 单元度的传感器，具有CAN通信功能Bosch ESP2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System16轮速传感器转向盘转角传感器Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen3 组成大众公司的车辆稳定性系统实例2014/6/1715Chapter 5Hui CHEN, School of Automotiv

15、e Studies, Tongji Univ.,hui-chen3 组成转向盘转角传感器2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System18Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen3 组成3.1 传感器n 转向盘转角传感器2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System17Chapter 5Hui CHEN, School of Auto

16、motive Studies, Tongji Univ.,hui-chen3.1 传感器n 侧向度传感器电容式传感器：由两个电容器串联一起，当没有侧向度时，中间电容器片与两边电容器片之间距离相同，两个电容器电容一样。当有侧向 度时，就会使电容器片之间距离发生变化，两个电容器电容不等，根据电容差就可计算出位移量，从而计算出侧向 度大小。MEMS (Micro Electromechanical System，微电子机械系统)集微型传感器、执行器、信号处理和2 能化、多功能、高集成度和适于大批量生产等特点。Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studie

17、s, Tongji Univ.,hui-chen3.1 传感器n 侧向度传感器主要有两种，一种是传感器，另一种是电容式。传感器：磁铁通过一个弹与减振底版相连。当汽车有侧向度时，磁铁在惯性力作用下来回摆动， 与元件产生相对位移。侧向度越大，相对位移越大，元件上产生的电动势越高。2014/6/1719Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen3.1 传感器n 横摆角速度传感器振动壳角速度传感器：基本部件是一个小的金属空心圆柱体， 上有4对8个压电元件，其中4个用于激振，使圆柱体处于谐振状态，4个用来测

18、量圆柱体节点的移动。当无横摆角速度时， 圆柱体无扭矩作用，4个测量片输出为0；当有横摆角速度时， 振动波节发生变化，4个测量片根据振动测量角速度。2014/6/122Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen3.1 传感器n 横摆角速度传感器主要有两种，一种是基于石英技术的线性振动系统，如压电调谐叉；另一种是振动壳角速度传感器。压电调谐叉：有4个压电元件，下端用于驱动，上端用于测量。当汽车转弯行驶时，科氏 度产生的力使叉子末端的挠度超出其摆动平面，使得安装在叉子上端的压电元件产生振动，从而测得角速

19、度。2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System21Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen3.2 执行机构n 制动执行机构：VSC较ABS增加了加压系统的油路、 电磁阀和传感器，还提升了泵与电机的能力。VSC具有的主动加压功能还可用于制动辅助(Break Assist)、 碰撞缓解制动(Pre-crash Break)、ACC等需要和停车的功能中 。鉴于降低噪声的要求，多采用脉动小的齿轮泵。n 节气门位置调节器

20、：根据ECU 指令，气门位置。主要有ASR模式和VSC模式。2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System24Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen3.1 传感器n 制动传感器安装在制动执行机构的主缸输入端，用于检测驾驶员的制动意图。采用桥式连接的应变片与增幅电路集成在一块上， 输出与成比例的电压。2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control

21、System23Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen3.3 ECUn ECU：逻辑、算法和程序。2014/6/17Automotive ElectronChapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen3.2 执行机构n 制动执行机构：2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System25Chapter 5Hui CHEN,

22、School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen4 工作原理n 实际工作流程：首先要确定驾驶员的输入，在物理极限的驱动状态下，车辆应表现如何（名义表现），以及实际上它表现如何（实际表现）。为了尽量减小名义和实际之间的差别（偏差），系统借助于执行器对轮胎纵向力进行。2014/6/17Automotive ElSystem28VDC/VSC/ESP的工作流程Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen4 工作原理n 工作原理：由于车辆的行驶状态主要由

23、行驶车速、侧向度和横摆角速度来反映，因此车辆性系统的ECU能根据转向盘转角和制动主缸等信号判定驾驶员的驾驶意图， 计算出理想的车辆运行状态参数，通过与各传感器测得的 车辆实际状态比较，根据逻辑计算出期望的横摆力矩， 然后通过制动系统对各车轮施加制动力，以实现所需 横摆力矩。同时，可根据需要调整发输出转矩，以改 变驱动力，调节车辆运行状态。2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System27Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tong5技术5.1方式方式主

24、要有：制动力和发。n 制动力：根据各车轮制动时车辆横摆力矩的变化特性（随制动力的增加，其产生的横摆力矩有的迅 ，有的很快变负值，有的先负又增大）， 对四个车轮的制动力进行优化分配，从而调整车辆运行状态。当车辆具有过度转向趋势时，为了对车辆施加向外侧的横摆力矩， 主要对回旋外侧前轮施加制动力，以调整车辆的过度转向趋势；当车辆具有不足转向趋势时，为了对车辆施加向内侧的横摆力矩， 主要对回旋内侧后轮施加制动力，以调整车辆的不足转向趋势；2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System30Chapter 5Hui CHEN

25、, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen4 工作原理n 车辆性系统在整车的布置：201429Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen5技术5.2效果n 下面以丰田公司的VSC系统为例说明。2014/632Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen5技术5.1方式n 发：发 就是根据与车辆 性要求相应的车轮驱动力来计算所需的发 输出转矩

26、，将此指令传给发 ECU，使发 输出转矩调整至所需值。在车辆严重不足转向情况下高速行驶时，仅用制动力 已超出其极限，此时必须通过降低发 的输出转矩来使车辆 。该 对前轮驱动车辆效果更好。在车辆严重过度转向情况下高速行驶，也因车速太快，仅用制动力不足以 ，因此必须通过降低发 输出转矩来使其 。该方式适合于后轮驱动车辆。2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System31Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji5技术5.2效果减小转弯半径图6-16是前轮转角为阶跃输入时，当车辆受到向外侧