6汽车系统动力学-纵向动力学控制系统

主讲：胡爱军汽车系统动力学1第六章纵向动力学控制系统6.1防抱死制动控制系统(Anti-lockBrakingSystem，ABS)6.2驱动力控制系统(TractioncontrolSystem，TCS)6.3车辆稳定性控制系统(ElectronicStabilityProgram，ESP)2

控制目标6.1防抱死制动控制系统——由于前轮抱死，车辆失去转向能力；而后轮抱死属于不稳定工况，易引起车辆急速摔尾的危险。——制动力通常在滑移率为某一特定值附近达到最大值，因而将该滑移率值认为是最佳滑移率，并作为ABS的控制目标。——由于车轮的滑移率不易直接测得，因此必须采用其他参数作为ABS的控制目标参数。ABS控制目标■车轮的角减速度■相对滑移率3第1阶段，驾驶员的作用，制动器管路压力增加。（增压）

控制过程6.1防抱死制动控制系统第2阶段，车轮角加速度达到或小于某一门限值(-a)，附着力接近最大，制动压力保持在当前值不变。（保压）第3阶段，车轮转速小于滑移率门限值对应的值时，减小制动压力。（减压）第4阶段，车轮角加速度再次达到门限值(-a)时，重新进入保压状态。（保压）第5阶段，车轮惯性作用进一步加速转动，若车轮角加速度越过门限值(+A)，再次升高制动压力。（增压）第6阶段，保持制动压力使车轮角加速度在(+A)~(-a)

，然后慢慢升压，直至车轮角加速度再次达到门限值（-a）。46.1防抱死制动控制系统

控制过程5ABS系统原理6ABS系统7■单轮控制

控制策略6.1防抱死制动控制系统—

每个车轮都有一套传感器和制动管路实现各个车轮的独立控制，可获得最大的制动强度；—

在左右车轮附着系数不一样的路面上，车辆会产生很大的横摆力矩，使车辆运动不稳定。■低选控制—

对同一车轴两侧车轮同时施加制动压力控制，大小由附着系数低的那侧车轮来决定；—

不能充分发挥行驶于高附着系数路面上的那侧车轮的附着能力，却能获得较大的转弯侧向力；—

车辆不会产生横摆，稳定性较好，一般适用于后轴车轮的制动控制。8

控制策略6.1防抱死制动控制系统■高选控制—

由高附着系数的那侧车轮来决定车辆两侧车轮的制动压力，可获得更高的制动强度；—

低附着路面的那个车轮可能会抱死，导致车辆失去转向能力，还可能产生横摆力矩；—

能获得更高的制动强度，适合前轴车轮的制动控制。96.1防抱死制动控制系统ABS控制策略的不同组合形式及特点106.1防抱死制动控制系统ABS控制策略的不同组合形式及特点11

ABS的控制方式1）四通道控制方式

为了对四个车轮的制动压力进行独立控制，在每个车轮上各安装一个转速传感器，并在通往各制动轮缸的制动管路中各设置一个制动压力调节分装置（通道）。

对应于双制动管路的H型（前后）或X型（对角）两种布置形式，四通道ABS也有两种布置形式，如图所示。使用四通道控制方式的常见车型有：奥迪（前轮驱动）、红旗轿车、广州本田（X型）。（a）前后布置（b）对角线布置

四通道控制方式6.1防抱死制动控制系统122）三通道控制方式

四轮ABS大多为三通道系统，而三通道系统都是对两前轮的制动压力进行单独控制，对两后轮的制动压力按低选原则一同控制。使用三通道控制方式的常见车型有：桑塔纳2000GSi、北京切诺基等。

三通道控制方式（a）四传感器对角线布置（b）四传感器前后布置（c）三传感器前后布置6.1防抱死制动控制系统133）双通道控制方式（a）前后布置（b）对角线布置图4-7双通道控制方式

由于双通道ABS难以在方向稳定性、转向操纵能力和制动距离等方面得到兼顾，所以目前很少被采用。4）单通道控制方式单通道ABS一般对两后轮按低选原则一同控制，其主要作用是提高汽车制动时的方向稳定性。单通道ABS具有结构简单、成本低的优点，因此在轻型货车上得到广泛应用。单通道控制方式6.1防抱死制动控制系统14

防抱死制动系统的组成典型的汽车ABS系统组成1-前轮转速传感器；2-制动压力调节器；3-ABS电控单元；4-ABS警告灯；5-后轮转速传感器；6-制动灯开关；7-制动主缸；8-比例分配阀；9-制动轮缸；10-蓄电池；11-点火开关6.1防抱死制动控制系统151.车轮转速传感器1）电磁式车轮转速传感器

目前大多数车轮转速传感器都采用电磁式转速传感器。车轮转速传感器由电磁感应传感头和信号转子两部分组成。

电磁式车轮转速传感器6.1防抱死制动控制系统16

电磁感应传感头用来产生感应电压，通常由永久磁铁、电磁线圈和极轴等构成，根据极轴的结构不同，又可分为凿式极轴传感头、柱式极轴传感头两种，如图所示。（a）凿式极轴传感头（b）柱式极轴传感头图

电磁式车轮转速传感器结构图1—电缆；2—永久磁铁；3—外壳；4—感应线圈；5—极轴；6—信号转子（齿圈）6.1防抱死制动控制系统17

车轮转速传感器的传感头一般安装在车轮附近上，如制动底板、转向节、半轴套管等处（图）。信号转子是一个齿圈，齿数多少与车型、ABSECU有关，一般安装在随车轮一起转动的部件上，如轮毂、半轴、制动盘等处。（a）前轮（b）后轮图

车轮转速传感器的安装位置1-制动盘；2、5-传感器；3-齿圈；4—传感器安装支架6.1防抱死制动控制系统18

车轮转速传感器产生的信号如图4-13所示。当车轮转速较高时，感应电压的频率和波幅均较大；反之，感应电压的频率和波幅均较小。图

电磁式车轮转速传感器输出的电压信号电磁式车轮转速传感器结构简单，成本低，但存在以下缺点：当车速很低时，传感器输出的电压信号较弱；传感器频率响应较低，当车速过高时，传感器的频率响应跟不上，容易产生错误信号；传感器的抗电磁干扰能力较差。6.1防抱死制动控制系统192）霍尔式车轮转速传感器霍尔式车轮转速传感器根据霍尔效应原理产生与车轮转速相对应的电压脉冲信号。霍尔车轮转速传感器也是由传感头和齿圈组成。传感头由永久磁体、霍尔元件和电子电路等组成，如图所示。（a）霍尔元件磁场较弱（b）霍尔元件磁场较强图

霍尔式车轮转速传感器1—霍尔元件；2—永久磁铁；3-齿圈6.1防抱死制动控制系统20图

霍尔式车轮转速传感器电压波形

霍尔车轮转速传感器具有以下优点：输出信号电压幅值不受转速的影响；频率响应高，其响应频率高达20kHz，相当于车速为1000km／h时所检测的信号频率；抗电磁干扰能力强。

霍尔元件输出的是毫伏级的准正弦波电压，通过电子电路转换成标准的脉冲电压输出信号，电压幅值为7V～14V，如图所示。6.1防抱死制动控制系统212.制动压力调节器制动压力调节器又称为ABS压力控制器，是ABS系统的执行机构，其功用是接受ECU的指令，通过电磁阀的动作控制车轮制动轮缸的制动压力，通常主要由电动液压泵、液压控制单元（包括储能器和电磁阀）等构成，如图所示。图制动压力调节器1-继电器盒；2-接ABS电控单元；3-液压泵电动机4-液压泵总成；5-液压控制单元（包括储能器和电磁阀）；6、7-制动液油管6.1防抱死制动控制系统221）电动液压泵在ABS运行时，电动液压泵根据ECU的信号确定是否工作，从而起到循环控制制动液油压或迅速建立制动液油压的作用。它可在汽车起动1min内将制动液压力提高到14～22MPa。

图4-17柱塞式电动液压泵1-控制开关；2-警告开关；3-限压阀；4-出油口；5-单向阀；6-滤芯；7-进油口；8-电动机6.1防抱死制动控制系统232）储能器（蓄压器）

储能器的结构形式多种多样。活塞-弹簧式储能器一般位于电磁阀与回油泵之间，由轮缸来的液压油进入储能器，进而压缩弹簧使储能器液压腔容积变大，以暂时储存制动液。

气囊式蓄压器内则充满了高压氮气，可使制动液的压力保持在14～18MPa范围内。为了安全起见，近年来生产的部分车型中，已经取消了蓄压器。气囊式蓄压器1-电动泵；2-回转球阀式活塞泵；3-单向阀；4-限压阀；5-蓄压器；6-压力开关6.1防抱死制动控制系统243）电磁阀

ABS系统中通常有4～8个电磁阀，分别对应控制前后轮的制动。常用的电磁阀有三位三通电磁阀和二位二通电磁阀等多种形式。（a）电流为0（b）电流小（c）电流大图4-19三位三通电磁阀的动作1-线圈；2-固定铁芯；3-电流；4-通主缸；5-通储液器；6-通轮缸；7-衔铁6.1防抱死制动控制系统253.ABSECU

根据来自轮速传感器的信号，ABSECU测量车轮转速和车速，发出相应的控制指令。早期生产的ABS系统，其ABSECU与制动压力调节器多采用分体式安装，但接线较多。

ABSECU体积的日益小型化，且出于散热和减少接线的考虑，现在生产的ABS系统，其ABSECU与制动压力调节器多采用整体式安装，即ABSECU与制动压力调节器直接安装到一起，成为一个总成。6.1防抱死制动控制系统266.2驱动力控制系统

基本原理和控制目标■TCS(Bosch公司ASR)是在ABS基础上发展起来的主动安全系统27

汽车牵引力控制系统的作用

汽车牵引力控制系统（TractioncontrolSystem，TCS。也称TRC）是继防抱死制动系统之后应用于车轮防滑的电子控制系统，其功用是防止汽车在起步、加速时和在滑溜路面行驶时的驱动轮滑转。故有些汽车公司也将该技术称为驱动防滑系统(AccelerationSlipRegulation,ASR)。当车轮转动而车身不动或是汽车的速度低于转动车轮的轮缘速度时，轮胎与地面之间就有相对的滑动，这种滑动称为“滑转”。

汽车防滑控制系统可以在车轮出现滑转时，通过对滑转车轮施以制动力或控制发动机的动力输出来抑制车轮的滑转，以避免汽车牵引力和行驶稳定性下降。6.2驱动力控制系统28车辆在低附着系数路面（冰雪、湿滑、泥泞路面）上加速起步时，装备TRC的汽车可以很好地沿着既定车道行驶，而未装备TRC的汽车则很容易出现甩尾、侧滑等现象。

TRC的作用

TRC与ABS的比较

ABS和TRC都是用来控制车轮相对地面的滑动，以提高车轮与地面之间的附着力。但ABS控制的是汽车制动时车轮的“滑移”，主要用来提高汽车的制动效能和制动时的方向稳定性；而TRC是控制汽车行驶时的驱动车轮“滑转”，用于提高汽车起步、加速及在滑溜路面行驶时的牵引力和确保行驶稳定性。

一般在车速很低（小于8km／h）时ABS不起作用，而TRC一般在车速很高（大于80km／h）时不起作用。6.2驱动力控制系统29

TCS6.2驱动力控制系统无TCS有TCS306.2驱动力控制系统

控制方式■发动机输出转矩调节—

点火参数调节，燃油供给调节和节气门开度调节■驱动轮制动力矩调节—

在发生打滑的驱动轮上施加制动力矩来降低轮速，使车轮滑移率处于最理想的范围内■差速器锁止调节—

使左右两侧驱动轮的输入转矩可根据控制指令和路面情况而变化，低附着系数一侧车轮发生滑转时，锁止差速器，使高附着系数一侧驱动轮的驱动力得以充分发挥■离合器/变速器控制—

离合器控制是指当发现车辆驱动轮发生过度滑转时，减弱离合器的结合程度，使离合器主、从动盘之间出现部分相对滑转，从而减小传至驱动轮的转矩—

变速器控制是指通过改变传动比来改变传至驱动轮的驱动转矩，以减小驱动轮的滑转程度。316.2驱动力控制系统

控制方式32ABS、TCS336.3车辆稳定性控制系统

概述□在ABS和TCS基础上发展起来的

宝马称其为动态稳定控制（Dynamic

Stability

Control，DSC）系统，丰田称其为车辆稳定控制（VehicleStabilityControl，VSC）系统，三菱称其为主动稳定控制

(ActiveStabilityControl，ASC)系统，但其工作原理和作用基本相同。

汽车安全性方面最重要的就是避免发生事故，也就是所谓的主动安全。汽车规避事故的功能是汽车重要而又基本的性能，它可帮助避免或自动避免事故的发生。ESP系统的作用主要是在汽车将要出现失控时，主动地参与避免事故发生的控制过程，有效地增加汽车稳定性。34□利用控制左右两侧车轮制动力或驱动力之差产生的横摆力矩来防止难以控制的侧滑现象，保证车辆的路径跟踪能力。□应用范围：在大侧向加速度、大侧偏角的极限工况下工作□纵向动力学+侧向动力学6.3车辆稳定性控制系统

概述不足转向过度转向35前轴侧滑出现“驶出”现象加大内侧车轮的制动力VSC（ESP）的作用抑制前轮侧滑6.3车辆稳定性控制系统36后轴侧滑出现甩尾现象加大外侧车轮的制动力抑制后轮侧滑VSC（ESP）的作用6.3车辆稳定性控制系统371.躲避前方突然出现的障碍物6.3车辆稳定性控制系统

ESP典型工作工况386.3车辆稳定性控制系统

ESP典型工作工况2.在急转弯车道上高速行驶396.3车辆稳定性控制系统

ESP典型工作工况3.地面附着力不同的路面行驶40有无ESP对比6.3车辆稳定性控制系统416.3车辆稳定性控制系统

系统组成和工作原理□系统组成：ABS+TCS+YSC□ABS和TCS只在制动和驱动情况下工作，控制车辆的纵向滑移率□YSC在车辆行驶的任何时刻都起作用42VSC系统根据转向盘转角和制动主缸压力等信号判断驾驶员的驾驶意图，计算出理想的车辆运行状态参数值，通过与各传感器测得的实际车辆状态信号值的比较，根据控制逻辑算法计算出期望的横摆力矩，然后通过控制液压调节制动系统，对各车轮施加制动力，以实现所需要的车辆横摆力矩。6.3车辆稳定性控制系统

系统组成和工作原理43ESP对危急驾驶情况作出反应前，必须获得两个问题的应答：从方向盘角度传感器（1）和轮速传感器（2）得到a问题答案。a、驾驶者想操纵车驶向哪里？b、车辆实际驶向哪里？从横摆率传感器（3）和侧向加速度