交通运输 浅谈汽车底盘电子控制技术的发展与现状 学位论文.docx
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交通运输浅谈汽车底盘电子控制技术的发展与现状学位论文
学校代码:
10206
学生学号:
152094123
白城师范学院
毕业论文
浅谈汽车底盘电子控制技术的现状及发展
IntroductiontothePresentSituationandtheDevelopmentofAutomobileChassisElectronicControlTechnology
学生姓名:
孙雪窗
指导教师:
王蕴副教授
学科专业:
交通运输
所在单位:
机械工程学院
2014年6月
摘要
汽车底盘电子控制是目前底盘控制技术的发展方向,主要体现在底盘集成控制对象、底盘集成控制策略、底盘集成控制网络和重构控制技术上。
常见的底盘控制系统可分为制动控制、牵引控制、转向控制和悬挂控制。
大多数新兴的底盘控制技术在汽车的操纵稳定性、驾乘舒适性和制动性方面有着很重要的作用。
汽车转向控制系统、汽车悬架控制系统、全电路制动系统以及发展中的汽车底盘线控技术(线控换档系统、油门系统和转向系统、悬架系统、制动系统、增压系统)都在它的范围内。
关键词 汽车底盘;电子控制
Abstract
Themainfeatureisthevehiclechassisaccordingtothedriver'swishesforthecorrespondingacceleration,decelerationandsteeringmovement.Thevehiclechassiselectroniccontrolisthedirectionofdevelopmentofchassiscontroltechnology,mainlyreflectedintheintegratedchassiscontrolobject,integratedcontrolstrategy,thechassisintegratedchassiscontrolnetworkandthereconfigurablecontroltechnology.Thecommonlyusedchassiscontrolsystemscanbedividedintothebrakecontrol,tractioncontrol,steeringandsuspensioncontrol.Mostnewchassiscontroltechnologyinvehiclehandlingandstability,hasaveryimportantroleindrivingcomfortandbraking.Automobilesteeringcontrolsystem,suspensioncontrolsystemoftheautomobile,thewholecircuitbrakingsystemaswellasthedevelopmentofautomobilechassisX-by-wireTechnology(shiftbywiresystem,throttleandsteeringsystem,suspensionsystem,brakingsystem,thepressurizationsystem)initsrange.
Keywords Automobilechassis;Electroniccontrol
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目录
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1研究的意义1
1.2研究的内容1
2第一代底盘电子控制技术2
2.1车轮防抱死系统2
2.2牵引力控制系统3
2.3电子稳定控制系统4
2.4四轮转向系统5
3第二代底盘电子控制技术7
4第三代底盘电子控制技术9
4.1全电路制动系统9
4.2汽车转向控制系统10
4.2.1后轮转向系统10
4.2.2ESPII10
4.3汽车悬架控制系统11
4.3.1主动悬架阻尼器控制系统11
4.4主动横向稳定器11
4.5汽车底盘的线控技术12
4.6汽车底盘的集成化技术12
结论14
参考文献15
致谢16
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1绪论
1.1研究的意义
伴随着全世界电子信息技术、计算机科学技术的突破性发展,电子控制技术越来越多地应用于现代汽车,汽车电子控制装置的价值在汽车上所占的比重也逐渐增大。
汽车机械部分的改进空间已经很大,围绕汽车的安全、节能、环保、舒适、平稳、方便等汽车新技术就需要体现在电子控制技术方面。
其中许多新的底盘控制技术设备在汽车的安全性、动力性、操作稳定性等方面起着重要的作用,它包括全电路制动系统(BBW)、汽车转向控制系统(RWS)、汽车悬架控制系统(ADC)以及现在发展起来的汽车底盘线控技术(线控换档系统、制动系统、悬架系统、增压系统、油门系统和转向系统等),再加上汽车CAN总线的应用、42V电压技术的研究以及电动汽车的研究都会带动汽车底盘控制技术向更高层次的发展。
1.2研究的内容
本文主要介绍世界上汽车底盘电子技术的种类,分别为:
1.全电路制动系统(BBW)。
BBW是Brake-by-Wire的简称,是一种全新的制动模式,一种先进的智能化制动系统。
通过优化微处理中的控制算法,可以精确地调控制动系统的工作过程,提高车辆的制动效果和安全性能。
2.汽车转向控制系统。
后轮转向系统(RWS),当汽车制动时,与系统相互配合,可及时通过主动后轮转向角来平衡制动力所产生的横摆力矩,既能保持汽车的方向稳定性,又能最大限度地利用前轮的制动力,改进汽车的制动性能。
3.汽车底盘的线控技术。
所谓线控就是用电子信号的传送取代过去由机械、液压或气动的系统连接的部分,如换挡连杆、油门拉线、转向器传动机构、刹车油路等。
它不仅是取代连接,而且包括操纵机构和操纵方式的变化,以及执行机构的电气化。
这将改变汽车的传统结构。
4.汽车底盘的集成化技术。
ABS/ASR/ESP集成系统的应用,在制动、加速和转向方面满足了驾驶员的较高要求,对汽车的主动行驶安全具有较大的贡献。
2第一代底盘电子控制技术
汽车底盘电子控制技术发展的最初阶段是第一代的底盘电子控制系统,因为它发展的较早,所以某些技术也已发展得比较成熟。
电子控制系统在汽车的运用主要有4WS(四轮转向系统)、ABS(车轮防抱死系统)、ESP(电子稳定控制系统)、TCS(牵引力控制系统)。
这类系统主要由传感器、电子控制单元(ECU)、执行机构三部分组成。
其中由软件和硬件两部分组成了ECL(发射极耦合逻辑电路,英文全称EmitterCoupledLogic),输出电路、输入电路、控制电路、运算电路等构成了硬件部分。
运算控制和系统检测是软件部分的两大功能。
2.1车轮防抱死系统(Anti-lockBreakSystem,简称ABS)
最早应用ABS技术的交通工具是铁路机车。
早在20世纪初,由于铁路机车制动时车轮抱死在铁轨上滑行,使车轮外圆磨损出一些小平面,因此车轮不能平稳旋转而产生振动和噪声。
为了减小振动和噪声,1908年,J.E.Francis设计了一种装置,安装在机车上之后,意外地发现制动距离也缩短了,这就是ABS的雏形。
ABS系统是在车辆原有的制动系统基础上附加的一套控制设备。
汽车在制动过程中,30%的车轮滑动率时,制动力系数最大(如图2-1)。
车辆制动时,轮胎滑移率在30%左右时车辆能获得最大的纵向制动力,这时车轮的地面制动力最大。
当制动力矩继续增加时,车轮滑动率将继续增大,制动力系数不会在增大,反而慢慢减小。
显然,车轮滑动率大于30%时,制动力系数处于非稳定区域,所以要将车轮滑动率控制在稳定区域里。
轮速传感器将轮速信息经由输入电路输入到ECU中,传感器的输入信号由ECU接收,然后按设定的控制策略和运算逻辑进行处理和计算,以便制定并发出相应的控制命令,来控制制动压力调节装置,让轮胎滑动率一直保持在30%左右,以使车辆能获得最好的制动效果。
当车轮完全抱死时,其侧向力系数几乎为零,完全失去了承受侧向力的能力。
当前轮发生这种现象时,汽车将失去转向能力;如果后轮发生这种现象时,汽车会失去稳定性,发生后轴侧滑。
ABS的主要作用是控制目标是把滑动率保持在稳定区域里,当ECU监测到系统工作不正常时,它会自动终止ABS系统工作,而ABS警告灯点亮。
此时传统的制动系统仍照常工作,不会受到影响。
这些改进的车辆动力学系统成功应用于汽车和商业化生产,其实际效果是很重要的。
新型的ABS使用的制动压力调节装置是由低压储液室、电机、主缸和双通道电磁阀构成的(如图2-2)。
ABS制动压力调节器的作用是:
用来控制和调节制动钳的液压压力,对ABS起一种保护作用。
压力调节器控制ABS的工作压力,确保不同刹车工况下,ABS在正常的压力范围内工作。
在不同条件下,压力调节阶段可以采取4种不同模式的压力调节:
普通制动、增压制动、减压制动和保压制动。
ABS是在传统的制动系统里串联进去了制动压力调节设备,传统的制动系统不用变动。
如果ABS出现故障,传统制动性依旧能照常运行。
ABS的另一个特征是不依靠于其他系统而独立运行。
在汽车应用中,ABS是电子控制最成功的范例之一。
我国研究ABS始于80年代初,国家“九五”科技攻关计划也列入了ABS研究项目,目前仅有个别厂家投入小批量生产。
装备ABS的国产车型有一汽奥迪、捷达、上海别克、桑塔纳、广州本田和神龙富康等轿车。
国内从事ABS研究与生产的单位有上海汽车制动系统有限公司、东风汽车公司、重庆公路研究所、重庆宏安ABS有限公司、陕西兴平514厂、清华大学、西安公路交通大学和吉林工业大学等[1]。
2.2牵引力控制系统(TractionControlSystem,简称TCS)
在驱动力矩过大时,汽车的驱动轮会相对地面作滑转运动。
通常希望驱动轮的滑转率不超过20%,这样驱动轮不仅能获得最大的地面驱动力,而且还能承受一定的侧向力。
这种对驱动轮滑转率进行控制的系统称为TCS系统,它是在ABS的基础上发展起来的。
它不仅要对ABS的制动压力调节装置进行扩展,而且还需要发动机电子管理系
统(EMS)的有机配合。
TCS系统能够控制驱动轮的滑转率在最佳范围内,防止车辆在光滑路面上加速时车轮打滑,造成后轮驱动车辆出现甩尾,前轮驱动车辆转向失去控制,并使车辆产生最佳驱动力。
(如图2-3)
TCS的工作原理是借用ABS的感应器来监视所有轮胎的转速,只要驱动轮开始打滑空转,转速比其它轮胎高到一个设定限度时,车上计算机就会自动做松油门或踩刹车的控制,让驱动轮的牵引力和转速降低下来,打滑空转的现象就会消失,车辆也就可以恢复正常的操控和行驶。
通常这时候,驾驶员踩油门的右脚会感觉到很强的反推力量,同时仪表板上的TCS控制灯也会开始闪烁。
TCS依靠电子传感器探测到从动轮速度低于驱动轮时(这是打滑的特征),就会发出一个信号,调节点火时间、减小气门开度、减小油门、降挡或制动车轮,从而使车轮不再打滑。
目前国内市场TCS在10万以上的新车型中普及率已越来越高。
TCS很可能成为续ABS后,在各类车辆上广泛普及的主动安全技术。
2.电子稳定控制系统(ElectronicStabilityProgram,简称ESP)
ESP主要是在紧急情况下对车辆的行驶状态进行主动干预,它整合了ABS和TCS的功能,并且增加横摆扭矩控制——防侧滑功能,可以防止车辆在高速行驶转弯或制动过程中失控。
图2-4所示为汽车侧滑时,ESP的作用图。
ESP系统的工作状况一般是在大侧向加速度、大侧向偏角的极限工况下进行的。
ESP系统通过操纵车轮制动力或驱动力的差值产生的横摆力矩来预防难以控制的侧滑的现象,稳定了车体对路径的跟踪性能,使汽车在较高行驶速度时安全性有明显提高。
2008年全球的ESP装配率达到33%。
当今在欧洲和美国等发达国家,每两辆新乘用车和轻型商用车就有一辆装配了ESP。
美国和欧洲的立法者最近都做出决定,要求强制装配ESP。
2011年9月起,美国所有4.5吨以下车辆都必须装配ESP。
2013年11月起,欧洲所有乘用车和轻、中、重型车辆都要求装配ESP。
在2008年,我国只有约11%的新车装配了ESP。
随着今年国内车市新车型的不断推出,目前我国20万元以上新车配备ESP的比率大幅提高,别克新君越、新天籁、雅阁八代等都装配了ESP。
相信随着我国车市的进一步发展,电子稳定控制系统一定会如同当今的ABS一样,成为我国汽车的一个标准安全配置。
2.4四轮转向系统(4WheelSteering,简称4WS)
四轮转向,就是后轮和前轮具有相同的转向作用,后轮不但能与前轮转向同一个方向,还能与前轮转向相反的方向。
它的目的是提升车辆在高速行驶或在侧向风力影响下的操纵平稳性,提高低速行进时的操纵轻易性。
当轿车高速行驶时便从一个车道向另一个车道移动调整,以降低汽车转向时的转弯半径。
在低速行驶时提高汽车的操纵轻便性,并减少在停车场时的转弯半径。
1984年汽车的四轮转向系统开始发展,四轮转向的两种主要方式是同向位转向和逆向位转向,同向位转向是指后轮转向方向和前轮转向方向相同;逆向位转向是指后轮转向方向和前轮转向方向相反。
目前很多公司都采用了四轮转向技术,其中大部分用于大型车辆上,还有一些用于SUV以及跑车上。
装配了四轮转向之后,车辆的转弯半径变小、低速行驶时的机动性增强并且提高高速行驶时的可控制能力和操纵性。
QUADRASTEER是德尔福公司研制的四轮转向系统,是目前为止最先进的四轮转向系统。
QUADRASTEER在传统的前轮转向基础上,增加了一个电动盾轮转向系统。
系统有的主要部件有四个:
可转向的整体准双曲面后轴、前轮定位传感器、电动机驱动的执行器以及一个控制单元。
车辆速度传感器和前轮定位传感器源源不断地把数据传递给控制单元,根据传递的数据,控制单元来确定后轮的角度是否合适,进而经过计算,来确定操作阶段是否正确。
中相、负相、正相这三种运行方式是该系统的主要运行方式。
当汽车在低速行进时,后轮的转弯方向与前轮的转弯转向方向相反,叫做负相;当汽车在中速行进时,后轮笔直而保持中相;当汽车高速行进时,后轮的转弯方向和前轮转弯方向相同,叫做正相。
当汽车在低速行进时,负相拖曳操纵,尾部追随车辆的真实轨迹,比两轮转向更严密,它让汽车在城市交通中的行进更方便。
当车辆在低速行进时,如倒车进车库或野营带拖车停车时,QUADRASTEER将使它更容易操纵。
倒拖车时,负相大大的调高了拖车对转向动作的响应,使车辆更加容易的就位。
当车辆在高速行进时,QUADRASTEER提升了汽车的平稳性。
在高速行进时后轮的转向方向与前轮的转向方向相同,以帮助降低车辆的侧滑和扭摆,对平衡车辆在转弯、超车、或躲避坑洼路段时的反应均有提升。
并且,QUADRASTEER可以与四轮驱动系统全部兼容,还可以提升四轮驱动系统的能力,依照制造厂商的提出的条件,不仅由驾驶者选择,还可以实现全自动化。
例如,使用选择界面,驾驶者在不同驾驶条件下,能够调节后轮转向的性能。
共有三种选择模式:
一个两轮转向,一个一般驾驶,一个拖车拖运。
如果该四轮转向系统被破坏,这时,两轮转向模式由QUADRSTEER系统可以控制回到正常模式。
4WD与4WS互相兼容,但功能不同。
它们之间有重合,产生的效果,设计的目的也不是很相同,减少侧风对车身的影响和对车辆状态的调整,是4WS的作用[2]。
3第二代底盘电子控制技术
发达国家已经开始研发全电子控制的汽车底盘控制系统和网络化管理的整车样车,即第二代的线控驱动技术。
其构架图如图3-1所示。
自动防故障系统、电源和一些辅助系统与方向盘总成、转向执行总成和主控制器(ECU)三个主要部分构成了汽车线控转向系统。
因此而产生的汽车线控转向系统(SBW)取消了传统的转向盘与转向轮之问的机械连接,彻底摆脱了传统转向系统的局限性,不仅能够自由地设计汽车转向力的传递特性,并且还可以设计汽车转向的角传递特性,给汽车转向特性的设计带来更大的空间[3]。
在国外,日本大学和本田汽车公司对汽车线控转向系统做了一些研究,设计出的转向系统传动比比较理想,能够让车辆的稳态增益不受到车速的影响。
在中国,吉林大学在线控转向技术部分也已经做了很多的研究,宗长富教授等人用建模的方式对方向盘的力矩进行研究,模拟了一种能够为驾驶员提供路感的方向盘转向回正力矩,不仅设计了前轮转向控制算法,还让汽车具备了稳定的转向特性,通过传统的一些制动器机械装置,以及电控单元ECU、电源、传感器等元件组成了IAI汽车线控制动系统(BBW)。
由乘驾者对制动踏板进行操作并产生制动信号,ECU捕捉到该信号并综合其他的汽车行进状况,对制动器传送最佳指令,进而确保车辆最佳的减速度和行驶稳定性。
汽车主动安全性是由汽车转向系统所决定的,机械系统是传统汽车转向系统所采用的形式。
当行驶者操作转向盘时,经过转向器和一部分的杆件传达到转向车轮,而实现汽车的转向运动。
汽车线控转向系统没有转向盘与转向轮两者间的机械连接,充分的运用电能来转向,消除了传统转向系统的各种局限性,不仅能够自由设计汽车转向的力传递特性,还能够设计汽车转向的角传递特性,是汽车转向系统的重要创新。
汽车线控转向系统的工作原理是通过传感器检查驾驶员的转向信息,然后经过数据
总线把信号传送给车上的ECU,在转向控制系统那里获取反馈信息,转向控制系统也从转向操纵装置获取乘驶者的转向信息,在转向系统那里获得车轮的状况,进而引导整个转向系统的运作。
车轮由转向系统操纵转到需要的角度,再将车轮的转动转矩和转角反应到系统的其它部分,例如转向操纵装置,来让驾驶员获取路感,依据不同的状况由转向控制系统来控制路感的强弱[4]。
汽车线控转向系统有三个特点。
一是提升了汽车的安全特性。
取消了转向柱等机械连接,完全防止了在撞车时转向柱对驾驶员造成的损伤。
智能化的ECU根据汽车的行驶状态判断驾驶员的操作是否合理,并做出相应的调整。
当汽车在极限工况的条件下,它能够控制汽车的稳定能力。
二是改进了汽车的驾驶特性并且增强了操作性。
基于车速、牵引力控制以及其它相关参数基础上的转向比率(转向盘转角和车轮转角的比值)不停的改变,低速行进时,转向比率低,能够降低转弯或停车时转向盘转动的角度;高速行进时,转向比率变高,得到更好的直线行进条件。
三是提高驾驶员的路感。
因为转向车轮与转向盘之间不存在机械连接,驾驶员的路感经过模拟而产生。
能够在信号里提出最能够反应汽车实际行进状况和路面情况的信息,作为转向盘回正力矩的控制变量,让转向盘只向驾驶员反馈有效的消息,然后对驾驶员提供更加可靠的路感。
以油门踏板的高度变化为输入信号的车线控油门系统(TBW)是根据该技术而开发的。
ECU对数据信息进行处理计算出一个控制信号,经过线路送到伺服电机,然后电机驱使节气门执行设备,实现油门操纵。
线控油门技术供油稳定,并且能够提高燃油的经济性并改善排放。
整套线控驱动技术大幅度的减少了车辆机械系统的繁杂程度,机械零件的润滑和调节也能够对应地降低,并且控制单元能够及时的监控车辆的运行状况,对车辆发出最佳控制信号,大幅度的提高了车辆的舒适性、安全性和操控性。
此外,线控离合器等线控技术、可变传动比转向系统(VGS)也都已经研究出来并应用于实验车。
在外国,线控技术已经大批的运用在MBENZSL、JAGUAR、BMW新7系和新SType等高端的车型上,在中国,一部分中级车上也普遍的使用了线控油门系统。
在电控线路应用技术具有较高效率以及优势的同时,该技术也变得更复杂,其生产成本很高并且可靠性不能被确保。
同时还有一些法规方面的问题需要解决。
因此目前全线控的车辆还没有被商业化批量生产。
博世、德尔福、采埃孚、伟世通和西门子VDO等,是电控线路应用技术的主要供应商。
在它们众多的计划中采用了许多种技术。
德尔福的计划中包括电控线路应用技术并以此作为其集成安全系统和碰撞预警程序的一部分,成为汽车动态安全管理的关键。
当传感器感知和判断到危险经过时,会让电控线路系统进行启动,来防止事故的发生。
4第三代底盘电子控制技术
4.1全电路制动系统(BBW)
BBW是一种全新的制动模式,它使用了嵌入式总线技术,系统结构如图4-1。
它可以与汽车主动安全系统里的牵引力控制系统(PCB)、防抱死制动系统(ABB)、主动防撞系统(ACC)、电子稳定性控制程序(ESP)等更容易地联合工作。
为了准确地调节制动系统的工作过程,提升车辆的制动效果,增强汽车的制动安全性能,需要通过优化微处理器中的控制算法来调节。
BBW通过电机或电磁铁驱动制动器,以电能作为能量来源。
所以,BBW的结构简洁,趋向于模块化,安装和修理更简单方便。
BBW的控制核心是控制单元,BBW的信号由它负责收集和处理,推理判断信号,并据此把制动信号向制动器发出。
此外,按照汽车智能化的发展,各种制动控制系统和电子控制系统将在汽车底盘上高度集成,并且在功能上趋于互补。
双重闭环控制模式是BBW所采用的控制模式,起初在每个电能制动器里都配有制动力矩传感器,能够时刻地监测制动力矩的多少,完成制动力矩的闭环控制。
然后在制动过程时,每个车轮转速传感器随时监控着车轮的运转进程,ABS确定车轮的运转状况是依照车轮转速传感器的信号。
根据最近BBW的探索成果,这种制动模式还要解决一些问题才能投入使用,改善电能制动器结构和性能是其中主要的问题。
可以独立的对汽车实行有效制动,
电能制动器结构和性能是其中主要的问题。
需要电能制动器的保证,并且能产生足够大的制动力矩,对内部的驱动电机(或驱动电磁铁体)、外部的供电系统、驱动力矩的传动系统提出了较高的要求。
为了有效地解决BBW的能源问题,提高汽车的供电电压,从12V增加到42V,是现在比较成熟的想法[5]。
4.2汽车转向控制系统
4.2.1后轮转向系统(RWS)
主动使车辆两后轮的横拉杆对车身作侧向运动并让两后轮形成一转向角是RWS的作用。
图4-2为汽车左转弯时后轴转动的示意图。
传感器、执行机构和电子控制单元等组成了RWS,它有两种执行机构,分别是整体式与分离式。
当车辆两后轮的横拉杆被执行装置同时控制时为整体式。
车辆两后轮的横拉杆被两个不一样的执行装置来控制时为分离式。
对于整体式RWS执行机构,两后轮的转向角只需要一个横拉杆位移传感器就能确定,但分离式RWS执行机构最起码需要两个位移传感器。
因为分离式RWS执行机构的部件较多,所以两后轮的操纵和调和比较繁琐。
现今研究更多的是整体式RWS执行机构。
液压式和机电式是整体式RWS执行机构的两种方式。
机电式RWS执行机构,是由电动机螺母螺杆驱动机构和安全锁止机构等组成。
在执行装置里装配了一个电机转角传感器和一个螺杆位移传感器,可以提升系统的稳定性。
当RWS发生问题时,电动机自动停止,两后轮的转向角不会产生改变。
4.2.2ESPII(或者ESPplus)
由于ESP系统在对汽车的行进状况进行干预时,仅是经过对单个车轮给予制动来调整汽车的行驶平稳性。
这时由脉冲制动力引起的汽车振动,驾驶者能够觉察到。
ESPII可以辨别转向轮与地面之间的附着系数。
假如轿车在路面两侧附着系数不同的对开路面上制动时,它会朝着路面附着系数较大的一侧产生转动的趋势,即出现所谓的“制动器拉动”现象。
在这种情况下,ESPII能够通过转向轮朝路面附着系数较小的一侧作此适当的转向转动,以平衡“制动器拉动
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