汽車底盤控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r和發(fā)展趨勢的研究

1、目錄摘要1汽車底盤電子控制的理論基礎(chǔ)和特點2汽車底盤常見的電子控制系統(tǒng)2.1汽車防抱死制動系統(tǒng)ABS2.11奧迪A6汽車ABS工作原理2.12牽引力控制系統(tǒng)TCS2.13汽車動力學(xué)電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)ESP3底盤電子控制網(wǎng)絡(luò)化和全局協(xié)調(diào)化的發(fā)展趨勢3.1全方位底盤控制GCC3.2汽車開放性系統(tǒng)構(gòu)架AUTOSAR4汽車底盤線控技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢4.1汽車線控技術(shù)特點4.2線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)4.3線控制動技術(shù)5總結(jié)與展望參考文獻謝辭汽車底盤控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r和發(fā)展趨勢的研究吳玉凱(德州學(xué)院 汽車工程學(xué)院 山東德州 253023)摘要：汽車電子控制系統(tǒng)在汽車底盤技術(shù)中的廣泛應(yīng)用大大改善了汽車的主動安全性。底

2、盤控制系統(tǒng)可以分為制動控制,牽引控制，轉(zhuǎn)向控制和懸架控制。介紹通過高速網(wǎng)絡(luò)將各控制系統(tǒng)聯(lián)成一體形成的全方位底盤控制(GCC),汽車開放性系統(tǒng)的構(gòu)架工程(AUTOSAR)和底盤的線控技術(shù)(X2by2wire)。關(guān)鍵詞：底盤控制系統(tǒng)，主動安全性，綜述 1汽車底盤電子控制的理論基礎(chǔ)和特點 汽車底盤最主要的功能是讓汽車按駕駛員的意愿行駛。從圖1可以得出駕駛員通過操縱元件來傳送其意向，執(zhí)行量是前輪轉(zhuǎn)角和車輪上的驅(qū)動力，實際起作用的是輪胎縱向力和側(cè)向力。所以汽車底盤的原理在給定的路面系數(shù)和車輪法像力的情況下對車輪滑動 率和側(cè)偏角進行合理的控制，來調(diào)節(jié)輪胎的側(cè)向力和縱向力，最大限度的利用好輪胎與路面之間的附

3、著力，提高汽車的主動安全性，機動性，舒適性1。圖1駕駛員，輪胎力，汽車運動的相互關(guān)系汽車底盤的電子控制相當(dāng)復(fù)雜，互相影響，具有以下特點：（1）不同的控制系統(tǒng)經(jīng)常共用同一電子原器件。如輪速傳感器的信號幾乎被所有底盤控制系統(tǒng)所使用。(2)相同的控制目標(biāo)可由不同的控制系統(tǒng)單獨或共同控制。譬如汽車在路面上制動時，ABS,AFS，RWS，ESP控制汽車的穩(wěn)定。（3）同一個控制系統(tǒng)會對多個變量進行同一控制，而且擁有多個執(zhí)行機構(gòu)。（4）同一個控制變量同時受不同的控制系統(tǒng)控制。如車輪滑動率同時受ABS，控制2。汽車底盤常見的電子控制系統(tǒng)2.1汽車防抱死制動系統(tǒng)ABS（an tick brake system）

4、當(dāng)汽車制動時，車輪滑動率在30%左右時，制動力系數(shù)越大(圖2),當(dāng)制動力矩再增加，制動力系數(shù)減小。車輪滑動率大于Ko時制動力系數(shù)處于非穩(wěn)定區(qū)域。從側(cè)向力系數(shù)和滑動率的關(guān)系曲線判斷滑動率越小側(cè)向力系數(shù)越大。當(dāng)車輪全部抱死時，其側(cè)向力系數(shù)為零，其失去了承受側(cè)向力的能力，前輪如果發(fā)生這種現(xiàn)象，汽車失去轉(zhuǎn)向能力，后輪發(fā)生這種現(xiàn)象，汽車將發(fā)生后軸側(cè)滑，失去穩(wěn)定性，ABS的控制目標(biāo)是把滑動率保持在穩(wěn)定區(qū)域里3。圖2制動力系數(shù)Lb,側(cè)向力系數(shù)Ls,滑動率Kb的關(guān)系曲線ABS基本上都是由電子控制單元（ECU），輪速傳感器和制動壓力調(diào)節(jié)裝置組成，是十分重要的部件是輪速傳感器，電子控制單元（）是系統(tǒng)的控制中心。我

5、們可以通過對奧迪轎車系統(tǒng)的組成和工作原理來了解目前汽車的ABS的組成如圖3所示，該系統(tǒng)主要包括制動總泵，輪速傳感器，制動分泵，制動壓力調(diào)節(jié)器，ABS電控單元ECU/ABS警告燈等組成。1為前輪速度傳感器2制動壓力調(diào)節(jié)器3ABS電控單元4警告燈后輪速度傳感器停車燈開關(guān)制動主缸比例分配閥制動輪缸10蓄電池11點火開關(guān)2.11奧迪A6汽車ABS工作原理當(dāng)點火開關(guān)接通時，ABS保護繼電器的電磁線圈中就會有電流通過，系統(tǒng)進入自檢狀態(tài)。經(jīng)過短暫的自檢后，如果發(fā)現(xiàn)其系統(tǒng)中存在影響其正常工作的故障，會保持自己自檢狀態(tài)，關(guān)閉ABS系統(tǒng)。此刻壓力調(diào)節(jié)器中各種電磁線圈不通電，各電磁閥都保持在制動壓力增大狀態(tài)，汽車恢

6、復(fù)常規(guī)制動狀態(tài)工作。經(jīng)自檢，沒有發(fā)現(xiàn)影響系統(tǒng)正常工作的故障，ABS就進入等待工作狀態(tài)，汽車行駛過程中，各車輪傳感器連續(xù)的向ABS電腦輸入各車輪的輪速信號，對四個車輪的運動狀態(tài)進行分析判斷4。制動過程中，ABS ECU控制過程分為8個階段：圖3 ABS 的組成布置圖第一階段，（制動開始）。在制動開始階段，制動壓力隨制動踏板的壓力升高而升高，減速增加。第二階段（保壓）當(dāng)制動力升高到一定值時，隨著系數(shù)與滑移率在規(guī)定范圍內(nèi)，ABS ECU發(fā)出命令，控制制動壓力保持定值。第三階段（減壓）在保持壓力過程中，滑移率會增大，ECU發(fā)出命令，降低制動壓力。第四階段(保壓)制動壓力降低后，在汽車慣性力作用下，車速

7、提升，車速到達一定值后，ECU發(fā)出命令，保持制動壓力，進入保壓階段。第五階段（增壓）制動壓力保持過程中，速度繼續(xù)升高，當(dāng)速度超過參考值時，ECU發(fā)出指令把控制制動壓力增大。第六節(jié)段（保壓）制動壓力升高后，車速降低，滑移率增大，ECU發(fā)出命令，控制保持制動壓力，把滑移率控制在規(guī)定范圍內(nèi)。第七階段（增壓，保壓交替作用）當(dāng)加速降低到一定值時，ABS ECU將發(fā)出命令使相應(yīng)的電磁閥在壓力升高和壓力保持之間交替，使車輪速度降低，加速減小。第八階段(減壓)當(dāng)加速度降低到一定值時，控制過程進入第八階段，ABS進入第二個控制周期，控制過程與上相同，形成一個循環(huán)工作周期，不斷循環(huán)5。2.12牽引力控制系統(tǒng)TCS

8、牽引力控制系統(tǒng)TCS它的作用是使汽車在各種行駛狀況下都能獲得最佳的牽引力，牽引力控制系統(tǒng)的控制裝置是一臺計算機，利用計算機檢測4個車輪的速度和方向盤轉(zhuǎn)角，當(dāng)汽車加速時，如果檢測到驅(qū)動輪和非驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速差過大，計算機立即發(fā)出命令，減少發(fā)動機的供油量，降低驅(qū)動力，從而減少驅(qū)動輪的滑防止車輛轉(zhuǎn)率。計算機通過方向盤轉(zhuǎn)角傳感器掌握司機的轉(zhuǎn)向意圖，然后利用左右輪速度傳感器檢測左右輪速度差，從而判斷汽車轉(zhuǎn)向程度，是否和司機的轉(zhuǎn)向意圖一樣。如果檢測出汽車轉(zhuǎn)向不足或過度，計算機立即判斷驅(qū)動輪驅(qū)動力過大，發(fā)出命令，降低驅(qū)動力，以便實現(xiàn)司機的轉(zhuǎn)向意圖。如圖4所示牽引力控制系統(tǒng)能防止車輛在雪地等濕滑路面上行駛時驅(qū)動輪的

9、空轉(zhuǎn),使車輛能平穩(wěn)的起步，加速。尤其在雪地或泥濘的路面上，牽引力控制系統(tǒng)均能保證流暢的加速性能，因驅(qū)動輪打滑而發(fā)生橫移或甩尾6。圖4TCS 工作時汽車行駛狀態(tài)圖2.13汽車動力學(xué)電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)ESPESP實際上是一種牽引力控制系統(tǒng)，與其他牽引力控制系統(tǒng)相比較，ESP不但控制驅(qū)動輪，而且可以控制從動輪。如后輪驅(qū)動汽車常出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向過多情況，此時后輪失控而甩尾，ESP便會剎慢外側(cè)的前輪來穩(wěn)定車子，在轉(zhuǎn)向過少時，為了校正其循跡方向，ESP則會剎慢內(nèi)后輪，從而校正行駛方向7。ESP系統(tǒng)包含ABS及ARS，這是兩種系統(tǒng)功能上的延伸。因此EPS稱的上是當(dāng)前汽車防滑裝置的最高形式。如圖， ESP系統(tǒng)由控制單

10、元及轉(zhuǎn)向傳感器，車輪傳感器，側(cè)滑傳感器，橫向加速傳感器等組成?？刂茊卧ㄟ^這些傳感器的信號對車輛的運行狀態(tài)進行判斷，進而發(fā)出控制指令8。有ESP與只有及的汽車，它們之間的差別在于及只能被動的做出反應(yīng)，而則能夠探測和分析車況并糾正駕駛的錯誤，防患于未然。對過度轉(zhuǎn)向或不足轉(zhuǎn)向特別敏感，根據(jù)具體情況發(fā)出指令。其傳感器有轉(zhuǎn)向傳感器，橫向加速度傳感器，方向盤油門剎車踏板傳感器等。這些傳感器用來采集車身狀態(tài)數(shù)據(jù)。ESP電腦：將傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行計算，算出車身狀態(tài)后跟存儲器里面預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)進行比較。當(dāng)電腦計算數(shù)據(jù)超出存儲器的預(yù)存數(shù)據(jù)，就是車身臨近失控或者已經(jīng)失控的時候，則命令執(zhí)行器工作，以保證車身行駛

11、狀態(tài)能夠盡量滿足駕駛員意圖。執(zhí)行器：ESP的執(zhí)行器是擁有四個輪子的剎車系統(tǒng)，和沒有ESP的剎車系統(tǒng)不同的是裝有ESP的剎車系統(tǒng)具有蓄壓功能。就是電腦可以根據(jù)需要，在駕駛員沒踩剎車的時候，替駕駛員向某個車輪的制動油管加壓好讓這個車輪產(chǎn)生制動力。儀表盤上的ESP燈：對駕駛員反饋目前系統(tǒng)的工作狀態(tài)9。圖ESP系統(tǒng)的組成ESP工作過程(1)當(dāng)車輛左轉(zhuǎn)出現(xiàn)轉(zhuǎn)向不足的時候，ESP各個傳感器會把轉(zhuǎn)向不足的信息告訴電腦，然后電腦就控制左后輪制動，產(chǎn)生一個拉力和一個扭力來對抗車頭向右推的轉(zhuǎn)向不足趨勢。如圖6所示 圖6(2)左轉(zhuǎn)，后輪抓地不足或者驅(qū)車油門踩猛了出現(xiàn)轉(zhuǎn)向過度的時候，ESP會控制右前輪制動，同時減小發(fā)

12、動機輸出功率。糾正錯誤的轉(zhuǎn)向姿態(tài)如圖7(3)直線剎車由于地面附著力不均勻出現(xiàn)跑偏的時候，ESP會控制附著力強的輪子減小制動力，讓車按照駕駛員預(yù)想的行駛線路前進。邊剎車邊轉(zhuǎn)向的時候ESP也會讓車子按駕駛員意圖走10圖73底盤電子控制網(wǎng)絡(luò)化和全局協(xié)調(diào)化的發(fā)展趨勢汽車底盤各控制系統(tǒng)之間的相互聯(lián)系，相互依賴，相互影響越來越大。為了優(yōu)化控制效果，節(jié)約資源，提高控制系統(tǒng)的可靠性，用高速局域網(wǎng)絡(luò)CAN將兩個或多個底盤電子控制系統(tǒng)結(jié)合起來，對底盤實現(xiàn)多層面控制，已成了現(xiàn)代汽車底盤技術(shù)的發(fā)展趨勢。此基礎(chǔ)上出現(xiàn)了GCC系統(tǒng)和AUTOSAR研發(fā)工程11。3,1全方位底盤控制GCC（global chassis co

13、ntrol）如圖8，GCC是一個高層面底盤控制單元CAN網(wǎng)絡(luò)將駕駛員的命令與汽車動態(tài)特征有關(guān)的所有傳感器的信息都傳給GCC控制單元。同時CAN網(wǎng)絡(luò)可以將控制單元所有的其他汽車底盤控制系統(tǒng)聯(lián)接起來。GCC對駕駛員意圖進行分析，對汽車運行狀況，汽車底盤控制子系統(tǒng)進行監(jiān)測和分析。當(dāng)汽車運行狀況和駕駛員意向相違背，或危險時，GCC控制單元進行綜合平衡，對汽車底盤每個子控制系統(tǒng)進行合理分工，來完成汽車的動態(tài)控制和平衡。如果其中某個子控制系統(tǒng)發(fā)生故障，GCC控制單元自動的對汽車底盤各子控制系統(tǒng)進行調(diào)整，以達到最佳效果。GCC控制單元能全面了解駕駛室內(nèi)駕駛員意向，汽車其他子控制系統(tǒng)和汽車的運行狀態(tài)。使各方面

14、相互協(xié)調(diào)，使汽車各方面性能提高12。圖832汽車開放性系統(tǒng)構(gòu)架要實現(xiàn)全方位底盤控制，必須讓GCC控制單元能夠快速，可靠和正確的同汽車底盤所有子控制系統(tǒng)交換信息。汽車開放系統(tǒng)構(gòu)架首創(chuàng)組為控制器定義了軟件構(gòu)架，這種軟件構(gòu)架把設(shè)備的硬件和軟件分離，把功能模型軟件，軟件組件放一起來研發(fā)。全世界汽車行業(yè)要建立汽車開放性系統(tǒng)構(gòu)架。其目的是要對系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的接口制定統(tǒng)一的標(biāo)準，使汽車系統(tǒng)和控制軟件具有開放性，標(biāo)準化，模塊化，再用性能好等特征。國際上，寶馬集團自2001年開始在稱為BMWtand Core 的構(gòu)架下，在ECU電子控制單元中運用標(biāo)準化基礎(chǔ)軟件。在國內(nèi)浙江大學(xué)ESE實驗中心從2004年開始關(guān)注A

15、UTOSAR，并率先加入了此組織。過內(nèi)一汽，長安等整車廠技術(shù)研究院也于2009年開始利用AUTOSAR標(biāo)準的工具進行ECU的設(shè)計，開發(fā)，驗證13。4汽車底盤線控技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢4.1汽車線控技術(shù)的特點：駕駛員操縱指令由傳感元件感知，以電信號的形式由網(wǎng)絡(luò)傳遞給電子控制器及執(zhí)行機構(gòu)。操縱機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)沒有機械連接，和機械能量的傳遞。執(zhí)行機構(gòu)使用外來源完成操縱指令及相應(yīng)任務(wù)，其執(zhí)行過程和結(jié)果受電子控制器的監(jiān)測和控制14。圖9底盤線控技術(shù)的關(guān)鍵是線控制動系統(tǒng)和線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，如圖9是兩個系統(tǒng)的構(gòu)架圖一個是對執(zhí)行機構(gòu)的控制，就是對前輪轉(zhuǎn)向角或者車輪制動力的控制 一個是對操縱機構(gòu)的控制，即對轉(zhuǎn)向盤力矩或

16、者制動踏板力的控制。這兩個控制系統(tǒng)使用外來電能，他們之間沒有機械運動和機械能量的傳遞，只有不斷的信息交換15。4.2線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（steer by wire）嚴格來說線控轉(zhuǎn)向技術(shù)還處于研發(fā)階段，如圖10它有轉(zhuǎn)向盤，轉(zhuǎn)向盤力矩模擬電機，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換器，控制單元，電能供給系統(tǒng)，電能和信息管理系統(tǒng)以及車輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)組成。當(dāng)駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向時，一方面轉(zhuǎn)向盤力矩模擬電機要根據(jù)汽車的運動狀況，計算出轉(zhuǎn)向盤的回正力矩，為駕駛員模擬路感。一方面執(zhí)行電機要根據(jù)駕駛員的意向?qū)η拜喌霓D(zhuǎn). 角進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)和控制16。43線控制動技術(shù)（brake by wire）線控技術(shù)分為兩大類EHB(electric h

17、ydraulic brake )和EMB(e2lectro2mechanic brake)兩大類。如圖11線控制動系統(tǒng)主要由三部分組成：接收單元，制動踏板，踏板行程傳感器等，制動控制器ECU接收制動踏板發(fā)出信號，控制駐車制動，接收駐車制動信號，控制駐車制動，接收車輪傳感器信號，識別車輪是否抱死，打滑等，控制車輪制動力，實現(xiàn)防抱死和驅(qū)動防滑，并兼顧其他系統(tǒng)的控制。圖10圖11線控制動的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單清潔環(huán)保，線控制動系統(tǒng)器件制造，裝配，測試簡單快捷，易于布置，安全性高。線控技術(shù)優(yōu)化ABS性能，提高制動性能。線控技術(shù)是一種新的制動理念，它提高了汽車的安全性。使現(xiàn)代汽車的制動技術(shù)朝著線控方向發(fā)展，同

18、時，隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，電子尺寸不斷減小，電子元件成本不斷下降，汽車線控制動系統(tǒng)將與其他汽車電子系統(tǒng)，一起成為綜合的汽車電子控制系統(tǒng)17。5總結(jié)與展望電子技術(shù)在汽車技術(shù)中廣泛應(yīng)用，使汽車底盤的控制正在快速的向電子化，智能化和網(wǎng)絡(luò)化，方向發(fā)展，所以出現(xiàn)許多汽車底盤電子控制系統(tǒng)。ABS,TCS,ESP,這些技術(shù)挺成熟，性能好，成本低廉的電子控制系統(tǒng)在汽車中的安裝率逐年上升。各種電子轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)如AFS,ESP,RWS也不斷的安裝到中高檔轎車里。汽車電子轉(zhuǎn)向控制會在必要的時間向駕駛員提出合理的建議或者對駕駛員的指令進行合理的修正。在一些豪華轎車里也開始應(yīng)用電子懸掛控制系統(tǒng)，如ARC和CDC等。為

19、了讓各種汽車底盤控制系統(tǒng)更和諧，更有效的工作，汽車工業(yè)界正在研究和制定汽車開放性系統(tǒng)架構(gòu)AUTOSAR。隨著電子傳感技術(shù)的進一步發(fā)展和完善，通過網(wǎng)絡(luò)化，將這些新的信息同汽車底盤電子控制系統(tǒng)結(jié)合，將會出現(xiàn)更多的新功能和新系統(tǒng)，如ACC，前向車輛碰撞警告和自動緊急制動系統(tǒng)，車道偏離警告和車線維持系統(tǒng)等。參考文獻1李剛.汽車底盤控制技術(shù)的現(xiàn)狀綜述吉林大學(xué).20112陳幀服.汽車底盤控制現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢研究汽車工程20113Robert Bosch CmbH.Sicherheits2undKomfortsystemeMVerb20044劉顯貴.汽車底盤關(guān)鍵系統(tǒng)的集成與研究.合肥工業(yè)大學(xué)20105齊志全.

20、汽車主動安全電子技術(shù)的發(fā)展中國集成電路.20106王平平.汽車底盤控制現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢的研究.科技創(chuàng)業(yè)家20107趙樹恩.車輛底盤集成控制.重慶大學(xué)20109王鐵強.淺談汽車底盤線控技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展J才智2010年22期10邱官升.劉茜 汽車安全的底盤新技術(shù)J.硅谷，2010年第17期11朱冰，許滄粟汽車底盤技術(shù)發(fā)展綜述.機械科學(xué)與技術(shù)2010,12期12李亮.汽車底盤新技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀.電子制作201413李鵬飛.汽車底盤控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.科研201514辛磊.汽車底盤控制的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢城市建設(shè)理論研究201515杜曉輝.汽車底盤技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢科技創(chuàng)新導(dǎo)報201316汪衛(wèi)東.國外

21、客車技術(shù)及發(fā)展趨勢.運輸經(jīng)理世界200417韋東亮.當(dāng)今汽車底盤控制技術(shù).科技風(fēng)2014Status and Tendency of the Vehicle Chasses Control TechnologyWu Yu Kai(Institute of Automobile Engineering DeZhou University,ShanDong 253023)AbstractThe wide application of the electronic control systems in the vehicle chassis is technology has improved the vehicle active safety largely. The commonly used chassis control systems can be classified into braking control traction control steering control and suspension control The following items are introduced the global chassis control（G