汽車(chē)電子底盤(pán)控制系統(tǒng)ch5車(chē)輛穩(wěn)定性

1、Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen課程內(nèi)容n Ch1. 底盤(pán)電子系統(tǒng)發(fā)展概況n Ch2. 電子懸架系統(tǒng)n Ch3. 電控轉(zhuǎn)（EHPS,EPS,AFS,SBW）n Ch4. 制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（ABS）n Ch5. 車(chē)輛性系統(tǒng)（VDC/VSC/ESP）2013/5/13Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System2Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Uni

2、v.,hui-chen學(xué)底盤(pán)電子系統(tǒng)(Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System)同濟(jì)大學(xué) 汽車(chē)學(xué)院2013年5-6月2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System1Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chenn 影響車(chē)輛側(cè)向運(yùn)動(dòng)的主要因素有哪些？n 這些影響因素會(huì)造成什么樣的現(xiàn)象或后果？n 如何才能抑制這些影響因素所造成的后果？n 車(chē)輛性系統(tǒng)（ESP

3、）的作用？n 車(chē)輛性能主要有哪些評(píng)價(jià)指標(biāo)？2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System4Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen車(chē)輛性系統(tǒng)(Vehicle Dynamics Control VDC; Vehicle Stability Control VSC; Electronic Stability Program ESP; Dynamics Stability Control - DSC)n 概述（基本概念、

4、系統(tǒng)分類(lèi)、發(fā)展趨勢(shì)）n 基本原理n 系統(tǒng)組成n 工作原理n 技術(shù)2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System3Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen1 概述各種動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的作用時(shí)機(jī)和效果：ABS：可防止制動(dòng)時(shí)車(chē)輪抱死； ASR/TCS：可防止驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)時(shí)發(fā)生； VDC/VSC/ESP：是ABS和ASR系統(tǒng)的發(fā)展和集成，在各種行駛工況下利用橫擺力偶矩來(lái)防止出現(xiàn)難以的側(cè)滑現(xiàn)象，特別是大側(cè)向度、大側(cè)偏角的極限工況時(shí)能

5、提高車(chē)輛側(cè)向性和行駛安全性的極限。前后輪側(cè)偏角:a1=-(d-x)=b+awr/u-d在汽車(chē)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 概述一項(xiàng)德國(guó)的研究表明，25造成嚴(yán)重的交通事故和60引起的交通事故都是因?yàn)檐?chē)輛側(cè)滑所致。側(cè)向性能夠?qū)?8%的交通事故，34%的致命交通事故產(chǎn)生有效的預(yù)防作用。ASR: Accelerat

6、ion Slip Regulation; TCS: Traction Control System2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System5側(cè)向性VDC/VSC/ESP/側(cè)向動(dòng)力學(xué)Lateral Dynamics Control動(dòng)力學(xué)ABS制動(dòng)防抱死ASR/TCS驅(qū)動(dòng)防滑縱向動(dòng)力學(xué)Longitudinal Dynamics ControlChapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen1 概述ESP (Electro

7、nic Stability Program) : Bosch公司的電子性程序。VDC (Vehicle Dynamics Control) : Bosch公司的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。DSC (Dynamics Stability Control) : 寶馬公司的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。VSC (Vehicle Stability Control) : 豐田公司的車(chē)輛性系統(tǒng) 。VSA（Vehicle Stability Assist）：本田公司的汽車(chē)性輔助系統(tǒng)雖然各公司對(duì)其稱(chēng)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系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)除了ABS和ASR的優(yōu)點(diǎn)之外，VDC還在以下幾方面主動(dòng)安全性：n 即使在臨界的側(cè)向動(dòng)態(tài)狀況也能提供給駕駛員一種主動(dòng)的支持；n 在所有工作模式達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)也可增強(qiáng)車(chē)輛的和行駛能力；n 即使在轉(zhuǎn)向操作中，也可增強(qiáng)車(chē)輛的性，使迅速減少；n 車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)能力并縮短制動(dòng)距離。2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System7Chapt

9、er 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen2 基本原理n 當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，若側(cè)向 度較小，輪胎的側(cè)向力與側(cè)偏角近似成線(xiàn)性 ，此時(shí)車(chē)輛轉(zhuǎn)彎半徑與轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角近似為線(xiàn)性 ，駕駛員可很容易的 車(chē)輛。n 當(dāng)側(cè)向 度較大時(shí)，由于輪胎的側(cè)向力與側(cè)偏角成非線(xiàn)性 ，此時(shí)若司機(jī)進(jìn)一步增大轉(zhuǎn)角，車(chē)輛轉(zhuǎn)彎半徑不再成比例減小，駕駛員將不能準(zhǔn)確地 車(chē)輛。n 此極限情況下，若前輪先側(cè)滑，則車(chē)輛 駛離車(chē)道(Flow/Drift-out)；若后輪先側(cè)滑，易出現(xiàn)車(chē)輛急轉(zhuǎn)(Spin)現(xiàn)象。穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益: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不同車(chē)型的ESP裝載率Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen2 基本原理汽車(chē)輪胎受地面力的n 汽車(chē)輪胎受地面的三個(gè)力： X方向的作用力，即縱向的制動(dòng)和牽引力； Y方向的作用力，即側(cè)偏力；

11、 Z方向的作用力，即地面垂直力?？v向力和側(cè)偏力的橢圓側(cè)偏力和側(cè)偏角的2s EFZFYFXFXFYFZChapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen2 基本原理極限工況下VDC/VSC/ESP 效果前輪側(cè)滑Æ后輪內(nèi)側(cè)制動(dòng)后輪側(cè)滑Æ前輪外側(cè)制動(dòng)2014/6/17Automotive ElectronicsCChapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen3 組成n 車(chē)輛性系統(tǒng)是ABS和ASR/T

12、CS系統(tǒng)的發(fā)展，一般由傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和ECU等部分組成。n 傳感器：輪速、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角、縱向和側(cè)向度、橫擺角速度、制動(dòng)傳感器等。n 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：給車(chē)輪施加制動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（ABS）和用于驅(qū)動(dòng)力的節(jié)氣門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（ASR）。n ECU：車(chē)輛程序。n 與ABS、ASR相比，性系統(tǒng)主要增加了轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角、縱向和側(cè)向度、橫擺角速度、制動(dòng)等傳感器。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是通過(guò)對(duì)車(chē)輪上的縱向力（驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力）進(jìn)行調(diào)節(jié)以提供車(chē)輛的橫擺力矩，來(lái)減小或消除車(chē)輛行駛方向的偏差，在保證駕駛員希望的行駛軌跡的同時(shí)，保證車(chē)輛的行駛性。n VDC/VSC/ESP的被量(controlled signals)或輸出量(measurement)為汽車(chē)的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角，控制量(control signal)為左右縱向力差產(chǎn)生的橫擺力矩。2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System13Chapter 5Hui CHEN, School of Auto

14、motive Studies, Tongji Univ.,hui-chen3 組成 調(diào)節(jié)單元+電子橫擺角速度+2軸 單元度的傳感器，具有CAN通信功能Bosch ESP2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System16輪速傳感器轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen3 組成大眾公司的車(chē)輛穩(wěn)定性系統(tǒng)實(shí)例2014/6/1715Chapter 5Hui CHEN, School of Automotiv

15、e Studies, Tongji Univ.,hui-chen3 組成轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System18Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen3 組成3.1 傳感器n 轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System17Chapter 5Hui CHEN, School of Auto

16、motive Studies, Tongji Univ.,hui-chen3.1 傳感器n 側(cè)向度傳感器電容式傳感器：由兩個(gè)電容器串聯(lián)一起，當(dāng)沒(méi)有側(cè)向度時(shí)，中間電容器片與兩邊電容器片之間距離相同，兩個(gè)電容器電容一樣。當(dāng)有側(cè)向 度時(shí)，就會(huì)使電容器片之間距離發(fā)生變化，兩個(gè)電容器電容不等，根據(jù)電容差就可計(jì)算出位移量，從而計(jì)算出側(cè)向 度大小。MEMS (Micro Electromechanical System，微電子機(jī)械系統(tǒng))集微型傳感器、執(zhí)行器、信號(hào)處理和2 能化、多功能、高集成度和適于大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studie

17、s, Tongji Univ.,hui-chen3.1 傳感器n 側(cè)向度傳感器主要有兩種，一種是傳感器，另一種是電容式。傳感器：磁鐵通過(guò)一個(gè)彈與減振底版相連。當(dāng)汽車(chē)有側(cè)向度時(shí)，磁鐵在慣性力作用下來(lái)回?cái)[動(dòng)， 與元件產(chǎn)生相對(duì)位移。側(cè)向度越大，相對(duì)位移越大，元件上產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)越高。2014/6/1719Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen3.1 傳感器n 橫擺角速度傳感器振動(dòng)殼角速度傳感器：基本部件是一個(gè)小的金屬空心圓柱體， 上有4對(duì)8個(gè)壓電元件，其中4個(gè)用于激振，使圓柱體處于諧振狀態(tài)，4個(gè)用來(lái)測(cè)

18、量圓柱體節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)。當(dāng)無(wú)橫擺角速度時(shí)， 圓柱體無(wú)扭矩作用，4個(gè)測(cè)量片輸出為0；當(dāng)有橫擺角速度時(shí)， 振動(dòng)波節(jié)發(fā)生變化，4個(gè)測(cè)量片根據(jù)振動(dòng)測(cè)量角速度。2014/6/122Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen3.1 傳感器n 橫擺角速度傳感器主要有兩種，一種是基于石英技術(shù)的線(xiàn)性振動(dòng)系統(tǒng)，如壓電調(diào)諧叉；另一種是振動(dòng)殼角速度傳感器。壓電調(diào)諧叉：有4個(gè)壓電元件，下端用于驅(qū)動(dòng)，上端用于測(cè)量。當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，科氏 度產(chǎn)生的力使叉子末端的撓度超出其擺動(dòng)平面，使得安裝在叉子上端的壓電元件產(chǎn)生振動(dòng)，從而測(cè)得角速

19、度。2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System21Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen3.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)n 制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：VSC較ABS增加了加壓系統(tǒng)的油路、 電磁閥和傳感器，還提升了泵與電機(jī)的能力。VSC具有的主動(dòng)加壓功能還可用于制動(dòng)輔助(Break Assist)、 碰撞緩解制動(dòng)(Pre-crash Break)、ACC等需要和停車(chē)的功能中 。鑒于降低噪聲的要求，多采用脈動(dòng)小的齒輪泵。n 節(jié)氣門(mén)位置調(diào)節(jié)器

20、：根據(jù)ECU 指令，氣門(mén)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 傳感器n 制動(dòng)傳感器安裝在制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主缸輸入端，用于檢測(cè)駕駛員的制動(dòng)意圖。采用橋式連接的應(yīng)變片與增幅電路集成在一塊上， 輸出與成比例的電壓。2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control

21、System23Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen3.3 ECUn ECU：邏輯、算法和程序。2014/6/17Automotive ElectronChapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen3.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)n 制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System25Chapter 5Hui CHEN,

22、School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen4 工作原理n 實(shí)際工作流程：首先要確定駕駛員的輸入，在物理極限的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下，車(chē)輛應(yīng)表現(xiàn)如何（名義表現(xiàn)），以及實(shí)際上它表現(xiàn)如何（實(shí)際表現(xiàn)）。為了盡量減小名義和實(shí)際之間的差別（偏差），系統(tǒng)借助于執(zhí)行器對(duì)輪胎縱向力進(jìn)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：由于車(chē)輛的行駛狀態(tài)主要由

23、行駛車(chē)速、側(cè)向度和橫擺角速度來(lái)反映，因此車(chē)輛性系統(tǒng)的ECU能根據(jù)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角和制動(dòng)主缸等信號(hào)判定駕駛員的駕駛意圖， 計(jì)算出理想的車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)與各傳感器測(cè)得的 車(chē)輛實(shí)際狀態(tài)比較，根據(jù)邏輯計(jì)算出期望的橫擺力矩， 然后通過(guò)制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)各車(chē)輪施加制動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)所需 橫擺力矩。同時(shí)，可根據(jù)需要調(diào)整發(fā)輸出轉(zhuǎn)矩，以改 變驅(qū)動(dòng)力，調(diào)節(jié)車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)。2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System27Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tong5技術(shù)5.1方式方式主

24、要有：制動(dòng)力和發(fā)。n 制動(dòng)力：根據(jù)各車(chē)輪制動(dòng)時(shí)車(chē)輛橫擺力矩的變化特性（隨制動(dòng)力的增加，其產(chǎn)生的橫擺力矩有的迅 ，有的很快變負(fù)值，有的先負(fù)又增大）， 對(duì)四個(gè)車(chē)輪的制動(dòng)力進(jìn)行優(yōu)化分配，從而調(diào)整車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)車(chē)輛具有過(guò)度轉(zhuǎn)向趨勢(shì)時(shí)，為了對(duì)車(chē)輛施加向外側(cè)的橫擺力矩， 主要對(duì)回旋外側(cè)前輪施加制動(dòng)力，以調(diào)整車(chē)輛的過(guò)度轉(zhuǎn)向趨勢(shì)；當(dāng)車(chē)輛具有不足轉(zhuǎn)向趨勢(shì)時(shí)，為了對(duì)車(chē)輛施加向內(nèi)側(cè)的橫擺力矩， 主要對(duì)回旋內(nèi)側(cè)后輪施加制動(dòng)力，以調(diào)整車(chē)輛的不足轉(zhuǎn)向趨勢(shì)；2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System30Chapter 5Hui CHEN

25、, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen4 工作原理n 車(chē)輛性系統(tǒng)在整車(chē)的布置：201429Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen5技術(shù)5.2效果n 下面以豐田公司的VSC系統(tǒng)為例說(shuō)明。2014/632Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji Univ.,hui-chen5技術(shù)5.1方式n 發(fā)：發(fā) 就是根據(jù)與車(chē)輛 性要求相應(yīng)的車(chē)輪驅(qū)動(dòng)力來(lái)計(jì)算所需的發(fā) 輸出轉(zhuǎn)矩

26、，將此指令傳給發(fā) ECU，使發(fā) 輸出轉(zhuǎn)矩調(diào)整至所需值。在車(chē)輛嚴(yán)重不足轉(zhuǎn)向情況下高速行駛時(shí)，僅用制動(dòng)力 已超出其極限，此時(shí)必須通過(guò)降低發(fā) 的輸出轉(zhuǎn)矩來(lái)使車(chē)輛 。該 對(duì)前輪驅(qū)動(dòng)車(chē)輛效果更好。在車(chē)輛嚴(yán)重過(guò)度轉(zhuǎn)向情況下高速行駛，也因車(chē)速太快，僅用制動(dòng)力不足以 ，因此必須通過(guò)降低發(fā) 輸出轉(zhuǎn)矩來(lái)使其 。該方式適合于后輪驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。2014/6/17Automotive ElectronicsChassis Electronic Control System31Chapter 5Hui CHEN, School of Automotive Studies, Tongji5技術(shù)5.2效果減小轉(zhuǎn)彎半徑圖6-16是前輪轉(zhuǎn)角為階躍輸入時(shí)，當(dāng)車(chē)輛受到向外側(cè)