汽車底盤控制技術(shù)的研究與分析

1、汽車底盤控制技術(shù)的研究與分析摘要：隨著汽車技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了各種針對(duì)汽車不同的功能子系統(tǒng)(單系統(tǒng))而設(shè)計(jì)的控制器。汽車底盤控制技術(shù)的關(guān)鍵是如何采取有效合理的整合控制策略,在各系統(tǒng)共享傳感器信息的條件下,消除各系統(tǒng)間的沖突和干涉,進(jìn)而整體上改善車輛性能。本文首先論述了車輛底盤控制系統(tǒng)的三個(gè)發(fā)展歷程及技術(shù)特點(diǎn),然后對(duì)車輛底盤控制技術(shù)的發(fā)展做出展望。 關(guān)鍵詞：車輛； 底盤控制； 集成控制； 智能控制 Abstract: with the development of automobile industry, is made up of many different function of car s

2、ubsystem (single system) and the controller design. Automobile chassis control technology is key to how to take effective integration of reasonable control strategy, in every system under the condition of the sensor information sharing, eliminate the conflict between the system and interference, and

3、 then, on the whole, improve vehicle performance. This paper first discusses the vehicle chassis control system development and the three technical characteristics, and then for vehicle chassis control technology development make prospect. Keywords: vehicles; Chassis control; Integrated control; Int

4、elligent control 中圖分類號(hào)：F407.471文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： 根據(jù)車輛底盤控制技術(shù)在時(shí)間上的發(fā)展順序及控制系統(tǒng)的控制目標(biāo), 車輛底盤控制系統(tǒng)的發(fā)展大體可分為三個(gè)階段: 第一階段的底盤控制技術(shù)是以車輛的單一性能為控制目標(biāo)的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)通常是通過優(yōu)化路面和輪胎間的相互作用來提高車輛的動(dòng)態(tài)性能。車輛在路面上行駛時(shí), 輪胎和路面間的作用力可分解為三個(gè)方向的分力, 即縱向力、側(cè)向力和垂直方向的力。防抱死制動(dòng) 系統(tǒng) ABS ( anti-lock brake sys-tem) , 四輪驅(qū)動(dòng) 4WD( four- wheel driving) 和牽引力控制系統(tǒng)( T RC/

5、 TCS/ ASR) 是用來優(yōu)化縱向動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的三個(gè)系統(tǒng)。ABS 是目前在汽車上應(yīng)用最普及的控制系統(tǒng), 也是電子控制技術(shù)在汽車上最有成效的應(yīng)用項(xiàng)目之一。它是以標(biāo)志汽車車輪滑移成分多少的滑移率作為控制目標(biāo), 在制動(dòng)時(shí)保證車輪在非抱死狀態(tài)下具有最大的制動(dòng)力矩和最短的制動(dòng)距離, 從而防止汽車因車輪抱死而喪失操縱性和安全性。4WD 也叫全輪驅(qū)動(dòng) AWD( all-wheeldriving) , 比兩輪驅(qū)動(dòng)具有更好的牽引性能。1970年以前主要應(yīng)用于越野車輛, 目前以高級(jí)轎車為中心迅速普及。該技術(shù)根據(jù)前后軸的轉(zhuǎn)速信息, 控制并分配前后軸驅(qū)動(dòng)力, 使汽車具有防滑能力、良好的加速性和行駛穩(wěn)定性。T RC 的

6、控制目標(biāo)與 ABS相反, 它是以標(biāo)志汽車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)成分多少的滑轉(zhuǎn)率為控制目標(biāo)的,其作用是防止汽車在加速和起步過程中車輪滑轉(zhuǎn), 特別是防止車輛在非對(duì)稱路面或在轉(zhuǎn)彎時(shí)驅(qū)動(dòng)輪空轉(zhuǎn), 保持車輛的方向穩(wěn)定性和最佳的驅(qū)動(dòng)力分配。ABS、4WD 和 TRC 都是根據(jù)附著系數(shù)和滑移率的關(guān)系曲線, 控制滑移率或滑轉(zhuǎn)率在某一范圍, 從而改善車輛在某極限狀態(tài)下仍具有較好的穩(wěn)定性和操縱性。四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 4WS( four-wheel steering) 和直接橫擺率控制系統(tǒng) DYC( direct yaw moment con-trol) 是保證車輛側(cè)向動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的控制系統(tǒng)。4WS 是提高汽車操縱穩(wěn)定性和主動(dòng)安全性最普

7、通的底盤控制策略。它根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)角與輪胎側(cè)偏力成比例的特性, 通過控制質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度, 保證車輛的側(cè)向動(dòng)態(tài)性能。在側(cè)向加速度較小時(shí), 方向盤轉(zhuǎn)角與輪胎側(cè)偏力成比例, 因而能得到較好的控制效果。當(dāng)側(cè)向加速度較高時(shí), 輪胎側(cè)偏力呈現(xiàn)出較強(qiáng)的非線性, 不再與方向盤轉(zhuǎn)角成比例, 只能通過 DYC 系統(tǒng)直接控制橫擺力矩來保證車輛的側(cè)向動(dòng)態(tài)性能。這也是 4WS 和 DYC 兩個(gè)控制系統(tǒng)的最主要的區(qū)別。用來控制車輛在垂直方向上動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的控制系統(tǒng)主要是主動(dòng)/ 半主動(dòng)懸架( ACT-SUS/ Semi-A CT- SU S, active suspension/ Semi-act ive suspen

8、-sion) 控制系統(tǒng)。目前, 半主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段, 主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜和成本高等因素, 只有少數(shù)幾款排量大的高檔車上有應(yīng)用。半主動(dòng)懸架通過輸入較少的調(diào)節(jié)能量來局部改變懸架系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性, 即改變懸架的彈性元件的剛度 K 或減振器阻尼系數(shù) C, 從而保證車輛在垂直方向上的穩(wěn)定性。主動(dòng)懸架與半主動(dòng)懸架的主要區(qū)別在于, 主動(dòng)懸架需要有執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)懸架系統(tǒng)施加控制力, 消耗能量較多。不同的控制方法其控制參數(shù)也不盡相同, 但最終都是使車輛能夠根據(jù)運(yùn)行工況和路面條件, 調(diào)節(jié)懸架剛度、阻尼及車身高度到最佳狀態(tài), 以保證懸架在任意工況下都具有最佳的平順性和操縱穩(wěn)定性。 第二階段底盤

9、控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是: 以整車或部分性能綜合考慮作為控制目標(biāo), 使用電子驅(qū)動(dòng)部分或全部代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械控制結(jié)構(gòu)。目前, 在這類集成控制系統(tǒng)中, 已經(jīng)得到應(yīng)用的控制系統(tǒng)主要有電子穩(wěn)定程序 ESP( electronic stability program) 控制系統(tǒng)以及線控驅(qū)動(dòng) DBW( driving by wire) 系統(tǒng), 其中包括線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng) SBW( steering by wire) 、線控制動(dòng)系統(tǒng) BBW( braking by wire) 及線控油門 TBW( throttle by wire) 等, 可統(tǒng)稱為 XBW。ESP 是 20 世紀(jì) 90 年代中期, 在 ABS 和 TRC的

10、基礎(chǔ)上發(fā)展起來的, 被認(rèn)為是汽車主動(dòng)安全技術(shù)發(fā)展的里程碑, 全球只有為數(shù)不多的幾家國(guó)外汽車零部件制造商生產(chǎn)該系統(tǒng)。ESP 可以被看作是A BS 和 T RC 的集成控制系統(tǒng), 它通過感知車輛橫擺角速度、橫向加速度、方向盤轉(zhuǎn)角和制動(dòng)壓力等參數(shù)的傳感器, 精確控制每一個(gè)車輪的滑移率, 使各個(gè)車輪的縱向和側(cè)向力調(diào)整至最佳, 從而使車輛在所有的工況下都能獲得所期望的操縱穩(wěn)定性。隨著電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用和 CAN 總線技術(shù)的日臻完善, 早期應(yīng)用于飛機(jī)駕駛控制的線控驅(qū)動(dòng)技術(shù), 由于在降低制造成本、減輕整車質(zhì)量和改善車輛動(dòng)態(tài)性能等方面的優(yōu)勢(shì), 從 21 世紀(jì)初開始成為許多世界級(jí)汽車公司競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展的目標(biāo), 并在其

11、生產(chǎn)的概念車和幾款頂級(jí)配置車輛上得到應(yīng)用。傳統(tǒng)的車輛轉(zhuǎn)向和制動(dòng)等機(jī)構(gòu)是獨(dú)立工作的, 他們對(duì)車輛某些參數(shù)的要求是相反的, 為了達(dá)到整體性能的平衡, 就只能對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行折中選擇, 這使得車輛的整體性能大打折扣。理論上的 XBW 取消傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng), 使用傳感器實(shí)時(shí)感知車輛工況及路況, 并將信息傳送給主控單元 ECU 進(jìn)行分析判斷和計(jì)算, 得出結(jié)果, 再由ECU 發(fā)出控制指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu), 調(diào)整車輛參數(shù)至最佳狀態(tài), 達(dá)到控制目的。盡管 XBW 在提高車輛整體性能上有如此多的優(yōu)勢(shì), 但由于該系統(tǒng)的電子電氣部件的可靠性要比機(jī)械部件低, 所以安全性和可靠性仍是不可忽視的問題, 需要系統(tǒng)具有盡可能多的容錯(cuò)能

12、力。解決此問題的方法有兩種: 一是使用兩套電子系統(tǒng)互為冗余; 二是再使用一套機(jī)械系統(tǒng)作為備用?？紤]現(xiàn)在的技術(shù)水平, 后者似乎比較合適。線控驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展的最終目標(biāo)是將汽車的制動(dòng)系統(tǒng)、離合系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、變速和懸架等系統(tǒng)相互結(jié)合、相互作用, 更好地發(fā)揮各個(gè)子系統(tǒng)的性能, 以求獲得最佳的汽車整體性能, 提高汽車的操縱性、穩(wěn)定性和安全性, 使汽車具有一定的智能化。 第三階段是智能車輛控制技術(shù)。除了把現(xiàn)有的底盤控制技術(shù)組成協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)外, 它的重要改進(jìn)就是使用引導(dǎo)車輛在路上行駛的外部傳感器。碰撞緩沖系統(tǒng) CMS( collision miti-g at ion syst em ) 就是這類技術(shù)的代表。CMS 系統(tǒng)在車輛頭部安裝雷達(dá)探測(cè)車輛前方路況, 通過制動(dòng)控制系統(tǒng)減小碰撞中的危險(xiǎn)。這些系統(tǒng)未能改善車輛的動(dòng)態(tài)性能, 而是用外部傳感器使車輛智能化, 并且大大的減輕了駕駛員的操作負(fù)擔(dān), 其最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛。 結(jié)語(yǔ) 智能車輛是控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的有機(jī)結(jié)合,它們之間的協(xié)調(diào)對(duì)高效的底盤控制是十分重要的。除了車輛系統(tǒng)本身的發(fā)展, 集成智能車輛的