加速防滑控制系統

汽車在路面上行駛時,其車輪的驅動力不但取決於發動機輸出扭矩和傳動系的速比,而且受到車輪輪胎與路面附着條件的限制。當車輪的驅動力超過輪胎與路面間的附着力時,車輪就會產生滑轉現象。汽車起步和加速行駛時,如果路面附着力較小,車輪的驅動力常會超過車輪輪胎與路面的附着力,發生驅動車輪過度滑轉,這不但降低汽車的驅動性能,加劇車輪輪胎磨損,增加燃油消耗,而且汽車的操縱性、穩定性和安全性也大大降低。

由於車輪與路面的附着力與車輪輪胎結構、路面狀況、天氣情況、車速等諸多因素有關,是一個變化範圍很廣的不確定量。

大量試驗證明,滑轉率和車輪與路面間的附着力有直接的關係,而且附着力與附着係數在一定條件下成正比。綜合考慮縱向和側向附着係數,比較理想的驅動車輪縱向滑轉率應略小於最高附着係數所對應的滑轉率,即在0. 05～0. 30之間,這樣不但可以保證汽車具有良好的牽引性,同時又具有一定的側向穩定性。汽車驅動防滑控制就是在驅動過程中,將驅動車輪滑轉率控制在0. 05～0. 30範圍內,從而提高驅動車輪的牽引力。 ^[1] 

汽車驅動防滑控制系統是在ABS的基礎上發展起來的,它與ABS共用輪速傳感器、控制機構和壓力驅動元件等,並擴展了電子控制單元ECU功能,增設了節氣門控制機構、ASR開關指示燈和ASR診斷系統等。其工作過程為:

(1)在汽車行駛過程中,輪速傳感器將驅動車輪轉速及非驅動車輪轉速轉變為電信號傳送給電子控制單元ECU,ECU則根據車輪轉速計算出驅動車輪的滑轉率。

(2)如果驅動車輪發生過度滑轉,滑轉率超出了目標範圍,ECU再綜合參考由主、副節氣門位置傳感器傳來的節氣門開度信號,發動機轉速信號等因素確定控制策略,並向相應的控制機構發出指令使其工作,不斷調整節氣門開度和發動機輸出扭矩,從而使汽車的驅動車輪始終處於最佳的滑轉範圍內。

(3)如果ASR系統的某個部件發生故障,ASR診斷系統將通過儀表盤上的工作指示燈顯示。

發動機節氣門開度調節與驅動車輪制動力矩干預相結合的ASR系統框圖,如圖1所示。

汽車驅動車輪的滑轉是因驅動力超過了車輪與路面間的附着力而造成的,可以通過調節發動機的輸出轉矩、變速器的傳動比、差速器的扭矩分配係數和驅動車輪的制動壓力來滿足驅動車輪不發生滑轉的條件。

通過控制發動機輸出扭矩,可以控制傳遞到驅動輪上的扭矩,從而實現汽車驅動防滑控制。目前控制發動機輸出扭矩主要有如下3種模式:

①　調節節氣門開度

在發動機原節氣門的基礎上,串聯一個副節氣門,由節氣門控制機構調節其開度,從而實現對發動機的輸出扭矩控制。這種控制模式工作比較平穩,但它響應較慢,需要和其它控制模式配合使用。

②　調節供油量

對於電控發動機,調節發動機的供油量可以由驅動防滑電子控制裝置與發動機電子控制裝置進行通訊,再由發動機電子控制裝置控制供油量。當發現驅動輪發生過度滑轉時,電子控制裝置將自動減少供油量,甚至中斷供油,以減小發動機輸出扭矩。調節供油量是一種比較易於實現的驅動防滑控制模式,但它影響發動機和傳動系的壽命,且排放惡化。

③　調節點火提前角或噴油提前角

對於電控發動機,同樣可以由驅動防滑電子控制裝置與發動機電子控制裝置進行通訊,再由發動機電子控制裝置推遲發動機的點火時刻或噴油時刻。該調節方式是一種比較快速的驅動防滑控制模式,但它影響發動機和傳動系的壽命。

通過控制變速器的傳動比來改變傳遞到驅動車輪的驅動扭矩,減小驅動車輪滑轉程度,從而實現驅動防滑控制。

對於裝備自動變速器的汽車,在驅動車輪發生滑轉時,可由驅動防滑轉電子控制裝置與變速器電子控制裝置進行通訊,修正其換檔規律,保證在發動機輸出轉矩不增大的情況下使作用於驅動車輪的驅動力矩有所減小,從而控制驅動車輪的滑轉。該控制模式可以利用變速器電子控制系統,但反應較慢,且變化突然,一般不作為單獨的控制模式。

通常的錐齒輪差速器具有等扭矩分配特性,這種分配特性在各驅動車輪與路面之間附着力不同的情況下,不能充分利用各驅動車輪的附着力。而對差速器進行鎖止控制,可以使驅動車輪的驅動扭矩根據路面情況而變化。

當路面兩側附着係數差別較大時,若低附着係數一側驅動車輪發生滑轉時,通過對差速器進行鎖止控制,使高附着係數一側驅動車輪的附着力得以充分發揮,從而提高驅動車輪的牽引力。但該控制模式成本較高,影響操縱性和汽車轉彎。

驅動車輪制動干預是通過對發生滑轉的驅動車輪施加適度的制動力矩,使驅動車輪的驅動力矩有所減少,從而達到控制驅動車輪滑轉的目的。它是在防抱死制動系統的基礎上,增設少量的硬件,如制動供能裝置、電磁閥等;並對軟件的功能進行擴展,使其能夠利用制動供能裝置儲存的能量對滑轉的驅動車輪施加適度的制動力矩,從而使各驅動車輪的附着力得到充分利用,獲得最大的牽引力。該方式響應時間最短,是防止滑轉的最迅速的一種控制方式,但驅動車輪制動干預一般與發動機輸出扭矩調節結合起來應用,即干預制動後要緊接着調節發動機輸出扭矩。否則,可能會出現制動力矩和發動機輸出扭矩之間無意義平衡,併產生無謂功率消耗。

ABS的產業化為研究與開發ASR系統創造了有利條件,但研究與開發ASR系統還必須解決諸多關鍵技術和難點。

1、發動機節氣門開度調節與驅動車輪制動干預的協調技術

目前ASR系統是通過調節節氣門開度和驅動車輪制動干預相結合的控制模式來完成。由於這種控制模式是由反應時間不同的制動控制和發動機控制組成的,所以兩者怎樣協調使ASR系統的調節效果達到最佳,則是研究與開發ASR系統的必須解決的關鍵技術之一。

2、ASR系統的道路識別技術

由於邏輯門限控制方法具有結構簡單、成本較低等特點,所以目前大多數ASR控制系統都採用基於最佳滑移率控制為目標的邏輯門限控制方法。但是邏輯門限值的確定要考慮汽車的各種參數,驅動過程中的各種工況、外界條件及可能的變化等極其複雜的因素。在不同的道路條件下,作為重要控制參數的滑移率,和車輪與路面之間的峯值附着係數一樣,不是一個固定的值。因此,ASR的控制系統應根據汽車所處的道路狀況採取不同的控制門限值,進行動態控制。所以,道路識別技術成為研究與開發ASR系統的一個技術難點。

3、ASR系統的傳感器技術

與驅動車輪滑移率有關的汽車車輪中心速度v_a及驅動車輪的角速度k都是ASR系統中重要的控制參數量,其值需要精確地測取。但現在的大多數ASR系統中,這2個控制參數量都分別是通過測量汽車的非驅動車輪和驅動車輪轉速,並經一定的數學換算得到,而忽略了諸多外部因素的影響,不能夠準確地反映車輪的滑轉狀態,給準確地進行ASR控制帶來困難。因此發展新型傳感器技術將是推廣和應用ASR技術的關鍵。

4、執行機構滯後的處理技術

ASR系統從數據採集到獲得驅動力矩變化,在各個傳遞環節上需要消耗時間,如制動系統增壓、減壓遲滯及節氣門調節滯後等。驅動力矩的調節存在滯後,影響驅動力矩調節效果,因此,如何消除執行機構滯後的影響,是研究與開發ASR系統工作的技術難點之一。

5、電子控制裝置的抗干擾技術

電子干擾能使電子控制裝置輸入的數字信號出錯和輸出的控制信號混亂,導致一系列嚴重後果。另外,在ASR控制期間,離合器處於接合狀態,發動機的慣性、傳動系統的振動會產生機械干擾,也給ASR控制帶來不利影響。因此,提高ASR系統抗干擾能力,是研究與開發ASR系統必須解決的技術難題。

6、ASR系統的集成化技術

ASR系統的集成化是ASR系統研究的一個技術難點,也是其未來的發展方向。在國外,ASR系統的控制元件與執行元件一體化的研究已經有所進展,將ASR技術與汽車動力學控制系統(Vehicle Dynamics Control簡記為VDC )等系統的集成化是未來發展的方向。

(1)汽車加速防滑控制系統可以採用控制發動機輸出扭矩、控制變速器的傳動比、差速器鎖止控制和驅動車輪制動干預等主要控制模式,也可以採用組合控制模式,從而實現驅動防滑控制的目的。發動機節氣門開度調節和驅動輪制動干預相結合的控制方式,是目前國外廣泛採用的一種組合控制模式。

(2)汽車加速防滑控制系統是一種新型主動安全控制技術,目前國外正朝着與VDC等系統的集成化方向發展。我國的ASR的研究工作起步比較晚,目前處在初期研究和探索階段,但隨着機電技術、計算機控制技術和傳感器技術的迅速發展,如果在ASR系統研究與開發的關鍵技術能夠趕上時代的步伐,並且有所創新,那麼我國ASR系統的自主研製、開發和產業化工作將進入一個嶄新階段。 ^[2]