汽车ESP系统的分析和研究设计论文Word文档格式.docx
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美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)的一项报告称,在配备了ESC的车辆中,客车单车碰撞事故减少30%,而轿车致命的单车碰撞事故也减少30%。
就运动型多用途车而言,该事故下降率甚至更高,单车碰撞事故减少67%,而致命事故则减少63%。
ESP的装配率因各个国家而异。
根据博世的统计,2005年德国新车ESP装配率约为72%,西欧的平均新车装配率约为44%,在日本和北美,这个数字稍低,北美约为21%,日本约为15%。
而目前中国的装配率还比较低,约为3%。
图1.1:
2003-2005全球主要地区(国家)的新车ESP装配率
目前主要有博世、德国大陆、日本电装、ADVICS、韩国万都、美国德尔福等少数几家公司生产ESP,其中博世占了较大份额。
从博世1995年推出ESP系统10以来,到2006年初博世累计销售了2000万套ESP系统。
1.2ESP的现状和发展趋向
汽车安全性能的提升是汽车业界不断的追求,秉承这一理念,ABS在经过普及阶段以后,目前已进入了产品升级阶段。
业界的一致共识是ABS(防抱死制动系统)将向ESP(电子稳定性控制系统)演化。
市场上ESP已在拓展自己的领地。
在欧洲,2005年大约40的新注册车辆配备了ESP,在高档车上,ESP已经成为了标准配置,中档车上的装配率也迅速提高,在紧凑型车上装配率稍低。
北美和日本的ESP装配率上升也很快。
在中国,目前ESP的装配率还比较低,但是可喜的变化正在显现,以往通常只在高档车上才装配ESP,而今年上市的新车东风雪铁龙的凯旋一汽大众的速腾和上海通用的君越都配有ESP。
汽车电子稳定程序控制系统,英文缩写为ESP(ElectronicStabilityProgram)。
虽然不同的车型,往往赋予其不同的名称,如BMW称其为DSC,丰田、雷克萨斯称其为VSC,而VOLVO汽车称其为DSTC,但其原理和作用基本相同。
ESP系统由电子控制单元(ECU),方向盘转角传感器,轮速传感器,横摆角速度传感器,横向角速度传感器及液压系统组成,ESP除了具有ABS和TCS的功能之外,更是一种智能的主动安全系统。
ESP的ECU通过高度灵敏的传感器时刻监测车辆的行驶状态,并通过计算分析判定车辆行驶方向是否偏离驾驶员的操作意图。
ESP能立刻识别出危险情况,并提前裁决出可行的干预措施使车辆恢复到稳定行驶状态,ESP的干预措施包括对车轮独立的施加制动力;
在特殊工况对变速箱的干预措施;
通过发动机管理系统减小发动机扭矩。
ESP三大特点
1.实时监控:
ESP能够实时监控驾驶者的操控动作、路面反应、汽车运动状态,并不断向发动机和制动系统发出指令。
2.主动干预:
ABS等安全技术主要是对驾驶者的动作起干预作用,但不能调控发动机。
ESP则可以通过主动调控发动机的转速,并调整每个轮子的驱动力和制动力,来修正汽车的过度转向和转向不足。
3.事先提醒:
当驾驶者操作不当或路面异常时,ESP会用警告灯警示驾驶者。
换句话说ESP实际上是一种牵引力控制系统,与其他牵引力控制系统比较,ESP不但控制驱动轮,而且可控制从动轮。
P研究的关键技术
ESP系统的开发有赖于以下几个关键技术的突破。
因此科研人员要在以下几个方面多下功夫,争取研究开发出更加完善和优化的ESP系统。
1.传感技术的改进
在ESP系统中使用的传感器有车辆横摆角速度传感器、横向加速度传感器、方向盘转角传感器、轮速传感器等,它们都是ESP中不可缺少的重要部件。
提高他们的可靠性并降低成本一直是这方面的开发人员追求的目标。
随着价格低廉的微机械(Micro—Machined)加速度和横摆角速度传感器的出现,为这项技术的广泛应用创造了一定的条件。
2.体积小质量轻及低成本液压制动作动系统的结构设计
这方面BOSCH公司在ESP系统中采用的结构有一定的代表性,其液压作动系统由预加压泵PCP(PrechargePump)压力产生装置(PressureGeneratorAssembly)液压单元HU5.0所构成。
3.ESP的软硬件设计
由于ESP的ECU需要估计车辆运行的状态变量和计算相应的运动控制量,所以计算处理能力和程序容量要比ABS系统大数倍,一般多采用CPU结构。
而ECU软件计算的研究则是研究的重中之重,基于模型的现代控制理论已经很难适应ESP这样一个复杂系统的控制,必须寻求鲁棒性较强的非线性控制算法。
4.通过CAN完善控制功能
ESP的ECU(电子控制单元)与发动机、传动系的ECU通过CAN互联,使其能更好地发挥控制功能。
例如自动变速器将当前的机械传动比、液力变矩器变矩比和所在档位等信息传给ESP,以估算驱动轮上的驱动力。
当ESP识别出是在低附着系数路面时,它会禁止驾驶员挂低档。
在这种路面上起步时,ESP会告知传动系ECU应事先挂入2档,这将显著改善大功率轿车的起步舒适性。
目前国外,特别是欧洲,越来越多的车型已将ESP系统作为其标准配置,国内一些中高档车型也逐渐将其作为标准配置。
据报道,2004年中国新车的ESP系统装备率为3,欧洲的新车装备率为35。
2005年欧洲出产新车ESP装备率达到40,中国达到4。
ESP正在向一般的商用车及重型卡车普及,多家商用车生产厂商和重型卡车生产厂商正在推出带ESP系统的车型。
现在正是欧美汽车工业界推广应用ESP系统的高潮时期,国内也正处于迅速的推广普及阶段。
可以预见,ESP汽车安全产品不久将成为多款中、高档轿车和其它车型的标准配制,掌握ESP技术,就掌握了竞争未来汽车安全技术的主动权。
所以攻克ESP设计的理论与关键技术,对提高国产汽车的自主开发能力、缩短与发达国家的差距具有重要的现实意义。
它将为我国汽车工业的繁荣发展以及促进其它相关工业的繁荣发展起着重要作用,并能带来巨大的社会效益和经济效益。
当前,全球共有6家主要汽车零部件制造商生产ESP,他们是德国博世、日本电装、德国大陆Teves、美国德尔福、日本爱信精工和美国TRW公司。
德国博世公司一直是这方面技术的领先者,无论是ABS/ASR还是更先进的ESP系统,技术上都一直处于领先地位,为国际大多数汽车厂商供应ABS/ASR/ESP系统。
国内汽车稳定性控制的研究还处在起步阶段,只有少数学者从事控制方法的仿真研究,而且由于缺少试验条件,研究还不十分深入,现在吉林大学、清华大学、上海交大、西北工大等高校和中国重汽集团、上海汇众汽车制造公司等企业也在开展相关的研究工作。
1.3研究ESP的目的和意义
很多重大交通事故中,车辆往往由于在极端环境下车轮失去与地面的附着力而导致失控。
例如在紧急避让过程中,突然遇到湿滑、油污路面,或者在过弯当中车速过快而导致的转向不足和转向过度,都有可能让车辆失控。
ESP(电子稳定系统)通过传感器得知车辆的抱死情况、车辆的横摆惯量(简单理解为车身倾侧的程度),当车辆出现失控趋势时,对特定的车轮给予额外的制运力,甚至通过调整车辆的牵引力,务求以最大的程度保持住车轮的附着力。
在ESP的默默工作下,车辆遇到险情时往往能够化险为夷。
对于普通驾驶者而言,ESP自然显得格外重要。
第二章汽车ESP系统的结构
2.1汽车ESP的结构组成
ESP是在原有电子制动防抱死制动系统(ABS)、电子制动力分配(EBD)和牵引力控制(TCS)的基础上发展起来的,奔驰轿车的制动系统具有上述所有功能。
该电子制动系统由电子控制单元(ECU)、液压调节器总成、车轮速度传感器、方向盘转角传感器、横向偏摆率传感器、车轮速度传感器脉冲环以及ESP控制开关等部件组成,其中电子控制单元与液压调节器是一体的。
其系统组成见图2.1电路见图2.2
奔驰轿车电子制动系统的组成
1-前轮速度传感器;
2-前轮速度传感器引线;
3-电子控制单元(ECU);
4-液压调节器总成;
5-方向盘转角传感器;
6-横向偏摆率传感器;
7-后轮速度传感器脉冲环;
8-后轮速度传感器(字母A、B、C、D、E为上述该传感器或总成在汽车中的具体位置)
2-
图2.2
电子制动系统电路图
2.1.1电子控制单元(ECU)
电子控制单元如图2.4所示,其插头端子视图见图2.5,各端子的作用见表2.3。
电子控制单元是ABS-TCS/ESP系统的控制中心,它与液压调节器集成在一起组成一个总成。
电子控制单元持续监测并判断的输入信号有:
蓄电池电压、车轮速度、方向盘转角、横向偏摆率以及点火开关接通、停车灯开关、串行数据通信电路等信号。
根据所接收的输入信号,电子控制单元将向液压调节器、发动机控制模块、组合仪表和串行数据通信电路等发送输出控制信号。
2.3各端子作用表
图2.4
电子控制单元(ECU)
1-电子控制单元(ECU);
2-液压调节器总成
图2.5
电子控制单元(ECU)插头端子视图
(各端子的作用见表1)
当点火开关接通时,电子控制单元会不断进行自检,以检测并查明ABS-TCS/ESP系统的故障。
此外,电子控制单元还在每个点火循环都执行自检初始化程序。
当车速达到约15km/h时,初始化程序即启动。
在执行初始化程序时,可能会听到或感觉到程序正在运行,这属于系统的正常操作。
在执行初始化程序的过程中,电子控制单元将向液压调节器发送一个控制信号,循环操作各个电磁阀并运行泵电机,以检查各部件是否正常工作。
如果泵或任何电磁阀不能正常工作,电子控制单元会设置一个故障诊断码。
当车速超过15km/h时,电子控制单元会将输入和输出逻辑序列信号与电子控制单元中所存储的正常工作参数进行比较,以此来不断监测ABS-TCS/ESP系统。
如果有任何输入或输出信号超出正常工作参数范围,则电子控制单元将设置故障诊断码。
2.1.2液压调节器总成
液压调节器总成内部液压回路示意图如图2.6所示。
为了能独立控制各车轮的制动回路,本系统采用了前/后分离的4通道回路结构,每个车轮的液压制动回路都是隔离的,这样当某个制动回路出现泄漏时仍能继续制动。
液压调节器总成根据电子控制单元(ECU)发送的控制信号调节制动液压力。
液压调节器总成包括回程泵、电机、储能器、进口阀、出口阀、隔离阀和后启动阀等部件。
图2.6
液压调节器总成内部液压回路示意图
1-液压调节器总成;
2-回程泵;
3-储能器;
4-制动轮缸;
5-制动总泵;
6-进口阀;
7-出口阀;
8-隔离电磁阀;
9-启动电磁阀;
A-常规的制动液压力;
B-停止的制动液压力流(电磁阀闭合);
C-泵产生的制动液压力流;
D-制动踏板踩下;
M-电机
2.1.3前轮速度传感器
前轮速度传感器(如图2.7所示)是一个电磁式传感器,是前轮轮毂总成的一部分,前轮轮毂总成是一个永久性的密封装置。
左前和右前轮轮毂装有车轮速度传感器和一个48齿的磁脉冲环。
图2.7
前轮速度传感器
1-前轮速传感器;
2-前轮毂总成
2.1.4后轮速度传感器
别克荣御采用后轮驱动,后轮速度传感器(如图2.8所示)位于主减速器后盖的支架上,也是电磁式传感器。
后轮速度传感器脉冲环是主减速器内车桥法兰的一部分,不能单独维修。
图2.8后轮速度传感器
1-后轮速传感器;
2-传感器脉冲环
2.1.5ESP开关
电子稳定程序(ESP)开关位于地板控制台上,如图2.9所示。
该开关是一个瞬间接触开关,按一下ESP开关,电子稳定程序从接通转至关闭。
当电子稳定程序(ESP)关闭时,ABS-TCS系统仍能正常工作。
当ESP处于关闭位置时,再次按一下ESP开关,将接通电子稳定程序。
按下ESP开关超过60s将被视为短路,会记录故障诊断码,且电子稳定程序在该点火循环内将被禁用。
如果没有记录牵引力控制系统当前故障诊断码,电子稳定程序将在下一个点火循环复位到接通状态。
图2.9
ESP开关
2.1.6方向盘转角传感器
方向盘转角传感器位于方向盘下面,位置如图2.10所示,内部结构如图2.11所示,插头端子视图如图2.12所示,各端子的作用见图2.3。
方向盘转角传感器提供表示方向盘旋转角度的输出信号,参见图2.10。
由于2只测量齿轮的齿数不同,故产生不同相位的两个转角信号,即能产生一个可表示±
760。
方向盘旋转角度的输出信号,电子控制单元利用这个信息计算出驾驶员所要求的方向。
控制单元通过方向盘转角传感器与横向偏摆率传感器信号的比较,确定车辆实际行驶轨迹与驾驶要求是否一致,从而确定控制目标。
图2.10
方向盘转角传感器的位置
1-螺钉;
2-螺旋电缆;
3-转接板;
4-螺钉;
6-固定凸舌;
7-转向信号解除凸轮
图2.11
方向盘转角传感器
1-齿轮;
2-测量齿轮;
3-磁铁;
4-判断电路;
5-各向异性磁阻(AMR)集成电路
图2.12
方向盘转角传感器端子视图
(各端子的作用见图2.3)
横向偏摆率传感器位于仪表板中央控制台下部,如图2.13所示,传感器插头端子视图见图2.14所示,各端子的作用见图2.3。
横向偏摆率传感器总成包括两个部件,一个是横向偏摆率传感器,另一个是横向加速度传感器。
横向偏摆率传感器根据车辆绕其纵轴的旋转角度产生对应的输出信号电压;
横向加速度传感器根据车轮侧向滑移量产生对应的输出信号电压。
ESP控制单元利用横向偏摆率传感器和横向加速度传感器输出的这两个传感器信号,计算出车辆的实际行驶状态,再结合车轮速度传感器的输出信号和方向盘转角传感器的串行数据输出信号,确定控制目标。
图2.13
横向偏摆率传感器
图2.14
横向偏摆率传感器插头端子视图
(各端子的作用见图2)
第三章电子稳定控制系统(ESP)子系统的工作过程
3.1防抱死制动系统(ABS)的工作过程
ABS防抱死系统,能避免在紧急刹车时方向失控及车轮侧滑,使车轮在刹车时不被锁死,不让轮胎在一个点上与地面摩擦,从而加大磨擦力,使刹车效率达到90%以上,同时还能减少刹车消耗,延长刹车轮鼓、碟片和轮胎两倍的使用寿命。
装有ABS的车辆在干柏油路、雨天、雪天等路面防滑性能分别达到80%~90%、30%~10%、15%~20%。
3.1.1常规制动
当驱动轮还没有出现抱死倾向时,ABS系统不起作用,制动系统按常规制动方式进行制动,它的液压回路见图3.1。
图3.1
常规制动控制油路
1-制动总泵;
2-制动轮缸;
3-液压调节器总成;
D-制动踏板踩下
3.1.2ABS的工作时刻
当驱动轮出现抱死倾向时,ABS系统起作用,此时,电子制动防抱死系统(ABS)就向其液压回路发布指令,液压回路就按下列三个阶段进行工作:
3.1.3ABS保压阶段
ABS的液压回路在工作时,一般均从保压阶段开始工作。
因为在常规制动时,回路中已经建立了压力。
控制油路见图3.2,ABS保压阶段的压力曲线见图3.3。
电子控制单元监测并比较每个车轮速度传感器的信号以确定车轮是否滑移,如果在制动过程中检测到车轮滑移(如左后轮),电子控制单元将切换到保压阶段,并向液压调节器发送控制信号,以关闭左后进口阀。
当左后进口阀和出口阀都关闭时,无论制动踏板所施加的制动液压力为多少,左后制动回路都将被隔离,从而使左后轮制动液压力保持恒定。
图3.2ABS保压阶段控制油路
1-液压调节器;
2-进口阀;
3-出口阀;
A-常规制动时,建立起来的压力;
B-保压阶段
图3.3ABS保压阶段液压曲线图
3.1.4ABS减压阶段
控制油路见图3.4,ABS减压阶段的压力曲线见图3.5。
如果当防抱死制动系统处于保压阶段时仍然检测到左后车轮处于滑移状态,则电子控制单元将切换到ABS减压阶段,电子控制单元向液压调节器发送控制信号,关闭左后进口阀;
打开左后出口阀,左后轮制动液先被导入储能器,以保证制动液压力立即下降,储能器储存过量的左后轮制动液;
运行液压调节器泵,泵出左后轮制动液回流压力,从而使左后轮制动钳释放出来的制动液能够抵消制动踏板压力,返回到制动总泵。
此时左后轮的抱死趋势将开始消除,随着左后制动轮缸制动压力的减小,左后轮会在汽车惯性力的作用下逐渐加速。
图3.4ABS减压阶段控制回路
2,3-进出口阀;
4-液压泵;
5-储能器;
6-制动轮缸;
7-制动总泵;
C-液压调节器泵产生的制动液压力流;
D-常规制动液与释放的制动液压力相组合
图3.5
ABS减压阶段曲线图
3.1.5ABS建压阶段
控制油路见图3.6,ABS建压阶段的压力曲线见图3.7。
如果电子控制单元检测到由于ABS减压阶段所施加的制动力减小而导致左后轮速度大于其它3个车轮的速度,则电子控制单元将切换到增压阶段,电子控制单元向液压调节器发送控制信号,关闭左后出口阀;
打开左后进口阀;
继续运行液压调节器泵。
此时,总泵的制动液像常规制动操作那样被再次引入左后轮制动轮缸。
先前减小的制动液压力现在增加了,从而减小了左后轮的速度。
图3.6ABS建压阶段控制回路
4-液压泵总成;
图3.7ABS建压阶段曲线
这种ABS保压、减压、建压……阶段不断重复,直到消除了抱死倾向为止。
根据路面情况,每秒钟大约有4~6个控制循环。
3.2电子制动力分配(EBD)工作过程
EBD能够根据由于汽车制动时产生轴荷转移的不同,而自动调节前、后轴的制动力分配比例,提高制动效能,并配合ABS提高制动稳定性。
汽车在制动时,四只轮胎附着的地面条件往往不一样。
比如,有时左前轮和右后轮附着在干燥的水泥地面上,而右前轮和左后轮却附着在水中或泥水中,这种情况会导致在汽车制动时四只轮子与地面的摩擦力不一样,制动时容易造成打滑、倾斜和车辆侧翻事故。
EBD用高速计算机在汽车制动的瞬间,分别对四只轮胎附着的不同地面进行感应、计算,得出不同的摩擦力数值,使四只轮胎的制动装置根据不同的情况用不同的方式和力量制动,并在运动中不断高速调整,从而保证车辆的平稳、安全。
其工作循环同ABS工作循环相同。
3.3牵引力控制系统(TCS)工作过程
TCS的作用是当汽车加速时将滑动控制在一定的范围内,从而防止驱动轮快速滑动。
电子控制单元监测并比较每个车轮速度传感器的信号以确定驱动车轮是否滑移,如果确定是由于路面湿滑或发动机扭矩过大而导致车轮纵向空转,且没有施加制动,则电子控制单元将切换到TCS(牵引力控制系统)模式。
在TCS模式中,电子控制单元首先向发动机控制模块(ECM)发送一个串行数据通讯信号,请求减小发动机扭矩。
如果在发动机控制模块已执行发动机扭矩减小功能后仍能检测到有车轮空转,则电子控制单元将切换到牵引力控制阶段,实施TCS制动干预。
参见图3.8,现以左后轮打滑为例,在这个阶段,电子控制单元将向液压调节器发送信号,关闭后隔离阀,以使后轮制动回路与总泵隔离开来,防止制动液返回总泵;
打开后启动阀,使制动液从制动总泵进入液压泵中;
关闭右后进口阀,以隔离右后轮液压回路,使液压
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