ARSTCS牵引力控制新技术及发展前沿.docx
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ARSTCS牵引力控制新技术及发展前沿
研究生课程论文
(2009-20010学年第2学期)
汽车牵引力控制技术及发展前沿
研究生:
王伟强
提交日期:
2010年5月30日研究生签名:
学号
2
学院
机械与汽车工程学院
课程编号
课程名称
汽车新技术
学位类别
硕士牛
任课教师
姜立标
教师评语:
成绩评定:
分任课教师签名:
年月曰
汽车牵引力控制技术及发展前沿
王伟强
华南理工大学机械与汽车工程学院,广州)
摘要:
介绍汽牵引力控制(ASR/TCS)技术的基本原理和组成结构,阐述ASR/TCS在国内外的发展状况及研究的关键技术,以及新技术的发展趋势。
关键词:
ASR/TCS基本原理关键技术发展趋势
BasicTechnologyandDevelopmentTrendofASR/TCS
WangWeiqiang
(SouthChinaUniversityofTechnology,guangzhou)
Abstract:
ThebasicprincipleandconstructureofASR/TCSareintroducedhereaswellasitsstatusaroundtheworld.Thekeytechnologyandnewtrendarealsodiscussedhere.
Keywords:
ASR/TCS;basicprinciple;keytechnology;developmenttrend
0引言
汽车牵引力控制系统是一种根据车辆行驶行为,通过控制驱动轮打滑使车辆产生最
佳驱动力的主动控制系统。
它能够提高车辆加速性能和爬坡能力,使得汽车在附着状况不好的路面上能顺利起步和行驶,同时它还能够提高车辆行驶方向稳定性,保持转向操纵能力,减少轮胎磨损,增加安全性。
所以这项技术从诞生开始,获得蓬勃发展。
1ASR的基本原理与结构
1.1ASR基本原理
牵引力控制系统TCS(TractionControlSystem)通过监测车轮运动状态,根据驱动轮打滑情况控制施加到其上的驱动力矩,从而将驱动车轮滑转率控制在最佳范围之内,保证车辆在任何路面上都能获得最佳的牵引通过性和行驶稳定性,此系统也称作驱动防滑系统ASR(AccelerationSlipRegulation)。
接下来我们研究牵引力控制时将以ASR为例介绍。
汽车在路面上行驶时,其驱动力取决于发动机输出转矩,但要受到路面附着条件的限制。
轮胎与路面间的附着力与附着系数正比,而附着系数又受到车轮运动状态的影响。
车
轮在路面上的纵向运动分为滚动和滑动两种形式,这里首先引入车轮滑动率S的概念来
表征车轮的运动状态,如下式所示:
(rw-v)/vx100%(车轮滑移时)
0(车轮自由滚动时)
(rw-v)/(rw)x100%(车轮滑转时)
其中,r——车轮的自由滚动半径,w——车轮的转动角速度,v——车轮中心的纵
实验研究表明,滑动率S与附着系数卩有如图1所示的对应关系;在各种不同路面上卩的大小不同,但其随S的变化都有相同的变化趋势,如图2所示。
制动纵向1
附着系Si
「控制范也
战向附h丿
filEY
金弓做間
才系散卜
A%控制范围
也死
滑转
图1附着系数与车轮滑动率S的关系
图2不同路面上的卩一S曲线
从图中可以看到,当滑转率从0开始增加时,纵向附着系数也随之增大,当滑转率达到ST(通常ST=0.08~0.30)时,纵向附着系数也达到最大卩xmax,此后如果S继续增加,纵向附着系数反而随之下降,当S达到100%时,即车轮发生纯滑转时,其附着系数要远远小于卩xmaxo所以从牵引性上考虑,驱动轮的滑转率最好处于St的一个小区域内,但同时考虑到车辆侧向附着系数卩y随纵向滑转率的增大而急剧减小,所以从侧向力上考虑并注意
到车辆的方向稳定性,一般认为驱动轮的最佳滑转率在略小于St的范围内(如图1中阴影部分所示),可取在0.08~0.30之间。
汽车牵引力控制系统正是利用它们的这种关系,在驱
动过程中将驱动轮的滑转率控制在0.08~0.30的范围内,车轮的纵向附着系数和侧向附着系数都较高,因此可以保证车辆充分利用路面所提供的纵向附着力和侧向附着力,从而使
车辆在任何路面上都能获得较高的起步、加速、爬坡、转向操纵能力和方向稳定性。
[3]
如上所述汽车驱动轮滑转是由于驱动力矩超过了轮胎与地面间的附着极限。
所以合
理地减小汽车发动机扭矩或动力传动中任何一环节都可以改变驱动轮上的驱动力矩,实
现防滑控制的目的。
因此可以通过许多途径来实现牵引力控制,如发动机管理,离合器控制,改变传动比,主动制动干涉等。
1)调节发动机扭矩
发动机输出力矩调节主要有三种方式:
点火参数的调节、燃油供给调节和油门位置调节。
对于汽油机,控制方法主要有:
燃油供给控制;点火正时控制;节气门开度控制(化油器式)或喷油量控制(燃油直接喷射式)。
从加速度变化的平顺性、发动机负荷以及排放气体成分来考虑,控制节气门开度是最好的,但这种方法响应较慢,可以采用供油和/或点火作为辅助控制手段来弥补这一缺陷。
采用点火正时控制,是通过减小点火提前角的方法来减小发动机扭矩,如果这样还不够,则可以采用中止气缸点火的方法,但为满足排放要求,同时必须中止供油。
对于柴油机,则可采用调节喷油量的方法,这种方法的响应时间足够短。
近年来,随着发动机电喷技术的应用,对于发动机扭矩的调节更加精确,响应时间更短,性能更好,也更为方便。
但仅靠调节发动机输出扭矩来进行控制的方法属于低选控制,可以改善方向稳定性,无法获得最佳牵引
力。
因此这种方法适用于两侧驱动轮都发生过度滑转或在高速下某驱动轮发生过度滑转的工况。
图3发动机输出转矩控制
2)驱动轮制动调节
当驱动车轮出现打滑时,直接向该轮上施加制动力矩,使车轮转速降至最佳的滑转率范围内。
由于制动压力直接施加到打滑的车轮上,因此,这种方法的响应时间是最短的。
它可与发动机扭矩控制联合使用,当汽车在附着系数分离的路面上行驶时,通过对处于低附着系数路面上的驱动车轮施加一定的制动力矩,使高附着系数路面上的驱动轮产生更大的驱动力矩,从而提高汽车的总驱动力。
这种方法需要对制动时间进行限制以免制动器过热。
此外,如果汽车处于附着系数分离路面上时,只对打滑驱动轮施加制动,可能导致两侧驱动轮驱动力相差较大,产生一个横摆力矩,在车辆高速行驶时,这种情况对车辆稳定性不利,因此这种方法适用于车速较低的工况。
如下图所示,高附着系数路面上驱动轮的驱动力为Fh;低附着系数路面上驱动轮的
驱动力为Fl;根据差速器转矩等量分配特性,汽车驱动力只取决于低附着系数路面上的驱动力Fl,此时,汽车的最大驱动力Fmax=2Fl。
为了阻止低附着系数路面上行驶的驱动轮滑转,对其施加一个制动力Fb,这样便可
获得更大的驱动力。
此时,汽车的最大驱动力Fmax=FH+H=2Fl+Fb。
图4驱动轮制动调节
3)差速器锁止控制
普通的开式差速器左右轮输出相同的扭矩,在路面两侧附着系数相差很大时,高卩一侧驱动轮的驱动力得不到充分发挥,限制了车辆的牵引性。
锁定差速器和粘性耦合差速器虽然提高了车辆的牵引性,但损害了车辆的稳定性。
防滑差速器可以根据路面条件在一定程度上锁止,使左右驱动轮的输出扭矩根据锁定比和路面情况而不同。
该控制方式只适合于后轮驱动车,较驱动轮制动力矩控制成本要高。
Hr
图5差速器锁止控制
如上图所示,调节作用在离合片上的油液压力,即可调节差速器的锁止程度。
油压逐渐降低时,差速器锁止程度逐渐减小,传递给驱动轮的驱动力就逐渐减小;反之油压升高时,驱动力将逐渐增大。
4)离合器或变速箱控制
离合器控制是指当发现汽车驱动轮发生过度滑转时,减弱离合器的结合程度,使离合器主、从动盘出现部分相对滑转,从而减小传递到半轴的发动机输出扭矩;变速箱控制是通过改变传动比来改变传递到驱动轮的驱动扭矩,以减小驱动轮滑转程度的一种驱动防滑控制。
由于离合器和变速箱控制响应较慢,变化突然,所以一般不作为单独的控制方式而且由于压力和磨损等问题,使其应用也受到很大限制。
5)采用电控悬架实现车轮载荷分配
在各驱动车轮的附着条件不一致时,可以通过电控悬架的主动调整使载荷较多地分配在附着条件较好的驱动车轮上,使各驱动车轮附着力的总和有所增大,从而有利于增大汽车的牵引力,提高汽车的起步加速性能;也可以通过悬架的主动调整使载荷较多的分配在附着条件较差的驱动轮上,使各驱动车轮的附着力差异减小,从而有利于各驱动车轮之间牵引力的平衡,提高汽车的行驶方向稳定性。
目前,在ASR领域中电控悬架参与控制技术还处在理论探索阶段,而且这项技术较为复杂,成本较高,在ASR系统中很少采用。
[4]
1.2ASR基本结构
亦车耙1
H轮
CjKW旃轮*
图6ASR基本控制结构
ASR的结构基本由五个功能部件组成:
电子控制装置(ECU)、制动压力调节装置、车轮转速传感器、电动控制节门和节气门开度传感器、工作指示开关。
其中,除电动控制节气门和节气门开度传感器外,电子控制装置和制动压力调节装置在结构型式上可以与ABS共用,也可以独立型式。
制动压力调节装置通常与ABS共用。
由于发动机已实
现了电子化控制,点火提前可通过发动机电子控制系统进行。
因此,采用ASR系统对
整车系统无需作大的改动,即可实现新功能。
在装有ABS的汽车上,由于系统的大部
分结构元件与ABS通用,因而节省了设计、制造时间,从而可获得低成本,高效能的应用效果。
如图3,为ASR的基本控制结构流程图。
工作情况如下。
[6-7]
(1)在良好路面上行驶时,路面能够提供的附着力大于发动机产生的驱动力,汽车正常行驶,ASR系统不工作。
(2)在低附着均一路面上行驶时,路面能够提供的附着力小于发动机产生的驱动力,
四个车轮同时发生过度滑转。
这时,ECU通过轮速传感器发出的信号判断出驱动车轮发生过度滑转,马上发出指令,减小发动机的节气门开度,发动机的扭矩随之下降,使得轮速降低。
然后ECU再进行判断,如果驱动轮仍然过度滑转,那么继续减小发动机的节气门开度;如果已经将驱动车轮的滑转率控制在理想范围内,则保持发动机的节气门开度不变;如果滑转率小于设定值,说明发生了超调,则增加发动机节气门开度。
然后进入下一个判断一一执行一一再判断的循环。
直至将驱动车轮的滑转率控制在理想范围内。
(3)在附着分离路面上行驶时,发动机控制仍然按照
(2)中所述的方式工作的同时,
由于驱动车轮的相对滑转,还有制动器制动的介入。
在附着分离路面上加速行驶时,处
于低附着系数路面上的车轮将发生滑转,ECU通过轮速传感器发出的信号判断出某一个或者某几个驱动车轮相对其它驱动车轮发生相对滑转,于是发出指令,通过制动主缸和电磁阀的作用对打滑车轮施加一定的制动力,使其轮速迅速降低。
然后ECU再进行判断,如果仍然发生相对滑转,则继续增加制动力;如果相对滑转率已经被控制在设定范围内,则保持制动压力;如果相对滑转率小于某一设定值,则松开制动器,减小制动压力。
然后进入下一个判断——执行——再判断的循环。
直至相对滑转率控制在理想范围内。
2汽车牵引力控制技术发展的历史和现状
二十世纪初,由于汽车发动机功率较小,速度很低,驱动车轮发生过度滑转的情况并不多见,所以一直没有引起人们的特殊
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