汽车底盘控制技术的发展状况和发展趋势的研究分析.pdf

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1、目录 摘要 1 汽车底盘电子控制的理论基础和特点 2 汽车底盘常见的电子控制系统 2.1 汽车防抱死制动系统ABS 2.11 奥迪 A6汽车 ABS工作原理 2.12 牵引力控制系统TCS 2.13 汽车动力学电子稳定控制系统ESP 3 底盘电子控制网络化和全局协调化的发展趋势 3.1 全方位底盘控制GCC 3.2 汽车开放性系统构架AUTOSAR 4 汽车底盘线控技术的应用和发展趋势 4.1 汽车线控技术特点 4.2 线控转向系统 4.3 线控制动技术 5 总结与展望 参考文献 谢辞 汽车底盘控制技术的发展状况和发展趋势的研究 吴玉凯 (德州学院汽车工程学院山东德州253023) 摘要 ：汽

2、车电子控制系统在汽车底盘技术中的广泛应用大大改善了汽车的主动安 全性。底盘控制系统可以分为制动控制, 牵引控制， 转向控制和悬架控制。介绍通过高速网 络将各控制系统联成一体形成的全方位底盘控制(GCC), 汽车开放性系统的构架工程 (AUTOSAR) 和底盘的线控技术(X2by2wire) 。 关键词 ：底盘控制系统，主动安全性，综述 1 汽车底盘电子控制的理论基础和特点 汽车底盘最主要的功能是让汽车按驾驶员的意愿行驶。从图1 可以得出 驾驶员通过操纵元件来传送其意向，执行量是前轮转角和车轮上的驱动力，实际 起作用的是轮胎纵向力和侧向力。 所以汽车底盘的原理在给定的路面系数和车轮 法像力的情况

3、下对车轮滑动率和侧偏角进行合理的控制，来调节轮胎的侧向力 和纵向力，最大限度的利用好轮胎与路面之间的附着力，提高汽车的主动安全性， 机动性，舒适性 1 。 图 1 驾驶员，轮胎力，汽车运动的相互关系 汽车底盘的电子控制相当复杂，互相影响，具有以下特点： （1）不同的控制系统经常共用同一电子原器件。如轮速传感器的信号几乎 被所有底盘控制系统所使用。 (2) 相同的控制目标可由不同的控制系统单独或共同控制。譬如汽车在路面上制 动时， ABS,AFS ，RWS ，ESP控制汽车的稳定。 （3）同一个控制系统会对多个变量进行同一控制，而且拥有多个执行机构。 （4）同一个控制变量同时受不同的控制系统控制

4、。如车轮滑动率同时受ABS ， 控制 2 。 汽车底盘常见的电子控制系统 2.1 汽车防抱死制动系统ABS（an tick brake system ） 当汽车制动时， 车轮滑动率在 30% 左右时，制动力系数越大 ( 图 2), 当制动力 矩再增加，制动力系数减小。 车轮滑动率大于 Ko时制动力系数处于非稳定区域。 从侧向力系数和滑动率的关系曲线判断滑动率越小侧向力系数越大。当车轮全部 抱死时，其侧向力系数为零， 其失去了承受侧向力的能力，前轮如果发生这种现 象，汽车失去转向能力， 后轮发生这种现象， 汽车将发生后轴侧滑， 失去稳定性， ABS的控制目标是把滑动率保持在稳定区域里 3 。 图

5、 2 制动力系数 Lb, 侧向力系数 Ls, 滑动率 Kb的关系曲线 ABS基本上都是由电子控制单元（ECU ） ，轮速传感器和制动压力调节装置组成， 是十分重要的部件是轮速传感器，电子控制单元 （） 是系统 的控制中心。我们可以通过对奥迪轿车系统的组成和工作原理来了解 目前汽车的 ABS的组成如图 3 所示， 该系统主要包括制动总泵， 轮速传感器， 制动分泵，制动压力调节器，ABS电控单元 ECU/ABS 警告灯等组成。 1 为前轮速 度传感器 2 制动压力调节器3ABS电控单元 4警告灯后轮速度传感器 停车灯开关制动主缸比例分配阀制动轮缸10 蓄电池 11 点火开关 2.11奥迪 A6 汽

6、车 ABS工作原理 当点火开关接通时， ABS保护继电器的电磁线圈中就会有电流通过，系统进 入自检状态。经过短暂的自检后，如果发现其系统中存在影响其正常工作的故障， 会保持自己自检状态，关闭ABS系统。此刻压力调节器中各种电磁线圈不通电， 各电磁阀都保持在制动压力增大状态，汽车恢复常规制动状态工作。经自检，没 有发现影响系统正常工作的故障，ABS就进入等待工作状态，汽车行驶过程中， 各车轮传感器连续的向ABS电脑输入各车轮的轮速信号， 对四个车轮的运动状态 进行分析判断 4 。 制动过程中， ABS ECU 控制过程分为 8 个阶段： 图 3 ABS 的组成布置图 第一阶段，（制动开始）。在制

7、动开始阶段，制动压力随制动踏板的压力 升高而升高，减速增加。第二阶段（保压）当制动力升高到一定值时，随着系数 与滑移率在规定范围内，ABS ECU 发出命令，控制制动压力保持定值。第三阶段 （减压）在保持压力过程中，滑移率会增大，ECU 发出命令，降低制动压力。第 四阶段 ( 保压)制动压力降低后， 在汽车惯性力作用下， 车速提升， 车速到达一定 值后，ECU发出命令，保持制动压力，进入保压阶段。第五阶段（增压）制动压 力保持过程中，速度继续升高，当速度超过参考值时，ECU 发出指令把控制制动 压力增大。第六节段（保压）制动压力升高后，车速降低，滑移率增大，ECU 发 出命令，控制保持制动压力

8、，把滑移率控制在规定范围内。第七阶段（增压，保 压交替作用）当加速降低到一定值时， ABS ECU 将发出命令使相应的电磁阀在 压 力升高和压力保持之间交替，使车轮速度降低，加速减小。第八阶段(减压 ) 当加速度降低到一定值时，控制过程进入第八阶段，ABS进入第二个控制周期， 控制过程与上相同，形成一个循环工作周期，不断循环 5 。 2.12 牵引力控制系统 TCS 牵引力控制系统TCS它的作用是使汽车在各种行驶状况下都能获得最佳的 牵引力，牵引力控制系统的控制装置是一台计算机，利用计算机检测 4 个车轮的 速度和方向盘转角，当汽车加速时，如果检测到驱动轮和非驱动轮转速差过大， 计算机立即发出

9、命令， 减少发动机的供油量， 降低驱动力， 从而减少驱动轮的滑 防止车辆转率。 计算机通过方向盘转角传感器掌握司机的转向意图，然后利用左 右轮速度传感器检测左右轮速度差，从而判断汽车转向程度， 是否和司机的转向 意图一样。如果检测出汽车转向不足或过度， 计算机立即判断驱动轮驱动力过大， 发出命令，降低驱动力，以便实现司机的转向意图。 如图 4 所示牵引力控制系统能防止车辆在雪地等湿滑路面上行驶时驱动轮的空 转, 使车辆能平稳的起步，加速。尤其在雪地或泥泞的路面上，牵引力控制系统 均能保证流畅的加速性能，因驱动轮打滑而发生横移或甩尾 6 。 图 4TCS 工作时汽车行驶状态图 2.13 汽车动力

10、学电子稳定控制系统ESP ESP实际上是一种牵引力控制系统， 与其他牵引力控制系统相比较， ESP 不但控制驱动轮，而且可以控制从动轮。 如后轮驱动汽车常出现的转向过多情况， 此时后轮失控而甩尾， ESP便会刹慢外侧的前轮来稳定车子，在转向过少时，为 了校正其循迹方向， ESP则会刹慢内后轮，从而校正行驶方向 7 。 ESP系统包含 ABS及 ARS ，这是两种系统功能上的延伸。因此EPS称的 上是当前汽车防滑装置的最高形式。如图， ESP 系统由控制单元及转向传感 器，车轮传感器，侧滑传感器，横向加速传感器等组成。控制单元通过这些传感 器的信号对车辆的运行状态进行判断，进而发出控制指令 8

11、。 有 ESP与只有及的汽车，它们之间的差别在于及 只能被动的做出反应，而则能够探测和分析车况并纠正驾驶的错 误，防患于未然。 对过度转向或不足转向特别敏感，根据具体情况发出指 令。其传感器有转向传感器， 横向加速度传感器， 方向盘油门刹车踏板传感器等。 这些传感器用来采集车身状态数据。ESP电脑：将传感器采集到的数据进行计算， 算出车身状态后跟存储器里面预先设定的数据进行比较。当电脑计算数据超出存 储器的预存数据，就是车身临近失控或者已经失控的时候，则命令执行器工作， 以保证车身行驶状态能够尽量满足驾驶员意图。执行器：ESP的执行器是拥有四 个轮子的刹车系统， 和没有 ESP的刹车系统不同的

12、是装有ESP的刹车系统具有蓄 压功能。就是电脑可以根据需要， 在驾驶员没踩刹车的时候， 替驾驶员向某个车 轮的制动油管加压好让这个车轮产生制动力。仪表盘上的 ESP灯：对驾驶员反馈 目前系统的工作状态 9 。 图 ESP系统的组成 ESP工作过程 (1) 当车辆左转出现转向不足的时候，ESP各个传感器会把转向不足的信息 告诉电脑，然后电脑就控制左后轮制动， 产生一个拉力和一个扭力来对抗车头向 右推的转向不足趋势。 如图 6 所示 图 6 (2) 左转，后轮抓地不足或者驱车油门踩猛了出现转向过度的时候，ESP会控制 右前轮制动，同时减小发动机输出功率。纠正错误的转向姿态如图7 (3) 直线刹车由

13、于地面附着力不均匀出现跑偏的时候，ESP会控制附着力强的轮 子减小制动力，让车按照驾驶员预想的行驶线路前进。边刹车边转向的时候ESP 也会让车子按驾驶员 意图走 10 图 7 3 底盘电子控制网络化和全局协调化的发展趋势 汽车底盘各控制系统之间的相互联系，相互依赖，相互影响越来越大。 为了优化控制效果，节约资源，提高控制系统的可靠性，用高速局域网络CAN 将两个或多个底盘电子控制系统结合起来，对底盘实现多层面控制， 已成了现代 汽车底盘技术的发展趋势。此基础上出现了GCC 系统和 AUTOSAR 研发工程 11 。 3,1 全方位底盘控制GCC （global chassis control）

14、 如图 8，GCC 是一个高层面底盘控制单元CAN网络将驾驶员的命令与汽 车动态特征有关的所有传感器的信息都传给GCC 控制单元。同时 CAN 网络可以将 控制单元所有的其他汽车底盘控制系统联接起来。GCC 对驾驶员意图进行分析， 对汽车运行状况， 汽车底盘控制子系统进行监测和分析。当汽车运行状况和驾驶 员意向相违背，或危险时， GCC 控制单元进行综合平衡，对汽车底盘每个子控制 系统进行合理分工， 来完成汽车的动态控制和平衡。 如果其中某个子控制系统发 生故障，GCC 控制单元自动的对汽车底盘各子控制系统进行调整，以达到最佳效 果。 GCC 控制单元能全面了解驾驶室内驾驶员意向，汽车其他子控

15、制系统和 汽车的运行状态。使各方面相互协调，使汽车各方面性能提高 12 。 图 8 32 汽车开放性系统构架 要实现全方位底盘控制，必须让GCC控制单元能够快速，可靠和正确的 同汽车底盘所有子控制系统交换信息。汽车开放系统构架首创组为控制器定义了 软件构架， 这种软件构架把设备的硬件和软件分离，把功能模型软件， 软件组件 放一起来研发。 全世界汽车行业要建立汽车开放性系统构架。其目的是要对系统 和应用软件的接口制定统一的标准， 使汽车系统和控制软件具有开放性， 标准化， 模块化，再用性能好等特征。国际上，宝马集团自2001 年开始在称为BMW tand Core 的构架下，在 ECU 电子控制

16、单元中运用标准化基础软件。在国内浙江 大学 ESE实验中心从 2004 年开始关注 AUTOSAR，并率先加入了此组织。过内一 汽， 长安等整车厂技术研究院也于2009年开始利用 AUTOSAR标准的工具进行 ECU 的设计，开发，验证 13 。 4 汽车底盘线控技术的应用和发展趋势 4.1 汽车线控技术的特点 ：驾驶员操纵指令由传感元件感知，以电信 号的形式由网络传递给电子控制器及执行机构。操纵机构和执行机构 没有机械连接， 和机械能量的传递。 执行机构使用外来源完成操纵指 令及相应任务，其执行过程和结果受电子控制器的监测和控制 14 。 图 9 底盘线控技术的关键是线控制动系统和线控转向系

17、统，如图 9 是两个系统 的构架图一个是对执行机构的控制，就是对前轮转向角或者车轮制动力的控制 一个是对操纵机构的控制， 即对转向盘力矩或者制动踏板力的控制。这两个控制 系统使用外来电能， 他们之间没有机械运动和机械能量的传递，只有不断的信息 交换 15 。 4.2 线控转向系统（ steer by wire） 严格来说线控转向技术还处于研发阶段，如图10 它有转向盘，转向盘力矩 模拟电机，转向盘转角转换器，控制单元，电能供给系统，电能和信息管理系统 以及车轮转向执行机构组成。 当驾驶员操纵转向盘转向时， 一方面转向盘力矩模 拟电机要根据汽车的运动状况，计算出转向盘的回正力矩，为驾驶员模拟路感

18、。 一方面执行电机要根据驾驶员的意向对前轮的转. 角进行相应的调节和控制 16 。 43 线控制动技术（ brake by wire） 线 控 技 术 分 为 两 大 类EHB(electric hydraulic brake ) 和 EMB(e2lectro2mechanic brake)两大类。如图 11 线控制动系统主要由三部分组 成：接收单元，制动踏板，踏板行程传感器等，制动控制器ECU 接收制动踏板发 出信号，控制驻车制动，接收驻车制动信号，控制驻车制动，接收车轮传感器信 号，识别车轮是否抱死，打滑等，控制车轮制动力，实现防抱死和驱动防滑，并 兼顾其他系统的控制。 图 10 图 11

19、 线控制动的优点：结构简单清洁环保，线控制动系统器件制造，装配， 测试简单快捷，易于布置，安全性高。线控技术优化ABS性能，提高制动性能。 线控技术是一种新的制动理念，它提高了汽车的安全性。使现代汽车的 制动技术朝着线控方向发展， 同时，随着汽车电子技术的发展， 电子尺寸不断减 小，电子元件成本不断下降， 汽车线控制动系统将与其他汽车电子系统，一起成 为综合的汽车电子控制系统 17 。 5 总结与展望 电子技术在汽车技术中广泛应用，使汽车底盘的控制正在快速的向电子 化，智能化和网络化，方向发展，所以出现许多汽车底盘电子控制系统。 ABS,TCS,ESP, 这些技术挺成熟， 性能好，成本低廉的电

20、子控制系统在汽车中的安 装率逐年上升。各种电子转向控制系统如AFS,ESP,RWS 也不断的安装到中高档轿 车里。汽车电子转向控制会在必要的时间向驾驶员提出合理的建议或者对驾驶员 的指令进行合理的修正。在一些豪华轿车里也开始应用电子悬挂控制系统，如 ARC 和 CDC 等。为了让各种汽车底盘控制系统更和谐，更有效的工作，汽车工业 界正在研究和制定汽车开放性系统架构AUTOSAR。 随着电子传感技术的进一步发展和完善，通过网络化，将这些新的信息同 汽车底盘电子控制系统结合，将会出现更多的新功能和新系统，如ACC ，前向车 辆碰撞警告和自动紧急制动系统，车道偏离警告和车线维持系统等。 参考文献 1

21、李刚. 汽车底盘控制技术的现状综述吉林大学.2011 2陈帧服 . 汽车底盘控制现状与发展趋势研究汽车工程2011 3Robert Bosch CmbH.Sicherheits2undKomfortsystemeM Verb2004 4刘显贵 . 汽车底盘关键系统的集成与研究. 合肥工业大学 2010 5齐志全 . 汽车主动安全电子技术的发展中国集成电路.2010 6王平平 . 汽车底盘控制现状与发展趋势的研究. 科技创业家 2010 7赵树恩 . 车辆底盘集成控制 . 重庆大学 2010 9王铁强 . 浅谈汽车底盘线控技术的应用与发展J才智 2010 年 22 期 10邱官升 . 刘茜 汽车

22、安全的底盘新技术 J. 硅谷， 2010年第 17期 11朱冰，许沧粟汽车底盘技术发展综述. 机械科学与技术 2010,12 期 12李亮 . 汽车底盘新技术的发展现状. 电子制作 2014 13李鹏飞 . 汽车底盘控制技术的现状与发展趋势. 科研 2015 14辛磊 . 汽车底盘控制的现状及发展趋势城市建设理论研究2015 15杜晓辉 . 汽车底盘技术的应用和发展趋势科技创新导报2013 16汪卫东 . 国外客车技术及发展趋势. 运输经理世界 2004 17韦东亮 . 当今汽车底盘控制技术 . 科技风 2014 Status and Tendency of the Vehicle Chass

23、es Control Technology Wu Yu Kai (Institute of Automobile Engineering DeZhou University,ShanDong 253023) Abstract The wide application of the electronic control systems in the vehicle chassis is technology has improved the vehicle active safety largely. The commonly used chassis control systems can b

24、e classified into braking control traction control steering control and suspension control The following items are introduced the global chassis control （GCC ） formed by the integration of diverse chassis control through via CAN ,the/automotive open systems architecture (AUTOSAR),and the chassis wir

25、e control technology. Keywords Chasses control systems, Active safety, Review 辞谢 大学即将结束，在光阴似箭的大学时代，让我认识了许多的热心朋友， 工作严谨教学相帮的教师。 毕业设计的顺利完成也脱离不了他们的热心帮助及指 导老师的精心指导， 在此向所有给予我此次毕业设计指导和帮助的老师和同学表 示最诚挚的感谢。 首先，向本设计的指导老师刘世达表示诚挚的谢意。在自己紧张的工作 中，仍然尽量抽出时间对我们进行指导，论文字里行间无不浸透着刘世达老师的 心血。他严谨求实的科研态度，忘我的工作精神，开阔的学术眼界，渊博的知识

26、水平，敏锐深邃的洞察力， 以及若谷的胸怀， 平易近人的生活作风等令我终生受 益。都将是我永远借鉴的典范。 同时，还对在本论文写作过程中给予我无私帮助 的各位老师和同学一并表示深深的感谢！ 其次，要向给予此次毕业设计帮助的老师们，以及同学们最诚挚的谢意， 在整个设计过程中， 他们也给我很多关注和无私的关怀，更重要的是为我们提供 了不少技术方面的资料，在此感谢他们，没有这些资料就不是一篇完整的论文。 另外，也向给予我帮助的所有同学表示感谢。 总之，本次的设计是老师和同学共同完成的结果，在做毕业设计的这段 时间内，我们合作的非常愉快，教会了我许多道理，是我人生的一笔财富，我再 次向给予我帮助的老师和同学表示感谢！