汽車底盤電控技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展研究

殷國鑫,石昊昱,雷 鈞,韋 峰（云南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,昆明 650500）

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汽車底盤電控技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展研究

殷國鑫,石昊昱,雷 鈞,韋 峰
（云南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,昆明 650500）

摘 要：對于汽車最為重要的部分之一，汽車底盤扮演了非常重要的角色。電控技術(shù)在汽車底盤中運(yùn)用廣泛，當(dāng)前汽車底盤常見的電控系統(tǒng)主要有：自動變速器、防抱死制動系統(tǒng)、電控防滑驅(qū)動系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP）。用高速局域網(wǎng)絡(luò)CAN將兩個或多個底盤電子控制系統(tǒng)結(jié)合起來,對底盤實現(xiàn)多層面控制,將成為現(xiàn)代汽車底盤電控技術(shù)的重要發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：汽車底盤；電控技術(shù)；現(xiàn)狀與發(fā)展

1 汽車底盤電控理論基礎(chǔ)

對于汽車最為重要的部分之一，汽車底盤扮演了非常重要的角色。汽車底盤電控技術(shù)已經(jīng)取得了巨大的發(fā)展，不論在汽車行駛安全性、動力性還是在乘坐舒適度方面都發(fā)揮著不可替代的作用。據(jù)統(tǒng)計，全球市場對汽車電控系統(tǒng)需求量最大的是兼具安全性和舒適性的電子系統(tǒng)，其中大部分是電子底盤控制系統(tǒng)。汽車底盤使得駕駛者可作出加速、減速以及轉(zhuǎn)向運(yùn)動。在整個駕駛過程中，駕駛員通過汽車中的轉(zhuǎn)向盤、制動踏板、油門對整個行駛過程進(jìn)行有效控制。駕駛員一系列的操作通過前輪的轉(zhuǎn)向角及車輪上的驅(qū)動力矩或制動力矩進(jìn)行具體的執(zhí)行，真正起作用的是輪胎的縱向力和側(cè)向力。

2 汽車底盤常見的電控系統(tǒng)

伴隨著人們對車輛的穩(wěn)定性、安全性能和乘坐舒適性等方面逐漸提出更多的要求，為了進(jìn)一步提高汽車的易操作性、經(jīng)濟(jì)性、動力性和安全性能，電子控制技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了汽車底盤中。

2.1 電控自動變速器

電控自動變速器的應(yīng)用使得汽車在行駛過程中能夠根據(jù)實際行駛情況進(jìn)行變速器的檔位自動變換，具有駕駛更加省力、發(fā)動機(jī)壽命更長、起步加速更加平穩(wěn)、有效避免過載以及發(fā)動機(jī)熄火等優(yōu)點。目前，市面上的自動變速器主要有一下三種：電控機(jī)械式自動變速器、液力-機(jī)械式自動變速器、電控機(jī)械式無級變速器（CVT）。

電子控制在自動變速器上的應(yīng)用實現(xiàn)了汽車行駛過程中的自動補(bǔ)償調(diào)節(jié)，自動變速器電子控制通過動力傳動控制模塊接收來自汽車上各種傳感器的電子信號輸入，根據(jù)汽車的使用工況對這些信息處理來決定液力自動變速器運(yùn)行工況。按照這些工況，來控制變速器的升檔和降檔及換檔感覺。自動變速器主要運(yùn)用電子氣動換擋裝置，傳統(tǒng)汽車?yán)脵C(jī)械換擋桿與變速器構(gòu)件進(jìn)行連接，而利用這種電子控制裝置取代機(jī)械裝置，通過氣動伺服閥氣缸以及電磁閥來進(jìn)行控制，能夠簡化操作者的手動操控，同時發(fā)揮汽車最佳的安全性能和動力性能。

2.2 防抱死制動系統(tǒng)

防抱死制動系統(tǒng)簡稱為ABS，是英文“Anti-lock Brake System”的縮寫。防抱死制動系統(tǒng)在汽車制動中起到了重要的作用，對制動器動力進(jìn)行制動控制，防止車輪抱死，保證汽車車輪與地面之間的附著力保持最大值狀態(tài)。ABS主要有以下幾個優(yōu)點：一是減少汽車輪胎路損情況，二是當(dāng)汽車處于緊急制動情況下時依然能夠進(jìn)行方向的操縱，三是在汽車緊急制動過程中游俠防止車輛甩尾以及側(cè)滑的發(fā)生，四是最大限度縮短制動距離以及制動時間。

針對ABS的研究，重點是其系統(tǒng)控制方法的研究。針對自動剎車防抱死系統(tǒng)的控制策略主要是運(yùn)用邏輯門限值進(jìn)行控制的方法，不需要具體建立數(shù)學(xué)模型。在這種控制方法下，能有效地進(jìn)行系統(tǒng)的非線性控制，通過控制汽車的滑移率門限值和車輪的角加速度與減速度進(jìn)行車輛制動控制，實現(xiàn)汽車的自動剎車防抱死技術(shù)[3]。

2.3 電控防滑驅(qū)動系統(tǒng)

電控防滑驅(qū)動系統(tǒng)最主要的作用是調(diào)節(jié)汽車驅(qū)動車輪牽引力，以此來控制驅(qū)動車輪滑轉(zhuǎn)，又被稱為牽引力控制系統(tǒng)（Traction Control System），簡稱為TCS。如果汽車在弱附著或者軟附著的界面進(jìn)行加速或起步，由于只能從界面獲得很低的附著力，小于車輪獲得的驅(qū)動力，車輪往往會發(fā)生滑轉(zhuǎn)，這種情況會導(dǎo)致車輛的加速性能和起步穩(wěn)定性大打折扣。而電控防滑驅(qū)動系統(tǒng)能夠分析車輪的滑轉(zhuǎn)情況和運(yùn)動狀態(tài)，對施加到車輪上的驅(qū)動力矩進(jìn)行控制，對發(fā)動機(jī)動力輸出進(jìn)行及時控制火勢對滑轉(zhuǎn)的車輪施以制動力，通過TCS的控制能夠有效降低驅(qū)動輪的滑轉(zhuǎn)幾率，以此避免汽車行駛穩(wěn)定性以及牽引力的下降，從而能夠保障車輛在弱附著或者軟附著的界面的行駛穩(wěn)定性和牽引通過性。

2.4 懸架系統(tǒng)

懸架系統(tǒng)是連接車輪與車身之間全部部件以及零件的總稱。懸架系統(tǒng)主要由減振器、彈簧(例如螺旋彈簧、板簧、扭桿等等)以及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)這三個部分共同組成。懸架系統(tǒng)能夠有效的降低、抑制車輪與車體之間的振動與動載，保證汽車在行駛過程中的平順性以及穩(wěn)定性。

電子控制懸架系統(tǒng)包括主動懸架和半主動懸架兩種，主動懸架能夠有效改善汽車的乘坐舒適度和安全性能，成為汽車電控懸架系統(tǒng)的 主要發(fā)展目標(biāo)。電控主動懸架又包括電控主動液壓懸架和電控空氣懸架這兩種。電控主動液壓懸架通過伸縮液壓減震器，根據(jù)車載電腦計算的懸架加速度使得車輛在行駛過程中保持平衡。電控空氣懸架通過感應(yīng)路面狀況以及自身受到的作用力，能夠及時進(jìn)行空氣減震器的摩擦和剛度的控制，以保證整個過程中車輛始終保持在可接受的范圍之內(nèi)發(fā)生適度震動。[5]這兩種主動懸架都是通過對減振器阻尼以及懸架剛度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，抑制車身的震動，同時能夠調(diào)節(jié)車身的高度，對被動懸架局限區(qū)域進(jìn)行突破，令汽車懸架特性能夠與道路狀況相適應(yīng)，從而保證了汽車行駛過程的平順性以及操縱穩(wěn)定性。

2.5 汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP）

汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)簡稱為ESP，是Electronic Stability Programme的縮寫。汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)可以幫助汽車駕駛者有效避免汽車出現(xiàn)的不穩(wěn)定狀況。ESP是基于ABS系統(tǒng)開發(fā)而來的，可以對緊急駕駛工況例如駕駛員慌亂反應(yīng)等進(jìn)行有效識別，同時通過向單個車輪施以制動并對發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行有效干預(yù)，以此保證汽車的穩(wěn)定性。汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)能夠?qū)硐朕D(zhuǎn)向角、輪速差異、側(cè)向力以及橫擺角度等信號進(jìn)行有效綜合，并對汽車失控狀態(tài)快速判斷，并及時發(fā)揮作用使汽車穩(wěn)定下來。

汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)利用傳感器感知以及算法分析將監(jiān)測到的汽車的實際運(yùn)動狀態(tài)與操作員期望獲得的車輛運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行比較，當(dāng)二者相差過大時，便會主動進(jìn)行控制，主要是調(diào)節(jié)施加在車輪上的縱向的作用力，改變橫擺力矩，從而使汽車發(fā)生適當(dāng)?shù)臋M擺運(yùn)動，使車輛調(diào)整到操作員期望獲得的車輛運(yùn)動狀態(tài)。尤其是當(dāng)車輛行駛在彎道上時，如圖所示，為了使車輛調(diào)整到操作員期望獲得的車輛運(yùn)動狀態(tài)，ESP系統(tǒng)會控制車輪的前后軸的側(cè)向力，改變汽車的橫擺力矩，使汽車發(fā)生橫擺，實現(xiàn)方向的有效控制[5]。

3 汽車底盤電控技術(shù)發(fā)展趨勢

汽車底盤各個電控系統(tǒng)之間相互聯(lián)系并相互依賴，彼此之間相互影響。汽車控制效果的不斷優(yōu)化、資源不斷節(jié)約以及控制系統(tǒng)可靠性不斷提高將成為未來汽車的重要發(fā)展方向。

雖然電控自動變速器、防抱死制動系統(tǒng)（ABS）、電控防滑驅(qū)動系統(tǒng)（TCS）、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)和汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP）等這些電子控制技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用和研究，為汽車電控技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，為了打開一個廣闊的前景，對提高車輛的性能也發(fā)揮了不可替代的作用，然而汽車畢竟作為一個整體，其性能將依賴于各個系統(tǒng)的共同運(yùn)轉(zhuǎn)，如果依然保持現(xiàn)在這樣各個系統(tǒng)獨立工作的狀態(tài)，任由不同的系統(tǒng)之間互相影響和制約，無疑不利于汽車整體性能的提升，每個電控系統(tǒng)也在互相的約束下無法發(fā)揮最大的效率。這樣一來，汽車（特別是汽車底盤）中各電控系統(tǒng)的集成了成為了當(dāng)下研究的焦點。

考慮到未來汽車發(fā)展勢必要求汽車整體性能的提升，汽車（特別是汽車底盤）中各電控系統(tǒng)的集成將成為不可避免的發(fā)展方向。因此，利用高速局域網(wǎng)絡(luò)CAN將汽車電控系統(tǒng)進(jìn)行有效結(jié)合，實現(xiàn)汽車底盤多層面控制將成為現(xiàn)代汽車底盤電控技術(shù)的重要發(fā)展趨勢。

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作者簡介：殷國鑫（1986-），男，云南昆明人，本科，講師，研究方向：汽車運(yùn)用技術(shù)。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.180