ARS TCS 牵引力控制新技术及发展前沿 - 图文

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 课程编号 学位类别 教师评语： 200920101423 硕士生 学 院 机械与汽车工程学院 课程名称 汽车新技术 任课教师 姜立标 成绩评定： 分 任课教师签名： 年 月 日

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

Basic Technology and Development Trend of ASR/TCS Wang Weiqiang

(South China University of Technology,guangzhou)

Abstract:The basic principle and constructure of ASR/TCS are introduced here as well as its status around the world.The key technology and new trend are also discussed here.

Key words: ASR/TCS; basic principle;key technology; development trend 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。

1 ASR的基本原理与结构 1.1 ASR基本原理

牵引力控制系统TCS(Traction Control System)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(Acceleration Slip Regulation)。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)/v×100% (车轮滑移时) 0 (车轮自由滚动时) (rw-v)/(rw)×100% (车轮滑转时)

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其中,r ——车轮的自由滚动半径,w ——车轮的转动角速度,v ——车轮中心的纵向速度。[1-2]

实验研究表明,滑动率S与附着系数μ有如图1所示的对应关系;在各种不同路面上μ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。

图1 附着系数与车轮滑动率S的关系

图2 不同路面上的μ—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μxmax,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μxmax。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

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到车辆侧向附着系数μy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。

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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＋FL＝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μ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。

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