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車輛穩定控制系統上的那點事兒(一)

小夥伴們好,一周多不發文章,想我了嗎?今兒你們的楊老濕又回來了!

有童鞋問:您這更新速度也忒慢了點吧,楊老濕是不是偷懶呢?

的確,楊老濕是有點犯懶的想法,但是實際上卻沒敢閑著!這不,好久沒BB系統知識了,從今兒咱開始聊個大話題:車身穩定系統上的那點事兒... ...

看到這個題目,可能大家覺得,沒事兒吧?這不學校老師教過百八十編了,有啥好聊的?好吧,你說的對了,系統的確是我們天天打交道的那個剎車系統,不過咱得得聊聊那些車身穩定系統的題外話和不常見的案子,不過開始的內容還是從基礎原理說起吧... ...

一、系統介紹

車輛(車身)穩定控制系統,也叫做電子車身穩定控制系統。其具體的含義、系統功能與作用,你們比楊老濕還熟悉!不了解的童鞋,請自行參考「度娘」... ...

度娘,看到楊老濕這樣宣傳你,是不是給點廣告費?

反正,遇到楊老濕不熟悉的事情,我就信你,哈哈哈哈... ...

二、系統來源與名稱

而說到車身穩定系統的設計及來源,地球人都知道最早是來自博世!同時咱們也要十分清楚的認識到:現代汽車廠商 幾乎都不再自行研發、生產車身穩定系統,而完全通過採購來自各大汽車系統供應商。

從我們萬國汽車維修的國度上來講,常見的車輛穩定系統供應商,如下所示:

題外話:看到這張圖,楊老濕就心痛!

雖說現在整車咱們都能自主設計、研發生產,可就這個車身穩定控制系統咋就不能自己研發生產呢?

有童鞋會說:目前也能產車身穩定控制系統啊,我們那些國產車都裝的是國產貨啊!可咱摸摸腦門和拍拍胸脯問問自己:無論是聯合電子、大陸汽車電子還是南方天合,哪一家不是和人家合資的呢?據說浙江亞太機電和蕪湖的伯特利也能哦生產這個系統,但是不知道他們是自主的還是合資的呢?

這裡面楊老濕就得吐吐槽了:我大天朝能做到自主設計、生產汽車,可是汽車上的那些關鍵零部件、關鍵系統不是還得採購全球的那幾家供應商的?有些汽車品牌還拿出來炫耀:看我的某某零件採購於全球著名品牌!啊呸,用別人的東西你不給錢嗎?如果你自己能生產,你願意受制於別人啊?能生產的,你買鬼子的東西啊?

童鞋們,請睜大眼睛看看下面的供應商在的分支機構吧,什麼國產車、合資車,那個不得受困於那幾家大的汽車部件供應商?主流汽車部件供應商的國內分支結構,如下所示:

至於宇宙無敵的第一的博世聯合電子和宇宙第二的采埃孚天合聯盟,還用我介紹嗎?感興趣的童鞋可以自己上網自己搜搜在國內有多少工廠和分支機構?足足得有五十家以上在華機構和工廠!!!

想想咱們買的車,掛著自己的車標,有多少模塊、有多少系統是來自別人的技術?雖說生產是在國內,可以知識產權不是的要RMB嗎?一輛車的利潤,有多少又是被這些主流關鍵部件供應商撈到自己的腰包里了呢?

好了不說不開心的了,題外話聊多了桑心!回到正題,在各個汽車廠家的車型中,其叫法各有不同,常見的說法如下表所示:

常見品牌車輛穩定系統
名稱應用品牌
ESP奧迪、大眾、鈴木、菲亞特、克萊斯勒、賓士、標緻、雪鐵龍、福特(國產)等
VSA本田、謳歌
VDC日產、英菲尼迪、斯巴魯
DSC寶馬、捷豹、路虎、馬自達、MINI等
VSC豐田銳志
VDIM豐田、雷克薩斯
ESC通用(國產)
StabiliTrak通用(進口)
ADVANceTrac福特銳界
VSM現代

上表的分類來源於網路,準確性楊老濕不作考究!當然,現在各個車型的叫法也不見得與上述列表完全一致,還有一些叫ASC、VEVS、ASTC... ...

Whatever!別人叫啥都不重要,反正其實楊老濕和咱們修理工都叫它:

車身穩定控制系統!

同時,我們也需要注意到:各個廠家的穩定系統也有些許的不同,有的系統加入了對轉向系統的干預,使駕駛員對行車軌跡的修正變得更輕鬆;有的系統則加入了可調功能,增加或減少了對駕駛樂趣的影響。

三、系統原理

雖然各個廠家的名稱命名有所不同,但各個車輛穩定系統的基本控制邏輯原理卻是一樣一樣的!而說到車輛穩定控制系統就不得不先聊聊:剎車防抱死控制(ABS)系統。

(1)剎車防抱死控制系統原理

實際上,車身穩定控制系統的控制,則完全是包含剎車防抱死(ABS)系統和加速防滑牽引力控制(簡稱為DTC或者也叫ASR、ATC、TRC... ...)系統的功能。剎車防抱死系統和加速防滑系統則是車輛的縱向控制,簡單來講就是一個縱向打滑的一個控制過程。那這兩個系統是怎麼控制的呢?

在此楊老濕提前說一點:咱不會講理論,只會大白話,想要學純理論,乾脆你自己找度娘!楊老濕則是純農民出身、土匪打法,我是怎麼理解的,我就怎麼說,開心就好... ...

從文字上看,剎車防抱死的含義就是控制剎車時防止、避免輪胎與地面抱死,而使輪胎與地面保持一種似滾動似滑動的最佳狀態。下圖是我們常見ABS系統的打滑率控制範圍圖。

因為從上圖中,我們可以看到:輪胎與地面的摩擦力是與輪胎與地面的附著係數有關,而縱向的附著係數成拋物線狀變化,只有確保打滑率在20%左右,才能實現最大的縱向附著力,也就是此時才有最大的輪胎與地面摩擦力。同時也代表了,此時輪胎能提供給車輛一個最大的縱向制動力。

同時我們必須要看到:車輛在剎車過程中的橫向(側向)附著係數也是隨著車輪的打滑而一直降低的,如果在剎車過程中,車輪完全抱死,那麼車輛在橫向附著係數會下降到極地,車輛的橫向就沒有摩擦力,就會出現原地掉頭、甩尾等極為不可控、不穩定的情況。

因此說:ABS的功能不僅僅是控制縱向的摩擦力縮短制動時間制動距離,更為關鍵的作用是控制確保車輛具有一定的橫向穩定性,防止車輛在緊急剎車時方向失控及車輪側滑!不信?看下圖:

同樣反之,加速防滑牽引力控制系統也是一種縱向的打滑率控制,只不過剎車時是減速,現在是加速,加速時如果驅動力過大,輪胎在地面上空轉,此時輪胎與地面上附著係數會降低,而使得車輛獲得不了最大的地面摩擦力。如圖:輪子轉得快,就能跑得快嗎?非也!

這裡咱們好像反覆在講一個詞:「打滑率」何謂打滑率?它是怎麼得來的?我們先看看公式:

好,這裡簡單說一下,打滑率就是:車體速度與車輪速度只差再比上車體速度乘以100%。車體速度是指整個車輛的移動速度,車輪則是指輪胎在地面上的滾動速度。

啊,什麼?什麼?車體速度、車輪速度?車體速度居然不是輪速?

對的!我們首先試想一下:當一輛沒有ABS功能的汽車,在車體速度40KM/H 緊急制動,如果路面光滑附著力較低,那麼車輪就會立即抱死,而抱死的輪速為0 KM/H,此車該輪胎的打滑率則為:(40-0)/ 40 = 100 % ! 所以我們說:車體速度是車輛的整體移動速度,而輪速是指輪胎與地面之間的滾動速度,而在輪胎完全抱死滑動時,打滑率達到最大為100%。

而如果此時是輕微的制動,車輛沒有任何抱死傾向,輪胎與地面純滾動時,輪速等於車速,此時的輪胎打滑率則為:(40-40)/ 40 = 0 %, 也就是說打滑率是0%,輪胎與地面沒有打滑。

當然,從沒有打滑到徹底打滑的打滑率是是一個變化的過程,其數值是可以從0-100%連續變化的,具體的情況得看車輛當時的動態了。

那麼有童鞋又該問了:既然車體速度不是輪速,汽車上有專門的車體速度感測器嗎?是不是變速箱輸出軸轉速感測器、后差比、輪胎半徑等信號推算出來的?

這個的確是個大問題,今天由於篇幅關係,本期咱們先不聊下期再聊,有明白的童鞋,可以先指點一下楊老濕吧!

(2)車輛穩定控制系統原理

好了,了解了ABS和DTC的原理,我們再來聊聊車輛穩定控制系統。

在這裡,楊老濕同樣以個人理解,用最簡單的話來表示一下其邏輯:

車身穩定控制模塊藉助於方向盤轉向信號和車速信號計算出合理的車輛慣性目標值,根據慣性、輪速感測器檢測到實際的車輛姿態,兩個進行對比,通過對動力輸出的修正或採取額外的制動調節,達到穩定車身姿態的控制。

一般常規意義上來講,我們通常所說的車輛不穩定的狀態多是指橫向(側向)方面的不穩定,其常見表現形式有兩種:一是轉向不足、另一個是轉向過度。用楊老濕的理解,簡單點說就是:拐、拐、拐不過來了,拐大發了、轉過頭了。

其控制策略,如下圖所示:

簡單點理解其控制策略就是:轉向不足時,拐不過來就控制剎車拉內側,再拐大點。而轉向過度時拐大了,就控制剎車拉外側,拐小點彎兒。增加向前的扭矩是減小制動,增加向後的扭矩是增加制動力!楊老濕自己口訣:不足拉內側、過度拉外側!

(3)系統部件配置

好,車輛要想實現行駛穩定這樣「高、大、上」的功能,還需要那些額外的配置?顯然,簡單的控制模塊軟體升級是不可能實現的,這裡模塊就必需要知道的駕駛員意圖和實際車輛姿態,這樣才能去對比目標和實際狀態的差異,以便控制輸出的制動壓力。

所以從系統配置上來講,要想車輛實現車輛穩定控制系統的功能,則必須裝備ABS系統所不具備的額外感測器:方向盤轉角感測器和慣性感測器,而剎車防抱死系統,僅需要四個輪速感測器和控制單元為基礎即可實現其系統功能。具體的方向盤轉角感測器和慣性感測器,咱們下次再聊!

當然,必要的剎車開關、液壓閥體執行單元也是系統必不可少部件之一,不過根據車輛配置、功能的不同設計要求,系統可能還需要一些其他的感測器信號。例如,想要實現手剎工作指示就要手剎開關,想要剎車液位過低報警就得有剎車液位開關,想要實現剎車片磨損報警就得有剎車片厚度感應感測器... ...等等。

同時需要我們了解的是,穩定控制模塊不僅僅自己直接檢測一些列的開關感測器信號,它必要還要同車輛其他系統的模塊相互交換信息,綜合控制車輛的扭矩管理。下面是某高檔豪華轎車的行駛動態穩定控制系統的邏輯框架圖:

(4)系統引申

其實現代汽車的車身穩定系統,不再僅僅是一種簡單的側向側滑管理和縱向剎車、加速控制,從廣義的角度來講:車身穩定控制系統只是整個車輛動態行駛管理系統的一部分。

楊老濕讀書少、接觸車型不多,只能以咱熟悉的「別摸我」經典車型為例,我們看看整個車輛動態行駛系統有那些系統是怎麼控制、怎樣相互協調工作的。(題外話:不以他為例,拿誰開刀?別的車型就是乾巴巴的一個單獨ESP系統,怎麼看都沒他NB!三菱EVO也NB,可是楊老濕已經吹完了,不吹他吹誰?)

下面就是「別摸我」車系的動態行駛系統的邏輯控制功能示意圖:

噢(ou,三聲)?看上去好高檔哎!這麼多鳥語,都是啥啊?

是滴,是有點亂,楊老濕剛接觸的時候,也是一臉懵逼,咋也不懂!不過慢慢的接觸多了、習慣就好了,這裡不熟系的童鞋莫要著急!下面,就聽楊老濕BB兩句吧。

四、行駛動態管理系統

首先,宇宙空間是由多個維度組成,人家愛因斯坦、霍金研究的什麼十個維度咱們聊不懂,這裡咱們只聊車輛運動的三維空間:前後維度X軸、左右維度Y軸、上下維度Z軸。

要想實現車輛完美的行駛動態穩定性能,就需要對車輛以上三個維度上的運動進行全方位的控制。其中X軸是車輛前後方向的運動,主要是加速、剎車以及車身前後高低擺動的縱向動態管理控制;Y軸是車輛轉向以及旋轉運動,即橫向動態管理;而Z軸則是車輛高低以及左右擺動的垂直動態管理控制。

那麼要想實現上述完美的動態控制,使車輛有良好的加速、制動、轉向、操控、穩定、安全...等等性能,就不僅僅是單獨一個系統的事情了,在高檔車上就要引出各種各樣的輔助系統了,當然這也就需要各個子系統相互協調、共同作用,達到完美的性能。因此,這裡就引出了主要幾個控制系統:AFS、 ARS、 VDC、 EHC、 xDrive、 DSC 等系統,下面楊老濕就簡單介紹一下功用與邏輯原理吧。

特別注意:以下內容僅做簡單的系統介紹、不做具體分析和講解,如果小夥伴們特別有興趣,楊老濕可以考慮在之後的文章中細緻的聊聊!

(1)橫向動態管理系統

AFS也叫AL,即主動轉向控制系統,用於控制修正車輛的橫向運動。

常規車輛上控制左右橫向運動的機構都是轉向機來實現的,可是因為駕駛員的水平不一、車輛的運動狀態不同,轉向系統會有轉向不足和轉向過度的情況發生。當發生這種不穩定情況時,AFS系統就會自動控制轉向機或轉向軸上的中間結構在轉向車輪上疊加一個轉向角。一般在轉向不足時疊加一個正值轉向角而加大轉向、而轉向過度時疊加一個負值轉向角而減小轉向。這就使得駕駛員在穩定方向盤的同時,車輪的轉向會根據AFS模塊自動修正轉向角,這也是常規轉向系統上無法想象和實現的功能。

當然了,這個系統也有其他轉向角大小調節的作用,其具體的控制策略和結構原理,在此不做詳細介紹,以後有機會再聊!

剛才咱們介紹的是前橋轉向機上的主動轉向修正系統,同時有些車型在後橋上也有主動轉向系統HSR系統。其作用就是根據車輛的駕駛工況控制後輪的轉向。

(2)垂直動態管理系統

ARS主動側翻管理系統,也叫主動穩定桿,是控制車輛縱向左右車身垂直高度的主動裝置。ARS控制模塊通過控制液壓閥體,來控制前橋或者後橋上主動穩定桿不同油腔內的油壓,實現平衡桿上左右兩側高度的不同,從而達到調節左右兩側懸挂系統垂直高度的不同(以F02為例)

VDC垂直動態控制系統,是藉助監控減震器上單獨的加速度感測器、車輛駕駛模式信息,和來自網路其他模塊的轉向角信息,加減速信號等等,通過快速控制電子減震器的阻尼度,調節減震器硬度的垂直動態控制系統。下圖是駕駛模式對減震器的影響(以F02為例)

EHC車身高度調節系統也就是我們所常說的空氣懸挂系統,EHC控制模塊會根據車身高度感測器控制空氣泵以及空氣閥體,控制空氣彈簧的氣體壓力,從而實現車身高度的調節。系統的組成部件如下圖所示(以F02為例):

(3)、縱向動態管理系統

xDrive,也就是分動器,是將變速箱輸出的動力分配給前、後橋驅動實現四輪驅動的機構。

實際上這個部件系統,楊老濕之前聊過有個案例還記得嗎?不記得回去翻翻吧!很明顯這個系統屬於縱向扭矩管理的一環。其控制模塊會根據車輛加減速、轉向信息,自動控制變速箱輸出到前後軸上的驅動力矩。

我們還是以「別摸我」車型為例,當加速力矩越大時,為了防止兩個後輪打滑,分動器就會更多把驅動力分配給前軸;而當車輛轉向時,前後車橋的轉向半徑不同車速也不同,分動器則需要切斷前後驅動軸的連接,避免干涉。

一般這個品牌的車多以基於後輪驅動的全輪驅動系統為主,但近期也引入了越來越多的前驅平台車型。兩種xDrive的結構如下圖所示:

DSC,也就是車身穩定控制系統

這個系統基本的功能作用和控制邏輯原理這裡就不做過多的介紹了,參考上面的內容即可。但是在此,楊老濕需要再簡單的介紹一下該系統的主要功能和衍生功能,如下圖所示:

總之,DSC系統則是縱向扭矩管理的一個非常重要的模塊。同時,根據DSC的不同衍生功能,DSC也儘可能的實現一些橫向動態管理的任務,例如彎道制動控制以及協助車輛轉向等功能。

此外,根據車輛的型號、區域的不同,以上逐個動態管理個系統並不一定在一款車輛上同時出現,部分作為選裝系統裝備子車輛上,具體的叫法與集成則以車型年代、價格配置為準。例如在E71上VDC功能集成在垂直動態管理VDM模塊中、ARS則是單獨的控制模塊,而F02車型中,VDC和ARS則都集成在垂直動態管理VDM模塊中。

下面是「別摸我」車系中典型的兩款車型的行駛動態管理系統的子系統的配置與叫法:

除我們上面所聊到的系統和模塊,小夥伴們是不是還發現了一個非常重要的模塊,這個模塊好像在同時管理著車輛的縱向和橫向動態管理系統?

沒錯,它就是ICM,集成式底盤管理系統,一個獨立於DSC功能,又與DSC有著密不可分關係的控制模塊。ICM接收DSC的輪速、SZL的轉向角、車身高度信號,通過模塊內置集成的慣性感測器,進行行駛動態管理功能的檢測與計算,然後將控制目標再輸出給執行模塊進行車身姿態的修正與控制,同時通絡網路信號傳遞將車輛的動態信息傳遞給其他相關的模塊使用。

因此,在E71和F車型上(單指后驅平台、前驅平台和G系列,咱們以後再論),集成式底盤管理模塊ICM是最重要的一個中樞管理器。ICM的信號輸入、輸出邏輯,如下圖所示:

好了,這期不能再聊下去了,再聊就太長了,還有什麼沒聊完的咱們下期再見!

最後,小夥伴們,還記得今天的問題嗎?

車輛的車體速度是怎麼來的?

趕緊給楊老濕一些答案吧!

楊老濕

201708



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