《汽车电气电子技术(2015)13打印》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车电气电子技术(2015)13打印（62页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、汽车电气电子技术（13）,哈工大网络与电气智能化研究所2015（秋）,汽车的行驶安全性分为主动安全性和被动安全性两大类。所谓行驶主动安全性是指汽车避免发生意外事故的能力；而被动安全性，则是指汽车在发生意外事故时对乘员进行有效保护的能力。通俗地讲，主动安全性就是要使汽车在行驶时“有惊无险”；而被动安全性则是要做到汽车发生事故时“车毁人不亡”。除了通过一定的法律法规保证汽车行驶的秩序，减少交通事故之外，在汽车上也必须具备相关的装置或机构（比如汽车的制动系统、安全气囊等）来保证汽车的行驶安全性。随着汽车数量的急剧增加，对汽车行驶安全性的要求也越来越高，不仅加强了对交通秩序的管制，而且对汽车这个现代交
2、通工具自身的安全性也提出了新的要求。,第十一章汽车行驶安全性控制系统,电子控制技术在汽车上的应用对改善和提高汽车行驶安全性起到了里程碑的作用。现代汽车上普遍装备有能够改善和提升汽车行驶主动安全性和被动安全性的电子控制系统，比如，汽车防抱死制动系统、驱动防滑控制系统、制动力分配与差速锁的电子控制、安全气囊、安全带、防/避撞系统等等。这些都为减少交通事故提供了硬件基础。,第一节汽车防滑控制系统,汽车防滑控制系统能够显著提高汽车行驶主动安全性能，主要包括汽车电子控制制动系统，如防抱死制动系统（Anti-lock Braking System，缩写ABS）、电子感应制动系统(Sensotronic B
3、raking Control，缩写SBC）、电子制动系统(Electronic Braking System，缩写EBS) , 电子制动力分配（Electric Brake Force Distribution，缩写EBD）。,驱动轮防滑转控制系统 (Anti-Slip Regulation，缩写ASR)或驱动力控制系统（Traction Control System，缩写TCS） 及电子差速锁(Electronic Differential System，缩写EDS或Electronic Differential Locking Traction Control，缩写EDL)。 一、汽车防抱
4、死制动系统(ABS)电控防抱死制动是将传统的制动过程转变为瞬态控制的制动过程，其特点是在任何情况下都能使紧急制动的车轮保持在最佳的制动状态，获得最佳的制动效果。 ABS具有以下优点：1)保持汽车制动时的方向稳定性。2)保持汽车制动时的转向能力。3)缩短制动距离。ABS能保证汽车在雨后、冰雪及泥泞路面上获得较高的制动效能，防止汽车侧滑甩尾（松散的沙土和积雪很深的路面除外）。,4)减少制动时轮胎的磨损。ABS能防止轮胎在制动过程中产生严重的拖痕，提高轮胎使用寿命。5)减少驾驶员的疲劳强度（特别是汽车制动时的紧张情绪）。（一）汽车ABS的理论依据在驾驶员、汽车和环境三者所组成的闭环控制系统中，汽车与
5、路面之间的联系是轮胎与路面之间的作用力。由于汽车的行驶状态主要是由轮胎与路面之间的纵向作用力与横向作用力决定的，因此，驾驶员对汽车的控制实质是在控制车轮与路面之间的作用力。但是，车轮与路面之间的作用力必然受到轮胎与路面之间附着力的限制，汽车的加速与减速运动主要受到车轮纵向附着力的限制，而汽车的转向运动和抵抗外界横向力作用的能力则主要受车轮横向附着力的限制。,在行驶的路面上，轮胎与路面之间的附着力是轮胎与路面之间的摩擦力。因此，轮胎与路面之间的附着力必然会遵循摩擦定律，即轮胎与路面之间的附着力取决于其间的垂直载荷和附着系数，其关系为,式中,轮胎与路面间的附着力；轮胎与路面间的垂直载荷；轮胎与路面
6、间的附着系数。,汽车在制动过程中形成的主要摩擦力，包括制动器制动力和地面制动力。制动器制动力是为了克服制动器摩擦力矩在轮胎周缘所需施加的力，它取决于制动器的形式、结构尺寸、制动器摩擦副的摩擦系数和车轮半径。在制动器结构一定的情况下，制动器制动力与制动分泵的压力（液压或气压）成正比。,(11-1),地面制动力是轮胎与地面之间的摩擦力，是使车轮制动而减速行驶的外力，方向与汽车行驶方向相反。地面制动力越大，制动减速度越大，制动距离就越短。制动初期，地面制动力随着制动器制动力增大而增加，但增加到一定程度就不会再增加了，有一定的限值。因为地面制动力是一个滑动摩擦约束反力，它的最大值不能超过附着力，地面制
7、动力的最大值即为地面附着力，或者说附着力是地面传递制动力的极限。因此，汽车的地面制动力首先取决于制动器制动力，但同时又受路面附着条件限制。要想获得足够的地面制动力，首先汽车应具有足够的制动器制动力，其次路面还要提供较高的附着力。由式(11-1)可知，要提高地面制动力，改善汽车的制动效果，则须提高路面附着系数。在汽车行驶过程中制动时的路面附着系数并非是一个常数，而是一个与车轮滑移程度即滑移率有关的变量。,滑移即为汽车制动时出现车轮速度小于汽车车身速度而导致车轮既滚动又滑动的现象。车轮的滑移率定义为,式中,汽车行驶（平移）的瞬时速度；车轮的瞬时线速度；车轮旋转的角速度；车轮有效滚动半径。,汽车制动
8、效能的高低也主要反映在对地面最大附着系数的利用率上。附着系数与滑移率之间的变化关系如图11-1所示。由图可见，纵向附着系数p随滑移率的增大急剧上升，并在滑移率=15%30%时达到最大值。如滑移率继续增大，纵向附着系数p逐渐缓慢减小。,图11-1附着系数与滑移率的关系,ABS可使作用在车轮制动器上的制动力按要求变化，以控制车轮的瞬时速度，确保车轮滑移率维持在上述最佳范围内，获得最好的制动效果。此外，附着系数与滑移率的关系随路面的性质和状况不同而不尽相同。图11-2所示为几种典型路面附着系数随滑移率变化的曲线。（二）汽车ABS的结构组成、工作原理与分类,图11-2不同路面附着系数与滑移率的关系,1
9、汽车ABS的结构组成与控制部件的安装位置目前，世界上生产ABS的厂家较多，其产品的形式与结构不尽相同。,一般来说都是在常规制动装置的基础上，增设车轮转速传感器、电子控制单元(ECU)、制动压力调节器和ABS报警灯等构成，如图11-3所示。,图11-3汽车防抱死制动系统的组成简图,1-前轮转速传感器2-制动分泵3-ABS指示灯4-制动报警灯5-制动压力调节器6-制动总泵7-ABS继电器8-后轮转速传感器,控制部件的安装位置如图11-4所示。 ABS ECU与基本输入/输出信号如图11-5所示。,图11-4ABS控制部件的安装位置,1-制动压力调节器2-ABS ECU3-ABS指示灯4-后轮转速传
10、感器转子5-后轮转速传感器6-制动灯开关7-前轮转速传感器转子8-前轮转速传感器,图11-5ABS及基本输入、输出信号,(1)车轮转速传感器车轮转速传感器通常是电磁感应式转速传感器，目前也有霍尔效应式车轮转速传感器。传感器的功用是检测车轮的转速并把转速信号送到ECU。它安装在随车轮或驱动轴旋转的齿圈处，并与齿圈对准，如图11-6所示。,1)电磁感应式车轮转速传感器车轮转速传感器主要由齿圈和电磁感应头两部分组成，如图11-6所示。用于感测非驱动车轮转速的传感器通常也设置在车轮处，有些车型则设置在主减速器或变速器中。,图11-6车轮转速传感器,车轮转速传感器的一种安装形式如图11-7所示，齿圈安装
11、在随车轮一同转动的部件上，如半轴、轮毂、制动盘等；而电磁感应头则安装在车轮附近不随车轮转动的部件上，如半轴套管、转向节等。电磁感应头与齿圈之间的间隙很小，通常在0.51.0mm之间，多数车轮转速传感器的间隙是不可调的。,一些后轮驱动的汽车只在主减速器中或变速器中安置1个电磁感应式转速传感器，如图11-8所示。,图11-7车轮转速传感器在车轮上的安装位置,a）驱动车轮,b）非驱动车轮,1-半轴,2-悬架支撑,3-齿轮,4、8-电磁感应式传感器,5-轮毂,6-转向节,7-齿圈,传感器安置在主减速器输入轴上（或者直接利用主减速器齿轮）或变速器输出轴上。转速传感器设置在传动系统中，该转速传感器感测的是
12、两后轮的平均转速，因此，只适用于对两后轮进行同一控制的布置形式。,图11-8转速传感器在传动系统中的安装位置,a）主减速器,b）变速器,1-主减速器从动齿轮,2、5-电磁感应式转速传感器,3-齿圈,4-变速器,电磁感应头主要由永磁铁、磁极和线圈组成。传感器齿圈是由磁阻较小的铁磁性材料组成，其基本结构如图11-9所示。,图11-9电磁感应式车轮转速传感器的基本结构,1-磁铁,2-线圈,3-细轮齿,4-齿圈（回转）,5-磁极,6-电子模块,如图11-9所示，该传感器的工作原理为：当齿圈的齿根与电磁感应头的端部相对时，电磁感应头端部与齿圈之间的气隙最大，通过传感线圈的磁力线最少；而当齿圈的齿顶与感应
13、头端部正对时，气隙最小，通过传感线圈的磁力线最密。当齿圈随同车轮转动时，齿圈的齿根和齿顶交替地与传感器感应头端部相对，通过传感线圈的磁力线随之发生疏密交替变化，在传感线圈中就会感应出交变电压，交变电压的频率与齿圈的齿数和转速成正比，因此，转速传感器输出的交变电压频率就与车轮的转速成正比。另外，车轮转速也会影响传感器输出交变电压的幅值的大小。2)霍尔传感器 霍尔效应式车轮转速传感器的基本原理如图11-10所示。永磁铁的磁力线穿过霍尔元件，通向齿轮，这时齿轮的作用相当于一个集磁器。,当齿轮处于图11-10a所示状态时，磁力线分散，穿过霍尔元件的磁场相对较弱。当齿轮处于图11-10b所示状态时，磁力
14、线密集，穿过霍尔元件的磁场较强，引起霍尔电压的变化。,图11-10霍尔轮速传感器磁路图,a）霍尔元件磁场较弱,b）霍尔元件磁场较强,1-永磁体,2-霍尔元件,3-齿圈,通过齿轮的运动，霍尔元件输出mV级的准正弦波电压。若要将它变换成标准TTL脉冲电压，需通过放大、整形电路来实现。经放大整形后的转速信号波形如图11-11所示。,图11-11电子线路的各级输出波形,(2)减速度传感器减速度传感器（也称G传感器）能测出汽车制动时的减速度，识别是否为雪路、冰路等易滑路面。目前使用的减速度传感器有差动变压器式、水银开关式和光电式传感器，下面分别介绍。G传感器通常是利用差动变压器获得减速度信号，其动作原理
15、如图11-12、图11-13所示。,图11-12差动变压器式G传感器,a）差动变压器结构b）变压器输出特性,1-铁心,2-线圈,3-差动变压器,4-印制电路板,5-片簧,6-变压器油,汽车在正常行驶时，差动变压器线圈内的铁心处于线圈中部位置。当汽车制动减速时，铁心受惯性力（其惯性力与汽车的加、减速度的大小成正比，而方向相反）作用前后移动，从而使差动变压器线圈内的感应电流发生变化，转换为电压作为输出信号。惯性力不同，铁心在线圈内所处的位置随之不同，输出电压信号值的大小也不同。,1-差动变压器2-解调电路3-振荡电路4-基础电路,图11-13差动变压器式G传感器的工作原理,近年来，四轮驱动(44)
16、汽车也开始装用ABS，它的减速度传感器主要用于检测汽车车身的减速度，一般采用的是开关型G传感器。图11-14所示是采用水银开关的G传感器的剖面图。,图11-14G传感器水银开关,如A-A剖面所示，水银开关与水平面有一定的夹角，汽车处于水平位置时开关处在“开”状态，可识别出路面的附着系数信息并传送到电子控制单元(ECU)。光电式减速度传感器由两只发光二极管LED、两只光电晶体管、一块透光板和信号处理电路等组成，结构如图11-15a所示。,图11-15光电式减速度传感器结构原理,a）元件位置b）透光时c）遮光时,透光板的作用是透光或遮光。当透光板上的开口位于发光二极管与光电晶体管之间时，发光二极管
17、发出的光线能够照射到光电晶体管上，使光电晶体管导通，如图11-15b所示。当透光板上的齿扇位于发光二极管与光电晶体管之间时，发光二极管发出的光线被透光板上的齿扇挡住而不能照射到光电晶体管上，光电晶体管处于截止状态，如图11-15c所示。汽车匀速行驶时，透光板静止不动，传感器无信号输出。当汽车减速时，透光板沿汽车纵向摆动，如图11-16所示。减速度大小不同，透光板摆动角度就不同，两只光电晶体管“导通”与“截止”状态也就不相同。减速度越大，透光板摆动角度越大。根据两只光电晶体管的输出信号，就可将汽车减速度区分为四个等级，如表11-1所示。ABS的ECU接收到传感器信号后，就可判定出路面状况，从而采取相应的控制措施。,
