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汽车电子控制系统概述


第四章 第一节

汽车电子控制系统概述 汽车电子技术的发展背景

汽车既可作为生产运输的生产用品, 又可作为代步、 休闲、 旅游等消费用品, 汽车技术的发展是人类文明史的见证。随着社会、经济的发展,汽车成为人类密 不可分的伙伴。当然,汽车的发展也带来了一些负面的影响,如随着汽车保有量 的增加,交通条件、安全、环境污染也成了日益严重的问题。汽

车的安全、环保 和节能是当今汽车技术发展的主要方向。 一、安全、环保和节能推动了汽车技术的发展 汽车的安全性是人类社会的一大祸害,车辆的制动安全性、驱动安全性与行 驶安全性是道路交通安全事故的三大主要根源。 全世界每年由于交通事故死亡约 50 万人,排在人类死亡原因的第 10 位;我国目前每年因交通事故死亡占全国总 死亡人数的 1.5%,约每年 10 万人。为此,科技人员从汽车的主动安全性和被动 安全性两个方面着手,设计了防滑控制系统、车辆姿态控制系统、智能防撞预警 与应急保护系统、碰撞后的保护系统等一系列电子控制装置。 HC 和 NOx 混合在一起,在强烈的阳光照射下,会发生一系列光化学反应, 产生臭氧和各种化合物。臭氧(O3)具有很强的氧化性和毒性。1963 年美国洛 杉矶地区发生了光化学烟雾事件,促使各国对大气污染的重视研究。据统计,城 市大气污染物一氧化碳(CO) 、碳氢化合物(HC)和氮氧化物(NOx)的主要污染 源是汽车排气。因此,世界各国都相继制订了日益严格的汽车排放物限制法规。 此外,随着汽车保有量的增加,汽车噪声也是环境保护的重点治理对象。于是, 现代轿车普遍装有喷油与点火控制、 废气再循环及三元催化等发动机尾气控制装 置。人们还在降低机械噪声、隔振、隔音等方面进行了大量的实验与改进工作。 进入二十世纪 70 年代,全球的石油危机,使汽车节能问题受到世界各国高 度重视,汽车耗油量被相应的法规限制,并成为汽车报废的一个主要标志。到二 十世纪末,美国政府提出了耗油为 3L/100km 的“3 升车”计划。传统的化油器等 发动机部件虽然有了很大的改进,仍然满足不了排放和油耗两大法规的要求。可 见,传统技术已无能为力,只有采用汽油喷射及电子点火等易于应用的电子控制 新技术,才能有所突破。 二、电子信息技术的发展推进了汽车技术向集成与智能迈进 汽车技术特别是汽车电子控制技术在世界较发达国家发展迅猛, 其先决条件 是电子技术和计算机技术的迅猛发展。二十世纪物理学的革命,促使半导体技术 的迅速发展,尤其是集成电路(IC)和大规模集成电路(LSI)及超大规模集成 电路(VLSI)的发展,使电子元件过渡到了功能块和微型计算机,不仅功能极 强,而且价格便宜,可靠性好,结构紧凑,响应敏捷,迅速推动了汽车电控技术 的发展。 由于电子信息技术的发展, 以及近年来嵌入式系统、 局域网 CAN (Controller Area Network)和数据总线 DB(Data Bus)技术的成熟,汽车电子控制系统的 集成成为汽车技术发展的必然趋势。原先单一项目控制的燃油喷射控制、点火控 制、排放控制、自动变速控制等,发展成为多功能的集成控制系统。如:发动机 的电子控制技术是从控制点火时刻开始的,上世纪九十年代初发展到汽油喷射、 点火控制、排放控制等多项内容复合的发动机集中控制系统;上世纪末又将发动 机控制、驱动防滑控制系统等复合,成为动力控制系统或牵引控制系统(TCS, Traction Control System) 又如: 。 戴姆勒—克莱斯勒公司(Daimler— Chrysler)

的测控一体化制动系统(SBC,Sensotronic Brake Control) ,把制动踏板行程、 转向角度、轮速、车速等信号集合,通过制动防抱死(ABS,Anti—Lock Brake System 或 Antilock Braking System)或电子稳定控制程序(ESP,Electronic Stability Program)系统控制制动过程。 传感技术和计算机技术的发展,加快了汽车的智能化进程。日本丰田公司 (Toyota)和德国德科电子公司(Delco)联合开发的智能车速控制系统,驾驶 员可以选择滞后前车一定的时间(1.8s、2.0s、2.4s) ,通过前保险杠的雷达传 感器测距来控制, 并与前车保持一定的距离。 德国德尔福电子系统公司 (Delphi) 的热管理系统,把信号送入系统中央控制器后,可以根据乘员的衣着和心理反应 进行自动调节气流温度、流量、流动方向等,满足各个乘员的舒适性。智能汽车 导航系统集合了嵌入式计算机、彩色显示器和卫星定位系统(GPS)等技术,由 于“蓝牙技术” (Bluetooth)的应用,预计卫星定位这项技术将在我国得到迅速 推广。 网络化是未来车辆的必然选择,集发动机控制、底盘控制、车身控制、以及 安全、通讯、娱乐等于一体的网络汽车的出现也是指日可待。图 4-1、图 4-2 为 近期构建的车辆网络系统。

图 4-1

四层网络结构

图 4-2 网络层次的发展 三、汽车电子技术应用的优越性 由于电子技术、计算机技术和信息技术等新技术的发展和应用,汽车电子控 制在控制的精度、范围、适应性和智能化等多方面有了较大发展,实现了汽车的 全面优化运行。因此,在降低排放污染、减少燃油消耗、提高安全性和舒适性等 方面,电子控制汽车有着明显的优势。 1.减少汽车修复时间 汽车电气设备的故障约占汽车总故障的 1/3。由于汽车构造比较复杂,零部 件比较多,工作环境不可控制(如道路条件,环境的温、湿度),加上人为的因 素,所以汽车的可靠性差,无故障间隔时间短;随着电气设备在汽车零部件中比 例的增加,电气设备的故障率还会提高。由于电子控制汽车均装有自诊断系统, 提高了故障诊断的速度和准确性,从而缩短了汽车的修复时间,带来很好的社会 效益和经济效益。 2.节油 汽车发动机采用电子综合优化控制,与传统的化油器式发动机相比,可以节 约燃油消耗 10%~15%左右。汽车是一个较复杂的多参数控制的机械,而且行驶 条件随机变化。对其采用优化控制后,计算机可以对控制对象的有关参数(如温 度、气体压力、转速、排气成分)进行适当采样,然后进行数据处理,最终控制 汽车的执行机构,这样便可使汽车在最佳工况下工作,以达到节油目的。发动机 各部件的优化控制主要有:电子控制点火装置、电子控制汽油喷射和混合气浓度 控制装置等,此外还有发动机闭缸控制节油装置、怠速控制、废气再循环控制和

爆震控制等优化控制。 3.减少空气污染 用传感器控制的发动机空燃比闭环控制系统, 可以保证空燃比处于理论空燃 比附近工作。若加装废气再循环和三元催化净化等装置,不但可以节约燃油,而 且废气中碳氢化合物(HC)的体积分数可降低 40%,氮氧化合物(NOx)的体 积分数可降低 60%左右。 4.减少交通事故 电子技术在汽车安全方面得到应用后,使整车的安全性能提高。交通事故主 要由人的主观因素和客观因素所造成,减少人的主观因素造成事故的电子装置 有:防止酒后驾车和驾驶员磕睡的电子装置、检查人的心理状态和反应时间的电 子装置等;减少由于客观原因造成事故的电子装置有:电子控制防滑装置、智能 驾驶信息系统、汽车主要参数报警装置和安全气囊等。 5.提高乘坐舒适性 汽车的舒适性包括平顺性、噪声控制、空气温度和湿度调节以及居住性等。 通常所说的乘坐舒适性,主要是指乘客对振动的适应程度。振动主要由路面、轮 胎、发动机和传动系通过不同途径传递到人体,其振动的幅度和频率对人体影响 较大。采用电子技术后,可以根据汽车的运行情况和路况适时控制减振器的阻尼 等参数,从而提高乘坐舒适性。车内温度、湿度、灯光等,可根据环境条件及人 的要求自动控制在合适的程度。 目前, 发达国家的轿车电子产品应用已占车价的 25%以上, 随着量子力学的 重大发现和纳米技术的推广应用,还将进一步推进汽车技术的发展。预计高级轿 车在近 10 年内电子器件将达到轿车总成本的 40%,电子器件消耗的顶峰功率也 将由目前的 2kw~3kw 增长到 8kw~10kw。 。由于汽车电器设备的广泛应用,按 8kw 计算,14V 的汽油车电器系统(蓄电池 12V)电流将达 570A。因此,美、欧等 汽车制造商和零部件供应商已在讨论 12/14V 向 36/42V 汽车电器系统转化, 预计 42V 汽车电器系统的应用已为时不远了。表 4-1 列出了现代汽车上应用较多的汽 车电子控制系统。 表 4-1 现代汽车电子控制系统

第二节

汽车电子控制系统的一般组成

一、电子控制系统的一般组成 电子控制系统就是应用控制装置自动地、有目的地控制、操作机器设备或过 程,使之有一定的状态和性能。典型的工程控制系统如图 4-3 所示。自动控制系 统一般由检测反馈单元、指令及信号处理单元、转换放大单元、执行器和动力源 等几部分组成。

图 4-3

电子控制系统的一般组成

1.检测反馈单元 该单元的功用在于通过各种传感器检测受控参数或其它中间变量,经放大、 转换后用以显示或作为反馈信号。

2.指令及信号处理单元 该单元接受人机对话随机指令或定值、程序指令,并接受反馈信号,一般具 有信号比较、变换、运算、逻辑等处理功能。传统的指令及信号处理单元多采用 模拟电路,随着微电子技术和计算机技术的发展,为工程控制系统提供了采用数 字计算机指令和信号处理单元的可能性。 汽车上所用的指令及信号处理单元多为 微处理机。 3.转换放大单元 该单元的作用是将指令信号按不同方式进行相互转换和线性放大, 使放大后 的功率足以控制执行器并驱动受控对象。 4.执行器 执行器直接驱动受控对象的部件,可以是电磁元件,如电磁铁、电动机等; 也可以是液压或气动元件,如液压或气压工作缸及马达。为了使驱动特性与受控 对象的负荷特性相互匹配,还可附加变速机构,如液压马达和行星齿轮传动的组 合。 5.动力源 动力源为各单元提供能源,通常包括电气动力源和流体动力源两类。 二、自动控制系统的分类 工程自动控制系统的分类方式很多,一般有以下几种。 1.按控制系统有无反馈环节分类 (1)开环控制系统 若系统的输出量对系统的控制作用不产生影响(即无 检测反馈单元),则称为开环控制系统。开环控制系统的控制精度完全取决于各 单元的精度,因此,它主要使用在精度要求不高并且不存在内外干扰的场合。但 开环控制系统结构简单,且一般不存在稳定性的问题。 (2) 闭环控制系统 系统的输出通过检测反馈单元返回来作用于控制部分, 形成闭合回路,这种控制系统就称为闭环控制系统,又称为反馈控制系统。其优 点是能够自动纠正外部干扰和系统内参数变化引起的偏差, 这样就可以采用精度 不太高而成本较低的元件,组成一个较为精确的控制系统。但是闭环控制系统也 有它的缺点。由于闭环控制系统是以偏差消除偏差的,即系统要工作就必须有偏 差存在,因此这类系统不会有很高的精度。同时,由于组成系统的元件有惯性、 传动链的间隙等因素存在,如配合不当,将会引起反馈控制系统的振荡,从而系 统不能稳定工作,精度和稳定性之间的矛盾始终是闭环控制系统存在的主要矛 盾。 2.按输入量变化的规律来分类 (1)恒值控制系统 恒值控制系统的特点是,系统的输入量是恒值,并要 求系统的输出量相应地保持恒定值。它是一种最常见的自动控制系统,如自动调 速系统、恒温控制系统、恒张力控制系统等,都属于恒值控制系统。 (2)随动控制系统 随动控制系统的特点是,输入量是变化的(有时是随 机的),并且要求系统的输出量能跟随输入量的变化而作出相应的变化,故随动 系统又称为伺服系统或跟踪系统。它广泛地应用于飞机、舰船、武器(火炮、导 弹)和雷达等的运动控制。 (3)过程控制系统 该系统的输出量是按给定的时间函数实现控制的。这 类系统广泛地应用于化工、冶金、造纸、食品等工业的工艺过程参数控制,如温 度、压力、流量、液位、pH 值等。过程控制系统也可称为程序控制系统,往往 内含伺服控制系统。

以上三种控制系统都是闭环控制系统。 3.按系统传输信号对时间的关系分类 (1)连续控制系统 连续控制系统的特点是,控制作用的信号是连续量或 模拟量。如随动系统就是连续控制系统,因为作用于系统的信号是模拟量。 (2)离散控制系统 又称采样控制系统。它的特点是,作用于系统的控制 信号是连续量、数字量或采样数据量。通常采样数值计算机控制的系统都是离散 系统。 4.按系统输出量和输入量的关系分类 (1)线性系统 线性系统的特点是,系统的输出量和输入量的关系是线性 的,它的各个环节或系统都可以用线性微分方程来描述,可以应用叠加原理和拉 氏变换解决线性系统中的问题。 (2)非线性系统 非线性系统的特点是,其中的一些环节具有非线性性质 (例如出现饱和死区、滞环等)。它们往往要采用非线性的微分方程来描述。此 外,叠加原理对非线性系统是不适用的。 另外,按系统主要组成元件的物理性质,可将控制系统分为电气控制系统、 液压控制系统和电一液控制系统。 5.简化的汽车电子控制系统模型 从控制原理来看,汽车电控系统可以简化为传感器、ECU 和执行器三大组 成部分。 传感器是感知信息的部件, 功用是向 ECU 提供汽车运行状况和发动机 工况等。ECU 接收来自传感器的信息,经信息处理后发出相应的控制指令给执 行器。 执行器即执行元件, 其功用是执行 ECU 的专项指令, 从而完成控制目的。 传感器、ECU 和执行器三部分相互间的工作关系如图 4-4 所示。

图 4-4 传感器、ECU 和执行器之间的工作关系 三、汽车电子控制系统简介 汽车电子控制系统可以分为以下四个部分: 1)发动机和动力传动集中控制系统。包括发动机集中控制系统、自动化变 速控制系统、制动防抱死和牵引力控制系统等; 2)底盘综合控制和安全系统。包括车辆稳定控制系统、主动式车身姿态控 制系统、巡航控制系统、防撞预警系统、驾驶员智能支持系统等; 3)智能车身电子系统。自动调节座椅系统、智能前灯系统、汽车夜视系统、 电子门锁与防盗系统等; 4)通讯与信息/娱乐系统。包括智能汽车导航系统、语音识别系统、“ON STAR”系统(具有自动呼救与查询等功能)、汽车维修数据传输系统、汽车音 响系统、 实时交通信息咨询系统、 动态车辆跟踪与管理系统、 信息化服务系统 (含 网络等)等。 下面简单介绍一下目前较多见且较成熟的部分地区汽车电子控制装置。 (一)发动机控制部分 1.电控点火装置(ESA) 该系统可使发动机在不同转速、进气量等因素下,在最佳点火提前角工况下 工作,使发动机输出最大的功率和转矩,而将油耗和排放降低到最低限度。该系 统分为开环和闭环两种控制。 电控点火装置闭环控制系统通过爆震传感器进行反 馈控制,其点火时刻的控制精度比开环高,但排气净化差些。

2.电控汽油喷射(EFI) 该系统根据各传感器输送来的信号,能有效控制混合气空燃比,使发动机在 各种工况下空燃比达到较佳值,从而实现提高功率、降低油耗、减少排气污染等 功效。该系统可分为开环和闭环两种控制。闭环控制是在开环控制的基础上,在 一定条件下,由计算机根据氧传感器输出的含氧浓度信号修正燃油供给量,使混 合气空燃比保持在理想状态下。 3.废气再循环控制(EGR) 该系统是将一部分排气中的废气引入进气侧的新鲜混合气中再次燃烧, 以抑 制发动机有害气体氮氧化合物的生成。 该系统能根据发动机的工况适时地调节参 与废气再循环的废气循环率,以减少排气中的有害气体氮氧化合物。它是一种排 气净化的有效手段。 4.怠速控制(ISC) 该系统能根据发动机冷却液温度及其它有关参数,如空调开关信号、动力转 向开关信号等,使发动机的怠速处于最佳状态。 除以上控制装置外,发动机部分的控制内容还有:发动机输出、冷却风扇、 发动机排量、气门正时、二次空气喷射、发动机增压、油气蒸发控制及系统自诊 断等。 另外,随着计算机技术的进一步发展,计算机将会在现代汽车上承担更重要 的任务,如控制燃烧室的容积和形状、控制压缩比、检测汽车零件逐渐增加的机 械磨损等。 (二)底盘控制部分 1.电控自动变速器(ECT) 该装置有多种形式。它能根据发动机节气门开度和车速等行驶条件,按照换 档特性精确地控制变速比,使汽车处于最佳档位。该装置具有提高传动效率、降 低油耗、 改善换档舒适性、 提高汽车行驶平稳性以及延长变速器使用寿命等优点。 2.防滑控制系统 防滑控制包括制动防抱死(ABS)、牵引控制(TCS)、驱动防滑(ASR) 和车辆横向稳定性控制系统(VSC)。该系统可以提高制动效能,防止汽车在制 动、 起步、 驱动和转弯时产生侧滑, 是保证行车安全和防止事故发生的重要措施。 3.电子控制动力转向 电子控制动力转向的型式较多, 目前汽车动力转向的发展趋势为四轮转向系 统。它们分别显示出不同的优越性,如有的可获得最优化的转向作用力特性、最 优化的转向回正特性,改善行驶的稳定性以及发挥节能和降低成本的作用;有的 主要是为了提高转向能力和转向响应性;有的主要用来改善高速行驶时的稳定 性。目前电控前轮动力转向较普及,通过控制转向力,保证汽车原地或低速行驶 时转向轻便,而高速行驶时又确保安全。 4.电控悬挂(TEMS) 该系统能根据不同的路面状况,控制车辆高度,调整悬挂的阻尼特性及弹性 刚度,改善车辆行驶的稳定性、操纵性和乘坐舒适性。 5.巡航控制系统(CCS) 该系统又称恒速行驶系统。汽车在高速公路上长时间行驶时,打开该系统的 自动操纵开关后,恒速行驶装置将根据行驶阻力自动增减节气门开度,使汽车行 驶速度保持一定。该系统可以减轻驾驶员长途驾驶之疲劳。 (三)行驶安全系统

1.安全气囊(SRS) 该系统是国外汽车上一种常见的被动安全装置。在车辆相撞时,由电控元件 用电流引爆安置在方向盘中央(有的在仪表盘板杂务箱后边也安装)等处气囊中 的渗氮物,迅速燃烧产生氮气,瞬间充满气囊。气囊的作用是在驾驶员与方向盘 之间、前座乘员与仪表板间形成一个缓冲软垫,避免硬性撞击而受伤。此装置一 定要与安全带配合使用,否则效果大为降低。 2.雷达防撞系统 该系统有多种形式。有的在汽车行驶中,当两车的距离小到安全距离时,即 自动报警,若继续行驶,则会在即将相撞的瞬间,自动控制汽车制动器将汽车停 住;有的是在汽车倒车时,显示车后障碍物的距离,有效地防止倒车事故发生。 3.驱动防滑控制系统(ASR) 该系统是在制动防抱死系统的基础上开发的,两系统有许多共同组件。该系 统装置利用驱动轮上的转速传感器,当感受到驱动轮打滑时,控制元件便通过制 动或通过油门降低转速,使之不再打滑。它实质上是一种速度调节器,可以在起 步和弯道中速度发生急剧变化时,改善车轮与地面间的附着力,提高其安全性。 该系统装置在雪地或湿滑路面上,较能发挥其特性。 4.安全带控制系统 该系统在汽车发生任何撞击的情况下,可瞬间束紧安全带。有的汽车上只有 当计算机确认驾驶员和乘客安全带使用正确无误时,发动机才能被起动。 5.前照灯控制系统 该系统可在前照灯照明范围内,随着方向盘的转动而转动,并能在会车时自 动启闭和防眩。 除上述装置外,已经开发出各种各样的安全装置,如自动门窗装置、车门自 动闭锁装置、防盗装置、车钥匙忘拔报警装置和语言开门(无钥匙)装置等。 (四)信息系统 随着电子化的发展,汽车信息系统越来越庞大,远远超出如车速、里程、冷 却液温度、油压等相关范围,逐渐向全面反映车辆工况和行驶动态等功能发展。 科目繁多的信息装置正在源源不断地进入汽车领域。 1.信息显示与报警系统 该系统可将发动机的工况和其它信息参数,通过微处理机处理后,输出对驾 驶员更有用的信息,并用数字显示、线条显示或声光报警。 显示的信息除冷却液温度、油压、车速、发动机转速等常见的内容外,还有 瞬时耗油量、平均耗油量、平均车速、行驶里程、车外温度等。根据驾驶员的需 要,可随时调出显示这些信息。 监视和报警的信息主要有:燃油温度、冷却液温度、油压、充电、尾灯、前 照灯、排气温度、制动液量、手制动、车门未关严等。当出现不正常现象或自诊 断系统测出有故障时,立即由声光报警。 2.语言信息系统 过去一般信息显示都是靠驾驶员查看仪表, 用视觉感知, 这样容易造成遗漏。 现在出现了语言信息,包括语音报警和语音控制两类。 语音报警是在汽车出现不正常情况,如冷却液温度、水位、油位不正常,制 动液不足和蓄电池充电值偏低等情况时,计算机经过逻辑判断,输出信息至扬声 器,发出模拟人的声音向驾驶员报警,如“水位不正常”、“请加油”等,多数 还同时用灯光报警。

语音控制是用驾驶员的声音来指挥和控制汽车的某个部件、设备进行动作。 3.车用导航系统与定位系统 该系统是近几年研究的新课题。它可在城市或公路网范围内,定向选择最佳 行驶路线,并能在屏幕上显示地图,表示汽车行驶中的位置,以及到达目的地的 方向和距离。这实质是汽车行驶向智能化发展的方向,再进一步就可成为无人驾 驶汽车。 4.通信系统 这方面真正使用且采用最多的是汽车电话,在美国、日本、欧洲等发达国家 较普及。目前的水平在不断地提高,除车与路之间,车与车之间,车与飞机等交 通工具之间的通话外,还可通过卫星与国际电话网相联,实现行驶过程中的国际 间电话通信,实现网络信息交换,图像传输等。 (五)附属装置 1.全自动空调(EA/C) 该装置突破单一的空气温度调节功能,根据设计在车内的各种温度传感器 (车内温度、大气温度、日照强度、蒸发器温度、发动机冷却液温度等)输入的 信号,由计算机进行平衡温度演算,对进气转换风门、混合风门、水阀、加热断 电器、压缩机、鼓风机等进行控制;根据乘客要求,保持车内的温度等小气候处 于最佳值(人体感觉最舒适的状态)。 2.自动座椅 该装置是人体工程技术与电子控制技术相结合的产物, 它能使座椅适应乘客 的不同体型,满足乘客的舒适性的要求。 3.音响/音像 车内装有立体音响、CD 等。放音系统可实现立体声补偿、立体声音响自动 选台,显示器实现数码选台。 四、ECU 的功能与组成 1.ECU 的功能 ECU 是一种电子综合控制装置,它所具备的基本功能如下: 1)接受传感器或其他装置输入的信息,给传感器提供参考(基准)电压:2V、 5V、9V、12V;将输入的信息转变为微机所能接受的信号。 2)存储、计算、分析处理信息;计算出输出值所用的程序;存储该车型的 特点参数;存储运算中的数据(随存随取) ,存储故障信息。 3)运算分析。根据信息参数求出执行命令数值;将输出的信息与标准值对 比,查出故障。 4)输出执行命令。把弱信号变为强的执行命令数值;输出故障信息。 5)自我修正功能(自适应功能) 。 在发动机控制系统中,ECU 不仅用来控制汽油喷射系统,同时还具有点火 提前角控制、怠速控制、排放控制、进气控制、增压控制、自诊断、失效保护和 备用控制系统等多项控制功用。 在发动机控制系统中,由于使用微机,与以往的模拟电路控制相比,信号处 理的速度和容量大大提高,因此,就可以实现多功能的高精度集中控制。 2.ECU 的组成 发动机集中控制系统 ECU 的组成如图 4-5 所示。 ECU 主要由输入回路、 A/D 转换器(模/数转换器) 、微型计算机和输出回路四部分组成。

图 4-5 ECU 的组成
1-传感器 2—模拟信号 3—输入回路 4—A/D 转换器 5—输出回路 6—执行元件 7—微机 8—数字信号 9—ROM/RAM 记忆装置

(1) 输入回路 输入 ECU 的传感器信号有两种: 一种是模拟信号 (图 4-6 a) , 如:热线式空气流量计的输出信号和冷却液温度传感器的输出信号等;另一种是 数字信号(图 4-6 b) ,如卡门涡流式空气流量计的输出信号和转速传感器的输出 信号等。信号的类型不同,输入 ECU 后的处理方法也不一样。 从传感器输出的信号输入 ECU 后,首先通过输入回路,其中数字信号直接 输入微机,模拟信号则由 A/D 转换器转换成数字信号之后再输入微机。

图 4-6

传感器输入信号的种类
b) 数字信号

a) 模拟信号

输入回路的作用是将传感器输入的信号, 在除去杂波和把正弦波转变为矩形 波后,再转换成输入电平(图 4-7) 。

图 4-7

输入回路的作用
2—输入回路

1-除去杂波

(2)A/D 转换器(模拟/数字转换器) 由传感器输入的模拟信号,微机不 能直接处理,故要用 A/D 转换器将模拟信号转换成数字信号,再输入微机。图 4-8 所示为空气流量计输出模拟信号由 A/D 转换器处理示意图。

图 4-8
1-空气流量计

模拟信号转换处理
3—转换器 4—微机

2—输入回路

(3)微型计算机 微机的功用是根据发动机工作的需要,把各种传感器送 来的信号用内存的程序(微机处理的顺序)和数据进行运算处理,并把处理结果 如汽油喷射控制信号、点火控制信号等送往输出回路。 微机的内部结构如图 4-9 所示,是由中央处理器(CPU) 、存储器、输入/输 出装置等组成。

图 4-9

微型电子计算机的构成
3—输入/输出

1-存储器 2—信息转送通路

1) 中央处理器 (CPU) 中央处理器的功用是读出命令并执行数据处理任务。 。 CPU 是由进行数据算术运算和逻辑运算的运算器、暂时存储数据的寄存器、按 照程序进行各装置之间信号传送及控制任务的控制器等组成(图 4-10) 。

图 4-10

CPU 的组成

1-控制信号 2—数据 3—信息传达通道 4—控制器 5—寄存器 6—运算器

2)存储器。存储器的功用是记忆存储程序和数据,一般由几个只读存储器

ROM 和随机存取存储器 RAM 组成。 ROM 是读出专用存储器,存储内容一次写入后就不能改变,但可以调出使 用。ROM 存储器存储的内容,即使切断电源,其记忆的内容也不丢失,故适用 于对各种程序和数据的长期保留。近年可编程只读存储器(EPROM)已在汽车微 机中得到应用,该存储器可由紫外线将其记忆内容消去,并可改写存储内容。 随机存储器 RAM 既能读出也能写入数据记忆在任意地址上。但是如果切断 电源,存储的数据就丢失。所以 RAM 只适用于暂时保留过程中的处理数据。 3)输入/输出装置。输入/输出装置的功用是根据 CPU 的命令,在外部传感 器和执行器之间执行数据传送任务,一般称之为 I/O 接口。 4)输出回路。由微机输出的是电压很低的数字信号,用这种信号一般是不 能直接驱动执行元件的。 输出回路的功用就是将微机输出的数字信号转换成可以 驱动执行元件的输出信号。输出回路多采用大功率三极管,由微机输出的信号控 制其导通和截止,从而控制执行元件的搭铁回路(图 4-11) 。

图 4-11
1-微型计算机

输出回路
3—喷油器

2—输出回路

第三节

汽车电子控制技术基础知识

一、汽油机的排放与净化 1.HC 的生成机理 HC 产生的原因除燃料的不完全燃烧外,缸壁淬冷也是排气中 HC 的主要来 源。由于汽油机中混合气的燃烧是依靠火焰传播进行的,当火焰传播到接近气缸 壁面附近时, 由于壁面的冷却作用, 火焰不能完全传播到缸壁表面, 使大约 0.5mm 厚度上的混合气烧不着,通常把这层烧不着的混合气叫做淬冷层。淬冷层的厚度 随空燃比、气缸内的压力、气体的流动状况而变化。当混合气的空燃比位于浓混 合区的某个值的附近,淬冷层的厚度最小,比它更浓或更稀的混合气,都会使淬 冷层的厚度增加。 气缸内的压力越高、 气体流动越活跃, 都会使淬冷层变得越薄。 另外,活塞顶部与第一道气环之间的空隙、火花塞磁芯周围的空隙等,火焰也不 能传播过去。 上述淬冷层和气隙中的混合气没有燃烧就随废气排出。 在排气初期, 靠近排气门附近的那一部分淬冷层中的未燃气体首先“剥离”随尾气排出。在排 气后期,活塞把气缸壁面的淬冷层也卷进排气中,使 HC 的排放浓度大大增加。 发动机工作时,如果混合气过浓,由于空气不足,燃烧不完全,未燃烧或燃 烧过程中生成的 HC 增多,HC 的排放浓度当然增加。而当混合气过稀或缸内废 气过多时,则可能引起火焰不充分甚至完全断火,致使排气中的 HC 浓度显著增 加。在正常情况下发动机提供的是可点燃的混合气,火焰传播不完全是在进气管 真空度很高的情况下使用发生的, 例如怠速或减速时所引起的高度废气稀释所造 成,或者是在过渡工况,特别是在暖车及减速时,进入气缸内的混合气很可能是 过浓或过稀,以致不能燃烧完全,使 HC 排放量增加。 2.CO 的生成机理 CO 是燃料燃烧的中间产物。排气中 CO 主要是在局部缺氧或低温下由于烃 的不完全燃烧产生的。 理论上讲,当空燃比值A/F=14.7 时,将实现完全反应,生成CO2 和H2 O。而 当空气不足时(A/F<14.7)时,则有部分燃料不能完全燃烧而生成CO。

然而,在实际汽油机中,不仅空气不足时燃烧生成物中有CO,就是在空气 充足时,燃烧产物中也含有CO及H2。其原因是由于混合气的形成与分配不均造 成的。另外在使用稀混合气时,在高温下,燃烧生成的CO2 和H2O也可能有一小 部分发生分解反应而离解反应生成的H2 又会使CO2 还原成CO,所以,在发动机 排气中,总会有CO的存在。尽管如此,排气中CO的浓度,基本取决于空燃比。 3.NOx 的生成机理 NOx是空气在燃烧室的高温条件下,由氧和氮的反应所形成的,它和其它废 气成份不同,不是来自燃料。发动机所排出的NOx,虽含有少量的NO2,但大部 分是NO。排气中的NO在大气中氧化成NO2,通常把NO2和NO统称为NOx (氮的 氧化物) 。 在发动机工作中,无论是进行完全燃烧反应,还是不完全燃烧反应,其最初 燃烧反应所产生的热必将使空气中的氧分子裂解为氧原子, 并与空气中的氮分子 发生反应而生成 NO 和氮原子, 而氮原子又与空气中氧分子发生反应生成 NO 和 氧原子,这部分氧原子又可与空气中氮分子重新反应,产生 NO。 在这些反应中,燃烧废气温度越高,燃烧后残留的氧气浓度越大,高温持 续的时间越长,NOx 的生成量就越多。 4.影响排放中有害气体的生成因素 排气中有害气体的生成与空燃比、点火时刻、发动机的结构等有关,通常, 空燃比和点火时刻的影响最大。 (1)空燃比 当低于理论空燃比 14.7 时,排出的 CO 浓度便急剧上升;反 之,空燃比从 16 附近起,则趋于稳定,并且数值很低。这说明混合气越浓时, 由于燃烧所需要的氧气不足,所以引起不完全燃烧,而引起 CO 的急剧增长。同 时还说明,要减小 CO 的排放,就必须采用稀混合气。试验证明,发动机 CO 的 排放量基本决定于空燃比,其它的影响因素都小。 HC 与 CO 不同,空燃比在 17 以内时,随着空燃比的增大,HC 便下降。但 继续增大时,由于混合气过于稀薄,易于发生火焰不完全传播,甚至断火,使 HC 排放浓度迅速增加。 空燃比对 NOx 的影响:当混合气很浓时,由于燃烧高温和可利用的氧的浓度 都很低,使 NOx 的生成量也较低。用空燃比为 15.5~16 的稍稀混合气时,排出的 NOx 浓度最高。 对于空燃比稀于 16 的混合气, 虽然氧的浓度增加可以促进 NOx 的 生成,但这种增加却被由于稀混合气中燃烧温度和形成速度的较低所抵消。因此 对于很浓或很稀的混合气,NOx 的排放浓度均不高。 (2)点火时刻 推迟点火时间,在燃烧室内的燃烧时间将缩短,由于后燃, 将使排气温度上升,促进了 HC 和 CO 的氧化,排出的 HC 减少。另外由于燃烧 时降低了气缸的面容比,使燃烧室内的淬冷面积减小,使排出的 HC 减少。但需 要指出的是,采用推迟点火的结果虽然使排气污染物有所下降,但这种下降是靠 牺牲燃料经济性换来的。 点火时刻对 CO 排放浓度影响不大,但过分推迟点火,亦会使 CO 在燃烧室 内没有时间完全氧化,而引起排放量的增加。 无论在任何转速和负荷下,加大点火提前角,均使 NOx 的排放浓度增加。 这是因为点火时刻提前时,燃烧温度提高所致。 5.排气净化的后处理 发动机本身的改进,尚不能符合排放规定时,就要附加净化处理装置。现在 的净化处理装置很多。如:三元催化反应器、废气再循环、二次空气供给装置等

都普遍有所应用。有的可以单独使用,有的是两项净化装置同时结合起来使用, 都可以得到满意的净化效果。 (1)二次空气供给装置 这种装置是为了解决从燃烧室排到排气管中未完 全燃烧的 HC 和 CO 的。为了区别于发动机正常进气,把这种排气系统中供给空 气的装置叫二次空气供给装置。工作原理是:空气送到各缸的排气门附近,利用 燃烧后的高温,使废气中残留的 HC 和 CO 与空气相混合后再燃烧,达到排气净 化的目的。 (2)三元催化转换器 现代汽车普遍采用三元催化排气净化器,把发动机 排出的废气中有害气体转换成无害气体。具体内容见本教材第五章第二节。 (3)废气再循环控制(EGR) EGR 废气再循环是发动机工作过程中,将 一部分废气引到吸入的新鲜空气(或混合气)中返回气缸进行再循环的方法,该 方法被广泛用于减少 NOx 的排放量。具体内容见本教材第五章第三节。 二、汽油机对点火系统的要求 1.发动机对点火系的要求 在汽油发动机中,气缸内的混合气是由高压电火花点燃的,而产生电火花的 功能是由点火系统来实现的。汽油发动机对点火系有以下三个基本要求: (1)能产生足以击穿火花塞电极间隙的电压 火花塞电极间产生火花时的 电压,称为击穿电压。实验证明,发动机在满负荷低速时,需要 8kv ~10kv 的击 穿电压,起动时需要击穿电压最高可达 17kv。为了保证可靠的点火。点火系必 须具有一定的二次侧电压储备,现代大多数点火系已能提供 28kv 以上的击穿电 压。 影响击穿电压的因素很多,其中包括:火花塞电极间隙和形状;气缸内混合 气的压力和温度;电极的形状、温度和极性;以及发动机的工况等。 (2)火花应具有足够的能量 要使混合气可靠点燃,火花塞产生的电压应 具有一定的能量(火花能量=火花电压×火花电流×火花持续时间) 。实验证明, 在一定范围内,随着火花能量的增大,其着火性能越好。 点燃混合气所必须的最低能量,与混合气的成份、浓度、火花塞电极的间隙 及电极形状等有关。发动机正常工作时,由于混合气压缩终了的温度已接近自燃 温度,所需的火花能量很小(1mJ~5mJ) 。在发动机起动、怠速及节气门急剧打 开时,需较高的火花能量。为保证可靠点火,一般应保证有 50mJ~80mJ 的点火 能量。目前采用的高能点火装置,一般点火能量都要求超过 80mJ~100 mJ。 (3)最佳点火提前角/点火时刻(点火提前角) 不同发动机的最佳点火提 前角各不相同, 并且同一发动机在不同工况和使用条件下的最佳点火提前角也不 相同。影响最佳点火提前角的主要因素有: 1)发动机转速。发动机转速越高,最佳点火提前角越大。这是因为发动机 转速升高时,在同一时间内,活塞移动距离增大,曲轴相应转过的角度增大,如 果混合气燃烧速率不变,则最佳点火提前角应按线性规律增长。但当转速继续升 高时,由于混合气压力和温度的提高及扰流增强,会使燃烧速度也随着加快,因 此当转速升高到一定程度时,最佳点火提前角虽随发动机转速的升高而增大,但 增加速度减慢,因此不是线性关系。 2)负荷。在同一转速下,随着发动机负荷的增大,最佳点火提前角将逐渐 减小,这是由于发动机负荷增大时(即节气门开度增大) ,吸入气缸内的混合气 增多,压缩行程终了时的压力和温度增高,残存废气量相对减少,使燃烧速度加 快,因此最佳点火提前角随负荷增大而减小。

3)空燃比。当空燃比 A/F=11.7 左右时,所需点火提前角最小。这是因为当 空燃比 A/F=11.7 左右时,燃烧速度最快,因此,当混合气过稀和过浓时,由于 燃烧速度变慢,必须增大点火提前角。 4)进气压力。进气压力减小,由于混合气雾化和扰流变坏,使燃烧速度变 慢,因此点火提前角应增大。如在高原地区,由于大气压力低,空气稀薄,应适 当增大点火提前角。 5)冷却液温度。冷却液温度低时,为尽快暖机,应适当增大点火提前角; 而当冷却液温度高时,为了减少 NOx、HC 的排放量应适当减小点火提前角。 除上述因素外,影响点火提前角的因素还有压缩比、燃烧室的形状、积炭 及同一缸火花塞的数量等。 2.闭合角控制 闭合角的概念来源于传统的点火系,是指断电器触点闭合期间(图 4-12) , 也即一次电流接通期间分电器转过的角度。在电子点火系中,闭合角则指末级大 功率晶体管导通期间分电器转过的角度。在传统点火系中,触点间隙及凸轮外形 尺寸一定,因此其闭合角是一定的,不随转速变化而变化。发动机在低转速时, 触点闭合时间较长,点火线圈易过热;而在高转速时,触点闭合时间较短,由于 一次电流从零上升到饱和电流时,需要一段时间,使一次线圈电流减小,二次电 压降低。最理想的闭合角,应随着发动机转速增加而增加。电子点火系,采用电 子电路,能轻而易举地控制闭合角。如图 4-13 所示为闭合角控制简图。

图 4-12

闭合角

图 4-13

基本闭合角控制电路

3.恒流控制 对于传统点火系,在发动机高转速运转时一次电流减小,二次电压下降,影 响了发动机动力性和经济性。而采用恒流控制、则可削除上述缺点,彻底改善点 火性能。这种方法需要采用特殊的高能点火线圈。通过降低一次线圈电阻,以提 高一次电流,饱和电流可高达 30A,如此大的电流势必会烧坏大功率晶体管和电 路,因此必须加以控制,使其电流在一定值(如 6.5A) ,如图 4-14 所示。

图 4-14 恒流控制点火线圈一次电流 将一次线圈中电流控制在一定值,则二次电压成为一个定值,不论发动机高 速和低速都能获得相同的二次电压,从而提高了发动机性能。如图 4-15 所示为 恒流控制简图,其中 Rs 为采样电阻。

图 4-15 三、汽车制动与侧滑

恒流控制电路原理图

汽车制动防抱死系统主要由车轮转速传感器、ECU 和制动液压力调节装置 三部分组成。其工作过程与汽车制动时的滑动率有密切的关系。 1.汽车制动性能的评价指标 汽车制动性能的评价指标主要有三个,即制动效能、制动效能的恒定性和制 动时汽车的方向稳定性。 制动效能是指汽车在干燥的硬路面上, 以一定初速度制动到停车的制动距离 或制动时的减速度,它是制动性能最基本的评价指标。制动效能的恒定性中,最 主要的是抗热衰退性能。所谓抗热衰退性能指的是在高速时或下长坡时,因制动 器连续制动而温度升高后能否保持冷态时的制动效能的评价指标。 制动时汽车的 方向稳定性,通常用制动时汽车按给定轨迹行驶的能力来评价。如果制动时汽车 发生跑偏、侧滑或失去转向能力,则汽车将偏离原来的轨迹。 2.车轮制动时的受力分析 (1)地面制动力 地面制动力是一个与汽车的行驶方向相反的力,由地面 提供,通过轮胎作用于汽车上,让汽车减速或停止。地面制动力越大,制动减速 度越大,制动距离也越短。所以,地面制动力对汽车的制动性能具有决定性的影 响。 图 4-16 是车轮在良好路面上制动时的受力情况。Fa 为车轴对车轮的推力, Fx 为地面制动力,Fz 为地面对车轮的法向反作用力,W 为车轮垂直载荷,Tμ 为制动器的摩擦转矩,r 为车轮半径。

图 4-16 车轮在制动时的受力情况 在路面附着力足够时,地面制动力与制动器摩擦转矩之间的关系为 Tμ Fx = (4-1) r (2)制动器制动力 在轮胎周缘克服制动器摩擦转矩所需的力称为制动器 制动力,用 F。表示。它相当于把汽车架离地面制动时,在轮胎周缘沿切线方向 施加的使车轮转动的力。计算公式为 Tμ (4-2) Fμ = r (3) 附着力 附着力 F是指汽车轮胎和道路在接触面上无相对位移时的切 向地面反作用力的极限值。在硬路面上,驱动轮反作用力的极限值 F与法向反 作用力 Fz 成正比,即 (4-3) F = FZ F—轮胎道路附着力(N); Fz—法向反作用力(N); —附着系数。 附着系数越大,附着力 F也越大。附着系数的大小除了与路面的情况、轮 胎的结构和胎面花纹有关外,还与车轮的运动状况即运动中的滑移程度有关。 由于汽车车轮与地面在侧向和纵向的附着能力是不同的, 故附着力有侧向附 着力和纵向附着力之分。与轮胎平面平行的附着力为纵向附着力,用 Fx 表示; 垂直于轮胎平面的附着力,称横向附着力,或称侧向附着力,用 Fy 表示。与之 式中 相对应的附着系数分别是纵向附着系数x 和侧向附着系数y。关系式如下

Fx = X FZ
Fy = y FZ

(4-4) (4-5)

(4)地面制动力、制动器制动力与轮胎—道路附着力之间的关系 汽车在 制动过程中,车轮的运动有纯滚动、抱死拖滑以及介于上述两者之间的边滚边滑 三种状况。当制动踏板力较小且未达到附着极限值时,制动器摩擦转矩不大,车 轮处于边滚边滑状态,地面制动力等于制动器制动力,且随踏板力(或制动液压 力)的增长成正比地增长(图 4-17)。

图 4-17 地面制动力、制动器制动力及轮胎—道路附着力的关系 地面制动力 Fx 的最大值不能超过附着力 F,即 (4-6) FX ≤ F = FZ 或最大地面制动力 Fxmax FX max = FZ (4-7)

假设汽车在制动过程中附着系数为一常数,则当制动踏板力或制动液压力 p 上升到某一值(图 4-17 中为 pa),且地面制动力 Fx 达到附着力 F时,车轮即 抱死不转而出现拖滑现象。当制动液压力 p>pa 时,制动器制动力 Fx,由于制动 器摩擦转矩的增长而仍按直线关系继续上升。 但是若作用在车轮上的法向载荷为 常值,地面制动力 Fx 达到附着力 F的值后就不再增加。所以,要想提高地面制 动力以使汽车具有更大的制动效能,只有提高附着系数。 综上所述,汽车的地面制动力首先取决于制动器制动力,但同时又受地面附 着条件的限制。只有汽车具有足够的制动器制动力,同时地面又能提供高的附着 力时,才能获得足够的地面制动力,而提高附着力就必须提高附着系数。 3.附着系数与滑动率的关系 汽车车轮在路面上的纵向运动可以区分为纯滚动、 纯滑动和边滚边滑的滑移 三种形式。 车轮滑移成分在车轮纵向运动中所占的比例可以用滑动率 s 来表示, 其滑动 率 s 的定义式如下 v rω (4-8) s= × 100% v 式中 s—车轮的滑动率; v—车轮中心的纵向速度(m/s); r—车轮的自由滚动半径(m); ω—车轮的转动角速度(rad/s)。 当车轮纯滚动时,v=rω;s =0;当车轮抱死纯滑动时,ω=0,s=100%;当车 轮滑移时,0<s<100%。由此可见,滑动率越大,滑移成分越多。 当滑动率不同时,附着系数也不一样。图 4-18 是试验所得的轮胎—道路附 着系数曲线,即—s 曲线。 如图 4-18 所示,纵向附着系数x 随滑动率的增大而迅速增大,过 B 点后上 升率变小,在 A 点达到最大值之后,随着 s 的增大,x 反而减小。对于侧向附 着系数,s 越小,y 越大,即保持转向和防止侧滑的能力越强。当车轮抱死拖滑 时,亦即 s=100%时, 纵向附着系数x 较小,地面制动力也较小,制动距离较长;

此时侧向附着系数y 几乎为零,能承受的侧向力很小,车轮很容易侧滑,制动 的方向稳定性很差。理想状态是使滑动率保持在 10%~20%之间,这样便可获得 较大的纵向、 侧向附着系数, 地面所能提供的纵向附着力和侧向附着力也就较大, 制动效能最高。汽车制动防抱死系统(ABS)的主要作用就是把滑动率控制在 10%~20%之间,使汽车获得较高的制动效能,且可保持对汽车方向的控制能力。 图 4-18 —s 曲线 在汽车制动过程中, 如果前轮先抱死, 汽车将失去转向能力, 也有可能跑偏, 但一般不会出现侧滑;如果后轮先抱死,将会出现非常危险的侧滑现象。为了防 止后轮先抱死,有些汽车在制动系统中加了比例阀,以调节前、后车轮的制动液 压力。如果把汽车制动时的滑动率控制在 10%~20%之间,前后车轮都不抱死拖 滑,则汽车制动时跑偏、侧滑和失去转向能力等现象都不会出现。 四、驱动与侧滑 1.汽车驱动分析 按照汽车驱动附着条件,当汽车在起步或急加速时,如果发动机的输出转 矩过大,则传输到轮胎上的转矩会大于轮胎与路面间的附着力,此时轮胎与路面 之间也会产生打滑。 汽车驱动滑转成分的大小用滑转率表示,其定义式如下 rω v (4-9) s' = × 100% rω 式中 ω—车轮的角速度; r—为车轮的半径; υ—汽车的速度。 当车速 υ=0 时, s ' = 100%,即车轮在原地打滑;当 υ=rω 时, s ' = 0,表明车 轮作纯滚动;当 0< s ' <100%时,车轮边滚边滑。不同的滑转率,附着系数不同, 图 4-19 是(φx、φy)— s ' 曲线。由图可以看出,当 s ' =100%时,纵向附着系数 φx 和横向附着系数 φy 都较小,亦即纵向附着力较小和抵抗侧滑的能力较差, 而峰值附着系数出现在 s=20%左右范围内。

图 4-19

驱动时的附着系数(φ— s ' 曲线)
a)利用区域 b)有侧偏角

驱动防滑控制系统(ASR,Acceleration Slip Regulation)的作用就是通过减 小发动机转矩、对汽车实施制动等措施,把滑转率控制在 5%~15%之间,从而 获得较大的纵向和横向附着力。若通过降低发动机转矩来控制驱动时的车轮滑 转,又称为牵引力控制(TCS)。 制动状态时用轮速传感器来计算或估计参考车速,误差很大。但在驱动状 态却不存在此问题,由于非驱动车轮近于自由滚动,根据非驱动车轮转速所确定 的参考车速就可以认为是实际车速, 由此通过计算获得的驱动车轮参考滑动率与 实际滑动率就较为接近。因此,在驱动过程中确定驱动车轮的滑动率则较为方便 和精确。 五、转向系、传动系与操纵稳定性

汽车运动时的车辆坐标系与运动会描述如图 4-20 所示,车辆坐标系是固连 在运动着的汽车上的动坐标系。

图 4-20 车辆坐标系与汽车的主要运动形式 1.轮胎的侧偏 汽车在行驶过程中,受到因路面侧向倾斜、侧向风或转弯行驶时的离心力 等沿 Y 轴方向侧向力 F'y 的作用,侧向力的路面反作用力为 Fy,称为侧偏力。 如果车轮具有侧向弹性,且侧偏力没有超过附着极限,侧向力和侧偏力使轮胎中 心线相对于车轮平面不重合,出现偏位Δ(图 4-21a) ,称为轮胎的侧偏现象。 发生侧偏的车轮转动时, 轮胎与地面的接触印迹沿与轮胎平面成夹角α的方向滚 动 (图 4-21b) 角度α称为侧偏角。 , 侧偏角与侧偏力两者的关系如图 4-22 所示, 曲线显示,在α<5°时,两者基本成线性关系。在α=0°处的斜率为侧偏刚度, 用 k 表示,则 Fy=kα。需要指出的是:最大侧偏力受附着条件限制。

图 4-21

轮胎的侧偏现象

图 4-22

侧偏角与侧偏力两者的关系

影响侧偏特性的因素有: 垂直载荷、 轮胎气压、 切向力等。 如图 4-23 所示, 在一定范围内增加垂直载荷、提高轮胎气压可以提高轮胎的侧偏刚度;在有切向 力(如驱动力、制动力)存在时,同样的侧偏角,侧偏力下降。

图 4-23

影响侧偏特性的因素
c)轮胎气压 d)切向力

a)、b)垂直载荷

车轮外倾角的倾斜方向与侧偏力一致时,侧偏角绝对值减小;反之则增大。 外倾角增加,极限侧向加速度减小,侧向附着性能下降。 2.转向系与操纵稳定性 1) 汽车的三种稳态转向特性为: 不足转向、 中性转向和过多转向 (图 4-24) , 而操纵稳定性良好的车辆应具有适度的不足转向,不应具有中性转向,更不能为 不足转向。

图 4-24

汽车的三种稳态转向特性(方向盘转角 δ sw 固定不变)

2)转向系的功能:一是操纵车轮转动来操纵汽车运动的方向;二是借方向 盘的反作用力反馈轮胎运动、受力及整车状况(通常称为路感,Road Feeling) 。

3)汽车行驶时,受驾驶员的方向盘输入与外界侧向干扰输入的影响。方向 盘输入有角输入(给方向盘一个角位移)和力输入(给方向盘一个转矩)两种形 式,实际驾驶时是角输入与力输入同时加入的,但在低速时以角位移为主,而在 高速时则以力输入为主。 外界侧向干扰输入主要指侧向风与路面不平产生的侧向 力。 4)不同工况对转向系有不同要求: 在低车速、低侧向加速度下行驶,汽车应有适度的方向盘力与总回转角, 并有良好的回正性能;在高转速、转向角小、低侧向加速度时,应具有一定的转 向操纵力,如图为 4-25 转向器与操纵力的变化关系。

图 4-25 电控转向系统的方向盘操纵力特性 5)变形转向角。由于地面作用于车轮的回正转矩,使轮胎发生变形,转向 轮出现变形转向角。车轮的实际转向角等于理论转向角与变形转向角之差。在一 定的方向盘转角范围内,前轮的变形转向角大,增加汽车的不足转向量。 3.侧倾转向 汽车在曲线行驶时, 由于离心力的作用, 位于悬架上方的车厢出现侧倾 (侧 向倾斜) ,造成左右车轮上的垂直载荷重新分配。前轴左、右轮垂直载荷变动量 较大,汽车趋于增加不足转向量;而后轴左、右轮垂直载荷变动量较大,汽车趋 于减少不足转向量。 另外,由于离心力产生了车厢的侧倾,并引起了悬架和转向杆系的变形, 产生侧倾运动干涉与变形转向。 4.传动系与操纵稳定性 以前驱动加速转弯为例说明: 1) 汽车在弯道上加速, 前轴垂直载荷向后轴转移, 引起前轴侧偏刚度下降, 后轴侧偏刚度减小。因此,汽车的不足转向量有增加趋势; 2)前轮由于前驱动力的影响,同一侧偏角下的侧偏力下降。为了提供需要 的侧偏力, 前轮的侧偏角必须增大。 在雨雪等低附着系数路面上, 反应更为明显。 3)前轮受车轴驱动转矩的影响,会产生不足变形转向,增加不足转向的趋 势; 4)驱动力增加,轮胎回正转矩增大,增加了不足转向的趋势。 总的说来:转向行驶的前驱动车辆,急松节气门(或制动) ,汽车有过多转 向的增量,车辆的不足转向趋势减弱,大功率发动机或制动力度过大还可能出现 过多转向,出现“卷入”现象。反之,在弯道上行驶的车辆急加速,则有不足转 向增量出现,易发生“驶出”现象。


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