詳解車(chē)輛穩(wěn)定控制系統(tǒng)及典型故障案例(一)

◆文/北京 楊老師

【編者按】車(chē)輛穩(wěn)定控制系統(tǒng)，對(duì)于一線汽車(chē)維修技師來(lái)講都應(yīng)該不陌生，雖然它還未被列為汽車(chē)的強(qiáng)制配置，但是目前幾乎在主流廠商的大部分中高端車(chē)型都已經(jīng)配備，甚至一些性價(jià)比較高的自主品牌也裝備了車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)。

自本期起，我刊特邀楊老師，從一名資深修理人的角度，詳細(xì)聊聊與“車(chē)輛穩(wěn)定控制系統(tǒng)”有關(guān)的話題，從理論到實(shí)踐，從原理到案例，以連載的形式深入解剖“車(chē)輛穩(wěn)定控制系統(tǒng)”結(jié)構(gòu)、控制原理及常見(jiàn)故障。敬請(qǐng)關(guān)注。

楊老師（楊波）

汽車(chē)維修高級(jí)技師、機(jī)動(dòng)車(chē)檢測(cè)維修工程師。從事汽車(chē)維修工作近20年，先后擔(dān)任現(xiàn)代、通用4S店技術(shù)總監(jiān)、日德等外資車(chē)企的技術(shù)培訓(xùn)講師。具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，在汽車(chē)電控診斷領(lǐng)域有著豐富的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)和獨(dú)到的維修見(jiàn)解?，F(xiàn)在某外資車(chē)企擔(dān)任技術(shù)支持工程師。

車(chē)輛穩(wěn)定控制系統(tǒng)又叫車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)。它是一種提高車(chē)輛操控安全性和駕駛機(jī)動(dòng)性的輔助控制系統(tǒng)。當(dāng)車(chē)輛在緊急轉(zhuǎn)彎、緊急加速和制動(dòng)等突發(fā)情況時(shí)，車(chē)輛可以迅速感知并采取相應(yīng)的制動(dòng)或限制扭矩等操作，如對(duì)每個(gè)輪胎進(jìn)行單獨(dú)控制，同時(shí)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩，以維持車(chē)身的穩(wěn)定性能。

雖然中文名稱(chēng)大家都叫它車(chē)輛穩(wěn)定控制系統(tǒng)，但是全球各汽車(chē)生產(chǎn)廠商卻有著不同的叫法，全球主要汽車(chē)廠商及對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定控制系統(tǒng)的叫法如表1所示。

表1 全球主要汽車(chē)廠商及對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定控制系統(tǒng)的叫法

一、系統(tǒng)控制原理

雖然各個(gè)廠商的名稱(chēng)命名有所不同，但各個(gè)車(chē)輛穩(wěn)定系統(tǒng)的基本控制邏輯原理卻是完全類(lèi)似的。因?yàn)槟壳爸髁鞯钠?chē)生產(chǎn)廠商都采用外部采購(gòu)的方式來(lái)購(gòu)買(mǎi)此系統(tǒng)部件，例如一些主流車(chē)輛穩(wěn)定系統(tǒng)的供應(yīng)商有：BOSCH、TRW、DELPHI、DENSO等。

而說(shuō)到車(chē)輛穩(wěn)定控制系統(tǒng)的控制原理，有必要先了解一下制動(dòng)防抱死控制系統(tǒng)(ABS)。

1.制動(dòng)防抱死控制系統(tǒng)(ABS)原理

簡(jiǎn)單來(lái)講，制動(dòng)防抱死控制系統(tǒng)(ABS)就是在汽車(chē)制動(dòng)時(shí)，防止車(chē)輪抱死與地面產(chǎn)生純滑動(dòng)摩擦，而使輪胎與地面保持一種似滾動(dòng)非滾動(dòng)、似滑動(dòng)非滑動(dòng)的制動(dòng)輔助系統(tǒng)。ABS控制模塊通過(guò)檢測(cè)4個(gè)輪速傳感器，迅速判斷出每個(gè)車(chē)輪的抱死狀態(tài)。當(dāng)某個(gè)車(chē)輪出現(xiàn)抱死傾向時(shí)，就關(guān)閉該車(chē)輪上面的常開(kāi)閥，保持制動(dòng)力不變；如果車(chē)輪繼續(xù)抱死，則打開(kāi)常閉輸出閥，該車(chē)輪上的制動(dòng)壓力直通制動(dòng)液貯油箱的管路而迅速下降，從而防止因制動(dòng)力過(guò)大而將車(chē)輪完全抱死。圖1所示就是我們常見(jiàn)ABS系統(tǒng)的打滑率控制范圍。

圖1 ABS打滑率的控制范圍

從圖1可以看出，輪胎與地面的摩擦力與輪胎與地面的附著系數(shù)有關(guān)，縱向的附著系數(shù)成拋物線狀變化，只有確保打滑率在20%左右，才能實(shí)現(xiàn)最大的縱向附著力，也就是此時(shí)輪胎與地面的摩擦力才最大。這也表示，此時(shí)輪胎能提供給車(chē)輛一個(gè)最大的縱向制動(dòng)力。

同時(shí)我們也看到，車(chē)輛在制動(dòng)過(guò)程中的橫向(側(cè)向)附著系數(shù)也是隨著車(chē)輪的打滑而降低的。在制動(dòng)過(guò)程中，如果車(chē)輪完全抱死，那么車(chē)輛橫向附著系數(shù)會(huì)下降到最低，車(chē)輛的橫向就沒(méi)有摩擦力，就會(huì)出現(xiàn)原地掉頭、甩尾等極為不可控、不穩(wěn)定的情況。

因此，ABS的功能不僅僅是控制縱向的摩擦力，以縮短制動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)距離，更為關(guān)鍵的作用是控制確保車(chē)輛具有一定的橫向穩(wěn)定性，防止車(chē)輛在緊急制動(dòng)時(shí)方向失控及車(chē)輪側(cè)滑。

2.加速防滑控制系統(tǒng)(ASR)原理

加速防滑系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)ASR，有些廠商也把該系統(tǒng)稱(chēng)為牽引力控制系統(tǒng)TCS、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng)MASR等。

同ABS的控制原理類(lèi)似，當(dāng)車(chē)輛加速時(shí)，如果驅(qū)動(dòng)力過(guò)大，輪胎與地面之間出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，附著力偏小，因此引入了加速防滑控制(ASR)系統(tǒng)。

加速防滑牽引力控制系統(tǒng)也是一種縱向的打滑率控制，只不過(guò)制動(dòng)時(shí)是減速，現(xiàn)在是加速。加速時(shí)如果驅(qū)動(dòng)力過(guò)大，輪胎在地面上空轉(zhuǎn)，此時(shí)輪胎與地面之間的附著系數(shù)會(huì)降低，使得車(chē)輛無(wú)法獲得最大的地面摩擦力。

帶有ASR功能的車(chē)輛都會(huì)有一個(gè)ASR開(kāi)關(guān)，一般在中央控制臺(tái)附近。

3.打滑率

前面我們多次提到“打滑率”。其實(shí)ABS或ASR控制的策略就是以控制車(chē)輪打滑率為目標(biāo)的。那么什么是打滑率？它又是如何計(jì)算出來(lái)的？

打滑率的定義是：輪胎的滾轉(zhuǎn)力矩小于滾阻力矩而出現(xiàn)的相對(duì)地面滑動(dòng)的現(xiàn)象叫打滑，又稱(chēng)為車(chē)輪卡滯或拖胎；而打滑率是指車(chē)體速度與車(chē)輪速度之差再除以車(chē)體速度，并乘以100%，即：

車(chē)體速度是指整個(gè)車(chē)輛的移動(dòng)速度，車(chē)輪速度則是指輪胎在地面上的滾動(dòng)速度。當(dāng)一輛沒(méi)有ABS功能的汽車(chē)，在車(chē)體速度40 km/h時(shí)，如果在路面光滑附著力較低的冰雪路面上緊急大力制動(dòng)，那么車(chē)輪就會(huì)立即抱死，而抱死的車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度為0，也就是車(chē)輪輪速為0，此時(shí)該輪胎的打滑率則為：(40-0)/40=100%。

所以我們說(shuō)：車(chē)體速度是車(chē)輛的整體移動(dòng)速度，而車(chē)輪輪速是指輪胎與地面之間的滾動(dòng)速度，而在輪胎完全抱死滑動(dòng)時(shí)，打滑率達(dá)到最大為100%。

如果此時(shí)制動(dòng)系統(tǒng)施加的是較小的制動(dòng)力或無(wú)制動(dòng)的滾動(dòng)，車(chē)輛輪胎沒(méi)有任何抱死傾向，輪胎與地面純滾動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，車(chē)輪的輪速等于車(chē)體速度，此時(shí)的輪胎打滑率則為：(40-40)/40=0,也就是說(shuō)打滑率是0，即輪胎與地面沒(méi)有任何打滑。

當(dāng)然，車(chē)輛的實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，從無(wú)打滑到徹底打滑的打滑率是一個(gè)變化的過(guò)程，其數(shù)值是可以從0～100%連續(xù)變化的，具體的打滑情況與車(chē)輛輪胎與地面的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。

4.車(chē)體速度的來(lái)源

汽車(chē)上的控制模塊通過(guò)安裝在輪轂軸承上的車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器，可以很容易獲得車(chē)輪速度信號(hào)。之前講過(guò)，車(chē)體速度不能等同于車(chē)輪輪速，那么汽車(chē)上有專(zhuān)門(mén)的車(chē)體速度傳感器嗎？車(chē)體速度是依靠變速器輸出軸轉(zhuǎn)速傳感器、后差速器減速比、輪胎半徑等信號(hào)推算出來(lái)的嗎？

其實(shí)，汽車(chē)上既沒(méi)有專(zhuān)門(mén)用來(lái)監(jiān)測(cè)車(chē)體速度的傳感器，也不是通過(guò)輪速、減速比等參數(shù)計(jì)算而來(lái)，而是由控制模塊通過(guò)輪速推算而來(lái)。一般主流的車(chē)體速度預(yù)估推理算法有五種：最大輪速法；斜率法；綜合法；基于車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型的參考車(chē)速算法；多傳感器數(shù)據(jù)融合估算法。下面解釋以上幾種算法。

(1)最大輪速法

依據(jù)最大輪速為主要依據(jù)，通過(guò)綜合計(jì)算得出的一個(gè)車(chē)體速度信號(hào)。系統(tǒng)將最大的輪速默認(rèn)為基本的車(chē)速信號(hào)，然后再進(jìn)行一些修正。舉個(gè)例子：某一制動(dòng)時(shí)刻，四個(gè)車(chē)輪的輪速信號(hào)分別為：FL35km/h、FR32km/h、RL28km/h、RR 25km/h；雖然實(shí)際車(chē)速不一定就是35km/h，但是左前側(cè)的35km/h，卻是最接近真實(shí)車(chē)速的。

但是，這種算法在一些特定時(shí)刻的偏差過(guò)大，假如四個(gè)車(chē)輪都處于抱死狀態(tài)，所有的輪速都是0，但實(shí)際車(chē)速肯定不是0。所以這種估算法在附著系數(shù)較大、車(chē)輛沒(méi)有發(fā)生較大的打滑抱死時(shí)或者重型載重車(chē)輛上還是可用的，但對(duì)于在北方冬季冰雪或雨雪路面上的小型車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，這種算法誤差明顯太大。

(2)斜率法

顧名思義，斜率法就是按照速度下降的斜率來(lái)推算車(chē)速。

我們都知道速度公式：V=V1+a t，即：速度等于初始速度加上加速度乘以時(shí)間。據(jù)此，如果我們知道制動(dòng)前的初始速度V 1、減速度a以及制動(dòng)時(shí)間，就能推算到車(chē)體速度。而具體的初始速度是車(chē)輪發(fā)生抱死前一刻的車(chē)體速度，但減速度的確定卻是難點(diǎn)。

首先研發(fā)人員通過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可以確定具體車(chē)型在不同的路面工況上所能達(dá)到的平均減速度。在ABS的控制中，根據(jù)輪速的變化規(guī)律可判斷路面狀況與制動(dòng)工況，選擇合適的減速度。

斜率法優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算方法簡(jiǎn)單，最大缺點(diǎn)是適應(yīng)性較差。因?yàn)檐?chē)輛在不同的附著力的路面，制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的減速度不同。即使在同一路面上，有的車(chē)輪接觸冰面、有的卻是干燥的，前后側(cè)或者左右側(cè)不同、其制動(dòng)力也不同且是在不斷變化的。因此，按照某一固定的斜率去推算車(chē)速，也存在局限性。

(3)綜合法

綜合法就是集成了最大輪速法和斜率法來(lái)推算車(chē)體的速度。綜合法的計(jì)算流程如圖2所示。

(4)基于車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型的參考車(chē)速算法

基于車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型的參考車(chē)速推算方法，是建立在研發(fā)人員對(duì)整車(chē)以及輪胎的建?；A(chǔ)上的。筆者認(rèn)為：這個(gè)方法是研發(fā)工程師在根據(jù)車(chē)重、輪胎性能、制動(dòng)系統(tǒng)效能等指標(biāo)，通過(guò)不斷測(cè)試、評(píng)價(jià)車(chē)輛的制動(dòng)性能，從而得出車(chē)輛的制動(dòng)力性能模型，合理推算減速度的計(jì)算方法。

這種算法的優(yōu)點(diǎn)是車(chē)體速度是實(shí)時(shí)更新變化的，推算出來(lái)的車(chē)速更逼近實(shí)際值，缺點(diǎn)是所建的動(dòng)力學(xué)模型準(zhǔn)確性難以保證，對(duì)于摩擦力不同的路面，其適應(yīng)性較差。

(5)多傳感器數(shù)據(jù)融合估算法

這種算法有多種定義，并且還在不斷的發(fā)展和完善過(guò)程中。簡(jiǎn)單來(lái)講就是控制模塊多組信息數(shù)據(jù)來(lái)推算車(chē)速，其計(jì)算結(jié)果比依靠單個(gè)傳感器或單個(gè)信息算出的更準(zhǔn)確。

舉個(gè)例子：帶有慣性G傳感器、制動(dòng)壓力傳感器的車(chē)型，會(huì)根據(jù)輪速傳感器、車(chē)輛重心加速度G傳感器和制動(dòng)壓力傳感器信號(hào)的變化，通過(guò)微分方法來(lái)計(jì)算車(chē)體速度。圖3為帶有G傳感器的預(yù)估車(chē)體速度與不帶G傳感器預(yù)估的車(chē)體速度對(duì)比。

以上就是筆者對(duì)于車(chē)輛參考車(chē)體速度各個(gè)推算方法的理解。由于筆者未從事專(zhuān)業(yè)的汽車(chē)研發(fā)工作，只能從維修的角度與大家聊一聊車(chē)體速度和輪速的區(qū)別，以便于大家理解打滑率概念、理解ABS的控制邏輯。車(chē)體速度、車(chē)輪速度、打滑率與制動(dòng)壓力、制動(dòng)扭矩的運(yùn)行規(guī)律如圖4所示。

圖2 綜合法的計(jì)算流程

圖3 帶G傳感器與不帶G傳感器預(yù)估出的車(chē)體速度對(duì)比

圖4 車(chē)體速度、車(chē)輪速度、打滑率與制動(dòng)壓力、制動(dòng)扭矩的運(yùn)行規(guī)律