目前有很多电子控制系统可以显著改善汽车的操纵稳定性,常见的是防抱死制动系统ABS和驱动力控制系统TCS。本文主要对这些电控系统的相关内容进行简单介绍。
一、4WS与VSC
1、4WS: 4 wheel steering system,即四轮转向系统。这种汽车在转弯行驶时,后两轮也会随着前两轮有相应的转向运动,汽车的质心侧偏角总是接近于0,车厢与行驶轨迹方向一致,显著地改善了操纵稳定性。而一般的2WS汽车在中高速圆周行驶时,车身后部会甩出一点,车身以稍稍横着一点的姿态运动,增加了驾驶者在判断与操作上的困难。如图1所示。
此外,四轮转向技术还可以极大地缩小大型车辆的转向半径,使得其具有紧凑型轿车的转向半径。
2、VSC: vehicle stability control system,即车辆稳定性控制系统,也称ESP。该系统是以ABS为基础发展而成的,基本原理是:在大侧向加速度、大侧偏角的极限工况下,利用左右两侧制动力之差产生的横摆力偶矩来防止出现难以控制的侧滑现象。抑制前轮侧滑时的作用如图2所示。
抑制后轮侧滑的作用如图3所示。
可知,有VSC后,可以通过向内/外作用一个横摆力偶矩使得汽车沿规定的轨迹行驶。
提高操纵稳定性的各种电子控制系统的有效工作区域如图4所示。
二、车辆稳定性控制系统VSC的进一步介绍
主要包括4个方面:极限工况下前轴侧滑与后轴侧滑的特点、横摆力偶矩及制动力的控制效果、各个车轮制动力控制的效果和四个车轮主动制动的控制效果。
1、极限工况下前轴侧滑与后轴侧滑的特点。起始车速120km/h、频率0.6Hz的转向角正弦输入下的响应如图5~图6所示。
可知,当正弦输入转向角超过一定值后,汽车质心侧偏角、前轮侧偏角、后轮侧偏角都会突然增大,汽车失去稳定性。此外,汽车是否稳定决定于汽车质心侧偏角与汽车侧偏角速度。当起始车速升高后,小转向角下汽车也可能失去稳定性。
斜阶跃转向角输入下汽车的响应如图7~图8所示。
各条曲线对比可知,随着前轮转向角的增加,前轮侧偏角增大。但当增加到某一角度值后,侧偏力就饱和而不再增大(如图8右图所示,9°以后曲线变平缓),汽车的转向半径也就不再减小。
图8中左图出现的后轮侧偏角要小于后轮发挥最大侧偏力所对应的侧偏角值。因此,如果后轮侧偏角增大,就可以产生更大的后轮侧偏力,如图8右图6°以前的曲线轨迹,侧偏力会随着侧偏角增加而增大。
2、横摆力偶矩M及制动力(或纵向减速力FX)的控制效果,如图9所示。
转向盘转角正弦输入,在1.5s时作用外力FX或横摆力偶矩M。可知,随着M的增大,最大侧偏角明显减小,而减速力未能影响最大侧偏角。
斜阶跃输入下时如图10所示。可知,此时减速力和横摆力偶矩都对转弯半径有不同程度的影响。但对于最大侧偏角来说,只有M达到一定数值后,才会对最大侧偏角有明显影响,而减速力基本不会产生影响。
因此,为了保持汽车的稳定性,当后轴要侧滑发生急转时,应对汽车施加外侧的横摆力偶矩;当前轴要侧滑而使汽车驶离弯道时,应对汽车施加适当大小向内侧的横摆力偶矩,使后轮的侧偏角达到最大侧偏力的角度。此外,还应对汽车施加减速力。
3、各个车轮制动力控制的效果,如图11所示。
例如对后内外轮施加减速力时,可显著增加横摆力偶矩。
此外,研究得到,单个车轮施加制动力时,对后内轮施加制动力可得到最小的转弯半径。而对四个轮都施加制动力时,得到的转弯半径则更小。
4、四个车轮主动制动的控制效果,也就是此时的制动不是为了刹车,而是为了提高操纵稳定性。控制目标为滑动率,控制策略如图12左图所示。
当前轴可能侧滑失去路径跟踪能力时,四个车轮均要进行制动控制,对每个车轮制动力的控制强度是由前轮侧偏角决定的。控制策略如图12右图所示。
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4、车架与车身概述
5、悬架弹簧简介