汽车ESP系统的分析和研究设计方案优秀论文.docx

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汽车ESP系统的分析和研究设计方案优秀论文

武威职业学院

汽车检测与维修专业（专科）

毕业设计（论文）

题目汽车防侧滑系统综述

姓名陈小成

学号03030934005

指导老师高鹏堂

完成日期

教学系汽车工程系

摘要

汽车行驶因制动或其它原因常常向侧面发生甩动，即其一轴或两轴的车轮发生横向移动，也就是人们常说的甩尾滑动现象。

称之为制动侧滑。

目录

绪论…………………………………………………………………………………………...…………1

1汽车防侧滑的概念…………………………………………………………………………………2

1.1汽车制动侧滑的危害……………………………………………………………………..2

1.2引起汽车侧滑的因素……………………………………………………………………..2

1.3汽车制动侧滑的预防措施……………………………………………………………….2

2汽车ESP的概念……………………………………………………………………........................3

3汽车ESP系统的结构……………………………………………………………………................3

3.1汽车ESP的结构组成……………………………………………………………………..3

3.2电子控制单元ECU……………………………………………………………………........4

3.3液压调节总成…………………………………………………………………….................6

3.4前轮速度传感器…………………………………………………………………................7

3.5后轮速度传感器…………………………………………………………………................7

3.6ESP开关…………………………………………………………………..............................8

3.7方向盘转角传感器…………………………………………………………………...........8

4电子稳定控制系统（ESP）子系统的工作过程…………………………………………...........9

4.1防抱死制动系统（ABS）的工作过程……………………………………………...........9

4.1.1BAS的基本原理……………………………………………………………..........9

4.1.2ABS控制方法的分析…………………………………………………………......11

4.1.3基于滑移率的PID控制算法………………………………………………......11

4.3防侧滑系统（ASR）的工作过程……………………………………………………….....12

4.3.1ASR的组成……………………………………………………….........................12

4.3.2ASR工作原理……………………………………………………….....................12

4.3.3ASR系统的执行机构……………………………………………………….......13

4.3.4节气门驱动装置………………………………………………………............14

4.5电子制动力分配（EBD）工作过程………………………………………………............14

5电子稳定程序的工作过程……………………………………………………….......................15

5.1克服转向不足的操作…………………………………………………….........................15

5.2克服转向过度的操作…………………………………………………….........................16

6电子制动系统的维修……………………………………………………...................................17

7国内外ESP研究的现状和目的与意义…………………………………………………….....20

7.1ESP的概括与发展历程…………………………………………...................................21

7.2ESP的现状和发展局势…………………………………………...................................21

7.2.1传感技术的改进…………………………………………....................................21

7.2.2．体积小质量轻及低成本液压制动作动系统的结构设计........................22

7.2.3ESP的软硬件设计………………………………………….................................22

7.2.4通过CAN完善控制功能………………………………………….......................22

7.3研究ESP的目的和意义…………………………………………..................................22

总结…………………………………………........................................................................................24

参考文献…………………………………………................................................................................25

致谢………………………………………….........................................................................................26

绪论

ESP是汽车电子稳定程序（ElectronicStabilityProgram）的简写，由德国博世公司（BOSCH）和梅赛德斯-奔驰（MERCEDES—BENZ）公司联合研制。

1998年2月，梅赛德斯一奔驰公司首次在其A级微型轿车中成批地安装该电控车辆稳定行驶系统。

它集成了电子制动防抱死系统（ABS），电子制动力分配（EBD）和防侧滑（ASR）的基本功能；能够在几毫秒的时间内，识别出汽车不稳定的行驶趋势，比如，由于人为或环境的干扰，轿车可能进入不稳定的行驶状态；特别是驾驶员在转向时经常出现“过度转向”或“转向不足”的操作缺陷，如果得不到及时纠正，就会使车子偏离正确行驶路线，严重时，就有翻转趋势等危险。

ESP系统通过智能化的电子控制方案，让汽车传动或制动系统产生所期望的准确响应，从而及时地，恰当地消除这些不稳定行驶趋势，使汽车保持在所期望的行驶路线上。

ESP系统是汽车主动安全性技术发展的一个巨大突破，它可以在极其恶劣的行车环境中确保汽车的行驶稳定性。

1汽车防侧滑的概念

汽车行驶因制动或其它原因常常向侧面发生甩动，即其一轴或两轴的车轮发生横向移动，也就是人们常说的甩尾滑动现象。

称之为制动侧滑。

1.1汽车制动侧滑的危害

汽车在行驶中．常因制动引起汽车偏离原定的行驶方向，造成侧向滑移，甚至翻车而引发交通事故。

汽车在高速时制动，会使汽车完全丧失操纵，尤其后轴侧滑将引起汽车剧烈的回转运动．导致翻车、撞车等恶性事故。

汽车制动时侧滑，影响汽车行驶的稳定性，增加燃油消耗及轮胎的过度磨损。

汽车轮一旦失去附着能力后。

汽车的运动状态难以控制。

1.2引起汽车侧滑的因素

机件失调。

前桥变形或主销与销套松旷、横直拉杆球头松旷，双横拉杆结构汽车的前束调整不当，轮毂轴承松旷，边梁断裂等，都会引起侧滑。

车轮制动阀调整不当。

调整车轮制动时。

一侧抱死一侧未抱死。

或后轮抱死而前轮未抱死等。

以及制动起始车速和道路附着系数不同．制动跑偏引起严重侧滑；装有防抱死（ABS）制动装置的汽车，因路面凸形不均，或制动装置缺乏维护，易引起侧滑。

汽车在弯道、坡道、不平路面或越过路标时速度过快而引起侧滑。

在湿滑的路面上行车．车轮与路面的附着力大大减小。

车轮承受侧向力的能力急剧下降，此时，只要很小的侧向力就引起侧滑；另外，单纯使用手制动或脚制动（制动间隙不一致），如果前轮制动轻，后轮制动重．都极易产生侧滑。

汽车前后轮制动力不均匀，轮胎气压不一样，轮胎花纹磨平等．也会引起制动侧滑。

1.3汽车制动侧滑的预防措施

在调整制动时。

一定要调到前、后轮同时抱死或前轮略提前抱死。

制动不应有明显的跑偏现象。

在泥泞路面、冰雪路面上行车要降低行车速度。

当遇到前面有障碍物时，要提前减速。

汽车在行驶中，当制动时出现侧滑，应立即停止制动，减少燃油供给量（不能放掉加速踏板），把转向盘朝着侧滑的那边（同方向）转动对于装有感载比例阀或防抱死装置的汽车，应经常检查其功能的有效性。

驾驶没有防抱死装置的汽车，制动时，可将滑动率控制在10％30％的范围内，以得到最大的附着系数．使车轮处于半抱死半滚动的状态，以充分利用附着力获得理想的制动效果，能较好地防止侧滑。

合理装载，防止侧滑或翻车的事故。

合理装载是指装载乘客（或突物）应尽量降低重心高度。

而且要装载均匀，避免重心偏向一侧，以减小翻车的可能性。

2汽车ESP的概念

ESP是ElectronicStabilityProgram（电子稳定程序）的缩写。

ESP系统通过对从各传感器传来的车辆行驶状态信息进行分析，然后向ABS、ASR发出指令，帮助车辆维持动态平衡。

ESP可以使车辆在各种状况下保持最佳的稳定性，在转向过度或转向不足的情形下效果更加明显。

ESP系统由控制单元及转向传感器（监测方向盘的转向角度）、车轮传感器（监测各个车轮的转动速度）、侧滑传感器（监测车体绕垂直轴线转动的状态）、横向加速度传感器（监测汽车转弯时的离心力）等组成。

控制单元通过这些传感器的信号对车辆的运行状态进行判断，进而发出控制指令。

ESP最主要的作用是在紧急情况下，可以帮助驾驶员保持对车辆的控制，避免重大意外事故。

具体主要是通过防止车辆侧滑，在车辆和地面间还有附着力的前提下，保证车辆的方向操控性。

通过对驾驶员的动作和路面情况的判断，对车辆的行驶状态进行及时的干预。

ESP可以监控汽车行驶状态，并自动向一个或多个车轮施加制动力，以保持车子在正常的车道上运行，甚至在某些情况下可以进行每秒150次的制动。

目前ESP有3种类型：

能向4个车轮独立施加制动力的四通道或四轮系统；能对两个前轮独立施加制动力的双通道系统；能对两个前轮独立施加制动力和对后轮同时施加制动力的三通道系统。

ESP目前最高为8.0版本,具备刹车盘清洗功能。

当车辆驶过湿路后,ESP会自动让刹车摩擦片轻蹭刹车盘，完成刹车盘干燥功能。

3汽车ESP系统的结构

3.1汽车ESP的结构组成

ESP是在原有电子制动防抱死制动系统（ABS）、电子制动力分配（EBD）和牵引力控制（ASR）的基础上发展起来的。

该电子制动系统由电子控制单元（ECU）、液压调节器总成、车轮速度传感器、方向盘转角传感器、横向偏摆率传感器、车轮速度传感器脉冲环以及ESP控制开关等部件组成，其中电子控制单元与液压调节器是一体的。

其系统组成见图1.1

1-前轮速度传感器；2-前轮速度传感器引线；3-电子控制单元（ECU）；4-液压调节器总成；5-方向盘转角传感器；6-横向偏摆率传感器；7-后轮速度传感器脉冲环；8-后轮速度传感器（字母A、B、C、D、E为上述该传感器或总成在汽车中的具体位置）

图1.1

3.2电子控制单元ECU

电子控制单元如图1.2所示，，各端子的作用见表1.3,电子控制单元（ECU）插头端子见1.4所示。

电子控制单元是ABS-ASR/ESP系统的控制中心，它与液压调节器集成在一起组成一个总成。

电子控制单元持续监测并判断的输入信号有：

蓄电池电压、车轮速度、方向盘转角、横向偏摆率以及点火开关接通、停车灯开关、串行数据通信电路等信号。

根据所接收的输入信号，电子控制单元将向液压调节器、发动机控制模块、组合仪表和串行数据通信电路等发送输出控制信号。

表1.2各端子作用表

图1.3 电子控制单元（ECU）

1-电子控制单元（ECU）；2-液压调节器总成

图1.4电子控制单元（ECU）插头端子视图

当点火开关接通时，电子控制单元会不断进行自检，以检测并查明ABS-ASR/ESP系统的故障。

此外，电子控制单元还在每个点火循环都执行自检初始化程序。

当车速达到约15km/h时，初始化程序即启动。

在执行初始化程序时，可能会听到或感觉到程序正在运行，这属于系统的正常操作。

在执行初始化程序的过程中，电子控制单元将向液压调节器发送一个控制信号，循环操作各个电磁阀并运行泵电机，以检查各部件是否正常工作。

如果泵或任何电磁阀不能正常工作，电子控制单元会设置一个故障诊断码。

当车速超过15km/h时，电子控制单元会将输入和输出逻辑序列信号与电子控制单元中所存储的正常工作参数进行比较，以此来不断监测ABS-ASR/ESP系统。

如果有任何输入或输出信号超出正常工作参数范围，则电子控制单元将设置故障诊断码。

3.3液压调节总成

 液压调节器总成内部液压回路示意图如图3.5所示。

为了能独立控制各车轮的制动回路，本系统采用了前/后分离的4通道回路结构，每个车轮的液压制动回路都是隔离的，这样当某个制动回路出现泄漏时仍能继续制动。

液压调节器总成根据电子控制单元（ECU）发送的控制信号调节制动液压力。

液压调节器总成包括回程泵、电机、储能器、进口阀、出口阀、隔离阀和后启动阀等部件

3.4前轮速度传感器

前轮速度传感器（如图3.6所示）是一个电磁式传感器，是前轮轮毂总成的一部分，前轮轮毂总成是一个永久性的密封装置。

左前和右前轮轮毂装有车轮速度传感器和一个48齿的磁脉冲环。

图3.6 前轮速度传感器

1-前轮速传感器；2-前轮毂总成

3.5后轮速度传感器

别克荣御采用后轮驱动，后轮速度传感器（如图3.7所示）位于主减速器后盖的支架上，也是电磁式传感器。

后轮速度传感器脉冲环是主减速器内车桥法兰的一部分，不能单独维修。

图3.6后轮速度传感器

1-后轮速传感器；2-传感器脉冲环

3.6ESP开关

电子稳定程序（ESP）开关位于地板控制台上，如图3.8所示。

该开关是一个瞬间接触开关，按一下ESP开关，电子稳定程序从接通转至关闭。

当电子稳定程序（ESP）关闭时，ABS-TCS系统仍能正常工作。

当ESP处于关闭位置时，再次按一下ESP开关，将接通电子稳定程序。

按下ESP开关超过60s将被视为短路，会记录故障诊断码，且电子稳定程序在该点火循环内将被禁用。

如果没有记录牵引力控制系统当前故障诊断码，电子稳定程序将在下一个点火循环复位到接通状态。

图3.8ESP开关

3.7方向盘转角传感器

方向盘转角传感器位于方向盘下面方向盘转角传感器提供表示方向盘旋转角度的输出信号，参见图2.10。

由于2只测量齿轮的齿数不同，故产生不同相位的两个转角信号，即能产生一个可表示±760。

方向盘旋转角度的输出信号，电子控制单元利用这个信息计算出驾驶员所要求的方向。

控制单元通过方向盘转角传感器与横向偏摆率传感器信号的比较，确定车辆实际行驶轨迹与驾驶要求是否一致，从而确定控制目标。

横向偏摆率传感器位于仪表板中央控制台下部，如图3.9所示，传感器插头端子视图见图3.10所示.横向偏摆率传感器总成包括两个部件，一个是横向偏摆率传感器，另一个是横向加速度传感器。

横向偏摆率传感器根据车辆绕其纵轴的旋转角度产生对应的输出信号电压；横向加速度传感器根据车轮侧向滑移量产生对应的输出信号电压。

ESP控制单元利用横向偏摆率传感器和横向加速度传感器输出的这两个传感器信号，计算出车辆的实际行驶状态，再结合车轮速度传感器的输出信号和方向盘转角传感器的串行数据输出信号，确定控制目标。

图2.13 横向偏摆率传感器

图2.14 横向偏摆率传感器插头端子视图

4电子稳定控制系统（ESP）子系统的工作过程

4.1防抱死制动系统（ABS）的工作过程

4.1.1BAS的基本原理

ABS（Anti-lockBrakingSystem，即防抱死制动系统）是在制动期间控制和监视汽车速度的电子控制系统。

在汽车制动的过程中，它通过常规制动系统起作用，能够自动地控制车轮在旋转方向上的打滑，并把相应的滑移率控制在最佳范围之内，可提高汽车的主动安全性。

在汽车的制动过程中，使汽车制动而减速行驶的外力是路面作用于轮胎胎面上的地面制动力。

但地面制动力取决于两个摩擦副的摩擦力：

一是制动装置对车轮的摩擦力，即制动器制动力；另一个是轮胎与路面间的摩擦力，即地面附着力。

只有当汽车有足够的制动器制动力及地面附着力时，才能获得足够的地面制动力。

汽车制动过程中，车速和车轮转动线速度（轮速）之间存在着速度差[2]，也就是车轮与地面之间有滑移现象。

一般用滑移率S来表示滑移的程度

式中：

u—车速；w—轮速。

试验和理论分析表明：

在制动过程中，滑移率S是与制动的距离、制动时的方向可控性和制动的平稳性密切相关的可控制的量。

其原因在于滑移率与汽车和地面间的纵向附着系数μB及侧向附着系数μS的关系呈一定的非线性曲线关系，见图1制动控制区。

滑移率S=0时，汽车处于非制动状态，纵向附着系数μB=0，侧向附着系数μS处于最大值；汽车处于制动状态时，μB随滑移率S的增大而增大，μS随滑移率S的增大而减小，当滑移率S达到某个数值时，μB达到最大，这时的滑移率称为最佳滑移率（用SK表示）；之后随着滑移率的增大，μB和μS不断减小，滑移率S=100%时，车轮完全抱死，μB降到一数值，μS≈0纵向附着力不大，侧向附着能力几乎尽失，汽车的制动稳定性、方向稳定性和转向能力将完全丧失。

滑移率S在0～Sk区间，可保证稳定制动，称为稳定区；在Sk至100%区间为不稳定区，当滑移率S超过Sk后，车轮很快就会进入抱死状态。

当滑移率S处于10%～30%之间时，纵向附着系数μB处于峰值范围，侧向附着系数μS也比较大，可以同时得到较大的纵向和侧向附着力，是安全制动的理想工作区域。

ABS的基本原理就是通过调节制动管路的压力，控制车轮制动器的制动力，使汽车在紧急制动时，轮速保持在适当的范围内，车轮滑移率控制在10%～30%的稳定制动区段上，车轮不被抱死，既能保持最大的制动力，又能充分利用车轮附着力，大大提高制动效能。

图4.1附着系数μB和μS及滑移率S之间的关系

4.1.2ABS控制方法的分析

轮胎一道路接触面之间的附着系数和滑移率是影响制动效果的重要参数。

现有ABS实用技术还不能直接测量轮胎一道路附着系数和滑移率，这是因为测量轮胎一道路附着系数需要使用五轮仪，测量汽车实际速度需要使用价格昂贵的多普勒雷达或加速度传感器，因此防抱死制动系统普遍采用一些间接方式来实现近似理想的控制过程。

实现ABS的控制过程目前有几种不同的控制方法。

4.1.3基于滑移率的PID控制算法

为了进一步提高ABS的控制性能，许多人都在研究基于滑移率的控制系统。

用滑移率作为控制目标容易实现连续控制，并能提高ABS在制动过程中的平顺性，而且也不需要做大量试验来获得阈值等控制参数，因此实用前景广泛。

实现连续控制的最简单算法是PID（即比例、积分、微分）控制，只要适当地调节整定比例系数kp、积分系数ki及微分系数kd即可。

设滑移率的设定目标为λ0，则控制误差为

e=λ-λ0

PDI的控制规律可表示为:

比例环节用以校正系统偏差，积分环节用以消除系统静差，微分环节反映偏差信号变化趋势，用以加快系统的动作速度，减小调节时间。

因此按照上式，根据ABS动态系统特性，确定出一组最佳的控制参数kp、k1、k4，可使车轮的滑移率以最快的方式趋近设定目标λ0

根据各种不同路况综合进行选取。

任意时刻的滑移率由此时车轮转速和参考车速进行计算。

4.3防侧滑系统（ASR）的工作过程

4.3.1ASR的组成

ASR由ECU、执行器（制动压力调节器、节气门驱动装置）、传感器（车轮车速传感器、节气门开度传感器）等组成。

4.3.2ASR的工作原理

汽车的行驶受行驶牵引力和附着力的限制，即要满足

∑Ff≦F1≦F∮

式中[6]：

∑Ff——汽车行驶阻力；∑FfF1——汽车牵引力；F∮——汽车附着力。

如果路面的附着系数很小，容易使汽车的牵引力超过轮胎与路面间的附着极限（即Ft>Fφ），产生驱动轮过度滑转，后轮驱动的汽车将可能甩尾，前轮驱动的汽车则容易方向失控，导致汽车向一侧偏移。

驱动防滑的基本原理与制动防滑相似，根据地面附着系数和车轮滑移率的关系曲线（见图1驱动控制区），把车轮滑移率控制在一定范围内，提高地面附着力的利用率，改善驱动性能。

汽车打滑是指汽车车轮的滑转，车轮的滑转率又称滑移率。

驱动车轮的滑移率Sd=

×100%，式中vc是车轮圆周速度；v是车身瞬时速度。

目前，ASR常用的控制方法有两种：

一是调整发动机加在驱动轮上的转矩的发动机控制。

汽油机常通过控制燃油喷射量、点火时间、节气门开度来减低其输出转矩；柴油机常通过控制燃油喷射量来减低其输出转矩。

二是对发生打滑的驱动轮直接施加制动的制动控制。

如果驱动轮在不同附着系数的路面上，通过对打滑的驱动轮实施制动，降低滑移率，提高驱动力。

对于附着系数相同的路面，可通过发动机控制来实现防驱动轮打滑，也可对打滑的两驱动轮实施制动；为防止制动蹄过热，当车速高于一定值时，制动控制将不起作用，要依靠发动机控制。

ASR与ABS有十分密切的联系，是ABS的自然延伸。

二者在技术上比较接近，部分软、硬件可以共用。

ABS所用的传感器和压力调节器均可为ASR所利用，ABS的电子控制装置只需要在功能上进行相应的扩展即可用于ASR装置。

在ABS的基础上，只需添加ASR电磁阀，即可对过分滑转的车轮实施制动。

对电控发动机来说，通过总线就可控制发动机的输出力矩。

非电控发动机，只需增加一些传感器和执行机构，就可控制发动机的输出力矩。

基于此，通常把二者有机地结合起来，形成汽车ABS/ASR防滑控制系统。

4.3.3ASR系统的执行机构

ASR的制动压力调节器执行ASRECU的指令对滑转车轮施加制动力和控制制动力的大小，以使滑转车轮的滑转率在目标范围内。

ASR的压力源是蓄压器，通过电磁阀来调节驱动车轮的制动压力。

ASR制动压力调节器结构形式有：

单独方式和组合方式。

①单独方式

ASRECU通过电磁阀的控制实现对驱动轮制动力的控制，控制过程如下：

正常制动时ASR不起作用，电磁阀不通电，阀在左位，调压缸的活塞被回位弹簧推至右边极限位置。

此时调压缸右腔与储液室相通而压力低，左腔通过活塞使ABS制动压力调节器与车轮制动分泵相通，因此ASR不起作用且对ABS无任何影响。

起步或加速时若驱动轮出现滑转需要实施制动时，ASR使电磁阀通电，阀至右位，蓄压器中的制动液推活塞左移。

此时调压腔右腔与储液室隔断而与蓄压器接通，蓄压器中的制动液推活塞左移使与ABS制动压力调节器的通道封闭。

活塞左移使左腔压力增大，驱动车轮制动分泵压力升高。

压力保持过程：

此时电磁阀半通电，阀在中位，调压缸与储液室和蓄压器都隔断，于是活塞保持原位不动，制动压力保持不变。

压力降低过程：

此时电磁阀断电，阀回左位，使调压腔右腔与蓄压器隔断而与储液室接通，于是调压缸右腔压力下降，制动压力下降。