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汽車主動安全技術(shù)

文檔作者：胡愛軍王朝暉文檔來源：河南理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院洛陽拖拉機(jī)研究所有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月10日
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第7期
2010年7月
機(jī)械設(shè)計與制造
Machinery Design &amp;amp; Manufacture 97
文章編號：1001—3997(2010)07—0097—03
汽車主動安全技術(shù) 術(shù)
胡愛軍 王朝暉
( 河南理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，焦作454000)( 洛陽拖拉機(jī)研究所有限公司，洛陽471039)
Automobi le active safety technology
HU Ai~un ．WANG Zhao-hui
( School of Mechanical and Power Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China)
( Research Institute of Tractor of Luoyang，Luoyang 47 1 039，China)
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5 【摘 要】提高汽車的主動安全性是汽車技術(shù)發(fā)展的主題之一，介紹了ABS、ASR、ESP、EPS、AFS、
；SBW、汽車主動避撞系統(tǒng)、TPMS等幾種主動安全技術(shù)，分別介紹了其結(jié)構(gòu)及工作原理，指出未來的汽車安
!全技術(shù)將向著集成化、智能化、系統(tǒng)化方向發(fā)展。 !
； 關(guān)鍵詞：汽車；主動安全；設(shè)計 ；
； 【Abstract】A utomobile active ty technolog)，is one of the main topics of automobile technology．；
!ABS、ASR、ESP、EPS、AFS、SBW、collision avoidance system、TPMS etc are introduce In addition，their 1
6 structures and operation principle age introduced separately．The future development lyerids of automobile{
e safety will be oriented to integration and intellectualization and systematization．
； Key words：Automobile；Active safety；Design !
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中圖分類號：TH16，U461．91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
1日Ij吾
汽車安A．1生包括主動安全性和被動安全性兩大類。汽車主動
安全是指事故發(fā)生前的安全，即實(shí)現(xiàn)事故預(yù)防和事故同避，防止
事故發(fā)生。主動安傘 陛是指通過事先預(yù)防，避免或減少事故發(fā)生
的能力。被動安全眭足指汽車在發(fā)牛意外事故時對乘員進(jìn)行有效
保護(hù)的能力。汽車的主動安全性兇其防患于未然，所以越來越受
到汽車，一商和消費(fèi)者的重視，越來越多的先進(jìn)技術(shù)也被應(yīng)用到汽
車主動安全裝置上。
2制動系統(tǒng)
2．1 ABS系統(tǒng)
ABS是防抱死系統(tǒng)(Antilock Braking System)的簡稱，它是一
種具有防滑、防鎖死等優(yōu)點(diǎn)的汽車安全控制系統(tǒng)。在制動過程中，
車輪抱死滑移的根本原因是制動器制動力大于輪胎一道路符著
力，當(dāng)汽車車輪的滑移率在(10～20)％時，輪胎與路面問有最大的
附著系數(shù)，因此為r取得最佳的制動效果，要控制滑移率在(10～
2O)％范圍內(nèi)。ABS是在普通制動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝車輪速度傳
感器、ABS電控單元、制動壓力調(diào)節(jié)裝置及制動電路等組成，其結(jié)
構(gòu)如圖1所示。
其工作原理為：汽車制動時，根據(jù)ABS電控單元的控制指令，
自動調(diào)節(jié)制動輪缸的制動壓力的大小，使車輪不抱死，并處于理想
滑移率的狀態(tài)。其工作過程分為四個階段n1：(1)常規(guī)制動過程：當(dāng)駕
駛員踩下制動踏板時，制動主缸產(chǎn)生的油壓通過管路，進(jìn)入制動輪
缸，從而使車輪制動器產(chǎn)生制動力；(2)保壓制動過程：隨著制動壓
力升高和車輪轉(zhuǎn)速下降到一定程度，車輪開始出現(xiàn)部分滑移現(xiàn)象
時，ABS電控單元向制動壓力調(diào)節(jié)裝置發(fā)出指令，關(guān)閉制動主缸與
制動輪缸的通道，使制動輪缸的油壓保持不變，即處于一個穩(wěn)定的
油壓狀態(tài)下；(3)降壓制動過程：當(dāng)制動油壓保持不變而車輪轉(zhuǎn)速繼
續(xù)下降，車輪滑移率超過(10-20)％時，ABS電控單元將向制動壓力
調(diào)節(jié)裝置輸出控制信號，打斤制動輪缸與儲能器的通道，制動輪缸
內(nèi)的高壓油流人儲能器，制動油壓下降，車輪轉(zhuǎn)速由下降逐漸變?yōu)?
上升；(4)增壓制動過程：當(dāng)車輪轉(zhuǎn)速上升，滑移率下降到低于(10～
20)％時，ABS電控單元向制動壓力調(diào)節(jié)裝置發(fā)出指令，使制動主缸
和制動輪缸油路接通，高壓油進(jìn)入制動輪缸，制動油壓增加，車輪轉(zhuǎn)
速又開始下降。如此交替進(jìn)行控制，使車輪的滑移率始終被控制在
(10-20)％左右，從而使汽車的制動性能達(dá)到最佳狀態(tài)。
1． 2
lU l 9 7 6
圖1 ABS系統(tǒng)的組成
1．前輪速度傳感器2．制動壓力調(diào)節(jié)裝置3．ABS電控單元
4．ABS警示燈5．后輪速度傳感器6．停車燈開關(guān)7．制動主缸
8．比例分配閥9．制動輪缸1O．蓄電池1 1．點(diǎn)火開關(guān)
2-2 ASR系統(tǒng)
ASR是驅(qū)動防滑轉(zhuǎn)系統(tǒng)(Acceleralion Slip Regulation)的簡
稱，由于防止驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)是通過調(diào)節(jié)驅(qū)動輪的驅(qū)動力來實(shí)現(xiàn)的，
因此也稱為牽引力控制系統(tǒng)(Traction Control System)，簡稱TCS。
汽車在起步、加速或冰雪路面上行駛時，容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，這是
因?yàn)槠嚢l(fā)動機(jī)傳遞給車輪的最大驅(qū)動力是由符著力決定的，當(dāng)
★來稿日期：2009—09—15 ★基金項目：河南省教育廳自然科學(xué)研究計劃項目(2010B210009)
98 胡愛軍等：汽車主動安全技術(shù) 第7期
傳遞給車輪的驅(qū)動力超過符著力時，車輪就會發(fā)生滑轉(zhuǎn)。滑轉(zhuǎn)率
越大，車輪滑轉(zhuǎn)程度也就越大。在各種路面上，附著系數(shù)均隨滑轉(zhuǎn)
率的變化而變化，且在各種路面上當(dāng)滑轉(zhuǎn)率為20％左右時，附著
系數(shù)達(dá)到最大值。ASR系統(tǒng)的基本控制原理口 ：住車輪滑轉(zhuǎn)時，
將滑轉(zhuǎn)率控制在最佳滑轉(zhuǎn)率范圍內(nèi)，從而獲得較大的附著系數(shù)，
使路面能夠提供較大的附著力，車輪的驅(qū)動力能夠得到充分利
用。ASR系統(tǒng)是在ABS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它卜j ABS共片J輪
速傳感器、液壓驅(qū)動元件等，并擴(kuò)展r電控單元ECU功能，s~Di：i
。T ASR制動執(zhí)行器、節(jié)氣門執(zhí)行器、ASR [作指示燈及ASR診
斷系統(tǒng)等，基本組成如圖2所示。
圖2典型ASR系統(tǒng)示意圖
2．3 ESP系統(tǒng)
ESP是汽車電子穩(wěn)定程序(Electronic Stability Program)的簡
稱，它是在ABS系統(tǒng)、ASR系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起米的，并s~Di：i了方
向盤轉(zhuǎn)角傳感器、縱向加速度傳感器、橫向加速度傳感器、橫擺角
速度傳感器等組成，是對ABS和ASR功能的繼承與進(jìn)一步擴(kuò)展。
ESP是通過調(diào)節(jié)車輪縱向力大小及匹配來控制汽下的橫擺
運(yùn)動，使汽車具有良好的操縱性和方向穩(wěn)定I生。其基本原理是：通
過傳感器和控制算法來識別駕駛員對汽車的期望運(yùn)動狀態(tài)，同時
測量和估算出汽車的實(shí)際運(yùn)動狀態(tài)。ESP的 I：作特點(diǎn) ：(1)實(shí)時監(jiān)
控：ESP能夠?qū)崟r監(jiān)控駕駛員的操控動作、汽車運(yùn)動狀態(tài)，并不斷
向發(fā)動機(jī)和制動系統(tǒng)發(fā)出指令；(．2)主動十預(yù)：ESP系統(tǒng)可以通過
制動壓力干預(yù)或發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，來改變汽車的運(yùn)動，修
正汽車的過度轉(zhuǎn)向和不足轉(zhuǎn)向，如圖3、圖4所 。(3)事先提醒：
當(dāng)駕駛著操作不當(dāng)或路面異常時，ESP會用警告燈警示駕駛者。
(a)無ESP (b)有ESP
圖3過度轉(zhuǎn)向情況
3轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
3．1 EPS系統(tǒng)
(a)無ESP (b)有ESP
圖4不足轉(zhuǎn)向情況
EPS系統(tǒng)是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering)的簡
稱，EPS系統(tǒng)是在機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，剛電池作能源，電動
機(jī)為動力裝置，直接依靠電動機(jī)提供輔助轉(zhuǎn)矩的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，
其結(jié)構(gòu)如圖5所示。
5 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
EPS系統(tǒng)由轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、電控單元、助力電機(jī)、
減速機(jī)構(gòu)等幾部分組成，其工作原理H1是：方向盤轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)矩傳
感器檢測方向盤轉(zhuǎn)矩的大小和方向，并產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩信號；同時，
車速傳感器也產(chǎn)牛一個車速電信號，電控單元根據(jù)車速信號和車
速信號并通過一定的控制算法決定助力電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和助力
電流的大小，從而完成實(shí)時控制助力轉(zhuǎn)向。EPS能在各種行駛工
況下提供合適的助力，減小路面不平所引起的對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的沖
擊，改善汽車的轉(zhuǎn)向特性，車速低時，提供較大的助力減輕汽車低
速行駛時的轉(zhuǎn)向操縱力，車速高時，提供較小的助力提高汽車高
速行駛時的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，進(jìn)而提高汽車的安全性。EPS系統(tǒng)除了
具有基本助力控制，還有阻尼控制和回正控制。
3．2 AFS系統(tǒng)
在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向傳動比是固定的，在低速時，駕駛
員要花很大的力氣轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，轉(zhuǎn)向不靈敏；高速時，轉(zhuǎn)向靈敏性
會增加，但是穩(wěn)定性和安全性隨之下降；這就構(gòu)成了無法避免的
矛盾。德國兩家公司聯(lián)合開發(fā)的主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Active Front
Steering，簡稱AFS)~好的解決了上述矛盾。
AFS系統(tǒng)本質(zhì)是一套可變傳動比的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它保留了傳統(tǒng)
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)械構(gòu)件，其最大特點(diǎn)就是在方向盤和齒輪齒條轉(zhuǎn)向
機(jī)之間的轉(zhuǎn)向柱上集成J，一套雙行星齒輪機(jī)構(gòu)，如圖6所示。AFS
系統(tǒng)能在駕駛員通過方向盤施加給前輪的轉(zhuǎn)向角的基礎(chǔ)上，通過
雙行星齒輪機(jī)構(gòu)給前輪疊加一個額外的轉(zhuǎn)向角151。低速時，電動機(jī)
馬Ⅸ動的行星架轉(zhuǎn)動方向與方向盤轉(zhuǎn)動方向相同，疊加后增加了實(shí)
際的轉(zhuǎn)向角度，可以減少轉(zhuǎn)向力的需求，提高了汽車的轉(zhuǎn)向靈敏
性；高速時，電動機(jī)驅(qū)動的行星架轉(zhuǎn)動方向與方向盤轉(zhuǎn)動方向相
反，疊加后減少了實(shí)際的轉(zhuǎn)向角度，汽車的轉(zhuǎn)向變得更為間接，提
高了汽車的穩(wěn)定性和安全 。
一 圖6主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雙行星齒輪機(jī)構(gòu)
主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大的特點(diǎn)，就是根據(jù)汽車行駛速度，自動調(diào)
節(jié)汽車轉(zhuǎn)向傳動比。汽車低速行駛時，減小轉(zhuǎn)向傳動比，使轉(zhuǎn)向更
加直接、快速、舒適；汽車高速行駛時，增大轉(zhuǎn)向傳動比，提高汽車
的穩(wěn)定性。
No．7
Ju1．2010 機(jī)械設(shè)計與制造
3．3 SBW 系統(tǒng)
線摔轉(zhuǎn)向(Steer-by—Wire System，SBW)足更新的汽車電子轉(zhuǎn)
向系統(tǒng)，也具有變傳動比的功能，它與AFS系統(tǒng)的 別足：SBW
系統(tǒng)取消了方I L】甜與轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，具有更多的優(yōu)點(diǎn)，
將足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由 個模塊組
成：方向衙總成、控制器(ECU)和前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)總成，其結(jié)構(gòu) ，如
圖7所爪。
力‘向盤總成
圖7線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)卡勾
1．路感電機(jī)2．方向盤轉(zhuǎn)角傳感器3齒條位移傳感器
4．齒輪齒條轉(zhuǎn)向器5．轉(zhuǎn)向電機(jī)6．ECU
駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，ECU根據(jù)方向鼎轉(zhuǎn)角傳感器、下速傳
感器的信號，依據(jù)前輪轉(zhuǎn)角確定參考前輪轉(zhuǎn)角，向轉(zhuǎn)向電機(jī)發(fā)出
控制信號，利用安裝在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)f 的位移傳感器信號對轉(zhuǎn)向電機(jī)
進(jìn)行位置控制，以實(shí)現(xiàn)該參考前輪轉(zhuǎn)角，使汽車沿著駕駛員所期
單的軌跡行駛=舊時，ECU根據(jù)路感控制策略得到參考方向盤同
正力矩，通過塒路感電機(jī)進(jìn)行電流控制，提供期望的 向枯【口J正
力矩，獲得模擬路感。
4汽車主動避撞系統(tǒng)
汽車主動避撞技術(shù)利用現(xiàn)代信息技術(shù)、傳感技術(shù)來擴(kuò)展駕駛
員的感知能力，將外界信息(如車速、障礙物距離)傳遞給駕駛員，
同時根據(jù)路況、車況等綜合信息辨識是否構(gòu)成安全隱患，并在緊
急情況下，該系統(tǒng)能自動T涉駕駛操縱、輔助駕駛員進(jìn)行應(yīng)急處
理，使汽車能主動避開危險，防止汽乍相撞事故的發(fā)生，保證 輛
安傘行駛r7I。在主動避撞系統(tǒng)中，涉及到多種傳感器技術(shù)，如雷達(dá)、
激光雷達(dá)、攝像機(jī)等，其f：作原押，如圖8所示。
掃描式激光雷達(dá) ：一[圈
一 圈
圖8主動避撞系統(tǒng)工作原理
汽車主動避撞系統(tǒng)由環(huán)境識別子系統(tǒng)、狀態(tài)判斷子系統(tǒng)、汽
車控制執(zhí)行子系統(tǒng)等組成。存汽年正常行駛時，環(huán)境識別子系統(tǒng)
斷感知年輛狀態(tài)及外界環(huán)境信息，并將這 信息傳遞給狀態(tài)判
斷子系統(tǒng)，控制器綜合多種信息，依據(jù)安全狀態(tài)判斷邏輯對乍輛
安全狀念進(jìn)行判斷；判斷為安全狀態(tài)時，系統(tǒng)無任何動作，不干擾
駕駛員的正常駕駛；判斷為危險狀態(tài)時，系統(tǒng)會首先自動關(guān)閉油
門，此時，若駕駛員尚未采取相應(yīng)的動作，則系統(tǒng)將自動控制車輛
制動和轉(zhuǎn)向，并調(diào)用 它相關(guān)控制系統(tǒng)，使車輛遠(yuǎn)離危險的同時
保證自車的安全，一旦車輛凹到安全的行駛狀態(tài)或駕駛員采取了
控制動作，系統(tǒng)對車輛的挎制將自動解除，同到il 常行駛狀態(tài)；當(dāng)
系統(tǒng)判斷為危險無法避讓時，除采取遠(yuǎn)離和減少危險的控制外，
還將根據(jù)危險程度的大小，選擇合適的被動安傘控制策略。
5汽車輪胎胎壓監(jiān)測系統(tǒng)
汽車高速行駛時，輪胎故障足突發(fā) 交通事故發(fā)牛的葦要原
1人l，而輪胎氣壓不足或滲漏是造成輪胎故障的重要原 。保持標(biāo)
準(zhǔn)的輪胎氣壓和及時發(fā)現(xiàn)輪胎漏氣是防止輪胎事故的關(guān)鍵，于是
輪胎胎壓監(jiān)測系統(tǒng)TPMS(Tire Pressure Monitm-ing System) 始得
到丌發(fā)與使用。目前，TPMS主要分為兩種類型81：(1) 于車輪轉(zhuǎn)
速的TPMS，也叫『口J接式TPMS；(2)基于壓，，J傳感器的TPMS，也
叫直接式的TPMS。
6夜視輔助系統(tǒng)
夜間行車時，巾丁午燈照明范圍的限制，駕駛員很H丁能沒有
發(fā)現(xiàn)路邊或者前面較遠(yuǎn)處的行人或其它障物，從昕導(dǎo)致交通事
故。國外}昆合動力車配備的Night View仗視系統(tǒng)，能將道路前方
的信息顯示在儀表板的顯爾屏上，不僅【I『以識別夜間道路上的車
輛情況，還增加r行人檢測功能，能更大限度的避免交通事故的
發(fā)生。日前比較成熟的夜視輔助系統(tǒng)是奔馳$500配備的Night
ViewAssist，它采用了紅外技術(shù)，能進(jìn)一步降低車輛在黑暗行駛
情況下的事故風(fēng)險(圖略)。
7主動修正方向的車道偏離警示系統(tǒng)
車道偏離警示系統(tǒng)使用攝像頭監(jiān)測汽車在午道標(biāo)線之問的
位置，如果來使用變道信號而汽車越過車道標(biāo)線，該系統(tǒng)就會發(fā)
¨j聲音信號向司機(jī)報警；在此 礎(chǔ)j ，某公司外發(fā)出了自動轉(zhuǎn)向
規(guī)避碰撞功能，它比乍=道偏離系統(tǒng)更為先進(jìn)。該系統(tǒng)利IfJ攝像頭
和雷達(dá)監(jiān)測汽車本身與塒面來車的位置，能夠幫助防止司機(jī)疏忽
造成的正面碰撞。如果汽車進(jìn)入錯誤車道，同時系統(tǒng)探測到對面車
輛處在碰撞路線上，汽年會自動轉(zhuǎn)向，凹到原車道中的安全位置。
8總結(jié)
文中介紹了兒種汽車主動安全技術(shù)，分別介紹各種主動安全
技術(shù)的結(jié)構(gòu)以及二r作原理。隨著汽車電子技術(shù)、傳感器技術(shù)及數(shù)據(jù)
通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，僅儀依靠某一項技術(shù)已經(jīng)很難滿足人們對
汽牟安全性的要求，為了進(jìn)一步提高汽午的安全性，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有的
汽車安全技術(shù)，將汽車安傘向集成化、智能化、系統(tǒng)化方向發(fā)展
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