第三章 汽車驅動輪防滑轉控制系統

第一節 驅動輪防滑轉控制的基本原理

一、概述

隨著汽車工業的發展，汽車保有量不斷增加。人們對汽車的安全性越來越重視，在防抱死制動系統的基礎上，又出現了驅動輪防滑轉系統，即ASR（TRC）系統，它的作用是當汽車在易滑路面或左右附著力不同的復雜路面上起步或加速時，通過電腦自動調節發動機的輸出轉矩和對各車輪適當制動，減小車輪的滑轉，保證汽車能盡快起步、加速并保持行駛方向的穩定，與ABS聯合使用，可大大提高汽車行駛的安全性。

汽車驅動輪防滑轉控制系統通常稱為防滑轉調節系統（ASR，Anti-Slip Regulation Sys-tem）。由于防止驅動輪滑轉都是通過調節驅動輪的驅動力（牽引力）來實現，因此又稱為牽引力控制系統，簡稱TCS或TRC（Traction Control System）。通常歐洲車多把加速防滑系統稱為ASR，如奔馳和奧迪。但在日本豐田公司生產的轎車上，加速防滑系統稱為TRC。在日本馬自達公司生產的轎車上，加速防滑系統則稱TCS。ASR是ABS功能的完善和補充，ASR可獨立設立，但大多數與ABS組合在一起，常用ABS/ASR表示，統稱為防滑控制系統。

眾所周知，汽車在起步、加速或冰雪路面上行駛時，容易出現打滑現象。這是因為汽車發動機傳遞給車輪的最大驅動力是由輪胎與路面之間的附著系數和地面作用在驅動輪上的法向反力的乘積（即附著力）決定的。當傳遞給車輪的驅動力超過附著力時，車輪就會發生打滑空轉（即滑轉）。

當汽車在低附著系數路面（如泥濘路面、冰雪路面）上行駛時，由于地面對車輪施加的反作用轉矩很小，因此在起步、加速時驅動輪就會發生滑轉。此外，當汽車在越野條件下行駛時，如果某個（或某些）驅動輪處在附著系數極限低的路面上，那么地面對車輪施加的反作用轉矩將很小，雖然另一個（或一些）車輪處在附著系數較高的路面上，但是根據差速器轉矩等量分配特性，它（們）能夠提供的驅動轉矩只能與處在低附著系數路面上車輪提供的驅動轉矩相等。因此在驅動力不足的情況下，汽車將無法前進，發動機輸出的功率大部分消耗在車輪的滑轉上，不僅浪費燃油、加速輪胎磨損，而且降低車輛的通過性能和機動能力。

防止驅動輪滑轉曾采用過許多辦法，如安裝防滑鏈，使用防滑的雪地輪胎和帶防滑釘的防滑輪胎等，但迄今為止最有效的辦法還是采用ASR。ASR的主要功用是：在車輪開始滑轉時，通過降低發動機的輸出轉矩或控制制動系統的制動力來減小傳遞給驅動車輪的驅動力，防止驅動力超過輪胎與路面之間的附著力而導致驅動輪滑轉，提高車輛的通過性，改善汽車的方向操縱性和行駛穩定性。

ASR與ABS密切相關，都是汽車行駛的主動安全系統，兩個系統通常同時采用。ASR是維持附著條件，充分發揮驅動力的電子調節裝置。

二、驅動力F_t與附著力F_φ的關系

汽車行駛時，驅動力與行駛阻力必須滿足下述方程式（即汽車行駛方程式）規定的條件

F_f+F_w+F_i≤F_t≤Fφ=F_z·φ

式中 F_f——滾動阻力；

F_w——空氣阻力；

F_i——坡度阻力；

F_t——汽車的驅動力；

Fφ——附著力；

F_z——地面作用在驅動輪上的法向（垂直）反作用力；

φ——輪胎—道路附著系數，簡稱附著系數。

由此可見，當發動機輸出轉矩增大時，驅動力隨之增大。但是，驅動力的增大受到附著力的限制，驅動力的最大值只能等于輪胎與路面之間的附著力。當驅動力超過附著力時，驅動輪將在路面上滑轉。我們經常看到，當駕駛人想使汽車快速起步而用力踩下加速踏板時，盡管車輪快速轉動，但是汽車卻原地不動，其原因就是傳遞給車輪的驅動力超過了附著力。

三、滑轉率與附著系數的關系

1.滑轉率

汽車車輪打滑有兩種情況：其一是汽車制動時車輪抱死滑移；其二是汽車驅動時車輪滑轉。ABS是防止車輪在制動時抱死而滑移的裝置，ASR則是防止驅動車輪原地不動而滑轉的裝置。驅動輪的滑轉程度用滑轉率表示，滑轉率是指車輪速度與車速的差值與車輪速度之比。其表達式為

式中 S_d——驅動輪滑轉率；

v_ω——車輛速度（車輪瞬時圓周速度，v_w=r_ω），單位為m/s；

ω——車輪轉動角速度，單位為rad/s；

r——車輪半徑，單位為m；

v——車速（車輪中心縱向速度），單位為m/s。

當v_ω=v時，滑轉率S_d=0，車輪自由滾動。

當v=0時，滑轉率S_d=100%，車輪完全處于滑轉狀態。

當v_ω＞v時，滑轉率0＜S_d＜100%，車輪既滾動又滑動。車輪滑轉率越大，說明車輪驅動過程中滑轉成分所占比例越大。

2.滑轉率與附著系數的關系

驅動時車輪和路面之間的附著系數與滑轉率的關系和制動時相似，如圖3-1所示。開始時隨著車輪滑轉率的增大，縱向附著系數迅速增大，當滑轉率達到10%～30%之間時，縱向附著系數達到最大值，此時橫向附著系數也比較大。此后，隨著滑轉率的增大，縱向附著系數逐漸下降，當滑轉率達到100%時，在干瀝青路面上縱向附著系數比峰值縱向附著系數會下降約10%～20%，并且橫向附著系數幾乎下降為零。因此在完全滑轉的情況下，不僅會由于縱向附著系數比峰值時下降導致所能夠提供的地面驅動力減小，而且由于橫向附著系數接近于零導致汽車行駛穩定性和操縱性能的下降，對于后輪驅動的汽車會失去方向穩定性，對于前輪驅動的汽車會失去轉向控制能力。

圖3-1 縱向附著系數與滑移率和滑轉率的關系

防滑轉控制系統的基本控制原理是在車輪滑轉時，將滑轉率控制在最佳滑轉率（10%～30%）范圍內，從而獲得較大的附著系數，使路面能夠提供較大的附著力，車輪的驅動力能夠得到充分利用。車輛裝備ASR之后，當汽車在起步、加速或冰雪路面上行駛時，駕駛人無須特別小心地踩下加速踏板，ASR就能根據路面狀況調節驅動力，使驅動輪保持最佳的驅動力。在車上安裝ASR有如下優點：

1）提高了汽車的動力性。汽車在起步、行駛過程中可獲得最佳的驅動力，尤其是在附著系數較小的路面，汽車起步、加速及爬坡能力得到顯著改善。

2）提高了汽車的行駛穩定性和前輪驅動汽車的轉向控制能力。

3）減少了輪胎磨損，降低了發動機油耗。

四、ASR與ABS的異同

ASR和ABS都是通過控制車輪和路面的相對滑動，以保證輪胎與地面之間存在較大的縱向和橫向附著系數，因此兩系統密切相關，常采用相同的技術，結合在一起共享許多電子組件和共同的系統部件來控制車輪的運動狀態，構成車輛行駛安全系統。ASR與ABS具有許多共性，主要體現在：

①ABS與ASR系統均可以通過控制車輪的制動力矩來達到控制車輪滑動的目的。

②ABS與ASR系統均要求系統具有迅速的反應能力和足夠的控制精度。

③兩種系統均要求調節過程消耗盡可能小的能量。

④ASR與ABS一樣，具有自診斷功能。

同時，ASR與ABS也存在一些明顯的區別，主要體現在：

①ABS是防止制動時車輪抱死滑移，改善制動效能，確保制動安全；ASR則是防止驅動車輪原地滑轉，提高汽車起步、加速性能及在滑溜路面行駛的通過性和方向穩定性。

②ABS對所有車輪實施調節，ASR只對驅動輪加以調節控制。

③在ABS控制期間，離合器通常都處于分離狀態（指裝備手動變速器的汽車），發動機也處于怠速運轉，而在ASR控制期間，離合器則處于接合狀態，發動機的慣性會對ASR控制產生較大的影響。

④ABS控制起作用階段是在制動過程期間；而ASR控制階段是在汽車驅動期間（尤其是在起步、加速、轉彎等過程中）。

⑤ABS是在汽車制動時，車輪出現抱死的情況下起控制作用，在車速很低（小于8km/h）時不起作用；而ASR則是在整個行駛過程中都工作，在車輪出現滑轉時起作用，而當車速很高（80～120km/h）時不起作用。

⑥ABS工作時，傳動系振動較小，各車輪之間的相互影響不大，而ASR工作時，由于差速器的作用會使驅動車輪之間產生較大的相互影響，傳動系易產生較大振動。

⑦ABS只是一個反應時間近似一定的制動控制單環系統，而ASR卻是由反應時間不同的制動控制和發動機控制等組成的多環系統。