第三章 汽車驅(qū)動輪防滑轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)

第一節(jié) 驅(qū)動輪防滑轉(zhuǎn)控制的基本原理

一、概述

隨著汽車工業(yè)的發(fā)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(tǒng)的基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了驅(qū)動輪防滑轉(zhuǎn)系統(tǒng)，即ASR（TRC）系統(tǒng)，它的作用是當(dāng)汽車在易滑路面或左右附著力不同的復(fù)雜路面上起步或加速時(shí)，通過電腦自動調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和對各車輪適當(dāng)制動，減小車輪的滑轉(zhuǎn)，保證汽車能盡快起步、加速并保持行駛方向的穩(wěn)定，與ABS聯(lián)合使用，可大大提高汽車行駛的安全性。

汽車驅(qū)動輪防滑轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)通常稱為防滑轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)（ASR，Anti-Slip Regulation Sys-tem）。由于防止驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)都是通過調(diào)節(jié)驅(qū)動輪的驅(qū)動力（牽引力）來實(shí)現(xiàn)，因此又稱為牽引力控制系統(tǒng)，簡稱TCS或TRC（Traction Control System）。通常歐洲車多把加速防滑系統(tǒng)稱為ASR，如奔馳和奧迪。但在日本豐田公司生產(chǎn)的轎車上，加速防滑系統(tǒng)稱為TRC。在日本馬自達(dá)公司生產(chǎn)的轎車上，加速防滑系統(tǒng)則稱TCS。ASR是ABS功能的完善和補(bǔ)充，ASR可獨(dú)立設(shè)立，但大多數(shù)與ABS組合在一起，常用ABS/ASR表示，統(tǒng)稱為防滑控制系統(tǒng)。

眾所周知，汽車在起步、加速或冰雪路面上行駛時(shí)，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)動力是由輪胎與路面之間的附著系數(shù)和地面作用在驅(qū)動輪上的法向反力的乘積（即附著力）決定的。當(dāng)傳遞給車輪的驅(qū)動力超過附著力時(shí)，車輪就會發(fā)生打滑空轉(zhuǎn)（即滑轉(zhuǎn)）。

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

防止驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)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?shù)姆阑喬サ龋駷橹棺钣行У霓k法還是采用ASR。ASR的主要功用是：在車輪開始滑轉(zhuǎn)時(shí)，通過降低發(fā)動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩或控制制動系統(tǒng)的制動力來減小傳遞給驅(qū)動車輪的驅(qū)動力，防止驅(qū)動力超過輪胎與路面之間的附著力而導(dǎo)致驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)，提高車輛的通過性，改善汽車的方向操縱性和行駛穩(wěn)定性。

ASR與ABS密切相關(guān)，都是汽車行駛的主動安全系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)通常同時(shí)采用。ASR是維持附著條件，充分發(fā)揮驅(qū)動力的電子調(diào)節(jié)裝置。

二、驅(qū)動力F_t與附著力F_φ的關(guān)系

汽車行駛時(shí)，驅(qū)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(guī)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(qū)動力；

Fφ——附著力；

F_z——地面作用在驅(qū)動輪上的法向（垂直）反作用力；

φ——輪胎—道路附著系數(shù)，簡稱附著系數(shù)。

由此可見，當(dāng)發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，驅(qū)動力隨之增大。但是，驅(qū)動力的增大受到附著力的限制，驅(qū)動力的最大值只能等于輪胎與路面之間的附著力。當(dāng)驅(qū)動力超過附著力時(shí)，驅(qū)動輪將在路面上滑轉(zhuǎn)。我們經(jīng)常看到，當(dāng)駕駛?cè)讼胧蛊嚳焖倨鸩蕉昧Σ认录铀偬ぐ鍟r(shí)，盡管車輪快速轉(zhuǎn)動，但是汽車卻原地不動，其原因就是傳遞給車輪的驅(qū)動力超過了附著力。

三、滑轉(zhuǎn)率與附著系數(shù)的關(guān)系

1.滑轉(zhuǎn)率

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

式中 S_d——驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率；

v_ω——車輛速度（車輪瞬時(shí)圓周速度，v_w=r_ω），單位為m/s；

ω——車輪轉(zhuǎn)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(dāng)v_ω=v時(shí)，滑轉(zhuǎn)率S_d=0，車輪自由滾動。

當(dāng)v=0時(shí)，滑轉(zhuǎn)率S_d=100%，車輪完全處于滑轉(zhuǎn)狀態(tài)。

當(dāng)v_ω＞v時(shí)，滑轉(zhuǎn)率0＜S_d＜100%，車輪既滾動又滑動。車輪滑轉(zhuǎn)率越大，說明車輪驅(qū)動過程中滑轉(zhuǎn)成分所占比例越大。

2.滑轉(zhuǎn)率與附著系數(shù)的關(guān)系

驅(qū)動時(shí)車輪和路面之間的附著系數(shù)與滑轉(zhuǎn)率的關(guān)系和制動時(shí)相似，如圖3-1所示。開始時(shí)隨著車輪滑轉(zhuǎn)率的增大，縱向附著系數(shù)迅速增大，當(dāng)滑轉(zhuǎn)率達(dá)到10%～30%之間時(shí)，縱向附著系數(shù)達(dá)到最大值，此時(shí)橫向附著系數(shù)也比較大。此后，隨著滑轉(zhuǎn)率的增大，縱向附著系數(shù)逐漸下降，當(dāng)滑轉(zhuǎn)率達(dá)到100%時(shí)，在干瀝青路面上縱向附著系數(shù)比峰值縱向附著系數(shù)會下降約10%～20%，并且橫向附著系數(shù)幾乎下降為零。因此在完全滑轉(zhuǎn)的情況下，不僅會由于縱向附著系數(shù)比峰值時(shí)下降導(dǎo)致所能夠提供的地面驅(qū)動力減小，而且由于橫向附著系數(shù)接近于零導(dǎo)致汽車行駛穩(wěn)定性和操縱性能的下降，對于后輪驅(qū)動的汽車會失去方向穩(wěn)定性，對于前輪驅(qū)動的汽車會失去轉(zhuǎn)向控制能力。

圖3-1 縱向附著系數(shù)與滑移率和滑轉(zhuǎn)率的關(guān)系

防滑轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的基本控制原理是在車輪滑轉(zhuǎn)時(shí)，將滑轉(zhuǎn)率控制在最佳滑轉(zhuǎn)率（10%～30%）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。車輛裝備ASR之后，當(dāng)汽車在起步、加速或冰雪路面上行駛時(shí)，駕駛?cè)藷o須特別小心地踩下加速踏板，ASR就能根據(jù)路面狀況調(diào)節(jié)驅(qū)動力，使驅(qū)動輪保持最佳的驅(qū)動力。在車上安裝ASR有如下優(yōu)點(diǎn)：

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(qū)動力，尤其是在附著系數(shù)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(wěn)定性和前輪驅(qū)動汽車的轉(zhuǎn)向控制能力。

3）減少了輪胎磨損，降低了發(fā)動機(jī)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(shù)，因此兩系統(tǒng)密切相關(guān)，常采用相同的技術(shù)，結(jié)合在一起共享許多電子組件和共同的系統(tǒng)部件來控制車輪的運(yùn)動狀態(tài)，構(gòu)成車輛行駛安全系統(tǒng)。ASR與ABS具有許多共性，主要體現(xiàn)在：

①ABS與ASR系統(tǒng)均可以通過控制車輪的制動力矩來達(dá)到控制車輪滑動的目的。

②ABS與ASR系統(tǒng)均要求系統(tǒng)具有迅速的反應(yīng)能力和足夠的控制精度。

③兩種系統(tǒng)均要求調(diào)節(jié)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(shí)，ASR與ABS也存在一些明顯的區(qū)別，主要體現(xiàn)在：

①ABS是防止制動時(shí)車輪抱死滑移，改善制動效能，確保制動安全；ASR則是防止驅(qū)動車輪原地滑轉(zhuǎn)，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(wěn)定性。

②ABS對所有車輪實(shí)施調(diào)節(jié)，ASR只對驅(qū)動輪加以調(diào)節(jié)控制。

③在ABS控制期間，離合器通常都處于分離狀態(tài)（指裝備手動變速器的汽車），發(fā)動機(jī)也處于怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，而在ASR控制期間，離合器則處于接合狀態(tài)，發(fā)動機(jī)的慣性會對ASR控制產(chǎn)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(qū)動期間（尤其是在起步、加速、轉(zhuǎn)彎等過程中）。

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

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

⑦ABS只是一個(gè)反應(yīng)時(shí)間近似一定的制動控制單環(huán)系統(tǒng)，而ASR卻是由反應(yīng)時(shí)間不同的制動控制和發(fā)動機(jī)控制等組成的多環(huán)系統(tǒng)。