1.车辆动力传动系统
1.1传统动力传动系统
传统动力传动系统的组成及其在汽车上的布置形式,取决于发动机的形式和性能、汽车总体结构形式、汽车行驶系统等许多因素。为满足不同的汽车使用要求,根据发动机的摆放位置和驱动轮的不同可以将传统动力传动系统布置形式分为以下几类:
- FR(Front engine, Rear drive,发动机前置后轮驱动)
- FF(Front engine, Front drive,发动机前置前轮驱动)
- RR(Rear engine, Rear drive,发动机前置后轮驱动)
- MR(Middle engine, Rear drive,发动机中置后轮驱动)
- 4WD(4 Wheel Drive,四轮驱动)
1.1.1离合器
离合器是汽车传动系统中直接与发动机连接的部件,功能有:
- 保证汽车平稳起步。
- 保证传动系统换挡时工作平顺。
- 限制传动系统所承受的最大转矩,防止
1.1.2变速器
由于传统汽车采用内燃机作为动力源,转矩和转速变化较小,且内燃机无法反向旋转,不能满足复杂工况的使用需求,因此在传动系统中设置了变速器。功能有:
- 改变传动比,扩大驱动轮转矩和转速的变化范围,以适应经常变化的形式条件。
- 实现汽车倒车行驶。
- 使用空挡中断动力传输,使发动机能启动、怠速,并便于变速器换挡或进行动力输出。
1.1.3驱动桥
驱动桥位于汽车传动系统的末端,功能有:
- 将转矩传到驱动轮,并降低转速、增大转矩。
- 改变转矩传递方向。
- 通过差速作用,保证内外侧车轮以不同转速转向。
1.2纯电动传动系统
纯电动汽车是指以蓄电池或燃料电池为动力,用电动机驱动的汽车,有以下特点:
- 无污染,噪声低。
- 能源效率高。
- 结构简单,使用维护方便。
纯电动汽车由电力驱动系统、电源系统和辅助系统等三部分组成。其驱动和传动布置大致可以分为电动机中央驱动和电动轮驱动两种,如下图所示:
1.3混动传动系统
混合动力汽车是指装有内燃机与电动机两种动力的汽车,它综合了传统内燃机汽车和纯电动汽车的优点,具有行驶里程长,燃油消耗和排放降低等优点。
主要分为串联型、并联型和串-并联型三种。
2.车辆悬挂系统
悬架是车架与车桥之间的一切传力连接装置的总称。其可以把路面作用于车轮上的反力所造成的力矩传递到车架上,可吸收和缓和路面不平所造成的振动和冲击,以保证汽车的正常行驶,提高舒适性和安全性。
2.1悬架的类型
汽车悬架可以分为非独立悬架和独立悬架两大类,结构如下所示。
2.1.1非独立悬架
非独立悬架一侧车轮跳动时,另一侧也会跳动
2.1.2独立悬架
独立悬架的一侧跳动时,另一侧能独立上下运动而无相互影响。
- 弹性组件的变形在一定的范围内,两侧车轮可以单独运动而不影响,这样可减少车架和车身在不平道路上行驶时的震动,而且有助于消除转向轮不断偏摆的现象。
- 减少了汽车上非簧载质量(即不用弹簧支撑的质量),悬架所受的冲击载荷较小,因此采用独立悬架可以提高汽车的平均行驶速度。
- 发动机总成的位置可降低和前移,使汽车重心下降,提高汽车行驶的稳定性。
- 可保证汽车在不平道路上行驶时,车轮和路面有良好的接触,增大了驱动力。
2.1.3电控悬架
传统悬架系统的刚度和阻尼等性能无法在汽车行驶过程中调节。如果我们想要悬架系统的刚度和阻尼特性可根据汽车的行驶条件自适应调节,并使悬架系统始终处于最佳减振状态,则可以采用电控悬架。
电控悬架系统能够根据车身高度、车速、转向角度及速率、制动等信号,由电子控制单元(ECU)控制悬架执行机构,使悬架系统的刚度、减振器的阻尼力及车身高度等参数得以改变,从而使汽车具有良好的乘坐舒适性、操纵稳定性以及通过性。
电控悬架系统的最大优点就是它能使悬架随不同的路况和行驶状态做出不同的反应。
电控悬架由4部分组成:
- 执行机构:作用是执行控制系统的指令,一般为力发生器或转矩发生器(液压缸、 气缸、伺服电动机、电磁阀等)。
- 检测系统:作用是检测系统的各种状态,为控制系统提供依据,包括各种传感器,车身加速度传感器、车身高度传感器、车速传感器、转向盘转角传感器、节气门位置传感器等。它们将检测出汽车行驶的速度、启动、加速度、转向、制动和路面状况、汽车振动状况、车身高度等信号,并输送给电子控制模块。
- 控制系统:作用是处理数据和发出各种控制指令,其核心部件是电子控制器。
- 能源系统:作用是为以上各部分提供能量。
3.车辆转向系统
3.1转向系统的类型
-
机械转向系统
机械转向系统是以人的体力作为转向能源的转向系统。 -
动力转向系统
兼用驾驶员体力和发动机或电动机的动力为转向能源的转向系统叫动力转向系统。
3.2转向器
- 齿轮齿条式转向器
- 循环球式转向器
- 蜗杆曲柄指销式转向器
3.3转向助力
目前汽车为了避免驾驶员转向施力不足,减轻驾驶疲劳,目前汽车广泛采用了转向助力装置。
根据转向助力方式不同,大致分为液压助力转向,气压助力转向和电助力转向。
- 液压助力转向系统
将发动机输出的部分机械能转化为液压能或气压能,并在驾驶员控制下帮助驾驶员转向,成为液压或气压助力转向。 - 电动助力转向系统
电动助力转向直接依靠电动机提供辅助转矩,可以根据不同的使用工况控制电动机提供不同的辅助动力。它主要包括转矩传感器、车速传感器、电子控制单元、电动机、离合器、减速机构、机械转向器等,工作示意图如下所示:
3.4前沿技术
- 电控液压助力转向系统(Electrical Controlled Hydraulic Power Steering. ECHPS)
- 电动液压助力转向系统(Electronic Hydraulic Power Steering, EHPS)
- 前轮主动转向系统(Active Front Stcering,AFS)
- 线控转向(Steer By Wire,SBW)系统
4.车辆制动系统
使行驶中的汽车减速甚至停车,使下坡行驶的汽车速度保持稳定,以及使以停驶的汽车保持不动,这些作用统称为汽车制动。而对汽车进行制动的外力称制动力,相应的一系列专门装置称为制动系统。
制动系统由制动器和制动驱动机构组成。制动器是指产生阻碍车辆运动或运动趋势的制动力的部件,其中也包括辅助制动系统中的缓速装置。制动驱动机构包括供能装置、控制 装置、传动装置、制动力调节装置以及报警装置、压力保护装置等附加装置。
- 制动系统按功用分为4类:
- 行车制动系统:使行驶中的汽车降低速度甚至停车的一套专门装置
- 驻车制动系统:使已停驶的汽车驻留原地不动的一套装置
- 第二制动系统:在行车制动系统失效的隋况下,保证汽车仍能实现减速或停车的 装置
- 辅助制动系统:在汽车下长坡时用以稳定车速的一套装置
- 制动系统按制动能源可分为以下3类:
- 人力制动系统:以驾驶员的肌体作为唯一制动能源的制动系统。
- 动力制动系统:完全靠由发动机的动力转化而成的气压或液压形式的势能进行制 动的制动系统。
- 伺服制动系统:兼用人力和发动机动力进行制动的制动系统
- 制动系统按气压或液压回路还可分为以下两类:
- 单回路制动系统:传动装置采用单一的气压或液压回路。只要有一处损坏而漏气(油),整个系统即行失效
- 双回路制动系统:行车制动器的气压或液压管路分属于两个彼此隔绝的回路。即使其中一个回路失效,还能利用另一回路获得一定的制动力。
4.1制动器
制动器是制动系统中用以产生阻碍车辆运动或运动趋势的制动力的部件。
- 鼓式制动器
- 盘式制动器
4.2制动动力系统
制动助力系统可帮助驾驶员提供制动力,按助力能源可分为伺服制动系统和动力制动系统。
- 伺服制动系统
伺服制动系统是人力液压制动系统的基础上加设一套动力伺服系统形成的,即是兼用人力和发动机作为制动能源的制动系统。 - 动力制动系统
- 气压制动系统
- 气顶液制动系统
- 全液压动力制动系统
4.3制动力调节系统
制动力越大越有利于汽车减速。但当制动力超过附着力时,车轮就将停止转动,在地面上做纯滑移运动,这种清况称为“抱死”。如前轮抱死时,会使汽车失去方向操纵性,无法转向;如后轮抱死而前轮滚动时,会使汽车失去方向稳定睦,丧失了对侧向力的抵抗能力而侧滑。因此有必要调节制动力,避免前轮或后轮单独抱死滑移,以获得良好的制动稳定性;且让前后制动轮的制动力都接近最大值,以获得最大的制动效能。具有代表性的制动力调节系统。
- ABS(Antilock Brake System,制动防抱死系统)
接近抱死极限,摩擦片出现高频振动和噪声,还会出现刹车踏板弹脚。 - EBD(Electronic Brake force Distribution,电控制动力分配系统)
EBD是ABS的辅助功能,是在ABS的控制计算机里加了一个控制软件,机械系统和ABS完全一致。 - ASR(Acceleration Slip Regulation,汽车驱动防滑系统)
ASR是ABS的补充,作用是防止汽车加速过程中打滑,特别防止汽车在非对称、摩擦力较小的路面或在转弯时驱动轮的空转。 - ESP(Electronic Stability Program,车身电子稳定系统)
ESP是由ABS、ASR、EBD功能的综述与延伸。ESP可以使车辆在各种情况下保持最佳的稳定性。
5.汽车线控系统技术
汽车线控技术就是将驾驶员的操纵动作经过传感器转变为电信号,通过电缆直接传输到执行机构的一种系统。
目前,汽车的线控技术主要有线控转向系统、线控油门系统、线控制动系统、线控悬架系统、线控换挡系统以及线控增压系统等,通过分布在汽车各处的传感器实时获取驾驶员的操作意图和汽车行驶过程中的各种参数信息,传递给控制器,控制器将这些信息进行分析和处理,得到合适的控制参数传递给各个执行机构,从而实现对汽车的控制,提高车辆的转向性、动力性、制动性和平顺性。
- 线控系统相对于传统的机械控制相比优点:
- 汽车更加轻便,降低消耗,减少噪声和振动
- 节省空间,提高舒适性
- 控制精确
- 操作便捷
- 控制策略丰富
- 生产制造简单
- 安全性提高
- 系统工作效率提高
5.1汽车线控关键技术
- 传感器技术
- 容错控制技术
- 汽车行驶状态和参数的估计
- 汽车网络技术 CAN->TTCAN
- 汽车电源技术
5.2典型线控系统
-
线控转向
-
线控油门
-
线控刹车
6.CAN总线技术
1986年德国电器商博世公司开发出面向汽车的CAN通信协议。目前,CAN总线已经成为汽车商最为重要的现场总线之一。汽车总线系统的研究可以分为3个阶段:
- 研究汽车的基本控制系统(舒适总线)如照明、电动车窗等
- 研究汽车的主要控制系统(动力主线)如电喷ECU控制系统、ABS系统等
- 研究汽车各电子控制系统之间的综合、实时控制和信息反馈。
在汽车上主要采用两种CAN总线: - 用于驱动系统的高速CAN[CAN-High,动力主线](500kb/s~1000kb/s)
- 用于车身系统低速CAN[CAN-Low,舒适总线](100kb/s)
CAN总线的优点:
- 实时性强、传输距离远、抗电磁干扰能力强、成本低。
- 采用双线串行通信方式,降低故障率,检错能力强。
- 多个模块通过CAN控制器挂到CAN总线上,形成多主机局部网络,通信方式灵活。
- CAN网络上的节点可分成不同优先级,满足不同的实时要求,提高信息传输效率。
6.1工作原理
6.1.1CAN总线的逻辑电平
CAN总线由两条数据线组成,为了减少回波反射,CAN总线的两端都有一个120Ω的电阻,如下图所示:
CAN的逻辑电平如下图所示,CAN总线为(逻辑1)时,CAN_H和CAN_L的电平都为2.5V(电位差为0V);CAN总线为(逻辑0)时,CAN_H和CAN_L电平分别为3.5V和1.5V(电位差为2.0V)。两条信号线电平是“与”的关系,同时传送(逻辑1)和(逻辑0)时,总线呈(逻辑0)状态;同时传送(逻辑1)时,总线程(逻辑1)状态。
6.1.2CAN协议
CAN协议由5中帧组成,分别是数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧间隔。用途如下所示:
数据帧根据其标识符(ID)位数的不同分为标准帧和扩展帧,其中标准帧的ID是11位,扩展帧的ID是29位,标准帧和扩展帧的结构组成如下图所示,其中D表示(逻辑0),R表示(逻辑1),D/R表示既可以是(逻辑0)又可以是(逻辑1)。
数据帧一般有7段,分别是帧起始段、仲裁段、控制段、数据段、CRC段、ACK段以及帧结束段。其中帧起始段是表示数据帧开始的段,标准帧和扩展帧都是以1位(逻辑0)表示帧的开始。仲裁段是表示数据优先级的段,标准帧的仲裁段由11位ID和RTR位组成,扩展帧由29位ID和RTR,SRR、IDE位组成。其中RTR位用于标识是否远程帧(0为数据帧,1为远程帧),SRR位为代替远程请求位,代替了标准帧的RTR位,IDE为标识符选择位(0为使用标准标识符,1为使用扩展标识符)。控制段有6个数据位组成,在标准帧中,由IDE、rO和DLC组成,在扩展帧中,由rO、r1和DLC组成。r0和r1是以(逻辑0)的保留位,DLC段表示数据的长度。标准帧和扩展帧的数据段,CRC段、ACK段以及帧结束段的结构是完全相同的,数据段是由8字节组成,传感器中的数据便存储在数据段中。CRC段用于检查帧传输错误,由15位CRC顺序和1位CRC界定符组成。ACK段用于确认是否正常接收,由ACK槽和ACK界定符组成。帧结束段是由7个(逻辑1)组成。
6.1.3CAN的位时序
CAN总线通信协议的每一帧可以看作一连串的电平信号,每一个电平信号代表一位, 一帧中包含了很多位,由发送单元在非同步的情况下发送的每秒钟的位数称为位速率。一位又分为4段,同步段(SS)、传播时间段(PTS)、相位缓冲段1(PBS1)、相位缓冲段2(PBS2)。
6.1.4数据的发送和接收
CAN总线上的节点向总线发送数据时,都是以报文的形式发送到总线上的每一个节点,对于总线上的每一个节点,无论数据是否发给自己,都会对数据进行接收。具体来说,当某个节点向另一个节点发送数据时,首先该节点把数据和自己的标识符传送给自己的CAN芯片,当节点收到总线分配后,转为发送报文状态,CAN芯片将节点的数据组织成报文的格式发出,其他节点处于接收状态。每个处于接收状态的节点对接收到的报文进行检测,判断报文是否是发给自己的,以确定是否有效处理。
由于CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息而不分主次,因此可在各节点之间实现自由通信。当总线上挂载很多节点时,总线上信息就会增多,多个单元同时开始发送时,各发送单元从仲裁段的第一位开始进行仲裁。连续输出低电平最多的单元可继续发送。具有相同ID的数据帧和远程帧在总线上竞争时,仲裁段的最后一位(RTR)为低电平的数据帧具有优先权,可继续发送。
6.2工作特点
- 多主竞争式的总线结构。
- 取消了单元的地址信息。
- 独特的逐位冲突仲裁原则。
- 自我诊断功能。
Reference
摘自:自动驾驶技术系列丛书-自动驾驶技术概论-第二章(汽车构造基础)