CN101380946A - 车辆弯道制动稳定性阶梯控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种车辆弯道制动稳定性阶梯控制系统，其依据车辆弯道制动时转弯半径、车速和道路附着情况在制动过程的不同时间点上，对车辆弯道制动时总制动力F_x及其在前、后轮上的分配通过制动力调节装置进行阶梯控制；所述总制动力F_x的上限和总侧向力F_y(等于车辆离心力)的合力构成车辆极限附着力，通过控制各轮滑移率控制总制动力F_x在其上限以内，使车辆附着力在其极限附着力以内；随制动过程中车速不断降低，离心力不断减小，按车辆总制动力上限随制动时间变化的规律，并不至使控制系统调控过于频繁，对车轮目标滑移率在不同时间点上分时间段进行调整，以保证制动过程中车辆附着力在其极限附着力以内，从而保证车辆弯道制动的稳定性。

Description

车辆弯道制动稳定性阶梯控制系统

技术领域

本发明涉及汽车弯道制动稳定性控制，在制动过程的不同时间点通过制动力在各车轮上的阶梯控制来实现汽车弯道制动稳定性控制。

背景技术

现行汽车防抱制动系统通过控制制动强度防止车轮抱死提高车辆的制动稳定性，包括弯道制动稳定性，但由于制动时车辆惯性力的作用使车辆前轮载荷增加，后轮载荷减小，从而使得后轮防抱制动效果大为降低，常常导致车辆弯道制动时出现甩尾现象，影响了车辆制动稳定性。

基于防抱制动系统的电子制动力分配系统，针对上述现象在制动控制算法上进行了改进，能根据车辆制动强度的大小合理分配前后轴制动力的大小，改善了车辆后轮防抱制动效果，提高了车辆制动稳定性。但电子制动力分配控制算法并未充分考虑车辆弯道制动时转弯程度(转弯半径)和车速等重要因素，从而也未能使车辆弯道制动性能达到最佳效果。

车辆电子稳定控制系统是主动车辆稳定控制系统，能根据车辆的行驶状况和驾驶者的意图使车辆尽可能地保持稳定行驶状态。但电子稳定控制系统组成和算法均较为复杂，成本较高。

根据上述各项技术的特点和不足，本发明针对车辆弯道制动的危险工况开发了车辆弯道制动稳定性阶梯控制系统。所述控制系统，依据车辆弯道制动时转弯半径、车速和道路附着情况在制动过程的不同时间点上，对车辆弯道制动时总制动力及其在前、后轮上的分配通过制动力调节装置进行阶梯控制，从而最大程度地保证车辆弯道制动稳定性。所述车辆弯道制动稳定性阶梯控制装置将直道制动视为弯道制动的特例，因此包含了直道制动电子制动力分配系统的功能，同时更主要地显著提高了车辆弯道制动性能，结构较车辆电子稳定控制系统简单，成本低。

发明内容

所述汽车弯道制动稳定性阶梯控制系统由轮速传感器、控制装置、制动力调节装置和制动器组成，如图1，控制装置接收轮速传感器信号，通过计算向制动力调节装置发出控制指令，制动力调节装置控制各车轮制动器的制动强度，从而达到控制目标。所述控制系统针对车辆转弯制动的危险工况，在制动过程的不同时间段，依据车辆弯道制动时转弯半径、车速和道路附着情况，阶梯控制车辆弯道制动时总制动力及其在前、后车轮上的分配，以保证车辆弯道制动稳定性。所述控制系统将直道制动视为弯道制动的特例，同样适用直道制动工况。

所述车辆总制动力即制动时各轮作用力在车辆纵向的合力，车辆总制动力与总侧向力的合力称为车辆总附着力，总侧向力为制动时各轮作用力在车辆横向的合力，车辆总制动力与总侧向力合力的上限称为车辆的极限附着力，其值依据车辆参数和道路附着情况决定；当车辆稳定转弯行驶时总侧向力应等于车辆离心力，车辆离心力依据车辆弯道制动时转弯半径、车速来确定。因此车辆总制动力的极限值由车辆极限附着力和车辆离心力来确定，由此根据滑移率和附着力的关系，可通过控制各轮滑移率来控制车辆总制动力在其上限以内，以保证制动过程中车辆总附着力在极限附着力以内，从而保证车辆制动的稳定性，当紧急制动时使车辆总制动力尽量接近其上限，以在保证车辆制动稳定性的同时达到最大制动效能。

所述阶梯控制即为在制动过程的不同时间段，通过阶梯控制各轮滑移率来控制车辆总制动力及其在前、后车轮上的分配。前述可知车辆总制动力上限与车辆转弯时的离心力有关，当离心力随制动过程中的车速不断降低而减小时，车辆总制动力上限将不断提高，因此车辆在转弯制动时在保证制动稳定性的同时可以不断增加制动力，以提高制动强度。通过制动过程的运动分析可以得出车辆总制动力上限随制动时间变化规律，因此可以按制动时间，通过阶梯控制车轮滑移率来控制车辆总制动力在其上限以内。由于连续调整车轮目标滑移率会使控制系统调控过于频繁，影响控制性能，因此，根据车辆总制动力上限随制动时间变化规律，对车轮目标滑移率分时间段进行调整，从而不至使控制系统调控过于频繁，也能使车辆总制动力基本符合其上限随时间变化的规律。

附图说明

在附图中：

图1汽车弯道制动稳定性阶梯控制装置结构示意图。图中1为轮速传感器，2为控制装置，3为制动力调节装置，4为制动器。

图2车辆弯道制动的简化模型。

图3制动过程中极限纵向附着系数曲线。

图4车辆弯道制动稳定性阶梯控制流程图。

具体实施方式

下面结合车辆转弯制动过程运动分析详细说明本发明。

首先将车辆简化为一个沿圆周运动的质点，质量为m，如图2所示。当车辆行至O点，此时设车辆处于稳态转弯行驶过程中，车辆的地面侧向力和离心力达到平衡，如果此时开始制动，由于产生了沿切向的制动力F_x。这时一方面车速会不断降低，另一方面由于路面条件所限有可能使侧向力F_y有所下降，这样将可能使车辆丧失侧向稳定性。要保持车辆弯道行驶制动前后的稳定性，在无需转向干预的情况下，可以通过控制制动力F_x来实现。在地面附着极限以内，车辆离心力和侧向力总是平衡的，将此种制动工况称之为稳态制动工况。在车辆接近地面附着极限的转弯状态下进行制动，此时就需要对制动力进行控制，否则，由于侧向力不足车辆将发生侧滑，将此种制动工况称之为极限制动工况。

极限制动工况下要保持车辆的平衡需要满足式(1)的力学关系。该式表明极限制动工况下，制动力F_x受限于侧向力F_y，要保持车辆稳定，制动力F_x需要根据侧向力F_y来调节。

制动力F_x与侧向力F_y可近似表达成如下关系：

式中，为路面峰值附着系数。式(1)给出了不发生侧滑时整车纵向极限制动力和侧向力的关系，在制动过程中若按此关系来分配车轮的纵向制动力和侧向力，就能保证车辆在弯道制动不发生侧滑时制动效能达到最大。

侧向力F_y由车辆圆周运动的关系式可得：

${\mathrm{\ω}}_z={\mathrm{\ω}}_{z0}-{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{z}t$

$\sqrt{\mathrm{mR}{{\mathrm{\ω}}_z}^2}=\sqrt{\mathrm{mR}{{\mathrm{\ω}}_{z0}}^2}-{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{z}t\sqrt{\mathrm{mR}}$

$F_y={(\sqrt{F_{y0}}-{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{z}t\sqrt{\mathrm{mR}})}^2---\left(2\right)$

式中，ω₂、ω_z0为车辆横摆角速度和横摆初角速度，rad/s；

为横摆角加速度，rad/s²；R为转弯半径，m，F_y0为初始侧向力，N。

制动力F_x：

式中，

为整车等效纵向附着系数。

根据式(1)、(2)、(3)，可求得制动时间与整车纵向附着系数的关系：

式中，g为重力加速度，m/s²。此式反映了对于一定附着条件的路面，最大附着系数为时，在满足转向所需侧向力的情况下，整车纵向附着系数和时间的关系。根据当车轮滑移率在最佳滑移率以内时车轮滑移率与附着系数大致成线性关系的原理，通过在制动过程的不同时间段控制车轮滑移率，从而控制整车纵向附着系数，达到控制总制动力以保证满足转向所需侧向力的目的，保证了制动稳定性。整车纵向附着系数和时间的关系随着路面附着条件的不同或制动过程中路面附着条件的变化而变化。

设s为车轮实际滑移率，s₀为车轮最佳滑移率，根据当车轮滑移率在最佳滑移率以内时车轮滑移率与附着系数大致成线性关系的原理，前、后轮的纵向附着系数

与前、后轮的纵向滑移率s_f，r的关系：

根据车辆两轮简化模型的纵向制动运动方程，可得整车纵向附着系数

与前、后轮纵向附着系数的关系，进而利用式(5)得到与前、后轮纵向滑移率的关系：

式中，a为车辆质心到前轴的距离，m；b为车辆质心到后轴的距离，m；L为轴距，m；h为车辆质心高度，m。式(6)表明，根据式(4)获得制动过程不同时间段的整车纵向附着系数

当给出后轮滑移率s_r时，即可获得前轮滑移率s_f，据此实现总制动力在前、后轮上的分配控制。前述可知，通常通过低后轮滑移率控制来改善车辆制动的稳定性，因此，在保持整车纵向制动力和侧向力关系的同时控制后轮滑移率s_r适当低于前轮滑移率s_f，其分配比例通过与实际车型相匹配来确定，能获得更好的弯道制动性能。

以具体实例进一步说明所述总制动力在前、后轮上的分配律。图3中实线为车辆制动初速度为v₀＝55km/h，内侧前轮转向角为δ₁＝7.2°，路面最大附着系数为0.8时，满足转向所需侧向力的情况下，整车最大纵向附着系数的变化趋势。

按后轮低滑移率控制原则，给出式(7)在不同前、后轮滑移率控制下的整车纵向附着系数，根据纵向附着系数求出对应的施行该前、后轮滑移率控制的制动时间点，见图2中的圆点标记。为使纵向附着系数更接近图中制动曲线，设t1为制动时间点1，2的时间均值，在制动的0～t₁时间段内采用制动时间点1的前、后轮滑移率控制方法；t₂为制动时间点2，3的时间均值，在制动的t₁～t₂时间段内采用制动时间点2的前、后轮滑移率控制方法；t₃＝2t₂-t₁，在制动的t₂～t₃时间段内采用制动时间点3的前、后轮滑移率控制方法；在制动时间t₃以后采用制动时间点4的前、后轮滑移率控制方法。

式中，前、后轮滑移率控制值的分配应根据实际应用中的车辆具体情况进行调整。

电子制动力分配控制只是控制后轮制动力，弯道制动阶梯控制则是同时控制前、后轮制动力，以满足弯道制动的侧向稳定性条件。因此，弯道制动阶梯控制进一步提高了车辆弯道制动性能。

根据前述控制律，所述车辆弯道制动稳定性阶梯控制流程图，如图4。由于传感器特性，一般车轮转速较低时轮速信号准确性难以保证，因此当车速低于一定门限值时即退出控制，该门限值依据传感器类型而定。此外，当车速较低时一般常规制动已能满足制动稳定性要求。

Claims (3)

1、一种车辆弯道制动稳定性阶梯控制系统，其依据车辆弯道制动时转弯半径、车速和道路附着情况在制动过程的不同时间点上，对车辆弯道制动时总制动力及其在前、后轮上的分配通过制动力调节装置进行阶梯控制。

2、根据权利要求1所述车辆弯道制动稳定性阶梯控制系统，其特征在于所述总制动力的上限和总侧向力(等于车辆离心力)的合力构成车辆极限附着力，通过控制各车轮滑移率控制总制动力在其上限以内，使车辆附着力在其极限附着力以内。

3、根据权利要求1所述车辆弯道制动稳定性阶梯控制系统，其特征在于随制动过程中车速不断降低，离心力不断减小，按车辆总制动力上限随制动时间变化的规律，并且不至使控制系统调控过于频繁，对车轮目标滑移率在不同时间点上分时间段进行调整，以保证制动过程中车辆附着力在其极限附着力以内。

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