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汽车主动安全技术

文档作者：胡爱军王朝晖文档来源：河南理工大学机械与动力工程学院洛阳拖拉机研究所有限公司		点击数：	更新时间： 2021年05月10日
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第7期
2010年7月
机械设计与制造
Machinery Design &amp;amp; Manufacture 97
文章编号：1001—3997(2010)07—0097—03
汽车主动安全技术 术
胡爱军 王朝晖
( 河南理工大学机械与动力工程学院，焦作454000)( 洛阳拖拉机研究所有限公司，洛阳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)
L ⋯ ⋯ _t ⋯ ⋯ m ⋯ ⋯ m 一．‘ ⋯ 一m ⋯ 一⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 一～ ' ’
5 【摘 要】提高汽车的主动安全性是汽车技术发展的主题之一，介绍了ABS、ASR、ESP、EPS、AFS、
；SBW、汽车主动避撞系统、TPMS等几种主动安全技术，分别介绍了其结构及工作原理，指出未来的汽车安
!全技术将向着集成化、智能化、系统化方向发展。 !
； 关键词：汽车；主动安全；设计 ；
； 【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 !
一】h ⋯ ⋯ 一0⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 一～ 0⋯ 一一⋯ ⋯ 一⋯ 】H ⋯ ⋯ ⋯ ～ 一l 一
中图分类号：TH16，U461．91 文献标识码：A
1日Ij吾
汽车安A．1生包括主动安全性和被动安全性两大类。汽车主动
安全是指事故发生前的安全，即实现事故预防和事故同避，防止
事故发生。主动安伞 陛是指通过事先预防，避免或减少事故发生
的能力。被动安全眭足指汽车在发牛意外事故时对乘员进行有效
保护的能力。汽车的主动安全性凶其防患于未然，所以越来越受
到汽车，一商和消费者的重视，越来越多的先进技术也被应用到汽
车主动安全装置上。
2制动系统
2．1 ABS系统
ABS是防抱死系统(Antilock Braking System)的简称，它是一
种具有防滑、防锁死等优点的汽车安全控制系统。在制动过程中，
车轮抱死滑移的根本原因是制动器制动力大于轮胎一道路符着
力，当汽车车轮的滑移率在(10～20)％时，轮胎与路面问有最大的
附着系数，因此为r取得最佳的制动效果，要控制滑移率在(10～
2O)％范围内。ABS是在普通制动系统的基础上加装车轮速度传
感器、ABS电控单元、制动压力调节装置及制动电路等组成，其结
构如图1所示。
其工作原理为：汽车制动时，根据ABS电控单元的控制指令，
自动调节制动轮缸的制动压力的大小，使车轮不抱死，并处于理想
滑移率的状态。其工作过程分为四个阶段n1：(1)常规制动过程：当驾
驶员踩下制动踏板时，制动主缸产生的油压通过管路，进入制动轮
缸，从而使车轮制动器产生制动力；(2)保压制动过程：随着制动压
力升高和车轮转速下降到一定程度，车轮开始出现部分滑移现象
时，ABS电控单元向制动压力调节装置发出指令，关闭制动主缸与
制动轮缸的通道，使制动轮缸的油压保持不变，即处于一个稳定的
油压状态下；(3)降压制动过程：当制动油压保持不变而车轮转速继
续下降，车轮滑移率超过(10-20)％时，ABS电控单元将向制动压力
调节装置输出控制信号，打斤制动轮缸与储能器的通道，制动轮缸
内的高压油流人储能器，制动油压下降，车轮转速由下降逐渐变为
上升；(4)增压制动过程：当车轮转速上升，滑移率下降到低于(10～
20)％时，ABS电控单元向制动压力调节装置发出指令，使制动主缸
和制动轮缸油路接通，高压油进入制动轮缸，制动油压增加，车轮转
速又开始下降。如此交替进行控制，使车轮的滑移率始终被控制在
(10-20)％左右，从而使汽车的制动性能达到最佳状态。
1． 2
lU l 9 7 6
图1 ABS系统的组成
1．前轮速度传感器2．制动压力调节装置3．ABS电控单元
4．ABS警示灯5．后轮速度传感器6．停车灯开关7．制动主缸
8．比例分配阀9．制动轮缸1O．蓄电池1 1．点火开关
2-2 ASR系统
ASR是驱动防滑转系统(Acceleralion Slip Regulation)的简
称，由于防止驱动轮滑转是通过调节驱动轮的驱动力来实现的，
因此也称为牵引力控制系统(Traction Control System)，简称TCS。
汽车在起步、加速或冰雪路面上行驶时，容易出现打滑现象，这是
因为汽车发动机传递给车轮的最大驱动力是由符着力决定的，当
★来稿日期：2009—09—15 ★基金项目：河南省教育厅自然科学研究计划项目(2010B210009)
98 胡爱军等：汽车主动安全技术 第7期
传递给车轮的驱动力超过符着力时，车轮就会发生滑转。滑转率
越大，车轮滑转程度也就越大。在各种路面上，附着系数均随滑转
率的变化而变化，且在各种路面上当滑转率为20％左右时，附着
系数达到最大值。ASR系统的基本控制原理口 ：住车轮滑转时，
将滑转率控制在最佳滑转率范围内，从而获得较大的附着系数，
使路面能够提供较大的附着力，车轮的驱动力能够得到充分利
用。ASR系统是在ABS的基础上发展起来的，它卜j ABS共片J轮
速传感器、液压驱动元件等，并扩展r电控单元ECU功能，s~Di：i
。T ASR制动执行器、节气门执行器、ASR [作指示灯及ASR诊
断系统等，基本组成如图2所示。
图2典型ASR系统示意图
2．3 ESP系统
ESP是汽车电子稳定程序(Electronic Stability Program)的简
称，它是在ABS系统、ASR系统的基础上发展起米的，并s~Di：i了方
向盘转角传感器、纵向加速度传感器、横向加速度传感器、横摆角
速度传感器等组成，是对ABS和ASR功能的继承与进一步扩展。
ESP是通过调节车轮纵向力大小及匹配来控制汽下的横摆
运动，使汽车具有良好的操纵性和方向稳定I生。其基本原理是：通
过传感器和控制算法来识别驾驶员对汽车的期望运动状态，同时
测量和估算出汽车的实际运动状态。ESP的 I：作特点 ：(1)实时监
控：ESP能够实时监控驾驶员的操控动作、汽车运动状态，并不断
向发动机和制动系统发出指令；(．2)主动十预：ESP系统可以通过
制动压力干预或发动机输出转矩的调节，来改变汽车的运动，修
正汽车的过度转向和不足转向，如图3、图4所 。(3)事先提醒：
当驾驶着操作不当或路面异常时，ESP会用警告灯警示驾驶者。
(a)无ESP (b)有ESP
图3过度转向情况
3转向系统
3．1 EPS系统
(a)无ESP (b)有ESP
图4不足转向情况
EPS系统是电动助力转向系统(Electric Power Steering)的简
称，EPS系统是在机械式转向系统的基础上，刚电池作能源，电动
机为动力装置，直接依靠电动机提供辅助转矩的动力转向系统，
其结构如图5所示。
5 EPS系统结构
EPS系统由转矩传感器、车速传感器、电控单元、助力电机、
减速机构等几部分组成，其工作原理H1是：方向盘转动时，转矩传
感器检测方向盘转矩的大小和方向，并产生一个转矩信号；同时，
车速传感器也产牛一个车速电信号，电控单元根据车速信号和车
速信号并通过一定的控制算法决定助力电机的旋转方向和助力
电流的大小，从而完成实时控制助力转向。EPS能在各种行驶工
况下提供合适的助力，减小路面不平所引起的对转向系统的冲
击，改善汽车的转向特性，车速低时，提供较大的助力减轻汽车低
速行驶时的转向操纵力，车速高时，提供较小的助力提高汽车高
速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的安全性。EPS系统除了
具有基本助力控制，还有阻尼控制和回正控制。
3．2 AFS系统
在传统的转向系统中，转向传动比是固定的，在低速时，驾驶
员要花很大的力气转动转向盘，转向不灵敏；高速时，转向灵敏性
会增加，但是稳定性和安全性随之下降；这就构成了无法避免的
矛盾。德国两家公司联合开发的主动前轮转向系统(Active Front
Steering，简称AFS)~好的解决了上述矛盾。
AFS系统本质是一套可变传动比的转向系统，它保留了传统
转向系统的机械构件，其最大特点就是在方向盘和齿轮齿条转向
机之间的转向柱上集成J，一套双行星齿轮机构，如图6所示。AFS
系统能在驾驶员通过方向盘施加给前轮的转向角的基础上，通过
双行星齿轮机构给前轮叠加一个额外的转向角151。低速时，电动机
马Ⅸ动的行星架转动方向与方向盘转动方向相同，叠加后增加了实
际的转向角度，可以减少转向力的需求，提高了汽车的转向灵敏
性；高速时，电动机驱动的行星架转动方向与方向盘转动方向相
反，叠加后减少了实际的转向角度，汽车的转向变得更为间接，提
高了汽车的稳定性和安全 。
一 图6主动转向系统双行星齿轮机构
主动转向系统最大的特点，就是根据汽车行驶速度，自动调
节汽车转向传动比。汽车低速行驶时，减小转向传动比，使转向更
加直接、快速、舒适；汽车高速行驶时，增大转向传动比，提高汽车
的稳定性。
No．7
Ju1．2010 机械设计与制造
3．3 SBW 系统
线摔转向(Steer-by—Wire System，SBW)足更新的汽车电子转
向系统，也具有变传动比的功能，它与AFS系统的 别足：SBW
系统取消了方I L】甜与转向轮之间的机械连接，具有更多的优点，
将足转向系统未来的发展方向。线控转向系统主要由 个模块组
成：方向衙总成、控制器(ECU)和前轮转向机构总成，其结构 ，如
图7所爪。
力‘向盘总成
图7线控转向系统结卡勾
1．路感电机2．方向盘转角传感器3齿条位移传感器
4．齿轮齿条转向器5．转向电机6．ECU
驾驶员转动转向盘时，ECU根据方向鼎转角传感器、下速传
感器的信号，依据前轮转角确定参考前轮转角，向转向电机发出
控制信号，利用安装在转向机构f 的位移传感器信号对转向电机
进行位置控制，以实现该参考前轮转角，使汽车沿着驾驶员所期
单的轨迹行驶=旧时，ECU根据路感控制策略得到参考方向盘同
正力矩，通过埘路感电机进行电流控制，提供期望的 向枯【口J正
力矩，获得模拟路感。
4汽车主动避撞系统
汽车主动避撞技术利用现代信息技术、传感技术来扩展驾驶
员的感知能力，将外界信息(如车速、障碍物距离)传递给驾驶员，
同时根据路况、车况等综合信息辨识是否构成安全隐患，并在紧
急情况下，该系统能自动T涉驾驶操纵、辅助驾驶员进行应急处
理，使汽车能主动避开危险，防止汽乍相撞事故的发生，保证 辆
安伞行驶r7I。在主动避撞系统中，涉及到多种传感器技术，如雷达、
激光雷达、摄像机等，其f：作原押，如图8所示。
扫描式激光雷达 ：一[圈
一 圈
图8主动避撞系统工作原理
汽车主动避撞系统由环境识别子系统、状态判断子系统、汽
车控制执行子系统等组成。存汽年正常行驶时，环境识别子系统
断感知年辆状态及外界环境信息，并将这 信息传递给状态判
断子系统，控制器综合多种信息，依据安全状态判断逻辑对乍辆
安全状念进行判断；判断为安全状态时，系统无任何动作，不干扰
驾驶员的正常驾驶；判断为危险状态时，系统会首先自动关闭油
门，此时，若驾驶员尚未采取相应的动作，则系统将自动控制车辆
制动和转向，并调用 它相关控制系统，使车辆远离危险的同时
保证自车的安全，一旦车辆凹到安全的行驶状态或驾驶员采取了
控制动作，系统对车辆的挎制将自动解除，同到il 常行驶状态；当
系统判断为危险无法避让时，除采取远离和减少危险的控制外，
还将根据危险程度的大小，选择合适的被动安伞控制策略。
5汽车轮胎胎压监测系统
汽车高速行驶时，轮胎故障足突发 交通事故发牛的苇要原
1人l，而轮胎气压不足或渗漏是造成轮胎故障的重要原 。保持标
准的轮胎气压和及时发现轮胎漏气是防止轮胎事故的关键，于是
轮胎胎压监测系统TPMS(Tire Pressure Monitm-ing System) 始得
到丌发与使用。目前，TPMS主要分为两种类型81：(1) 于车轮转
速的TPMS，也叫『口J接式TPMS；(2)基于压，，J传感器的TPMS，也
叫直接式的TPMS。
6夜视辅助系统
夜间行车时，巾丁午灯照明范围的限制，驾驶员很H丁能没有
发现路边或者前面较远处的行人或其它障物，从昕导致交通事
故。国外}昆合动力车配备的Night View仗视系统，能将道路前方
的信息显示在仪表板的显尔屏上，不仅【I『以识别夜间道路上的车
辆情况，还增加r行人检测功能，能更大限度的避免交通事故的
发生。日前比较成熟的夜视辅助系统是奔驰$500配备的Night
ViewAssist，它采用了红外技术，能进一步降低车辆在黑暗行驶
情况下的事故风险(图略)。
7主动修正方向的车道偏离警示系统
车道偏离警示系统使用摄像头监测汽车在午道标线之问的
位置，如果来使用变道信号而汽车越过车道标线，该系统就会发
¨j声音信号向司机报警；在此 础j ，某公司外发出了自动转向
规避碰撞功能，它比乍=道偏离系统更为先进。该系统利IfJ摄像头
和雷达监测汽车本身与埘面来车的位置，能够帮助防止司机疏忽
造成的正面碰撞。如果汽车进入错误车道，同时系统探测到对面车
辆处在碰撞路线上，汽年会自动转向，凹到原车道中的安全位置。
8总结
文中介绍了儿种汽车主动安全技术，分别介绍各种主动安全
技术的结构以及二r作原理。随着汽车电子技术、传感器技术及数据
通信技术的进一步发展，仅仪依靠某一项技术已经很难满足人们对
汽牟安全性的要求，为了进一步提高汽午的安全性，应结合现有的
汽车安全技术，将汽车安伞向集成化、智能化、系统化方向发展
参考文献
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1(卜l9
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