详解车辆稳定控制系统及典型故障案例(一)

◆文/北京 杨老师

【编者按】车辆稳定控制系统，对于一线汽车维修技师来讲都应该不陌生，虽然它还未被列为汽车的强制配置，但是目前几乎在主流厂商的大部分中高端车型都已经配备，甚至一些性价比较高的自主品牌也装备了车身稳定控制系统。

自本期起，我刊特邀杨老师，从一名资深修理人的角度，详细聊聊与“车辆稳定控制系统”有关的话题，从理论到实践，从原理到案例，以连载的形式深入解剖“车辆稳定控制系统”结构、控制原理及常见故障。敬请关注。

杨老师（杨波）

汽车维修高级技师、机动车检测维修工程师。从事汽车维修工作近20年，先后担任现代、通用4S店技术总监、日德等外资车企的技术培训讲师。具有扎实的理论基础，在汽车电控诊断领域有着丰富的实战经验和独到的维修见解。现在某外资车企担任技术支持工程师。

车辆稳定控制系统又叫车身稳定控制系统。它是一种提高车辆操控安全性和驾驶机动性的辅助控制系统。当车辆在紧急转弯、紧急加速和制动等突发情况时，车辆可以迅速感知并采取相应的制动或限制扭矩等操作，如对每个轮胎进行单独控制，同时降低发动机的输出扭矩，以维持车身的稳定性能。

虽然中文名称大家都叫它车辆稳定控制系统，但是全球各汽车生产厂商却有着不同的叫法，全球主要汽车厂商及对车辆稳定控制系统的叫法如表1所示。

表1 全球主要汽车厂商及对车辆稳定控制系统的叫法

一、系统控制原理

虽然各个厂商的名称命名有所不同，但各个车辆稳定系统的基本控制逻辑原理却是完全类似的。因为目前主流的汽车生产厂商都采用外部采购的方式来购买此系统部件，例如一些主流车辆稳定系统的供应商有：BOSCH、TRW、DELPHI、DENSO等。

而说到车辆稳定控制系统的控制原理，有必要先了解一下制动防抱死控制系统(ABS)。

1.制动防抱死控制系统(ABS)原理

简单来讲，制动防抱死控制系统(ABS)就是在汽车制动时，防止车轮抱死与地面产生纯滑动摩擦，而使轮胎与地面保持一种似滚动非滚动、似滑动非滑动的制动辅助系统。ABS控制模块通过检测4个轮速传感器，迅速判断出每个车轮的抱死状态。当某个车轮出现抱死倾向时，就关闭该车轮上面的常开阀，保持制动力不变；如果车轮继续抱死，则打开常闭输出阀，该车轮上的制动压力直通制动液贮油箱的管路而迅速下降，从而防止因制动力过大而将车轮完全抱死。图1所示就是我们常见ABS系统的打滑率控制范围。

图1 ABS打滑率的控制范围

从图1可以看出，轮胎与地面的摩擦力与轮胎与地面的附着系数有关，纵向的附着系数成抛物线状变化，只有确保打滑率在20%左右，才能实现最大的纵向附着力，也就是此时轮胎与地面的摩擦力才最大。这也表示，此时轮胎能提供给车辆一个最大的纵向制动力。

同时我们也看到，车辆在制动过程中的横向(侧向)附着系数也是随着车轮的打滑而降低的。在制动过程中，如果车轮完全抱死，那么车辆横向附着系数会下降到最低，车辆的横向就没有摩擦力，就会出现原地掉头、甩尾等极为不可控、不稳定的情况。

因此，ABS的功能不仅仅是控制纵向的摩擦力，以缩短制动时间和制动距离，更为关键的作用是控制确保车辆具有一定的横向稳定性，防止车辆在紧急制动时方向失控及车轮侧滑。

2.加速防滑控制系统(ASR)原理

加速防滑系统简称ASR，有些厂商也把该系统称为牵引力控制系统TCS、发动机驱动防滑系统MASR等。

同ABS的控制原理类似，当车辆加速时，如果驱动力过大，轮胎与地面之间出现打滑现象，附着力偏小，因此引入了加速防滑控制(ASR)系统。

加速防滑牵引力控制系统也是一种纵向的打滑率控制，只不过制动时是减速，现在是加速。加速时如果驱动力过大，轮胎在地面上空转，此时轮胎与地面之间的附着系数会降低，使得车辆无法获得最大的地面摩擦力。

带有ASR功能的车辆都会有一个ASR开关，一般在中央控制台附近。

3.打滑率

前面我们多次提到“打滑率”。其实ABS或ASR控制的策略就是以控制车轮打滑率为目标的。那么什么是打滑率？它又是如何计算出来的？

打滑率的定义是：轮胎的滚转力矩小于滚阻力矩而出现的相对地面滑动的现象叫打滑，又称为车轮卡滞或拖胎；而打滑率是指车体速度与车轮速度之差再除以车体速度，并乘以100%，即：

车体速度是指整个车辆的移动速度，车轮速度则是指轮胎在地面上的滚动速度。当一辆没有ABS功能的汽车，在车体速度40 km/h时，如果在路面光滑附着力较低的冰雪路面上紧急大力制动，那么车轮就会立即抱死，而抱死的车轮转动速度为0，也就是车轮轮速为0，此时该轮胎的打滑率则为：(40-0)/40=100%。

所以我们说：车体速度是车辆的整体移动速度，而车轮轮速是指轮胎与地面之间的滚动速度，而在轮胎完全抱死滑动时，打滑率达到最大为100%。

如果此时制动系统施加的是较小的制动力或无制动的滚动，车辆轮胎没有任何抱死倾向，轮胎与地面纯滚动旋转时，车轮的轮速等于车体速度，此时的轮胎打滑率则为：(40-40)/40=0,也就是说打滑率是0，即轮胎与地面没有任何打滑。

当然，车辆的实际运动过程中，从无打滑到彻底打滑的打滑率是一个变化的过程，其数值是可以从0～100%连续变化的，具体的打滑情况与车辆轮胎与地面的实际运动状态有关。

4.车体速度的来源

汽车上的控制模块通过安装在轮毂轴承上的车轮转速传感器，可以很容易获得车轮速度信号。之前讲过，车体速度不能等同于车轮轮速，那么汽车上有专门的车体速度传感器吗？车体速度是依靠变速器输出轴转速传感器、后差速器减速比、轮胎半径等信号推算出来的吗？

其实，汽车上既没有专门用来监测车体速度的传感器，也不是通过轮速、减速比等参数计算而来，而是由控制模块通过轮速推算而来。一般主流的车体速度预估推理算法有五种：最大轮速法；斜率法；综合法；基于车辆动力学模型的参考车速算法；多传感器数据融合估算法。下面解释以上几种算法。

(1)最大轮速法

依据最大轮速为主要依据，通过综合计算得出的一个车体速度信号。系统将最大的轮速默认为基本的车速信号，然后再进行一些修正。举个例子：某一制动时刻，四个车轮的轮速信号分别为：FL35km/h、FR32km/h、RL28km/h、RR 25km/h；虽然实际车速不一定就是35km/h，但是左前侧的35km/h，却是最接近真实车速的。

但是，这种算法在一些特定时刻的偏差过大，假如四个车轮都处于抱死状态，所有的轮速都是0，但实际车速肯定不是0。所以这种估算法在附着系数较大、车辆没有发生较大的打滑抱死时或者重型载重车辆上还是可用的，但对于在北方冬季冰雪或雨雪路面上的小型车辆制动时，这种算法误差明显太大。

(2)斜率法

顾名思义，斜率法就是按照速度下降的斜率来推算车速。

我们都知道速度公式：V=V1+a t，即：速度等于初始速度加上加速度乘以时间。据此，如果我们知道制动前的初始速度V 1、减速度a以及制动时间，就能推算到车体速度。而具体的初始速度是车轮发生抱死前一刻的车体速度，但减速度的确定却是难点。

首先研发人员通过大量的试验数据进行分析处理，可以确定具体车型在不同的路面工况上所能达到的平均减速度。在ABS的控制中，根据轮速的变化规律可判断路面状况与制动工况，选择合适的减速度。

斜率法优点是计算方法简单，最大缺点是适应性较差。因为车辆在不同的附着力的路面，制动时产生的减速度不同。即使在同一路面上，有的车轮接触冰面、有的却是干燥的，前后侧或者左右侧不同、其制动力也不同且是在不断变化的。因此，按照某一固定的斜率去推算车速，也存在局限性。

(3)综合法

综合法就是集成了最大轮速法和斜率法来推算车体的速度。综合法的计算流程如图2所示。

(4)基于车辆动力学模型的参考车速算法

基于车辆动力学模型的参考车速推算方法，是建立在研发人员对整车以及轮胎的建模基础上的。笔者认为：这个方法是研发工程师在根据车重、轮胎性能、制动系统效能等指标，通过不断测试、评价车辆的制动性能，从而得出车辆的制动力性能模型，合理推算减速度的计算方法。

这种算法的优点是车体速度是实时更新变化的，推算出来的车速更逼近实际值，缺点是所建的动力学模型准确性难以保证，对于摩擦力不同的路面，其适应性较差。

(5)多传感器数据融合估算法

这种算法有多种定义，并且还在不断的发展和完善过程中。简单来讲就是控制模块多组信息数据来推算车速，其计算结果比依靠单个传感器或单个信息算出的更准确。

举个例子：带有惯性G传感器、制动压力传感器的车型，会根据轮速传感器、车辆重心加速度G传感器和制动压力传感器信号的变化，通过微分方法来计算车体速度。图3为带有G传感器的预估车体速度与不带G传感器预估的车体速度对比。

以上就是笔者对于车辆参考车体速度各个推算方法的理解。由于笔者未从事专业的汽车研发工作，只能从维修的角度与大家聊一聊车体速度和轮速的区别，以便于大家理解打滑率概念、理解ABS的控制逻辑。车体速度、车轮速度、打滑率与制动压力、制动扭矩的运行规律如图4所示。

图2 综合法的计算流程

图3 带G传感器与不带G传感器预估出的车体速度对比

图4 车体速度、车轮速度、打滑率与制动压力、制动扭矩的运行规律