7.1 防患于未然的主动安全技术

首先我想介绍一下为了确保汽车的安全都使用哪些技术。

无论如何,对汽车安全构成威胁的都是事故。那么为了防止事故发生,或者为了减轻事故损失,需要用到哪些技术呢?

大体上分为三种:①防止事故发生的主动安全技术、②临近事故时减轻损失的预碰撞安全技术、③事故发生时减轻乘车人受伤程度的被动安全技术(表7.1)。其中有以前就有的技术,也有最新技术。还有些技术多搭载在高级汽车上,而小型汽车等价格低廉的汽车却没有搭载。

表7.1 汽车的主要安全技术

安全技术的种类 技术的内容 主要技术 搭载情况
主动安全技术 避免可能引起事故的不安全的行驶状况 ABS 搭载在大多数汽车上
ESC
制动辅助系统
雷达巡航控制系统 搭载在高级汽车上
预碰撞安全技术 在事故即将发生时减轻事故损失 预碰撞制动
预碰撞安全带
被动安全技术 撞击事故发生时,减轻乘车人的受伤程度 吸能车身 搭载在所有汽车上
三点式安全带
SRS 安全气囊
主动式头枕 也搭载在除小型汽车以外的某些汽车上

安全技术日新月异,新的技术和装置也不断出现。这里所介绍的基本的安全技术也适用于新技术,今后出现的安全技术也都是这些基本技术的延伸,因此理解了基础也就很容易理解所有的安全技术了。

首先我将一一讲解主动安全技术中的各项技术,主要包括ABSESC制动辅助系统雷达巡航控制系统车道保持系统

其中,ABS是防患于未然的主动安全技术中最基本的技术。ABS诞生之后,其他的主动安全技术才逐渐构建起来,并且还衍生出了临近事故时发挥作用的预碰撞安全技术。因此,我将从ABS开始详细讲解。

ABS是Anti-lock Brake System的简称。我们把轮胎在行驶中停止转动称为“轮胎锁死”,ABS就是以防止轮胎锁死的制动装置的意思来命名的。

或许您会对“行驶中轮胎停止转动”这种说法感到困惑,会觉得轮胎如果不转了汽车也就不走了。这么想无可厚非,但实际上,紧急制动时轮胎会在路面上打滑,导致轮胎在汽车停止前就停转了。轮胎在路面上打滑,就处于超过轮胎抓地力极限的状态了。

因此为了不超过轮胎的抓地力极限,ABS就利用电脑调整制动的强度。这种调整使用的是20世纪70年代诞生的电脑控制技术。

然而,在这种电脑控制技术出现之前,轮胎也会锁死。那么当时是如何处理的呢?

是驾驶员自己代替电脑控制来操作汽车,防止轮胎锁死。当汽车在冰雪路和沙土路等容易打滑的道路上强力制动时轮胎会锁死,进而在路面上打滑,这时驾驶员会感到汽车并没有按预想减速。因此驾驶员会稍稍松开制动踏板,当感到轮胎又恢复了转动时就再次踩下制动踏板。这一动作要在短时间内重复多次,我们称之为抽制动

在刚才的讲解中我多次用到“感到”、“觉得”等词语,说明抽制动需要用到驾驶员依据感觉的判断,因此并不是谁都能很快掌握的。如果不多加练习、磨练技术,操作起来是相当困难的。如果驾驶员在紧急时刻陷入恐慌,那么就连轮胎打滑时松开制动踏板这个动作都是无法完成的。

因此,利用电脑控制的ABS的出现,使得抽制动能够泽被万家。20世纪70年代,德国的戴姆勒•奔驰公司和同在德国的汽车零件生产商博世公司共同完成了ABS的研究开发工作,并投入生产。ABS诞生的20世纪70年代,是包括发动机的燃料混合在内,使用电脑控制的车载装置极速增加的时代。

那么下面我就来详细讲解一下充分利用了电脑控制的ABS的结构。

汽车里的电脑通常利用传感器监测汽车的速度和轮胎的转速(图7.1)。当汽车高速行驶,而轮胎的转速却急剧降低时,电脑就会判断出轮胎可能锁死了。这时即使驾驶员将制动踏板踩到底,ABS的电脑也会发出减弱制动功能的指示。具体来说,就是降低传递到制动卡钳上的制动液液压,暂时削弱制动效果。这样一来,轮胎的转速就会加快,从而逃离即将锁死的状态。

ABS的工作流程

图7.1 ABS的工作流程
※利用速度传感器和车轮的转速传感器判断情况,当汽车仍有速度但轮胎不转动时,ABS就会减弱制动。当轮胎恢复转动时,就会增强制动。当轮胎再次停转时,又会减弱振动。ABS就是这样循环往复地进行这一系列操作的。

当轮胎的转速恢复时,就要再次将制动踏板踩到底强力减速。当轮胎再次因强力制动即将停转时,ABS又会降低制动液液压,使轮胎恢复转动。ABS就是这样根据电脑的指示,自动、迅速、多次地重复这些动作的。

ABS由检测汽车速度和轮胎转速的传感器和电脑构成(图7.2)。负责获知汽车行驶速度的传感器安装在变速器的输出轴一侧(与差速器相连的一侧),它检测到的速度也会显示在速度表上。负责获知轮胎转速的传感器在四个轮胎上都有,它用来判断轮胎是在转动还是已经停止了。

ABS的结构

图7.2 ABS的结构
※轮胎锁死时传感器会通知电脑,由电脑指示调节器降低制动液液压。制动液液压降低后就会回到气缸中,之前锁死的轮胎制动强度减弱,就会脱离锁死状态

ABS中电脑的安装场所因车而异,但大都靠近车身正中央,这是因为在正中央能够使其免受汽车行驶中的振动和热的影响。电脑负责管理来自各个传感器的信息,判断轮胎是否处于即将锁死的状态,然后将信号传递到调节器,从而加减制动液液压。

调节器是一个总称,负责控制装置的运动,发动机和起动机也可以说是广义上的调节器。ABS里的调节器是调节制动液液压的装置,负责减小或增大液压。它位于制动器主气缸的前端,制动管道从此处连接到各个轮胎。

当驾驶员踩下制动踏板时,制动器主气缸内的活塞就会下压,致使制动液液压升高。升高后的液压传递到四个轮胎,带动安装在各个轮子上的制动卡钳的活塞运动。接着,卡钳内的制动垫压紧制动盘实施制动。这个制动流程就像我在第5章中讲到的一样。

我再重复一遍,当驾驶员紧急制动轮胎即将锁死时,电脑会通过由传感器感知到的轮胎转速和汽车速度判断出轮胎接近锁死状态。此时电脑会向调节器发出指示降低制动液液压,随后轮胎恢复转动,转速逐渐与汽车速度平衡。

电脑通过传感器得知轮胎的转速恢复正常后,再指示调节器提高制动液液压,这样就复原了制动液液压。

在1秒钟之内,ABS会将这些动作重复数次,期间即使驾驶员一直踩在制动踏板上也无妨。无论驾驶员如何驾驶,电脑控制都会全程管理并执行。因此当遇到紧急情况时,驾驶员只要强力踩下制动踏板就可以使汽车安全地停止。

电脑和传感器之间使用CAN(Controller Area Network)这种车载机器间的网络进行信息传递。通过使用传感器和电脑进行相互通信,不仅能够迅速传递信息,还能减少线路的数量。除汽车之外,CAN还被广泛应用在铁路、工厂和医疗器械上。

下面我想介绍一下被称为ESC的安全技术。ESC是Electronic Stability Control的简称,是利用电子控制保证行驶安全性的装置。ABS是在紧急时刻汽车紧急制动时发挥作用,而ESC是在踩住加速踏板时发挥作用的。

比如当汽车因速度过快而无法彻底转向时,ESC就登场了,并且ESC是因ABS的普及而出现的。ESC使用了三种传感器,分别是与ABS同样安装在四个轮子上的转速传感器、测量驾驶员转动方向盘角度大小的传感器以及检测汽车是否在旋转的横摆率传感器

当汽车速度过快时,就无法彻底转向。传感器通过轮胎的转速可以得知汽车的速度,通过方向盘的角度可以得知转角角度的大小。一旦超速,轮胎就会超过抓地力的极限陷入空转状态,随后开始打滑。电脑通过与其他轮胎的转速相比较,发现打滑的轮胎的转速急剧加快,就会意识到此轮胎是在打滑(图7.3)。

ESC的工作实例

图7.3 ESC的工作实例
※当汽车打滑时一个轮胎会自动制动以控制其打滑。

这样一来,汽车就无法彻底转向,进而滑离路面了。由于此时汽车处于危险状态,因此加装了ABS的四个轮子上的制动器就都会启动。借助这一功能,即使驾驶员踩住加速踏板也能制动。

利用ESC制动的轮胎只有一个。当汽车即将滑向转角外侧时,实施制动的是转角内侧的后轮。这是因为汽车转小弯的力会以实施制动的轮胎为中心发挥作用。

与之相反,当汽车即将滑进转角内侧时,只有转角外侧的前轮实施制动。接着,旋转力施加给外侧,起到修正行驶路线的作用。并且,实施制动后汽车的速度也会降低,轮胎也容易恢复抓地力。

当汽车以极高的速度行驶时,即使利用ESC实施制动也可能无法抑制轮胎打滑。此时即使驾驶员踩住加速踏板,也会因发动机中火花塞点火时间的推迟而减弱混合气体的燃烧,从而强制性减小发动机力的输出。

汽车平稳转向后,轮胎就会停止打滑,方向盘也回归原位。此时电脑会根据从轮胎转速传感器和方向盘角度传感器得到的信息判断出汽车已经完成了转向。接下来,电脑会按照驾驶员踩下加速踏板的程度进行加速。

不仅是转向,ESC在直线行驶时也会发挥作用。例如当汽车发动、轮胎空转时,ESC会强制性地减小发动机力的输出,等待轮胎恢复抓地力。在雪天等路面湿滑的时候,也能感受到ESC的这种作用。

制动辅助系统是在遇到需要紧急制动等紧急时刻时,辅助驾驶员实施制动的装置。

事故调查显示,很多驾驶员在紧急时刻无法充分实施制动。遇到事故时,他们大多会陷入恐慌,缩手缩脚,无法强力踩下制动踏板。其实,力气较小的人即使在平时制动时,也常常会出现无法突然强力踩下制动踏板的情况。因此,制动辅助系统出现了。

当电脑判断出“驾驶员突然踩下了制动踏板,但力度不够大”时,就会自动增大制动液液压,实施强力制动。

在讲解ABS时我说过,ABS具有自动控制制动器的结构。制动辅助系统在使用了ABS的这种制动器控制技术的同时,还追加了增大制动液液压的功能。但为了判断处驾驶员“突然踩下了制动踏板”,还需要检测踩下制动踏板的速度。

在日常驾驶中,通常无需突然踩下制动踏板。例如当遇到红灯需要制动时就无需紧急制动,只要慢慢增加踩踏力度就可以了。但紧急时刻制动踏板会快速移动,制动辅助系统就能借助传感器感知其移动速度的差异,再通过电脑进行判断。

之前介绍的ABS、ESC和制动辅助系统都是广泛应用于大多数汽车上的安全技术,而接下来要讲解的雷达巡航控制系统和车道保持系统一般只配备在高级汽车上。

首先是雷达巡航控制系统,它使汽车高度接近于自动驾驶。巡航控制系统利用轮胎转速传感器检测速度,通过控制油门的开闭程度来保持速度。20世纪50年代后半期,美国的克莱斯勒公司1首次采用了这一技术,因其方便性受到了美国民众的热烈欢迎。在道路笔直、悠长、宽阔的美国,汽车之间很少相遇。车道保持系统使得驾驶员即使不踩住加速踏板也能以一定的速度行驶。

1 Chrysler,美国著名汽车公司,同时也是美国三大汽车公司之一。——译者注

但在日本和欧洲,即使是在高速公路上也需要频繁调整车间距。因此,就出现了既能保持一定的速度,又能安全地确保与前车车间距的巡航控制系统。那就是雷达巡航控制系统。

系统中所用的雷达是波长为1~10mm的毫米波雷达,使用这种雷达是因为它在雨天也能工作。毫米波雷达的电磁波不会被雨滴大小的物体扰乱,但遇到雾等细小颗粒时会反射,因此雷达巡航控制系统在雾天无法工作。

毫米波雷达发射出的电磁波会从前方车辆反射回来,用于测量车间距。当电脑判断出车间距过小时,会关闭发动机的油门,减少力的输出,自动减速。当前方车辆突然减速时,它也会充分利用ABS和ESC实施制动,调节速度。

但交通管理部门是不允许完全意义上的自动驾驶的,这是因为驾驶员在发生事故时负有责任。因此,应该在需要紧急制动等与前方车辆的车间距过小时,点亮警示灯并鸣响警报,以此通知司机自行实施制动。

车道保持系统的功能是帮助汽车沿着车道标记线行驶,防止其越到相邻车道。

CCD摄像头用于识别标记线。电脑根据摄像头传来的路面情况图像检测车道标记线,防止汽车脱离行驶车道。具体来说就是加强动力转向系统的操作辅助力,以使汽车在标记线内行驶。为了使汽车能够根据电脑的指示迅速加减操作辅助力,需要用到使用电动机作为动力的电动式动力转向系统。

汽车生产商们并不是要将车道保持系统设计成完全意义上的自动驾驶,而是致力于让握着方向盘的驾驶员不脱离行驶车道。它并不是利用动力转向系统自动改变前进路线,而是比平时加强了帮助驾驶员转向的辅助力。

然而现状是,人眼能够轻易地分辨白色的标记线和路上的垃圾,电脑却很难通过摄像头图像加以区分。如果电脑混淆了白线和垃圾,引导汽车越过了标记线,反而会引发事故。不仅是垃圾,阳光在路面上的反射以及倒映在水洼里的影像都可能使电脑判断失误。因此为了保证安全性,需要准确的、高性能的图像分析,而这样的装置费用也极高。



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