新型主動安全系統(tǒng) ESP

     內(nèi)容提要：電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESP是對人們熟知的ABS、TCS系統(tǒng)的進(jìn)一步擴展，具有很高的集成度，從而降低了轎車的重量和價格。標(biāo)準(zhǔn)化的接口使用戶可以根據(jù)自己的需要選裝相應(yīng)功能，也使之適用于多種排量的發(fā)動機和多種驅(qū)動形式。

    關(guān)鍵詞：ESP，行駛狀態(tài)，操縱穩(wěn)定性，過度轉(zhuǎn)向，不足轉(zhuǎn)向

1 技術(shù)現(xiàn)狀

    車輪轉(zhuǎn)速是一切底盤控制系統(tǒng)的基本信息參量，由它計算出縱向的相對速度以及車輪滑動率，從而掌握汽車行駛狀態(tài)。控制參量是車輪滑動率，通過適當(dāng)?shù)膱?zhí)行機構(gòu)使它被限制在一定的范圍內(nèi)，并調(diào)節(jié)到一個額定值附近。這種方式輸入信號只有車輪轉(zhuǎn)速一個，并不能全面掌握汽車行駛狀態(tài)，因而ABS和TCS總是不得不在牽引性能和行駛穩(wěn)定性之間作出一定的妥協(xié)。為了有利于行駛穩(wěn)定性，一般都避免出現(xiàn)可獲得最大附著力的車輪滑動率。較低的車輪滑動率能提高車輪的側(cè)向附著力，在用ABS進(jìn)行制動時可獲得較好的轉(zhuǎn)向能力和行駛穩(wěn)定性，對于裝有TCS系統(tǒng)的車輛可以減少加速時的過度轉(zhuǎn)向傾向。為了改進(jìn)ABS和TCS的性能，可采用隨路面附著情況變化的車輪滑動率門檻值，這將顯著提高在良好附著情況下的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向性能。

2 ESP系統(tǒng)簡介

2．1行駛狀態(tài)的更全面掌握

    現(xiàn)代汽車的動力學(xué)控制系統(tǒng)對于橫向動力學(xué)也要加以控制，并有效地防止諸如側(cè)滑之類的失穩(wěn)現(xiàn)象。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，除了汽車的縱向動力學(xué)狀態(tài)外，該系統(tǒng)還必須能進(jìn)一步掌握橫向動力學(xué)狀態(tài)。為此奔馳公司作了廣泛的試驗研究，并取得了重要的成果。它選取了如下幾個最少但卻必要的信息輸入單元：輪速傳感器（每車輪一個）、前輪轉(zhuǎn)角傳感器和模搜角速度傳感器。另外側(cè)向加速度傳感器使得β角的估計成為可能，從而使ESP實現(xiàn)對大β角的限制，進(jìn)一步改善了行駛特性。當(dāng)汽車的行駛狀態(tài)通過這些參量得到了更精確的反映后，就不必在行駛穩(wěn)定性和牽引性能上作較大妥協(xié)了，而可以依據(jù)不同狀態(tài)對兩者進(jìn)行最佳的調(diào)節(jié)和控制。

2．2 ESP的基礎(chǔ)——行駛狀態(tài)的識別

    ESP系統(tǒng)的作用原理如下：期望橫擺角速度反映了在穩(wěn)定行駛狀態(tài)下駕駛員所期望的汽車行駛特性。這個值通過測得的前輪轉(zhuǎn)向角、側(cè)向加速度以及車速等參數(shù)由公式（2）給出。另一方面。當(dāng)前的實際橫擺角速度由橫擺角速度傳感器直接提供。期望值與實際值的差就反映了實際行駛狀態(tài)與理想狀態(tài)的偏離程度。見公式（2）根據(jù)這個差值以及實際橫擺角速度和前輪轉(zhuǎn)向角，控制單元作出是過度轉(zhuǎn)向還是不足轉(zhuǎn)向的判斷。例如一輛汽車正沿向左的彎道行駛，那么對于一輛過度轉(zhuǎn)向的汽車應(yīng)滿足△ω＜a而對于不足轉(zhuǎn)向的汽車應(yīng)滿足△ω＞b 

  

△ω=ωsoll　– ωist 

 式中： V    ----- 車速；

I    ----- 輪距；

δH   ----- 前輪轉(zhuǎn)向角；

iS    ----- 轉(zhuǎn)向機構(gòu)傳動比；

Ih    ----- 質(zhì)心到后軸的距離；

Vch   ----- 特征車速；

ay    ----- 側(cè)向加速度；

a 　 ----- 過度轉(zhuǎn)向門檻值；　

b    ----- 不足轉(zhuǎn)向門檻值；

△ω ----- 橫擺角速度之差；　　

ωsoll ----- 實際橫擺角速度；

ωist----- 期望橫擺角速度。

2．3 實現(xiàn)汽車穩(wěn)定的可能性

    汽車與路面之間力的作用全靠輪胎，輪胎通過縱向、橫向滑轉(zhuǎn)來傳遞地面施加的縱向及測向力。輪胎力和其他外力決定了汽車的運動，也由此決定了其穩(wěn)定性。根據(jù)附著橢圓我們知道輪胎的縱向附著力和側(cè)向附著力是此消彼長的關(guān)系。ESP通過對每個車輪滑動率的精確控制，使各個車輪的縱向分力和側(cè)向分力迅速改變,從而在所有工況下均能獲得所期望的操縱穩(wěn)定性。

2．3．1 過度轉(zhuǎn)向時的控制措施

   在過度轉(zhuǎn)向時ESP的控制措施如圖1所示。一旦出現(xiàn)過度轉(zhuǎn)向，驅(qū)動力分配系統(tǒng)就會降低驅(qū)動力矩，以提高后軸的側(cè)向附著力。地面作用于后軸的側(cè)向力相應(yīng)會提高，從而產(chǎn)生一個與過度轉(zhuǎn)向相反的橫擺力矩。位于彎道外側(cè)的非驅(qū)動前輪開始時幾乎不滑動，若僅依靠動力分配系統(tǒng)還不能制止開始發(fā)生的不穩(wěn)定狀態(tài)，控制系統(tǒng)將自動對該前輪實施瞬時制動，使它產(chǎn)生較高的滑動率，導(dǎo)致該車輪受到的側(cè)向力迅速減少而縱向制動力迅速增大，于是也產(chǎn)生一個與橫擺方向相反的橫擺力矩。由于對一個前輪制動，車速也會降低，從而獲得了一個附帶產(chǎn)生的有利穩(wěn)定性的因素。

  2．3．2不足轉(zhuǎn)向時的控制措施

    在不足轉(zhuǎn)向時ESP的控制措施如圖2所示。一旦ESP判定汽車具有較大的不足轉(zhuǎn)向傾向，控制系統(tǒng)會自動對位于彎道內(nèi)側(cè)的后輪實施瞬時制動，以產(chǎn)生預(yù)定的滑動率，導(dǎo)致該車輪受到的側(cè)向力迅速減少而縱向制動力迅速增大，于是產(chǎn)生了一個與橫擺方向相同的橫擺力矩。此外還獲得了兩個附帶的減少不足轉(zhuǎn)向傾向的因素。首先，由于制動而使車速降低；其次，由于差速器的作用，對內(nèi)側(cè)后輪制動從而導(dǎo)致外側(cè)后輪被加速，即外側(cè)后輪受到的驅(qū)動力增加而惻向力減少，于是產(chǎn)生了又一個所期望的橫擺力矩。

2．3．3 通過CAN完善控制功能

      ESP的ECU（電子控制單元）與發(fā)動機、傳動系的 ECU通過 CAN（Controller  Area  Networ）互聯(lián)，使其能更好地發(fā)揮控制功能。例如自動變速器將當(dāng)前的機械傳動比、液力變矩器變短比和所在檔位等信息傳給ESP，以估算驅(qū)動輪上的驅(qū)動力短。當(dāng)ESP識別出是在低附著系數(shù)路面時，它會禁止駕駛員掛低檔。在這種路面上起步時，ESP會告知傳動系ECU應(yīng)事先掛入二檔，這將顯著改善起步舒適性，尤其是對那些大功率轎車。

2．4試驗結(jié)果

    ESP驚人的穩(wěn)定性潛力在計算機的模擬實驗中得到了證明。它能否幫助普通的駕駛者防止側(cè)滑，能否得到用戶的認(rèn)可，對此奔馳公司在它的模擬駕駛器上作了大量研究試驗。模擬駕駛器的一大優(yōu)點是它能反復(fù)模擬一些極限行駛工況而不會危及乘員的生命安全。 試驗分兩組，每組40名成員；一組沒裝ESP，而另一組裝有ESP。他們在模擬器中駕車駛過一段多彎道的公路，其中有4個彎道，路面附著系數(shù)由1．0突然降至0．28－0．34之間，經(jīng)過55m后又突然變回l．0，汽車將以100km／h和0．3g的惻向加速度駛過。在試驗前駕駛員們既不知道路面狀況也不知道車上是否裝有ESP。試驗結(jié)果表明，沒有ESP的一組中78％的駕駛員在多達(dá)三個彎道上出現(xiàn)了側(cè)滑事故，而在裝備了ESP的一組中沒有發(fā)生任何事故，也沒有出現(xiàn)側(cè)滑現(xiàn)象。這說明ESP的引入確實提高了主動安全性，對用戶有很高的實用價值。

    奔馳公司還對所有未出事故的試驗（帶有和不帶有ESP）作了對比分析。結(jié)果表明無論帶不帶ESP，對道路寬度的要求是相近的，明顯不同的是，為保證車輛穩(wěn)定所需的轉(zhuǎn)向動作，裝備了ESP的車輛其轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角范圍和最大轉(zhuǎn)向角速度都要小50％左右，這意味著極大地減輕了駕駛員的負(fù)擔(dān)。

3 結(jié)束語

    ESP投放市場后獲得了廣大用戶的一致好評，被證明是繼ABS（制動防抱死系統(tǒng)）和TCS（牽引力控制系統(tǒng)）之后，汽車主動安全性的又一重大飛躍。目前它已不再是豪華轎車才有的標(biāo)準(zhǔn)裝備，奔馳E級、C級轎車，奧迪A6、A4等其它轎車上也陸續(xù)配上了這種安全系統(tǒng)。將來它也會象ABS系統(tǒng)的發(fā)展歷史一樣，逐漸在轎車上得到普及。