第四章 汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)

第一節(jié) 電子穩(wěn)定系統(tǒng)概述

一、概述

隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展，車輛的主動(dòng)安全性大大提高。為了防止車輪抱死，避免車輛在緊急制動(dòng)時(shí)因車輪抱死而失控，1978年博世公司開發(fā)了世界首套ABS，并在1985年投產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2004年歐洲生產(chǎn)的新車ABS裝備率已達(dá)到85%，而歐洲生產(chǎn)協(xié)會(huì)規(guī)定2004年7月起生產(chǎn)的新車100%裝備ABS。在我國生產(chǎn)的新車中裝備ABS的也達(dá)到了66%。

由于ABS不能解決車輛在濕滑路面上起步或加速出現(xiàn)的車輪打滑問題，更不能避免車輛發(fā)生側(cè)滑。因此，在ABS的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步推出牽引力控制系統(tǒng)（TCS）。在車輛起步或加速時(shí)，如果某個(gè)車輪出現(xiàn)了打滑現(xiàn)象（車輪輪速傳感器不斷監(jiān)視著每一個(gè)車輪），TCS系統(tǒng)會(huì)迅速干預(yù)制動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)工作，使車輛能夠安全地起步或加速（防止車輪打滑保證車輛具有良好的牽引性能，同時(shí)照顧其穩(wěn)定性和操縱性）。

1995年博世公司又推出了ESP。ESP是Electronic Stability Program的縮寫，中文常譯成“電子穩(wěn)定程序”或“電子穩(wěn)定系統(tǒng)”，它是德國博世公司的發(fā)明專利和專用注冊(cè)商標(biāo)。ESP屬于汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)，又稱為行駛動(dòng)力控制系統(tǒng)。它是ABS和ASR兩種系統(tǒng)功能的延伸。它通過對(duì)從各傳感器傳來的車輛行駛狀態(tài)信息進(jìn)行分析，然后向ABS、ASR發(fā)出糾偏指令，來幫助車輛維持動(dòng)態(tài)平衡。ESP可以使車輛在各種狀況下保持最佳的穩(wěn)定性，在轉(zhuǎn)向過度或轉(zhuǎn)向不足的情形下效果更加明顯。從某種意義上來說，ESP也是一種牽引力控制系統(tǒng)，但是與其他牽引力控制系統(tǒng)比較，ESP不但控制驅(qū)動(dòng)輪，而且可控制從動(dòng)輪。如后輪驅(qū)動(dòng)汽車出現(xiàn)轉(zhuǎn)向過度時(shí)，ESP便會(huì)通過控制外側(cè)的前輪制動(dòng)力來穩(wěn)定車輛，防止后輪失控而發(fā)生甩尾現(xiàn)象。在轉(zhuǎn)向不足時(shí)，為了校正行駛方向，ESP則會(huì)通過控制內(nèi)側(cè)的后輪制動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)校正行駛方向的目的。

有了ESP，車輛在濕滑路面失去控制的幾率大大降低了，整車的主動(dòng)安全性也更高。無論是晴天還是雨天，駕駛?cè)硕寄芊判拇竽懙夭倏v加速踏板，因?yàn)樵贓SP的輔助作用下一切都會(huì)得心應(yīng)手。但要注意ESP也不是萬能的，它只是一套輔助設(shè)備。千萬不要因?yàn)橛辛薊SP就可以隨意將加速踏板踩到底或者高速轉(zhuǎn)彎。如果盲目開快車，任何安全裝置都難以保證其安全性。ESP可以稱得上是當(dāng)前汽車防滑系統(tǒng)的最高級(jí)形式。

ESP在不同的車型，往往賦予其不同的名稱，如奔馳、奧迪稱其為ESP，寶馬稱其為DSC，豐田、雷克薩斯稱其為VSC，三菱稱其為ASC/AYC，本田稱其為VSA，而沃爾沃稱其為DSTC，但其原理和作用基本相同，詳細(xì)情況見表4-1。

表4-1 各廠商類似ESP系統(tǒng)基本情況

二、ESP在國外和國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在歐洲每年有5萬人死于車禍，190萬人受傷。另據(jù)德國保險(xiǎn)業(yè)工會(huì)前些年的研究表明，在涉及嚴(yán)重人身傷害的車禍中，其中25%由汽車側(cè)滑引發(fā)，且60%的致命車禍都起因于汽車側(cè)滑導(dǎo)致的側(cè)面撞擊。在國內(nèi)，這一數(shù)字可能更高。引起側(cè)滑的主因是：路況突變，使輪胎失去側(cè)向力從而失去操控；路面突現(xiàn)險(xiǎn)情，駕駛?cè)司o急避讓時(shí)猛打轉(zhuǎn)向盤過度等。

按照“歐洲道路安全憲章”計(jì)劃的目標(biāo)，到2010年，要將交通事故死亡人數(shù)減半，如何實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)？推廣應(yīng)用ESP被認(rèn)為是最重要的措施之一。許多著名汽車生產(chǎn)商的研究表明：ESP能改善在濕滑路面及緊急避讓時(shí)的操縱穩(wěn)定性與行駛安全性，可將嚴(yán)重車禍的數(shù)量顯著減少50%，它是主動(dòng)安全技術(shù)的一項(xiàng)突破。據(jù)美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）的一項(xiàng)報(bào)告稱，在配備了ESP的車輛中，客車單車碰撞事故減少了30%，而轎車致命的單車碰撞事故也減少了30%。就運(yùn)動(dòng)型多用途車（SUV）而言，該事故下降率甚至更高，單車碰撞事故減少了67%，而致命事故則減少了63%。大量研究和分析都已證實(shí)ESP在增強(qiáng)道路安全方面的有效性，目前汽車廠商對(duì)ESP高度重視，例如：美國通用、福特和克萊斯勒之前聯(lián)合宣布在2006年前將其作為大部分SUV的標(biāo)準(zhǔn)安全配置，其中通用雪佛蘭新款SUV科帕奇（CAPTIVA）和克萊斯勒2007年款Jeep大切諾基都已經(jīng)把ESP作為標(biāo)準(zhǔn)配置，科帕奇于2007年11月6日在杭州宣布在國內(nèi)上市。另外，美國運(yùn)輸部（DOT）與國家公路交通安全管理局，于2007年4月紐約車展時(shí)宣布：自2011年9月開始，所有在美銷售的2012年款新車，必須配備電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)，才能獲準(zhǔn)于美國市場銷售。

目前，在歐洲大約40%的新車配備了ESP系統(tǒng)，在高檔車上已成為標(biāo)準(zhǔn)配置，中檔車上的裝配率也迅速提高，但在緊湊型車上裝配率還較低。在北美和日本，ESP裝配率也快速上升，美國甚至已討論過是否應(yīng)在新車下線時(shí)強(qiáng)制裝配該系統(tǒng)。目前ESP系統(tǒng)正在向一般的商用車及重型載貨汽車普及，多家商用車和重型載貨汽車生產(chǎn)廠商正在推出帶ESP的車型。現(xiàn)在正是歐、美、日汽車工業(yè)界推廣應(yīng)用ESP的高潮期，國內(nèi)也正醞釀迅速推廣。

但是，目前國內(nèi)ESP的裝配率還很低，新車裝配率僅為4%，已配有ESP的車型有：東風(fēng)雪鐵龍的凱旋，一汽大眾的速騰、奧迪A6/A4、寶來（選裝ESP），上海通用的君越、榮御，上海大眾的帕薩特領(lǐng)馭等。

在研發(fā)生產(chǎn)方面，全球主要有6家汽車零部件廠商生產(chǎn)該系統(tǒng)，即：德國博世、日本電裝、德國大陸、美國德爾福、日本愛信精工和美國TRW公司。德國博世公司一直是該領(lǐng)域的領(lǐng)先者，無論是ABS/ASR，還是更先進(jìn)的ESP，技術(shù)上都一直處于領(lǐng)先地位，為國際大多數(shù)汽車廠商供應(yīng)該套系統(tǒng)。博世于1995年第一個(gè)把ESP系統(tǒng)投入量產(chǎn)，并不斷優(yōu)化其設(shè)計(jì)，到2002年已發(fā)展到第8代，至今已生產(chǎn)了超過2000萬套ESP系統(tǒng)。2005年，它還在蘇州投資生產(chǎn)ESP 8.0系統(tǒng)。博世注重中國市場，認(rèn)為ESP將成為國內(nèi)汽車的新賣點(diǎn)，而其他ESP供應(yīng)商也在積極拓展中國市場。

國內(nèi)對(duì)ESP的研究還處在起步階段，只有少數(shù)單位和學(xué)者在從事控制方法的仿真研究，如吉林大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等高校和中國重汽集團(tuán)、上海匯眾汽車等企業(yè)。由于缺乏良好的試驗(yàn)條件，研究還不夠深入。

三、ESP與其他系統(tǒng)的關(guān)系

1.電控制動(dòng)系統(tǒng)的功能及關(guān)系

ESP是一項(xiàng)綜合控制技術(shù)，整合了下列多項(xiàng)電控制動(dòng)技術(shù)，通過對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)和自動(dòng)變速器施加控制，防止車輛滑移。

（1）防抱死制動(dòng)系統(tǒng) 防止制動(dòng)時(shí)車輪出現(xiàn)抱死，使車輛具有方向性和穩(wěn)定性，并縮短制動(dòng)距離，減少輪胎的磨損。

（2）電子制動(dòng)力分配 自動(dòng)調(diào)節(jié)前、后軸的制動(dòng)力的分配比例，提高制動(dòng)效能，提高車輛的制動(dòng)穩(wěn)定性。EBD是防止ABS起作用以前，或者由于特定的故障導(dǎo)致ABS失效后，后輪出現(xiàn)過度制動(dòng)。

（3）電子差速鎖 是防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的一種功能擴(kuò)展，用于汽車的加速打滑控制。在汽車加速過程中，當(dāng)電子控制單元根據(jù)輪速信號(hào)判斷出某一側(cè)驅(qū)動(dòng)輪打滑時(shí)，EDS功能就會(huì)自動(dòng)開始作用，通過液壓控制單元對(duì)該車輪進(jìn)行適當(dāng)強(qiáng)度的制動(dòng)，從而提高另一側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的附著利用率，提高車輛的通過能力。當(dāng)車輛的行駛狀況恢復(fù)正常后，電子差速鎖即停止作用。同普通車輛相比，帶有EDS的車輛可以更好地利用地面附著力，從而提高了車輛的通過性。電子差速鎖除了在軟件上有變化之外，在ABS系統(tǒng)控制單元上新增加了專用的電磁閥及其他電子元件。

當(dāng)行駛中車輛的左右驅(qū)動(dòng)車輪處在不同附著系統(tǒng)路面上，尤其是當(dāng)一側(cè)車輪在光滑的冰面上時(shí)，這一側(cè)的車輪可能出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，在車輛起步，加速或上坡時(shí)這種趨勢更明顯。

此時(shí)，電子控制單元根據(jù)輪速傳感器傳來的信號(hào)，比較左右驅(qū)動(dòng)輪的輪速，當(dāng)輪速差值較大即一側(cè)車輪出現(xiàn)打滑時(shí)，ECU將發(fā)出指令，對(duì)滑轉(zhuǎn)車輪施加制動(dòng)，這樣，打滑車輪的速度降低，直到接近另一側(cè)車輪的輪速，保證另一側(cè)車輪有足夠的驅(qū)動(dòng)力。

裝備EDS的車輛爬坡能力比沒有裝備該系統(tǒng)的車輛提高十幾個(gè)百分點(diǎn)。

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力調(diào)節(jié)（MSR或EBC，Motor control Slide Retainer）MSR是德語Motor Schleppmomenten Regelung的縮寫，意思為發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力控制，等同于EDTC（Engine Drag-Torque Control）。MSR的作用是降低牽引力矩，提高汽車在光滑路面上的轉(zhuǎn)向能力。

MSR的功能在整個(gè)車速范圍內(nèi)均能起作用，它可以改善車輛在光滑路面上的行駛及制動(dòng)性能。若駕駛?cè)嗽诠饣穆访嫔纤砷_加速踏板，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)車輛將不再具有牽引作用，此時(shí)驅(qū)動(dòng)輪通過傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使車輪輪速降低，有抱死傾向，即產(chǎn)生所謂發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)現(xiàn)象。這時(shí)，ABS控制單元接到輪速傳感器的信號(hào)，判斷出車輪有抱死趨勢，便通過CAN總線向發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元發(fā)出指令，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速并降低牽引力矩，以提高車輪轉(zhuǎn)速。于是，車輪不再呈現(xiàn)抱死趨勢，車輛將繼續(xù)保持穩(wěn)定行駛狀態(tài)。

MSR系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

①車輛在低附著系數(shù)的路面滑行時(shí)，可以有良好的轉(zhuǎn)向能力。

②車輛在低附著系數(shù)的路面滑行制動(dòng)時(shí)，可以縮短制動(dòng)距離。

（5）牽引力控制系統(tǒng)ASR功能可以提高車輛在加速過程中的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向能力。在加速過程中，按照具體的行駛條件和道路狀況，如果駕駛?cè)瞬倏v加速踏板過度，這時(shí)ASR控制單元將接到輪速傳感器的信號(hào)，并判斷車輪有打滑趨勢，便通過CAN總線向發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元發(fā)出指令，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和牽引力矩，使車輪不再呈現(xiàn)滑轉(zhuǎn)趨勢，車輛將繼續(xù)保持穩(wěn)定加速狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和牽引力矩此時(shí)將不依賴于對(duì)加速踏板的控制。例如在沙石及冰面上起步及加速時(shí)會(huì)出現(xiàn)上述狀況。ASR在所有的變速器檔位均可以發(fā)揮作用。駕駛?cè)丝梢酝ㄟ^儀表板上的ASR警告燈的狀態(tài)確定ASR是否起作用。

ASR與MSR一樣通過CAN-BUS與發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)進(jìn)行通信。采用ASR具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①車輛在低附著系數(shù)的路面加速時(shí)，可以有良好的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向能力。

②車輛在曲線行駛時(shí)，ASR可以避免車輛因加大節(jié)氣門而沖出跑道。

2.電子穩(wěn)定程序的原理

汽車技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)主要任務(wù)就是提高主動(dòng)安全性以避免發(fā)生事故，并充分發(fā)揮車輛的動(dòng)力性能。電子穩(wěn)定程序通過有選擇性的分缸制動(dòng)及發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)干預(yù)，防止車輛滑移，提高在所有條件下的車輛穩(wěn)定性，糾正各種行駛條件下的過度轉(zhuǎn)向和不足轉(zhuǎn)向。ESP是建立在其他牽引控制系統(tǒng)之上的一個(gè)非獨(dú)立的系統(tǒng)，也稱之為動(dòng)態(tài)駕駛控制系統(tǒng)，簡單地說它是一個(gè)防滑系統(tǒng)。ESP能夠識(shí)別車輛不穩(wěn)定狀態(tài)，并通過對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)和變速器管理系統(tǒng)實(shí)施控制，從而有針對(duì)性地彌補(bǔ)車輛滑動(dòng)。ESP在主動(dòng)安全性方面，可以防止車輛側(cè)滑而發(fā)生意外事故；ESP在被動(dòng)安全性方面，可以在事故中減少側(cè)面碰撞發(fā)生的幾率。

ABS/TCS就是要防止在車輛加速或制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)我們所不期望的縱向滑移。而EDC/ESP就是要控制橫向滑移，它是各種工況下的一個(gè)主動(dòng)安全系統(tǒng)，處理各種異常情況，減輕駕駛?cè)说木窬o張及身體疲勞。只要ESP識(shí)別出駕駛?cè)说牟倏v與車輛的實(shí)際運(yùn)動(dòng)不一致，它就馬上通過有選擇的制動(dòng)或發(fā)動(dòng)機(jī)干預(yù)來穩(wěn)定車輛。

ESP是一種以高車輛曲線行駛穩(wěn)定性的主動(dòng)安全系統(tǒng)，它通過制動(dòng)和干預(yù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作來實(shí)現(xiàn)讓車輛按理想軌跡行進(jìn)的目的，同時(shí)保持車輛的可操縱性。

ESP具有如下特點(diǎn)：

①ESP并不是一套獨(dú)立的系統(tǒng)，實(shí)際上它是建立在ASR基礎(chǔ)之上的，這也是ESP總是包含ASR功能的原因。

②ESP不完全依賴于駕駛?cè)说牟倏v產(chǎn)生糾正行駛軌跡作用，這樣可以減輕駕駛?cè)说呢?fù)擔(dān)。

③ESP保證車輛在復(fù)雜行駛條件下始終保持可操縱性。

3.ESP與各項(xiàng)電子制動(dòng)系統(tǒng)的包含關(guān)系

裝備ESP和ASR的系統(tǒng)，則同時(shí)具有EDS、EBD和ABS的功能，如圖4-1所示。ESP是一種主動(dòng)安全系統(tǒng)。它建立在ABS及ASR之上，是這兩種系統(tǒng)功能上的延伸。因此，ESP稱得上是當(dāng)前汽車防滑裝置的最高級(jí)形式，是一個(gè)非獨(dú)立的系統(tǒng)，其功能及作用如圖4-2所示。

圖4-1 ESP與各項(xiàng)電子制動(dòng)系統(tǒng)的包含關(guān)系

圖4-2 ESP在當(dāng)前汽車防滑裝置中的位置

4.ESP的工作范圍

豐田公司對(duì)能起到控制汽車穩(wěn)定性作用的各個(gè)系統(tǒng)提出各自有效工作范圍，如圖4-3所示。由圖可知，四輪轉(zhuǎn)向（4WS）的有效工作區(qū)在輪胎附著圓的中心部位即側(cè)向力、縱向力較小的輪胎線性區(qū)內(nèi)；牽引力控制（TCS）的有效工作區(qū)是最大驅(qū)動(dòng)力附近的極限區(qū)域；防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）的有效工作區(qū)是最大制動(dòng)力附近的極限區(qū)域；車輛穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESP/VSC）的有效工作區(qū)是最大側(cè)偏力附近的極限區(qū)域；TCS、ABS、VSC均工作在較大地面反作用力的輪胎特性非線性工作區(qū)內(nèi)。

四、制動(dòng)力與側(cè)向力的關(guān)系

圖4-3 豐田車系控制汽車穩(wěn)定性各系統(tǒng)的工作范圍

1.受力分析

物體上作用著各種力和力矩，當(dāng)這些力和力矩的總和為零時(shí)，物體就處于靜止?fàn)顟B(tài)；如果不為零，那么物體就沿合力方向運(yùn)動(dòng)。我們最熟悉的力就是重力，它的方向是指向地心的。除重力外，作用在車上的力還有：驅(qū)動(dòng)力，方向與汽車行駛方向相同；克服驅(qū)動(dòng)力的制動(dòng)力，與汽車行駛方向相反；保持車輛轉(zhuǎn)向性能的側(cè)向力，與轉(zhuǎn)向的方向相同；以及由摩擦力和重力產(chǎn)生的附著力。各力的方向如圖4-4所示。在車上作用的還有以下的力和力矩：偏轉(zhuǎn)力矩，該力矩試圖使汽車沿垂直軸線轉(zhuǎn)動(dòng)；車輪轉(zhuǎn)矩及慣性矩，該力矩試圖使汽車保持原來的運(yùn)動(dòng)方向。另外在行駛的汽車上還存在其他的力，如空氣阻力，一般分析時(shí)可忽略不計(jì)，如圖4-5所示。

圖4-4 車輪的受力分析

1—驅(qū)動(dòng)力 2—克服驅(qū)動(dòng)力的制動(dòng)力 3—保持車輛轉(zhuǎn)向性能的側(cè)導(dǎo)向力 4—由摩擦力和重力產(chǎn)生的附著力

圖4-5 車輛的受力分析

Ⅰ—偏轉(zhuǎn)力矩 Ⅱ—車輪轉(zhuǎn)矩及慣性矩

2.用Kamm摩擦圓進(jìn)行車輪狀態(tài)分析

用Kamm摩擦圓分析上述幾個(gè)力共同作用的情況。摩擦圓的半徑大小由路面與輪胎之間的附著力決定，也就是說：附著力小，那么這個(gè)半徑就小（a）；附著力大，這個(gè)半徑就大（b）。如圖4-6a所示。

摩擦圓的基本原理就是力的平行四邊形，這些力有側(cè)導(dǎo)向力（S），制動(dòng)及驅(qū)動(dòng)力（B）及合力（G）。只要總力在這個(gè)圓內(nèi)，車輛就處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖4-6a所示。如果總力超出此圓的范圍，車輛就處于不可控狀態(tài)，如圖4-6b所示。

車輪受力與車輪運(yùn)動(dòng)的關(guān)系有如下幾種情況：

①制動(dòng)力和側(cè)導(dǎo)向力的合力處于圓內(nèi)，這時(shí)車輛可自由轉(zhuǎn)向，如圖4-6a所示。

②增大制動(dòng)力，側(cè)導(dǎo)向力就變小了，如圖4-6b所示。

③當(dāng)合力等于制動(dòng)力時(shí)車輪抱死，由于無側(cè)向力，車輛就處于無法控制狀態(tài)，如圖4-7所示。

圖4-6 車輪的受力分析

圖4-7 合力等于制動(dòng)力時(shí)的情況

驅(qū)動(dòng)力與側(cè)向力之間也存在類似情況。當(dāng)驅(qū)動(dòng)力都用上的時(shí)候，側(cè)導(dǎo)向力就變?yōu)榱懔耍@時(shí)驅(qū)動(dòng)輪就開始打滑空轉(zhuǎn)。