新型主動安全系統 ESP

     內容提要：電子穩定系統ESP是對人們熟知的ABS、TCS系統的進一步擴展，具有很高的集成度，從而降低了轎車的重量和價格。標準化的接口使用戶可以根據自己的需要選裝相應功能，也使之適用于多種排量的發動機和多種驅動形式。

    關鍵詞：ESP，行駛狀態，操縱穩定性，過度轉向，不足轉向

1 技術現狀

    車輪轉速是一切底盤控制系統的基本信息參量，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。控制參量是車輪滑動率，通過適當的執行機構使它被限制在一定的范圍內，并調節到一個額定值附近。這種方式輸入信號只有車輪轉速一個，并不能全面掌握汽車行駛狀態，因而ABS和TCS總是不得不在牽引性能和行駛穩定性之間作出一定的妥協。為了有利于行駛穩定性，一般都避免出現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向附著力，在用ABS進行制動時可獲得較好的轉向能力和行駛穩定性，對于裝有TCS系統的車輛可以減少加速時的過度轉向傾向。為了改進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定性和轉向性能。

2 ESP系統簡介

2．1行駛狀態的更全面掌握

    現代汽車的動力學控制系統對于橫向動力學也要加以控制，并有效地防止諸如側滑之類的失穩現象。為了實現這一目標，除了汽車的縱向動力學狀態外，該系統還必須能進一步掌握橫向動力學狀態。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）、前輪轉角傳感器和模搜角速度傳感器。另外側向加速度傳感器使得β角的估計成為可能，從而使ESP實現對大β角的限制，進一步改善了行駛特性。當汽車的行駛狀態通過這些參量得到了更精確的反映后，就不必在行駛穩定性和牽引性能上作較大妥協了，而可以依據不同狀態對兩者進行最佳的調節和控制。

2．2 ESP的基礎——行駛狀態的識別

    ESP系統的作用原理如下：期望橫擺角速度反映了在穩定行駛狀態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向角、側向加速度以及車速等參數由公式（2）給出。另一方面。當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與理想狀態的偏離程度。見公式（2）根據這個差值以及實際橫擺角速度和前輪轉向角，控制單元作出是過度轉向還是不足轉向的判斷。例如一輛汽車正沿向左的彎道行駛，那么對于一輛過度轉向的汽車應滿足△ω＜a而對于不足轉向的汽車應滿足△ω＞b 

  

△ω=ωsoll　– ωist 

 式中： V    ----- 車速；

I    ----- 輪距；

δH   ----- 前輪轉向角；

iS    ----- 轉向機構傳動比；

Ih    ----- 質心到后軸的距離；

Vch   ----- 特征車速；

ay    ----- 側向加速度；

a 　 ----- 過度轉向門檻值；　

b    ----- 不足轉向門檻值；

△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 實現汽車穩定的可能性

    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，也由此決定了其穩定性。根據附著橢圓我們知道輪胎的縱向附著力和側向附著力是此消彼長的關系。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定性。

2．3．1 過度轉向時的控制措施

   在過度轉向時ESP的控制措施如圖1所示。一旦出現過度轉向，驅動力分配系統就會降低驅動力矩，以提高后軸的側向附著力。地面作用于后軸的側向力相應會提高，從而產生一個與過度轉向相反的橫擺力矩。位于彎道外側的非驅動前輪開始時幾乎不滑動，若僅依靠動力分配系統還不能制止開始發生的不穩定狀態，控制系統將自動對該前輪實施瞬時制動，使它產生較高的滑動率，導致該車輪受到的側向力迅速減少而縱向制動力迅速增大，于是也產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生的有利穩定性的因素。

  2．3．2不足轉向時的控制措施

    在不足轉向時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向傾向，控制系統會自動對位于彎道內側的后輪實施瞬時制動，以產生預定的滑動率，導致該車輪受到的側向力迅速減少而縱向制動力迅速增大，于是產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，對內側后輪制動從而導致外側后輪被加速，即外側后輪受到的驅動力增加而惻向力減少，于是產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）與發動機、傳動系的 ECU通過 CAN（Controller  Area  Networ）互聯，使其能更好地發揮控制功能。例如自動變速器將當前的機械傳動比、液力變矩器變短比和所在檔位等信息傳給ESP，以估算驅動輪上的驅動力短。當ESP識別出是在低附著系數路面時，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試驗結果

    ESP驚人的穩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滑，能否得到用戶的認可，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點是它能反復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，路面附著系數由1．0突然降至0．28－0．34之間，經過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。試驗結果表明，沒有ESP的一組中78％的駕駛員在多達三個彎道上出現了側滑事故，而在裝備了ESP的一組中沒有發生任何事故，也沒有出現側滑現象。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，為保證車輛穩定所需的轉向動作，裝備了ESP的車輛其轉向輪轉角范圍和最大轉向角速度都要小50％左右，這意味著極大地減輕了駕駛員的負擔。

3 結束語

    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）和TCS（牽引力控制系統）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準裝備，奔馳E級、C級轎車，奧迪A6、A4等其它轎車上也陸續配上了這種安全系統。將來它也會象ABS系統的發展歷史一樣，逐漸在轎車上得到普及。