汽車的不穩(wěn)定行駛與ESP的應(yīng)用

何志雄

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510650）

1 概述

ABS（防抱死制動系統(tǒng)）能有效地防止車輪抱死，可以避免汽車在緊急制動時產(chǎn)生的失控現(xiàn)象；ASR（防滑控制系統(tǒng)，又稱為牽引力控制系統(tǒng)--TRC）能有效地防止車輪打滑，確保汽車在濕、滑路面上起步和加速時具有合適的牽引力，維持汽車良好的穩(wěn)定性和操控性。

但是，ABS和ASR都無法解決汽車高速行駛和轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的車輪側(cè)滑問題，從而往往會引發(fā)出汽車行駛的不穩(wěn)定性和失控現(xiàn)象。

車輪的滑移與輪胎的轉(zhuǎn)向特性關(guān)系極大，圖1為輪胎的轉(zhuǎn)向特性曲線，它給出了不同路面，輪胎所受的側(cè)向力與側(cè)偏角的關(guān)系。

圖1 輪胎轉(zhuǎn)向特性曲線

從圖中可以看出，當側(cè)偏角較小時，側(cè)偏力與側(cè)偏角基本上成線性關(guān)系，汽車具有良好的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性，容易駕駛。但當側(cè)偏角到達一定值時，側(cè)偏力不再隨側(cè)偏角的增加而增加，而是基本保持不變，也就是說側(cè)偏力達到了附著極限，而側(cè)偏角仍在顯著地增大，此時，汽車的轉(zhuǎn)向性能就變得“不聽話”了，容易導(dǎo)致事故的發(fā)生。路面的附著系數(shù)不同，達到飽和狀態(tài)時的側(cè)偏力也不相同。

側(cè)向力包括汽車轉(zhuǎn)彎時的離心力、側(cè)向風、路面的橫向坡度和障礙物阻力。一般來說，只有輪胎的側(cè)偏角與轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角滿足線性響應(yīng)時，駕駛員才能正確操縱汽車。當汽車高速轉(zhuǎn)彎，一旦側(cè)向力達到或超過附著力極限時，輪胎的轉(zhuǎn)向特性便發(fā)生了變化，側(cè)偏角迅速增大，此時汽車便處于失控狀態(tài)，根據(jù)汽車的轉(zhuǎn)向特性的不同，會產(chǎn)生不同的后果；對于不足轉(zhuǎn)向特性的汽車，很可能出現(xiàn)如圖2所示的前輪側(cè)滑；對于過度轉(zhuǎn)向特性的汽車，很可能出現(xiàn)如圖3所示的后輪甩尾。

圖2 前輪側(cè)滑的后果

圖3 后輪側(cè)滑的后果

2 ESP的作用

汽車電子穩(wěn)定程序控制系統(tǒng)又稱為汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，英文縮寫為ESP（ElectronicStabilityProgram）。不同的汽車生產(chǎn)企業(yè)，稱謂稍有不同，如豐田公司便稱為VSC。

ESP是近年來在ABS和ASR的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型機電一體化的主動安全控制系統(tǒng)。它的作用是通常以每秒25次的頻率，監(jiān)控汽車的行駛狀態(tài)，當汽車在轉(zhuǎn)彎或緊急避讓障礙物的過程中，一旦出現(xiàn)前輪側(cè)滑或后輪甩尾的失控狀態(tài)時，能主動地進行干預(yù)，按預(yù)先設(shè)定的程序自動地對車輪產(chǎn)生制動作用，糾正汽車航向的偏離，或減小發(fā)動機的輸出動力，避免車輪的滑移。通過上述的綜合控制，使汽車回復(fù)到原來的軌道，按照駕駛員的意圖正確行駛[1]。

ESP對汽車的轉(zhuǎn)向特性特別敏感，能夠迅速識別出前輪側(cè)滑或后輪甩尾的危險情況，并且反應(yīng)快如閃電，精確地自動采用制動方式進行干預(yù)，有效地避免了事故的發(fā)生。

3 電子穩(wěn)定程序控制系統(tǒng)的組成

ESP與其他電子控制系統(tǒng)一樣，由各種傳感器、ESP ECU和ESP執(zhí)行器三部分組成。

（1）傳感器。ESP的傳感器主要包括光電式的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、陀螺儀結(jié)構(gòu)的車身航向角傳感器、壓電式的車身橫向加速的傳感器以及ABS中的磁電式車輪轉(zhuǎn)速傳感器等。

（2）ESP ECU。ESP ECU為控制單元，它儲存有各種計算參數(shù)和控制程序，接受各種傳感器送來的信號，經(jīng)過計算處理和分析，一旦發(fā)現(xiàn)有差異時，便向執(zhí)行器發(fā)出程序糾偏指令。

（3）ESP執(zhí)行器。由于ESP是在ABS和ASR的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此它與ABS和ASR（涉及發(fā)動機的電噴系統(tǒng)）共用一套執(zhí)行器。例如通過ABS的制動壓力調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)各車輪的制動力；通過ASR來控制發(fā)動機的動力輸出。

4 ESP的工作原理

汽車行駛時，ESP便立即投入工作，對各種傳感器送來的實時信號進行數(shù)據(jù)處理，監(jiān)控汽車的行駛狀態(tài)。例如通過轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器信號便能掌握駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖、通過車身航向角傳感器檢測汽車航向的變化、通過各種車輪轉(zhuǎn)速傳感器檢測車輪的轉(zhuǎn)速和計算其滑移率。ESP ECU接收到各傳感器送來的信號后，便不斷地進行分析和處理，判斷是否需要糾正到規(guī)定的范圍上來，一旦發(fā)現(xiàn)有差異時，便立即按照設(shè)定的控制程序發(fā)出糾偏指令，再通過ABS和ASR的協(xié)調(diào)工作，從而無須駕駛員踩剎車，便具有獨立地對某一個（或全部）車輪主動施加制動力，進而強制減速的功能，確保汽車高速或轉(zhuǎn)彎的穩(wěn)定性和循跡行駛的能力。

（1）直線行駛車輪滑移的控制。當汽車在濕滑的路面上作直線起步或加速行駛，ESP ECU一旦通過車輪轉(zhuǎn)速傳感器檢測到某個或全部車輪滑移率大于某設(shè)定值時，便立即通過ASR向發(fā)動機ECU發(fā)出減小噴油量的指令，降低發(fā)動機的動力輸出，使驅(qū)動輪不再打滑。

（2）前輪側(cè)滑的糾偏。當汽車高速轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生前輪側(cè)滑時，ESP ECU便首先通過ASR向發(fā)動機ECU發(fā)出減小噴油量的指令，降低發(fā)動機的動力輸出，并采用反向平衡的原理，同時向ABS ECU發(fā)出先制動內(nèi)后輪的糾偏指令，使車身得到向內(nèi)轉(zhuǎn)的運動，然后對4個車輪進行制動，使車速降到某一水平和抑制汽車的側(cè)滑，汽車便按照駕駛員的意圖，回復(fù)到正確的軌道上來。[2]

（3）后輪甩尾的糾偏。當汽車轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生后輪甩尾時，ESP ECU同樣采用反向平衡原理，首先通過ASR向發(fā)動機ECU發(fā)出減小噴油量的指令，降低發(fā)動機的動力輸出，并同時向ABS ECU發(fā)出先制動外前輪的糾偏指令，使車身得到向外轉(zhuǎn)的運動，然后對四個車輪進行制動，使車速降低到某一水平，抑制汽車的甩尾，汽車便按照駕駛員的意圖，回復(fù)到正確的軌道上來。

5 ESP的應(yīng)用前景

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車的性能越來越先進，車速也越來越快，但是伴隨而來的事故發(fā)生率也越來越多。通過前述的介紹可知，ESP具有良好的主動安全性能，明顯提高了汽車的安全性，大大減少事故的發(fā)生，成為了高檔轎車的標準裝備。

目前，歐、美、日各國ESP的裝車率在迅速提高，一些中級轎車（如雪鐵龍凱旋2.0）也開始裝用ESP了。然而，在國產(chǎn)轎車中，ESP的裝配率還比較低，僅在某些高檔豪華車上有所采用（如奧迪A6）。而幾款銷量領(lǐng)先的中、高檔轎車，如雅閣、別克、帕薩特、馬自達6等都沒有配置，甚至連新生產(chǎn)的寶馬3系列、奧迪A4也沒有將ESP列為標準配置。唯獨東風雪鐵龍凱旋秉承了歐洲的風格，配置了ESP，從而大大得提高了該車的檔次。

雖然ESP是一種全新的概念，是機電一體化的高度體現(xiàn)，但是它所涉及的傳感器和執(zhí)行器都是一些比較成熟的元件，關(guān)鍵在于ESP ECU的研發(fā)（包括程序編程和其他ECU的匹配）和元器件的可靠性問題。

我國的汽車工業(yè)正面臨高速發(fā)展的大好機遇，2009年的總產(chǎn)量已達1379.10萬輛（其中轎車為1038.38萬輛），成為世界第一汽車生產(chǎn)和消費國。但是總體來說，我國生產(chǎn)的轎車質(zhì)量和檔次還不高，產(chǎn)量低，仍有待于提升。

ESP的研發(fā)對提升國產(chǎn)轎車的檔次具有極為重要的作用，數(shù)千元的投入，可產(chǎn)生數(shù)萬元的附加值，前景非常廣闊，值得廣大汽車生產(chǎn)廠家給予關(guān)注。相信，隨著消費者安全意識的進一步加強，ESP技術(shù)的日臻完善，ESP會成為國內(nèi)更多車型的標配置。

[1]姜立標.現(xiàn)代汽車最新安全控制裝置[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2]金加龍.汽車底盤構(gòu)造與維修[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.