ESP 系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用

徐濤

(武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北武漢430065)

1 ESP 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 ESP 系統(tǒng)概念

電子穩(wěn)定性程序(ESP)是改善汽車(chē)行駛性能的一種控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)分成兩個(gè)系統(tǒng):一個(gè)系統(tǒng)在制動(dòng)系統(tǒng)中;另一個(gè)系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)中。利用與ABS 系統(tǒng)一起的綜合控制可防止汽車(chē)在制動(dòng)時(shí)車(chē)輪抱死;利用ASR 系統(tǒng)可阻止汽車(chē)在起步時(shí)驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)(空轉(zhuǎn))。只要汽車(chē)在行駛時(shí)不超出物理極限，ESP 是兼有防止汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)滑移、不穩(wěn)定和側(cè)向駛出車(chē)道的綜合系統(tǒng)［1］。

1.2 ESP 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

ESP 系統(tǒng)可在以下幾個(gè)方面改善汽車(chē)行駛安全性:

(1)擴(kuò)大了汽車(chē)行駛穩(wěn)定性范圍。在汽車(chē)的各種行駛狀況下，如全制動(dòng)、部分制動(dòng)、車(chē)輪空轉(zhuǎn)、驅(qū)動(dòng)、滑行和負(fù)載變化，仍可保持汽車(chē)在車(chē)道中行駛。

(2)擴(kuò)大了汽車(chē)在極端情況時(shí)的行駛穩(wěn)定性，如在恐懼和驚恐時(shí)要求的特別的轉(zhuǎn)向技巧，從而降低了汽車(chē)橫甩的危險(xiǎn)。

(3)在各種路況下，通過(guò)ABS、ASR 系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖轉(zhuǎn)矩控制MSR (在發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)力矩過(guò)高時(shí)可自動(dòng)提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速)，還可進(jìn)一步利用輪胎與路面間的附著潛力。從而可縮短制動(dòng)距離、增大牽引力、改善汽車(chē)的操控性和行駛穩(wěn)定性［2］。

2 ESP 系統(tǒng)的組成

ESP 系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程如圖1 所示，它是在4 個(gè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的功能綜合升級(jí)而形成的，這4 個(gè)控制系統(tǒng)分別是ABS (防車(chē)輪抱死系統(tǒng))、REF (制動(dòng)力電子分配系統(tǒng)，也簡(jiǎn)稱(chēng)EBD)、ASR (驅(qū)動(dòng)輪防滑系統(tǒng))、MSR (發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)防滑系統(tǒng))。但是ESP 系統(tǒng)又不是這4 個(gè)系統(tǒng)的功能簡(jiǎn)單疊加，而是整體綜合控制，并且增加了若干部件和1 個(gè)ESP 控制系統(tǒng)，它使這4 個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮利用，從而獲得對(duì)車(chē)輛進(jìn)行更高效精準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)控制效果。

2.1 ABS 組件

ABS 如圖2 所示，對(duì)于每個(gè)制動(dòng)輪缸的控制只有兩個(gè)電磁閥，能夠防止汽車(chē)車(chē)輪抱死，從而防止出現(xiàn)抱死甩尾和前輪失去轉(zhuǎn)向。在增加了EBD 系統(tǒng)的ABS 系統(tǒng)中，ABS 能夠保障前后軸的制動(dòng)力合理分配，并能夠依據(jù)地面附著力的變化使車(chē)輪制動(dòng)力達(dá)到最大值，且能夠避免車(chē)輪抱死。但ABS+EBD 系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)不足轉(zhuǎn)向和過(guò)渡轉(zhuǎn)向的動(dòng)態(tài)調(diào)整，并且實(shí)現(xiàn)最短距離制動(dòng)，必須將制動(dòng)踏板迅速踩至最大行程。所以ABS +EBD 系統(tǒng)存在固有缺點(diǎn)。

2.2 ASR 組件

制動(dòng)時(shí)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)可降低車(chē)輪輪缸的制動(dòng)壓力防止車(chē)輪抱死。那么，在汽車(chē)驅(qū)動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)防滑轉(zhuǎn)控制(ASR)可降低各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上的驅(qū)動(dòng)力矩，以防止車(chē)輪滑轉(zhuǎn)或空轉(zhuǎn)。ASR 是汽車(chē)在驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下的ABS 的擴(kuò)展。除了在加速時(shí)保證汽車(chē)的穩(wěn)定性和可操控性以提高安全性外，ASR 還可調(diào)整“最佳的”滑轉(zhuǎn)率改善汽車(chē)的牽引性。

ASR 可以解決驅(qū)動(dòng)輪兩側(cè)附著力不相等的情況，從而避免附著力較大一側(cè)車(chē)輪失去驅(qū)動(dòng)力;可以避免由于車(chē)輪滑動(dòng)而失去側(cè)向附著力;可以實(shí)現(xiàn)最佳的車(chē)輪滑移率從而保證牽引力最大。ASR 控制可以采用ABS 來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)部分車(chē)輪的制動(dòng)即可防止車(chē)輪滑移，但是在增加發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)防滑系統(tǒng)MSR 后，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)減小輸出轉(zhuǎn)矩或者對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行阻力制動(dòng)的情況下，可以有效地兼顧車(chē)輪防滑和汽車(chē)能耗降低。

2.3 轉(zhuǎn)動(dòng)率傳感器

轉(zhuǎn)動(dòng)率傳感器或偏轉(zhuǎn)速度傳感器也稱(chēng)陀螺測(cè)速儀，如圖3所示。它用于檢測(cè)配備有電子穩(wěn)定程序ESP 的汽車(chē)在彎道行駛，或加速時(shí)繞其垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，即圖中參數(shù)Ω，它是ESP 系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)動(dòng)態(tài)行駛狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)的主要參數(shù)之一。

2.4 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器

方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器如圖4 所示，用于測(cè)量方向盤(pán)的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度，此參數(shù)用于判斷駕駛員的轉(zhuǎn)向“意圖”。電控單元將轉(zhuǎn)向盤(pán)調(diào)整角度和給定的制動(dòng)壓力與汽車(chē)實(shí)際的轉(zhuǎn)向和行駛速度進(jìn)行比較，必要時(shí)制動(dòng)車(chē)輪。這樣可保證汽車(chē)縱軸與汽車(chē)行駛的偏差，即“浮角”最小，并可防止不希望的過(guò)多轉(zhuǎn)向，保證適度的不足轉(zhuǎn)向［3］。

3 ESP 系統(tǒng)的綜合控制原理分析

3.1 避免不足轉(zhuǎn)向或過(guò)度轉(zhuǎn)向

汽車(chē)轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性可以采用不足轉(zhuǎn)向、過(guò)度轉(zhuǎn)向和中性轉(zhuǎn)向來(lái)衡量，汽車(chē)在低速行駛時(shí)，無(wú)論受到側(cè)向風(fēng)力作用還是快速打方向盤(pán)，均不會(huì)出現(xiàn)不足轉(zhuǎn)向或過(guò)度轉(zhuǎn)向。但是，在高速行駛時(shí)，輕微的方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)或者較小的外部側(cè)向力作用均可導(dǎo)致汽車(chē)出現(xiàn)不足轉(zhuǎn)向和過(guò)度轉(zhuǎn)向，即此時(shí)的汽車(chē)轉(zhuǎn)向軌跡已經(jīng)不符合駕駛員意愿，而且一般駕駛員難以糾正這種危險(xiǎn)傾向。汽車(chē)的重心也會(huì)隨著車(chē)上乘員或者貨物的變化而出現(xiàn)前移而導(dǎo)致不足轉(zhuǎn)向，或者后移而導(dǎo)致過(guò)度轉(zhuǎn)向。

在汽車(chē)轉(zhuǎn)向的過(guò)程中，ESP 監(jiān)測(cè)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角和橫擺角速度，同時(shí)獲得車(chē)速信號(hào)，計(jì)算出汽車(chē)轉(zhuǎn)向過(guò)程中產(chǎn)生的浮角，如圖5 所示的角β (汽車(chē)行駛方向偏移汽車(chē)縱軸角)，如果是此浮角導(dǎo)致汽車(chē)出現(xiàn)過(guò)度轉(zhuǎn)向，那么對(duì)汽車(chē)采取外側(cè)車(chē)輪制動(dòng)，使汽車(chē)?yán)@垂直于地面的軸線順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而減小浮角，使汽車(chē)趨于中性轉(zhuǎn)向。同樣，當(dāng)汽車(chē)出現(xiàn)不足轉(zhuǎn)向時(shí)，則對(duì)汽車(chē)內(nèi)側(cè)車(chē)輪制動(dòng)，使汽車(chē)?yán)@垂直于地面的軸線逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，同樣減小浮角，使汽車(chē)趨于中性轉(zhuǎn)向。

ESP 在防止汽車(chē)出現(xiàn)不足轉(zhuǎn)向和過(guò)度轉(zhuǎn)向過(guò)程中，駕駛員不需要對(duì)制動(dòng)踏板采取任何操作，所以配備ESP 系統(tǒng)的轎車(chē)，在原有ABS 基礎(chǔ)上增加了一些控制部件，如圖6 所示的泵1、隔離電磁閥7、起動(dòng)電磁閥8，它并不需要制動(dòng)主缸工作也能夠在制動(dòng)輪缸處建立制動(dòng)壓力，隔離電磁閥7 將主動(dòng)主缸和輪缸隔離后，泵1 處便能夠運(yùn)轉(zhuǎn)，并建立壓力，此壓力再配合ABS 系統(tǒng)，對(duì)一側(cè)車(chē)輪進(jìn)行制動(dòng)，而另外一側(cè)車(chē)輪則不施加制動(dòng)。

3.2 防止汽車(chē)超越轉(zhuǎn)彎極限

在彎道加速時(shí)的汽車(chē)行駛性能可用轉(zhuǎn)圈行駛試驗(yàn)得到。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比未配備和配備ESP 系統(tǒng)的車(chē)輛得出結(jié)論:ESP 系統(tǒng)可以有效地防止汽車(chē)超越轉(zhuǎn)彎極限。此試驗(yàn)的條件是:在附著系數(shù)為1 的結(jié)實(shí)的硬道面上，車(chē)速緩慢增加至圓圈半徑為100 m 的物理極限車(chē)速并保持，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:

(1)未配備ESP 系統(tǒng)的汽車(chē)

在轉(zhuǎn)圈行駛的行駛試驗(yàn)中，車(chē)速約超過(guò)95 km/h 就達(dá)到它的物理極限車(chē)速，所需的轉(zhuǎn)向變得很困難，同時(shí)浮角也迅速增加，但駕駛員還能將汽車(chē)保持在圓形車(chē)道內(nèi)行駛。到約98 km/h的車(chē)速時(shí)，未配備ESP 系統(tǒng)的汽車(chē)行駛變得不穩(wěn)定，汽車(chē)尾部甩出，駕駛員必須反轉(zhuǎn)向并駛出圓形車(chē)道。此述實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證，汽車(chē)轉(zhuǎn)向過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)極限車(chē)速，并且此極限車(chē)速隨附著系數(shù)和轉(zhuǎn)彎半徑的變化而變化。在上述實(shí)驗(yàn)中，汽車(chē)的極限車(chē)速為95 km/h。到98 km/h 時(shí)，汽車(chē)變得不穩(wěn)定，并且在不減速的情況下，通過(guò)駕駛技術(shù)已經(jīng)不能克服。

(2)配備ESP 系統(tǒng)的汽車(chē)

在配備ESP 系統(tǒng)的汽車(chē)車(chē)速到約95 km/h 時(shí)，其行駛性能與未配備ESP 系統(tǒng)的汽車(chē)在車(chē)速95 km/h 時(shí)的行駛性能完全一樣。駕駛員想進(jìn)一步提高車(chē)速已無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槠?chē)已處于穩(wěn)定的極限，ESP 系統(tǒng)利用發(fā)動(dòng)機(jī)干預(yù)限制汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

3.3 減小制動(dòng)距離

根據(jù)德國(guó)某數(shù)據(jù)庫(kù)的一項(xiàng)研究表明:由于驚慌等原因，在接近一半的事故中駕駛者未能用足夠的力量進(jìn)行制動(dòng)。但通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明制動(dòng)輔助系統(tǒng)允許普通駕駛者在以100 km/h 的行駛速度制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)距離平均縮短7.6 m，如果行駛速度為50 km/h，制動(dòng)距離將縮短0.7 m。但如果裝配了ESP 系統(tǒng)，那么同樣能夠達(dá)到制動(dòng)輔助系統(tǒng)的效果。ESP 系統(tǒng)裝配的制動(dòng)踏板位置傳感器能夠計(jì)算制動(dòng)踏板的位置和踩下制動(dòng)踏板的加速度，加速度很大表明需要緊急制動(dòng)，即開(kāi)始踩下制動(dòng)踏板時(shí)制動(dòng)力就必須達(dá)到最大值。如圖6 中所示，一旦傳感器收到制動(dòng)踏板被踩下的加速度很大的時(shí)候，ESP 便進(jìn)入干涉階段，迅速啟動(dòng)泵1，將閥7 和6 關(guān)閉，將閥5 打開(kāi)，使四個(gè)車(chē)輪的制動(dòng)力迅速達(dá)到最大值，并且依然能夠通過(guò)ABS 保證車(chē)輛不抱死。但是，若沒(méi)有ESP 作用，制動(dòng)力的上升隨著制動(dòng)踏板的行程的增加而增加，在車(chē)輪臨近抱死階段，制動(dòng)力達(dá)到最大值，在這種情況下將喪失寶貴的制動(dòng)時(shí)間。

4 結(jié)論

ESP 技術(shù)在系統(tǒng)上整合了ABS + EBD、ASR + MSR 系統(tǒng)，通過(guò)綜合整體控制實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)從低速起步到高速轉(zhuǎn)彎、正常行車(chē)及緊急制動(dòng)的安全性，ESP 系統(tǒng)在對(duì)汽車(chē)動(dòng)態(tài)性能控制方面有不可替代的重要作用。其技術(shù)價(jià)值逐漸被消費(fèi)者認(rèn)同，同時(shí)該系統(tǒng)的普及率也快速提升，目前在標(biāo)致408 車(chē)型已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)配置［4］。雖然普及率不斷提升，但從ESP 系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)而言，在技術(shù)上未見(jiàn)更大的突破，技術(shù)完善及普及已成為主流趨勢(shì)。

ESP 技術(shù)的發(fā)展受到以下幾個(gè)方面的制約:

(1)城市道路越來(lái)越擁擠、平均車(chē)速在逐年降低，ESP 的技術(shù)應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及混合動(dòng)力的應(yīng)用所帶來(lái)的直接效益。

(2)ESP 系統(tǒng)與以電機(jī)驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車(chē)尚沒(méi)有進(jìn)行匹配。

(3)智能控制的無(wú)人駕駛技術(shù)的出現(xiàn)將徹底改變ESP 的技術(shù)現(xiàn)狀。

【1】李巍.汽車(chē)ABS/BAS/DSC/ESP 系統(tǒng)維修實(shí)例精選及剖析［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997:12-40.

【2】BOSCH 公司.汽車(chē)安全性與舒適性系統(tǒng)［M］.魏春源，譯.北京:北京理工大學(xué)出版社，2007:78 -127.

【3】泛亞汽車(chē)技術(shù)中心.2009 林蔭大道維修手冊(cè)［Z］. 上海通用汽車(chē)有限公司，2009:755.

【4】ESP 從選配至標(biāo)配國(guó)內(nèi)力口緊步伐［J］.汽車(chē)零部件，2009(9):16.