ESC系統(tǒng)在客車上的應(yīng)用

李葉中

摘 要：本文簡(jiǎn)要介紹了ESC系統(tǒng)用途，并對(duì)ESC系統(tǒng)在客車應(yīng)用進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：ESC；客車；附著系數(shù)；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U461.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

車身電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)，全稱Electronic Stability Control，簡(jiǎn)稱ESC，ESC系統(tǒng)能夠在幾毫秒的時(shí)間內(nèi)，識(shí)別出汽車不穩(wěn)定的行駛趨勢(shì)，并及時(shí)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)做出響應(yīng)，使車輛趨于穩(wěn)定，防止跑偏、甩尾、側(cè)翻。研究表明，ESC可減少高達(dá)80%的側(cè)滑事故，美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局公布采用電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)，可以減少67%的單次車輛撞擊和64%得致命車輛撞擊。ESC系統(tǒng)作為整車主動(dòng)安全電控產(chǎn)品，目前已在轎車逐步普及。但在客車上采用ESC才剛開始起步?？蛙囎鳛檩d人運(yùn)輸工具，更有必要配置。

車輛制動(dòng)系統(tǒng)主要分為兩類：液壓制動(dòng)系統(tǒng)和氣壓制動(dòng)系統(tǒng)。本文介紹了液壓制動(dòng)ESC系統(tǒng)在客車上的實(shí)際應(yīng)用，采用的是蕪湖一家公司研制的整體式、四通道ESC系統(tǒng)，即：有4個(gè)輪速傳感器，在通往4個(gè)車輪制動(dòng)分泵的管路中，各設(shè)1個(gè)制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器，分別進(jìn)行獨(dú)立控制形式。

1 ESC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

ESC系統(tǒng)由電子控制單元（ECU）、液壓控制單元、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、常規(guī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)（真空助力器、主缸、制動(dòng)管路、制動(dòng)分泵）、轉(zhuǎn)向角度傳感器、車輪輪速傳感器、側(cè)向加速度傳感器、橫擺角傳感器以及ESC開關(guān)、指示燈等部件組成。其中電子控制單元（ECU）、液壓調(diào)節(jié)總成是集成為一體，側(cè)向加速度傳感器、橫擺角傳感器集成在慣量傳感器（IMU）中。

其系統(tǒng)主要部件如圖1所示。

2 ESC系統(tǒng)工作原理

該電子穩(wěn)定系統(tǒng)，擁有ABS（防抱死剎車系統(tǒng)）、EBD（電子制動(dòng)力分配）、TCS（牽引力控制系統(tǒng)）、ESC（車身電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)）功能，通過(guò)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。

車身電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)用于在高速轉(zhuǎn)彎或在濕滑路面上行駛時(shí)提供最佳的車輛穩(wěn)定性和方向控制，通過(guò)主動(dòng)干預(yù)危險(xiǎn)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛平穩(wěn)行駛，其工作簡(jiǎn)要原理圖如圖2所示。側(cè)向加速度和橫擺角傳感器信息通過(guò)專用的IMU CAN線實(shí)時(shí)傳遞，方向盤轉(zhuǎn)角信息、發(fā)動(dòng)機(jī)信息等信息通過(guò)CAN（Controller Aea Network）線實(shí)時(shí)傳遞。電子控制單元持續(xù)檢測(cè)并判斷的輸入信號(hào)有：電源電壓、車輪速度、方向盤轉(zhuǎn)角、側(cè)向加速度、橫擺角度、制動(dòng)開關(guān)通斷、油門開度等信號(hào)。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，算出車身狀態(tài)，再與ECU存儲(chǔ)器里面預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。當(dāng)ECU計(jì)算數(shù)據(jù)超出存儲(chǔ)器預(yù)存的數(shù)值，即車身臨近失控或者已經(jīng)失控的時(shí)候則命令液壓調(diào)節(jié)器和發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)工作，實(shí)施車輪制動(dòng)和限制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，使車輪滑移率和驅(qū)動(dòng)滑移率控制在穩(wěn)定區(qū)范圍內(nèi)，增大車輪附著系統(tǒng)，消除側(cè)滑，從而保證車輛能夠穩(wěn)定行使。

3 ESC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)車基本狀態(tài)：7m車、發(fā)動(dòng)機(jī)前置、前盤后鼓液壓制動(dòng)、后輪驅(qū)動(dòng)、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、整備質(zhì)量4100kg、12V電壓系統(tǒng)。根據(jù)我公司提供的樣車制動(dòng)、動(dòng)力傳動(dòng)、轉(zhuǎn)向、車身等系統(tǒng)參數(shù)，蕪湖公司進(jìn)行ESC系統(tǒng)總成設(shè)計(jì)、模型建立、軟件仿真、硬件在環(huán)仿真、系統(tǒng)仿真分析。同時(shí)我公司根據(jù)ESC系統(tǒng)各個(gè)零件特點(diǎn)和要求，進(jìn)行整車匹配設(shè)計(jì)，重點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)角傳感器安裝設(shè)計(jì)、IMU安裝設(shè)計(jì)、電器線路設(shè)計(jì)、ESC總成和常規(guī)液壓制動(dòng)設(shè)計(jì)。

3.1 輪速傳感器

輪速傳感器和脈沖環(huán)即為ESC系統(tǒng)的“感知器”。脈沖環(huán)（齒圈）隨車輪一起旋轉(zhuǎn)，傳感器測(cè)量車輛運(yùn)動(dòng)情況并產(chǎn)生與輪速相應(yīng)的感應(yīng)信號(hào)（電壓），實(shí)時(shí)傳送至控制單元（ECU）， ECU根據(jù)這些信號(hào)分別計(jì)算出車速和輪速。該車前后輪都采用80齒磁脈沖環(huán)，前輪采用主動(dòng)式主動(dòng)傳感器、后輪采用被動(dòng)傳感器。裝配后檢測(cè)齒面的跳動(dòng)公差應(yīng)小于0.1mm，齒圈的旋轉(zhuǎn)中心必須與輪轂的旋轉(zhuǎn)軸心同心，其公差應(yīng)小于0.1mm。傳感器與齒面的間隙自然形成小于0.7mm。

3.2 轉(zhuǎn)向角度傳感器

方向盤轉(zhuǎn)向角度傳感器安裝在方向盤下方。采用的角度傳感器角度測(cè)量范圍：±780°、角度分辨率：0.0625°、角速度分辨率：4°/s。角度傳感器將方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息通過(guò)CAN線實(shí)時(shí)傳輸，電子控制單元（ECU）采集這些信息計(jì)算出駕駛員所要求的方向。角度傳感器安裝設(shè)計(jì)需要保證角度傳感器與周邊相鄰件必須保持3mm間距，不能出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉。

3.3 慣量傳感器（IMU）

慣量傳感器（IMU）集成了側(cè)向加速度傳感器和橫擺角傳感器，閉環(huán)信號(hào)處理，16位高精度數(shù)字信號(hào)輸出。慣量傳感器根據(jù)車輛繞其縱軸的旋轉(zhuǎn)角度和側(cè)向加速度輸出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)專用的IMU CAN總線進(jìn)行傳輸，計(jì)算出車輛的實(shí)際行駛狀態(tài)。慣量傳感器安裝在車輛空載時(shí)重心位置。

3.4 液壓調(diào)節(jié)器

液壓調(diào)節(jié)器內(nèi)部集成了閥體、電機(jī)、液壓泵、4個(gè)常開電磁閥、4個(gè)常閉電磁閥、低壓蓄油器，外部?jī)陕份斎胗吐方涌?、四路輸出油路接口。該系統(tǒng)采用四通道設(shè)計(jì)，四個(gè)車輪單獨(dú)控制。汽車在正常行駛時(shí)無(wú)信號(hào)輸入調(diào)節(jié)器電磁閥，此時(shí)調(diào)節(jié)器處于常通狀態(tài)（常規(guī)制動(dòng)）。緊急情況時(shí)，調(diào)節(jié)器電磁閥會(huì)根據(jù)電子控制單元所發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行閉合、開啟，自動(dòng)調(diào)節(jié)制動(dòng)輪缸的壓力使之增壓、減壓、保壓狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)壓力的保持、釋放、增加，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)車輪制動(dòng)力控制。制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器串接在制動(dòng)主缸與輪缸之間。

3.5 電子控制單元（ECU）

電子控制單元（ECU）通過(guò)CAN線、IMU CAN線、車輪輪速等線路連接，采集信號(hào)、處理信號(hào)、輸出控制信號(hào)，是ESC的控制中心。它與液壓控制單元集成在一起構(gòu)成一個(gè)總成。

4 整車ESC系統(tǒng)標(biāo)定

該車安裝、調(diào)試好，對(duì)ESC系統(tǒng)進(jìn)行初步靜態(tài)和動(dòng)態(tài)標(biāo)定，然后分別在試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行冬季和夏季標(biāo)定。由于ESC是在極限行駛工況下控制車輛穩(wěn)定性，測(cè)試是非常危險(xiǎn)的過(guò)程，因此要在測(cè)試前加裝防護(hù)梁。按國(guó)標(biāo)GB13594-2003《機(jī)動(dòng)車和掛車防抱制動(dòng)性能和試驗(yàn)方法》要求進(jìn)行ABS試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行 雪面ESC雙變道、單變道試驗(yàn)、S型繞障礙、直線ESC試驗(yàn)、30米環(huán)道ESC試驗(yàn)、操穩(wěn)ESC試驗(yàn)、蛇形繞樁ESC試驗(yàn)、變線ESC試驗(yàn)，各項(xiàng)試驗(yàn)都做了ESC工作和不工作對(duì)比，并進(jìn)行錄像。ESC工作時(shí)操穩(wěn)性能更好。

如該車在有ESC控制時(shí)，30m環(huán)道試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩受到抑制，車速穩(wěn)定在42km/h，方向盤轉(zhuǎn)角恒定不變，車輛極其穩(wěn)定的沿著30m半徑的圓周運(yùn)動(dòng)，輪胎沒(méi)有受到明顯的磨損。沒(méi)有ESC控制時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩不受抑制，車速在45～50km/h之間變動(dòng)，方向盤轉(zhuǎn)角隨著路面的起伏而不停的調(diào)整，車輛不穩(wěn)定的沿著30米半徑的圓周運(yùn)動(dòng)，輪胎受到非常嚴(yán)重的磨損，乘員感到很不舒服。ESC工作時(shí)，蛇形繞樁、變線能順利完成，否則不能完成。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)該車的ESC系統(tǒng)匹配、搭載、試驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期效果，整車控制能力有較大提升，能夠使車輛在特殊工況（濕滑路面、冰雪路面、急轉(zhuǎn)彎、不同附著系統(tǒng)路面等）保持穩(wěn)定行駛。它是一種主動(dòng)安全系統(tǒng)，能夠探測(cè)和分析車況并糾正駕駛的錯(cuò)誤，最大限度地保證汽車不跑偏、不甩尾、不側(cè)翻，減輕了駕駛員負(fù)擔(dān)。ESC系統(tǒng)在客車使用將是趨勢(shì)，歐盟ECE-R13標(biāo)準(zhǔn)要求從2014年11月1日開始，所有在歐盟范圍內(nèi)銷售的新車都必須配置車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)。ESC系統(tǒng)法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、認(rèn)證體系需要相關(guān)部門制定，為批量采用ESC系統(tǒng)提供法律依據(jù)。

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