電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)在重型卡車上的應(yīng)用

趙 陽，王衛(wèi)翼

（北京福田戴姆勒汽車有限公司，北京 101400）

1 車體運(yùn)動(dòng)分析

如圖1所示，車輛行駛過程中，車體的加速度可分解為縱向加速度（X軸方向）、橫向加速度（Y軸方向）、垂直加速度（Z軸方向）3個(gè)方面；車體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也分解為3個(gè)方面：繞Z軸的旋轉(zhuǎn)速率（偏航率），繞Y軸的旋轉(zhuǎn)速率（俯仰率），繞X軸的旋轉(zhuǎn)速率（翻滾率）。

2 基于ABS的ESC系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)電路

應(yīng)用具有ESC功能的ABS制動(dòng)系統(tǒng)電路如圖2所示，在具有ASR功能的ABS系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加橫擺角速率與側(cè)向加速度傳感器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器等來檢測車身穩(wěn)定狀況。通過增加前橋ASR電磁閥、掛車控制ABS電磁閥等執(zhí)行器來實(shí)現(xiàn)ESC干預(yù)過程中對單個(gè)或部分車輪實(shí)施制動(dòng)。

圖1 車體運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)

2.2 新增傳感器

2.2.1 橫向擺角與側(cè)向加速度傳感器

橫向擺角與側(cè)向加速度傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示，它安裝于前軸后的2～3m處，橫向位置在車輛中軸線±0.5m位置。

橫向擺角與側(cè)向加速度傳感器基于電容原理工作（圖4）。傳感元件是通過彈性軸支撐的一個(gè)慣性金屬盤，金屬盤彈性搭鐵與車體連接。

圖2 4S4M ABS/ESC 電控系統(tǒng)

當(dāng)車身繞垂直軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，彈性軸扭曲變形，慣性金屬盤相對車體逆向旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)量和車身旋轉(zhuǎn)角速率成正比；當(dāng)車輛過彎時(shí)，金屬盤在側(cè)向離心力（慣性力）作用下，克服彈性軸彈力，向轉(zhuǎn)彎方向的反向偏斜。慣性盤系統(tǒng)把復(fù)合運(yùn)動(dòng)解耦，金屬盤旋轉(zhuǎn)量和偏斜量改變了對應(yīng)的電容參數(shù)，經(jīng)過對兩組電容值變化信號(hào)加工與處理，便可計(jì)算出車輛橫擺角速率和側(cè)向加速度值。

圖3 橫向擺角與側(cè)向加速度傳感器

圖4 橫擺率與側(cè)向加速度傳感器測量原理

1）橫擺率測量原理：金屬盤分為圓盤和擺動(dòng)環(huán)兩部分，兩者之間通過4個(gè)彈性軸連在一起。擺動(dòng)環(huán)外緣分布著4個(gè)魚骨狀極板嵌入到靜電驅(qū)動(dòng)器的極板a和極板b間的凹槽中。所有a極板連在一起，所有的b極板也連在一起，這樣金屬盤M和全部極板a形成電容CMa，金屬盤M和全部極板b形成電容CMb。

車輛直行時(shí)，圓盤和擺動(dòng)環(huán)在彈性軸支撐下，4個(gè)魚骨狀極板位于極板a和極板b中間位置，此時(shí)CMa=CMb。

車輛左轉(zhuǎn)彎時(shí)，車體逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，由于慣性作用，擺動(dòng)環(huán)克服4個(gè)彈性軸彈力（圓盤與擺動(dòng)環(huán)之間的4個(gè)彈性軸產(chǎn)生彈性變形），相對于圓盤（車體）反向（即順時(shí)針）轉(zhuǎn)動(dòng)（轉(zhuǎn)動(dòng)量正比于車身偏轉(zhuǎn)角速率），結(jié)果使CMa減小，CMb增大，CMa＜CMb，依據(jù)兩者之差大小即可計(jì)算出橫擺率。

當(dāng)車身右轉(zhuǎn)時(shí)，擺動(dòng)環(huán)相對車體逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)果CMa＞CMb。

系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)計(jì)算出駕駛員預(yù)期橫擺率值，然后與橫向擺角與側(cè)向加速度傳感器測得的橫擺率進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)際橫擺率大于駕駛員預(yù)期值時(shí)，判定為轉(zhuǎn)向過度；當(dāng)實(shí)際橫擺率小于駕駛員預(yù)期值時(shí)判定為轉(zhuǎn)向不足。

2）側(cè)向加速度測量原理：車輛直行時(shí)，彈性軸不受側(cè)向彎矩作用，金屬盤M和下部2個(gè)半圓盤M1、M2間距離相等，電容也相等，即C1=C2。

車輛左轉(zhuǎn)彎時(shí)，圓盤受到離心力的作用克服中央彈性軸彈力偏向右側(cè)，結(jié)果C1和C2不再相等，C1＜C2；車輛右轉(zhuǎn)彎時(shí)，圓盤受到離心力的作用克服中央彈性軸彈力偏向左側(cè)，結(jié)果C1＞C2。C1和C2兩者差的大小與車體側(cè)向加速度成正比，通過C1和C2兩者之差即可計(jì)算出側(cè)向加速度值。

側(cè)向加速度信號(hào)用于防側(cè)翻控制。

2.2.2 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器

轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器結(jié)構(gòu)如圖5所示，它安裝在轉(zhuǎn)向盤下方的轉(zhuǎn)向管柱上，用于檢測轉(zhuǎn)向盤絕對角度，它為非接觸式角位移傳感器。通過對角位移信號(hào)進(jìn)行處理，即可計(jì)算出駕駛員預(yù)期的車身橫擺率。

圖5 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器

2.3 ESC功能

2.3.1 車行軌跡矯正

車輛在低附著路面高速過彎、變道、急拐時(shí)，車輪和地面之間更容易產(chǎn)生滑移。如果前輪滑移，則車輛會(huì)按著慣性方向直行，轉(zhuǎn)向角度會(huì)小于駕駛員預(yù)期（轉(zhuǎn)向不足）；如果后輪滑移，轉(zhuǎn)向角度會(huì)大于駕駛員預(yù)期（甩尾）。

1）轉(zhuǎn)向不足控制

如圖6所示，轉(zhuǎn)向不足的發(fā)生，系統(tǒng)通過對單側(cè)后輪進(jìn)行制動(dòng)干預(yù)來矯正車行軌跡。右轉(zhuǎn)向發(fā)生轉(zhuǎn)向不足傾向時(shí)，ESC系統(tǒng)通過制動(dòng)右后輪，使車體受到順時(shí)針方向轉(zhuǎn)矩作用，來完成車行軌跡矯正。左轉(zhuǎn)彎發(fā)生轉(zhuǎn)向不足時(shí)，則制動(dòng)左后輪。

圖6 轉(zhuǎn)向不足的矯正

2）轉(zhuǎn)向過度控制

如圖7所示，轉(zhuǎn)向過度發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)通過對前輪進(jìn)行制動(dòng)干預(yù)來矯正車行軌跡。右轉(zhuǎn)彎發(fā)生轉(zhuǎn)向過度時(shí)，通過對左前輪實(shí)施制動(dòng)，使車體受到逆時(shí)針轉(zhuǎn)矩作用，抑制車輛甩尾、失控；左轉(zhuǎn)彎發(fā)生轉(zhuǎn)向過度時(shí)，則制動(dòng)右前輪。半掛列車發(fā)生轉(zhuǎn)向過度時(shí)，除了對主車前輪實(shí)施制動(dòng)外，還對掛車實(shí)施全輪制動(dòng)，掛車制動(dòng)起到了“拉伸”效果（即拖拽制動(dòng)），有效抑制主、掛車間“折合”等失控情況的發(fā)生。

圖7 轉(zhuǎn)向過度的矯正

2.3.2 防側(cè)翻控制

在高附著系數(shù)路面，車輛急拐或高速過彎時(shí)，更容易發(fā)生側(cè)翻。當(dāng)車輪所受側(cè)向力超過一定限值時(shí)，車身就會(huì)發(fā)生傾覆。側(cè)向力大小和側(cè)向加速度絕對值成正比，而側(cè)向加速度和車速及轉(zhuǎn)向角速率成正比。系統(tǒng)通過側(cè)向加速度傳感器信號(hào)計(jì)算側(cè)向力大小，判斷側(cè)翻傾向存在時(shí)，實(shí)施防側(cè)翻控制策略。

系統(tǒng)通過限制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和實(shí)施制動(dòng)來抑制側(cè)翻的發(fā)生。側(cè)翻抑制時(shí)制動(dòng)的車輪包括主車全部驅(qū)動(dòng)輪和掛車所有車輪。

制動(dòng)的結(jié)果使車輪縱向滑移率增大，輪胎與地面之間橫向摩擦系數(shù)下降，輪胎所受側(cè)向力隨之減小。縱向滑移率和輪胎側(cè)向力的關(guān)系如圖8所示。

圖8 縱向滑移率與輪胎側(cè)向力的關(guān)系

通過制動(dòng)力控制，滑移率被控制在理想的范圍內(nèi)，此時(shí)車輪會(huì)有輕微側(cè)向滑移，輪胎側(cè)向力大幅下降，側(cè)翻傾向被有效抑制。如圖9所示。

圖9 輪胎側(cè)向輕微滑動(dòng)導(dǎo)致側(cè)向力減小

3 結(jié)束語

重型卡車車型因整車重心高，質(zhì)量大，更容易出現(xiàn)車輛失穩(wěn)、側(cè)翻等情況，同時(shí)由于車輛長度長、整車總質(zhì)量大等原因，其失穩(wěn)或側(cè)翻的事故危害性更大。通過重型卡車的電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)ESC，能夠顯著提升車輛的主動(dòng)安全性能，增加車輛的穩(wěn)定性，有效降低車輛失穩(wěn)或側(cè)翻發(fā)生的概率，對保障道路交通安全具有重要意義。