純電動牽引車ESC試驗側(cè)翻穩(wěn)定性研究分析

張文 顏為光

摘要：針對某款純電動牽引車ESC性能試驗時輪胎出現(xiàn)離地現(xiàn)象，與該車型燃油版本的試驗結(jié)果進(jìn)行了對比分析，建立了力學(xué)模型對車輛側(cè)翻和側(cè)滑的發(fā)生條件進(jìn)行分析。結(jié)果表明，牽引車在緊急轉(zhuǎn)向時發(fā)生側(cè)翻的可能性比發(fā)生側(cè)滑的可能性更大，純電動牽引車相比于燃油版車型發(fā)生側(cè)翻的極限車速更低。研究結(jié)果為牽引車ESC系統(tǒng)設(shè)計提供了參考。

關(guān)鍵詞：純電動牽引車;ESC系統(tǒng);側(cè)翻;極限車速

中圖分類號：U469.51

收稿日期：2021-12-12

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.03.010

1前言

隨著汽車的日益普及，汽車漸漸成為生活中不可缺少的一部分。汽車不僅要滿足日常出行的需求，還要能夠為出行保障安全。汽車行駛的安全性一直都是汽車生產(chǎn)廠家研究的重點課題。所有車輛事故中，車輛側(cè)翻和側(cè)滑事故導(dǎo)致的車內(nèi)乘員死亡比例高達(dá)39%，為了提升汽車行駛的側(cè)向穩(wěn)定性，博世公司在1995年發(fā)布了新型主動安全系統(tǒng)，即電子穩(wěn)定性程序（ESP）。根據(jù)美國公路交通安全管理局（NHTSA）對美國國內(nèi)汽車事故的調(diào)查報告，發(fā)現(xiàn)電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（ESC），能夠減少28%～36%的側(cè)滑和側(cè)翻事故。因此，如何提升車輛電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（ESC）的安全性和可靠性，已經(jīng)成汽車行業(yè)研究的重點。

2ESC控制原理及試驗方法介紹

2.1ESC控制原理

ESC由車載控制單元（ECU）、液壓執(zhí)行機構(gòu)以及車輛狀態(tài)傳感器等部件組成。在車輛轉(zhuǎn)向時，ECU通過傳感器采集駕駛員操縱車輛的信息（方向盤轉(zhuǎn)動角度、加速踏板開度以及制動系油壓）和車輛運動時的車身姿態(tài)信息（橫擺角速度和側(cè)向加速度），來分析駕駛員期望的車輛行駛狀態(tài)和估算轉(zhuǎn)向時實際的車輛行駛狀態(tài);對比兩種行駛狀態(tài)之間的偏差，若超過ESC給定的偏差范圍，

ESC按照設(shè)定的控制策略，對各個車輪的制動力以及發(fā)動機功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過差動制動產(chǎn)生的橫擺力矩來控制車輛轉(zhuǎn)向時的運動狀態(tài)，使車輛運動軌跡盡可能與期望軌跡重合），從而保障車輛在超車、避障、轉(zhuǎn)彎等工況下的行駛穩(wěn)定性和安全性。

2.2ESC試驗方法

ESC的主要功能就是保證車輛的路徑跟蹤性和側(cè)傾穩(wěn)定性。對ESC功能的測試方法分為兩類：a.測試ESC對車輛行駛路徑的控制，即車輛行駛路徑控制類;b.測試ESC對車輛車身姿態(tài)控制，即方向盤轉(zhuǎn)角控制類。

車輛行駛路徑控制類試驗項目有單移線試驗、雙移線試驗、定圓試驗、FMVSS136的J-turn試驗、彎道加速試驗、高速彎道制動試驗、彎道變道試驗、轉(zhuǎn)向半徑減少試驗等。這類試驗的測試方法一般是，固定車輛行駛路徑，逐次提高試驗車速，檢驗ESC系統(tǒng)能否在車輛高速轉(zhuǎn)向時保證車輛行駛軌跡的穩(wěn)定性。通過駕駛員操縱車輛的主觀感受確定車輛駕駛極限，駕駛員對比ESC開啟和關(guān)閉模式下車輛行駛狀態(tài)，來評價ESC的性能。這類試驗對場地和設(shè)備要求相對較低，但對駕駛員駕駛技術(shù)要求高、重復(fù)性差。

方向盤轉(zhuǎn)角控制類試驗項目包括轉(zhuǎn)向盤脈沖輸入、階躍輸入（燈-轉(zhuǎn)向）、“魚鉤”試驗、梯形輸入、調(diào)幅梯形輸入、正弦輸入、半正弦輸入、正弦停滯、正弦調(diào)頻調(diào)幅試驗、閉合轉(zhuǎn)向試驗、線性停滯試驗、慢增量轉(zhuǎn)向、正弦掃描等試驗項目。這類試驗的測試方法一般是，固定試驗車速，逐次提高方向盤轉(zhuǎn)角幅度，檢驗車輛在行駛時大幅度轉(zhuǎn)動方向盤，ESC系統(tǒng)能否保證車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性。這類試驗對方向盤的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速控制精度要求極高，試驗時借助高性能的轉(zhuǎn)向機器人轉(zhuǎn)動方向盤，通過試驗數(shù)據(jù)定量評價ESC的性能，試驗重復(fù)性好，但對場地和設(shè)備要求相對較高，試驗流程相對復(fù)雜。

2.3ESC性能要求

2015年10月FMVSS136《重型車電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布），采用的試驗方法為轉(zhuǎn)向試驗，試驗路徑是一個半徑為150ft（45.7m）、角度為120的圓弧，如圖1所示。評價ESC性能的指標(biāo)為發(fā)動機扭矩和通過車速。發(fā)動機扭矩控制要求為：車輛進(jìn)入彎道后，至少有連續(xù)0.5s的時間，發(fā)動機輸出扭矩與駕駛員需求扭矩相比至少降低10%，且車輛必須位于車道線內(nèi)。防側(cè)翻控制要求為：車輛進(jìn)入彎道后3s時刻，車速不應(yīng)超過47km/h，車輛進(jìn)入彎道后4s時刻，車速不應(yīng)超過45km/h，且車輛必須位于車道線內(nèi)。

3ESC試驗與對比

3.1ESC試驗設(shè)備及試驗條件

ESC主要測試設(shè)備有ABDSR150轉(zhuǎn)向機器人、DEWEsoftX3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、OxTSRT3000高精度慣性導(dǎo)航和RTbasez基站，如圖2所示。

ABDSR150轉(zhuǎn)向機器人用于設(shè)定ESC試驗路徑，并按照設(shè)定的路徑控制試驗車輛方向盤的轉(zhuǎn)動，保證試驗的重復(fù)性。DEWEsoftX3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于實時采集車輛、高精度慣性導(dǎo)航和制動氣室壓力等的信息。OxTSRT3000高精度慣性導(dǎo)航用于測量試驗車輛的車速、側(cè)向加速度、橫擺角速度等參數(shù)。RTbase基站用于增加高精度慣性導(dǎo)航的衛(wèi)星數(shù)，提升其測量精度。

測試場地要求為直徑300的動態(tài)廣場，路面峰值附著系數(shù)0.92，單一坡度且坡度不大于1%。

試驗車輛要求配置防翻架，制動氣室安裝氣壓傳感器，并在滿載狀態(tài)下進(jìn)行試驗。

3.2ESC試驗對比

按照FMVSS136標(biāo)準(zhǔn)，對純電動牽引汽車進(jìn)行防側(cè)翻控制能力測試（圖3）。試驗車輛以56km/h的速度進(jìn)入左轉(zhuǎn)彎道后（逆時針方向），左后輪組離開地面，車輛側(cè)傾明顯。而燃油版車型在相同的試驗條件下未出現(xiàn)這種情況。

對比該車型燃油版本的試驗，兩車在試驗中的行駛路徑和轉(zhuǎn)向速度均一致。選擇兩車入彎速度相同的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比（圖4），在試驗過程中，兩車的側(cè)向加速度和橫擺角速度變化趨勢一致，從入彎后開始增大，到ESC系統(tǒng)起作用后減小，且兩車的側(cè)向加速度在數(shù)值上基本相等，而純電動車型相比于燃油版車型，橫擺角速度變化幅度更大，變化速率更快。

3.3車輛結(jié)構(gòu)對比

對比該車型純電動版本和燃油版本的車身結(jié)構(gòu)參數(shù)（表1）。純電動車型車身長度和軸距相對更長，滿載質(zhì)心高度更高。

在對兩車的實車結(jié)構(gòu)測量和對比時發(fā)現(xiàn)，純電動車型增加了第一二軸的軸距，這部分空間用于安裝動力電池模組。動力電池模組安裝在駕駛室后部的車架上，導(dǎo)致車輛質(zhì)心增高。

4試驗車輛側(cè)翻與側(cè)滑分析

本節(jié)對純電動車型試驗時，車身出現(xiàn)的明顯側(cè)傾的原因和試驗過程中存在的風(fēng)險進(jìn)行分析。

4.1側(cè)翻分析

假定試驗車輛進(jìn)入彎道后為穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向，在ESC系統(tǒng)未開始工作前，取某一時刻進(jìn)行受力分析，為了便于分析，將試驗車輛簡化為一個“剛性汽車”，即不考慮轉(zhuǎn)向時懸架與輪胎的形變所帶來的影響，剛性汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向模型如圖3所示。試驗路面為平坦的動態(tài)廣場，側(cè)向坡道角很小，即sinB≈B，cos3≈1于是有：

式中，m為總質(zhì)量，kg;a，為側(cè)向加速度，m/s2;B為側(cè)向坡道角;g為重力加速度，m/s2;B為輪距，mm;h為質(zhì)心高度，mm;F為地面對車輪的垂直力，N;F為地面對車輪的側(cè)向力，N。

由式（2）可知，隨著側(cè)向加速度a的增大，F(xiàn)，逐漸減小。當(dāng)F，減小到零時，試驗車輛不能保持平衡，從而開始側(cè)翻，由此可以得到側(cè)翻時刻的加速度閾值：

因此可以通過試驗車輛的輪距B和質(zhì)心高度h來初步預(yù)估其轉(zhuǎn)向時的抗側(cè)翻能力，但由于沒有考慮輪胎和懸架的彈性，所以預(yù)估側(cè)翻時刻的加速度閾值比實際值大。

純電動車型的質(zhì)心高度遠(yuǎn)高于燃油版車型，所以在相同的側(cè)向加速度下，純電動車型更容易側(cè)翻。

側(cè)翻時刻的加速度閾值α，由入彎時不發(fā)生側(cè)翻的極限車速v和試驗彎道半徑?jīng)Q定：

由于試驗時路面水平，坡度角可以忽略不計，可以得到發(fā)生側(cè)翻的車速閾值：

式中，vmax為不發(fā)生側(cè)翻的極限車速，m/s;umax為不發(fā)生側(cè)翻的極限車速，km/h;R為彎道的曲率半徑，m。

4.2側(cè)滑分析

試驗車輛在入彎后，車輛的側(cè)向力由地面上產(chǎn)生的側(cè)向反作用力F提供，則有：

由式（4）和式（5），可以得到發(fā)生側(cè)滑的車速閾值：

式中，p為附著系數(shù)。

由式（6）和式（8）可知，在分析轉(zhuǎn)向時側(cè)滑和側(cè)翻發(fā)生的先后順序，只需要比較0和B/2h的大小。

在良好道路情況下，牽引車輪胎的附著系數(shù)0一般為0.78～0.88，牽引車常見的輪距B為1.78～2.08m，滿載質(zhì)心高度h為1.54～2.16m，牽引車發(fā)生側(cè)翻的車速閾值更小，在車速未達(dá)到側(cè)滑閾值時，已開始側(cè)翻。

4.3試驗分析

試驗車輛在進(jìn)行ESC試驗時，首先需要不斷提高進(jìn)入彎道的試驗車速，以確定ESC系統(tǒng)起作用時的初始車速，然后以1.3倍的該車速進(jìn)行防側(cè)翻控制能力測試。由于試驗車輛發(fā)生側(cè)翻比發(fā)生側(cè)滑的車速閾值更小，車輛緊急轉(zhuǎn)向時更易發(fā)生側(cè)翻。在對比燃油版車型和純電動版車型ESC試驗結(jié)果時可以發(fā)現(xiàn)，兩車在試驗過程中側(cè)向加速度基本相同，這是由于兩車入彎時車速相等，行駛路徑一致，因此兩車在轉(zhuǎn)向過程中側(cè)向加速度數(shù)值和變化相同。EC系統(tǒng)工作后，側(cè)向加速度變化也相同，說明兩車ESC系統(tǒng)的控制策略基本一致，即通過監(jiān)測車輛側(cè)向加速度是否達(dá)到設(shè)定閾值，來控制ESC系統(tǒng)是否開始工作。試驗結(jié)果表明，兩車設(shè)定的側(cè)向加速度閾值相同，但由于純電動車型質(zhì)心更高，發(fā)生側(cè)翻時的側(cè)向加速閾值更小，所以在轉(zhuǎn)向時，出現(xiàn)了明顯側(cè)傾和左后輪組離開地面的情況，而燃油車型未出現(xiàn)上述情況，因此該設(shè)定更符合燃油車型的實際情況。

5結(jié)語

本文主要針對牽引車純電動車型在ESC試驗過程中出現(xiàn)的異常側(cè)傾情況并從力學(xué)的角度展開研究。對比分析了純電動車型和燃油車型的試驗數(shù)據(jù)和車輛結(jié)構(gòu)，對轉(zhuǎn)向時刻的試驗車輛建立了轉(zhuǎn)向力學(xué)模型，研究結(jié)果表明：a.牽引車在緊急轉(zhuǎn)向時發(fā)生側(cè)翻的可能性相比于發(fā)生側(cè)滑的可能性更大;b.純電動車型相比于燃油版車型發(fā)生側(cè)翻的極限車速更低。

本文為企業(yè)在進(jìn)行牽引車ESC系統(tǒng)設(shè)計時，提高車輛穩(wěn)定性提供了一定參考。在設(shè)計ESC系統(tǒng)時，應(yīng)重點考慮防止車輛發(fā)生側(cè)翻的風(fēng)險，同時設(shè)計不同動力版本的同一車型時，可以針對車輛結(jié)構(gòu)變化，合理制定不同的側(cè)向加速度閾值，從而有效降低ESC系統(tǒng)工作時發(fā)生側(cè)翻的可能性。

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作者簡介：

張文，男，1995年生，助理工程師，研究方向為事整車檢測認(rèn)證和試驗評價。