汽車的不穩定行駛與ESP的應用

何志雄

（廣東交通職業技術學院，廣東 廣州 510650）

1 概述

ABS（防抱死制動系統）能有效地防止車輪抱死，可以避免汽車在緊急制動時產生的失控現象；ASR（防滑控制系統，又稱為牽引力控制系統--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，維持汽車良好的穩定性和操控性。

但是，ABS和ASR都無法解決汽車高速行駛和轉彎時產生的車輪側滑問題，從而往往會引發出汽車行駛的不穩定性和失控現象。

車輪的滑移與輪胎的轉向特性關系極大，圖1為輪胎的轉向特性曲線，它給出了不同路面，輪胎所受的側向力與側偏角的關系。

圖1 輪胎轉向特性曲線

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

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

圖2 前輪側滑的后果

圖3 后輪側滑的后果

2 ESP的作用

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

ESP是近年來在ABS和ASR的基礎上發展起來的一種新型機電一體化的主動安全控制系統。它的作用是通常以每秒25次的頻率，監控汽車的行駛狀態，當汽車在轉彎或緊急避讓障礙物的過程中，一旦出現前輪側滑或后輪甩尾的失控狀態時，能主動地進行干預，按預先設定的程序自動地對車輪產生制動作用，糾正汽車航向的偏離，或減小發動機的輸出動力，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對汽車的轉向特性特別敏感，能夠迅速識別出前輪側滑或后輪甩尾的危險情況，并且反應快如閃電，精確地自動采用制動方式進行干預，有效地避免了事故的發生。

3 電子穩定程序控制系統的組成

ESP與其他電子控制系統一樣，由各種傳感器、ESP ECU和ESP執行器三部分組成。

（1）傳感器。ESP的傳感器主要包括光電式的轉向盤轉角傳感器、陀螺儀結構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和控制程序，接受各種傳感器送來的信號，經過計算處理和分析，一旦發現有差異時，便向執行器發出程序糾偏指令。

（3）ESP執行器。由于ESP是在ABS和ASR的基礎上發展起來的，因此它與ABS和ASR（涉及發動機的電噴系統）共用一套執行器。例如通過ABS的制動壓力調節器來調節各車輪的制動力；通過ASR來控制發動機的動力輸出。

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據處理，監控汽車的行駛狀態。例如通過轉向盤轉角傳感器信號便能掌握駕駛員的轉向意圖、通過車身航向角傳感器檢測汽車航向的變化、通過各種車輪轉速傳感器檢測車輪的轉速和計算其滑移率。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定的范圍上來，一旦發現有差異時，便立即按照設定的控制程序發出糾偏指令，再通過ABS和ASR的協調工作，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，確保汽車高速或轉彎的穩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一旦通過車輪轉速傳感器檢測到某個或全部車輪滑移率大于某設定值時，便立即通過ASR向發動機ECU發出減小噴油量的指令，降低發動機的動力輸出，使驅動輪不再打滑。

（2）前輪側滑的糾偏。當汽車高速轉彎產生前輪側滑時，ESP ECU便首先通過ASR向發動機ECU發出減小噴油量的指令，降低發動機的動力輸出，并采用反向平衡的原理，同時向ABS ECU發出先制動內后輪的糾偏指令，使車身得到向內轉的運動，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滑，汽車便按照駕駛員的意圖，回復到正確的軌道上來。[2]

（3）后輪甩尾的糾偏。當汽車轉彎產生后輪甩尾時，ESP ECU同樣采用反向平衡原理，首先通過ASR向發動機ECU發出減小噴油量的指令，降低發動機的動力輸出，并同時向ABS ECU發出先制動外前輪的糾偏指令，使車身得到向外轉的運動，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，回復到正確的軌道上來。

5 ESP的應用前景

隨著汽車工業的發展，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，但是它所涉及的傳感器和執行器都是一些比較成熟的元件，關鍵在于ESP ECU的研發（包括程序編程和其他ECU的匹配）和元器件的可靠性問題。

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

ESP的研發對提升國產轎車的檔次具有極為重要的作用，數千元的投入，可產生數萬元的附加值，前景非常廣闊，值得廣大汽車生產廠家給予關注。相信，隨著消費者安全意識的進一步加強，ESP技術的日臻完善，ESP會成為國內更多車型的標配置。

[1]姜立標.現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.汽車底盤構造與維修[M].北京：電子工業出版社，2008.