ESP 系統的發展及應用

徐濤

(武漢交通職業學院，湖北武漢430065)

1 ESP 系統簡介

1.1 ESP 系統概念

電子穩定性程序(ESP)是改善汽車行駛性能的一種控制系統。該控制系統分成兩個系統:一個系統在制動系統中;另一個系統在驅動傳動系統中。利用與ABS 系統一起的綜合控制可防止汽車在制動時車輪抱死;利用ASR 系統可阻止汽車在起步時驅動輪滑轉(空轉)。只要汽車在行駛時不超出物理極限，ESP 是兼有防止汽車轉向時滑移、不穩定和側向駛出車道的綜合系統［1］。

1.2 ESP 系統的優點

ESP 系統可在以下幾個方面改善汽車行駛安全性:

(1)擴大了汽車行駛穩定性范圍。在汽車的各種行駛狀況下，如全制動、部分制動、車輪空轉、驅動、滑行和負載變化，仍可保持汽車在車道中行駛。

(2)擴大了汽車在極端情況時的行駛穩定性，如在恐懼和驚恐時要求的特別的轉向技巧，從而降低了汽車橫甩的危險。

(3)在各種路況下，通過ABS、ASR 系統和發動機倒拖轉矩控制MSR (在發動機制動力矩過高時可自動提高發動機轉速)，還可進一步利用輪胎與路面間的附著潛力。從而可縮短制動距離、增大牽引力、改善汽車的操控性和行駛穩定性［2］。

2 ESP 系統的組成

ESP 系統的發展過程如圖1 所示，它是在4 個控制系統的基礎上進行進一步的功能綜合升級而形成的，這4 個控制系統分別是ABS (防車輪抱死系統)、REF (制動力電子分配系統，也簡稱EBD)、ASR (驅動輪防滑系統)、MSR (發動機制動防滑系統)。但是ESP 系統又不是這4 個系統的功能簡單疊加，而是整體綜合控制，并且增加了若干部件和1 個ESP 控制系統，它使這4 個系統的優勢充分發揮利用，從而獲得對車輛進行更高效精準的動態控制效果。

2.1 ABS 組件

ABS 如圖2 所示，對于每個制動輪缸的控制只有兩個電磁閥，能夠防止汽車車輪抱死，從而防止出現抱死甩尾和前輪失去轉向。在增加了EBD 系統的ABS 系統中，ABS 能夠保障前后軸的制動力合理分配，并能夠依據地面附著力的變化使車輪制動力達到最大值，且能夠避免車輪抱死。但ABS+EBD 系統不能實現對汽車不足轉向和過渡轉向的動態調整，并且實現最短距離制動，必須將制動踏板迅速踩至最大行程。所以ABS +EBD 系統存在固有缺點。

2.2 ASR 組件

制動時防抱死制動系統(ABS)可降低車輪輪缸的制動壓力防止車輪抱死。那么，在汽車驅動時驅動防滑轉控制(ASR)可降低各個驅動輪上的驅動力矩，以防止車輪滑轉或空轉。ASR 是汽車在驅動狀態下的ABS 的擴展。除了在加速時保證汽車的穩定性和可操控性以提高安全性外，ASR 還可調整“最佳的”滑轉率改善汽車的牽引性。

ASR 可以解決驅動輪兩側附著力不相等的情況，從而避免附著力較大一側車輪失去驅動力;可以避免由于車輪滑動而失去側向附著力;可以實現最佳的車輪滑移率從而保證牽引力最大。ASR 控制可以采用ABS 來實現，通過對部分車輪的制動即可防止車輪滑移，但是在增加發動機制動防滑系統MSR 后，發動機通過減小輸出轉矩或者對傳動系統進行阻力制動的情況下，可以有效地兼顧車輪防滑和汽車能耗降低。

2.3 轉動率傳感器

轉動率傳感器或偏轉速度傳感器也稱陀螺測速儀，如圖3所示。它用于檢測配備有電子穩定程序ESP 的汽車在彎道行駛，或加速時繞其垂直軸的轉動，即圖中參數Ω，它是ESP 系統對汽車動態行駛狀態進行調節的主要參數之一。

2.4 方向盤轉角傳感器

方向盤轉角傳感器如圖4 所示，用于測量方向盤的實際轉動角度，此參數用于判斷駕駛員的轉向“意圖”。電控單元將轉向盤調整角度和給定的制動壓力與汽車實際的轉向和行駛速度進行比較，必要時制動車輪。這樣可保證汽車縱軸與汽車行駛的偏差，即“浮角”最小，并可防止不希望的過多轉向，保證適度的不足轉向［3］。

3 ESP 系統的綜合控制原理分析

3.1 避免不足轉向或過度轉向

汽車轉向穩定性可以采用不足轉向、過度轉向和中性轉向來衡量，汽車在低速行駛時，無論受到側向風力作用還是快速打方向盤，均不會出現不足轉向或過度轉向。但是，在高速行駛時，輕微的方向盤轉動或者較小的外部側向力作用均可導致汽車出現不足轉向和過度轉向，即此時的汽車轉向軌跡已經不符合駕駛員意愿，而且一般駕駛員難以糾正這種危險傾向。汽車的重心也會隨著車上乘員或者貨物的變化而出現前移而導致不足轉向，或者后移而導致過度轉向。

在汽車轉向的過程中，ESP 監測方向盤轉角和橫擺角速度，同時獲得車速信號，計算出汽車轉向過程中產生的浮角，如圖5 所示的角β (汽車行駛方向偏移汽車縱軸角)，如果是此浮角導致汽車出現過度轉向，那么對汽車采取外側車輪制動，使汽車繞垂直于地面的軸線順時針轉動，從而減小浮角，使汽車趨于中性轉向。同樣，當汽車出現不足轉向時，則對汽車內側車輪制動，使汽車繞垂直于地面的軸線逆時針轉動，同樣減小浮角，使汽車趨于中性轉向。

ESP 在防止汽車出現不足轉向和過度轉向過程中，駕駛員不需要對制動踏板采取任何操作，所以配備ESP 系統的轎車，在原有ABS 基礎上增加了一些控制部件，如圖6 所示的泵1、隔離電磁閥7、起動電磁閥8，它并不需要制動主缸工作也能夠在制動輪缸處建立制動壓力，隔離電磁閥7 將主動主缸和輪缸隔離后，泵1 處便能夠運轉，并建立壓力，此壓力再配合ABS 系統，對一側車輪進行制動，而另外一側車輪則不施加制動。

3.2 防止汽車超越轉彎極限

在彎道加速時的汽車行駛性能可用轉圈行駛試驗得到。通過實驗對比未配備和配備ESP 系統的車輛得出結論:ESP 系統可以有效地防止汽車超越轉彎極限。此試驗的條件是:在附著系數為1 的結實的硬道面上，車速緩慢增加至圓圈半徑為100 m 的物理極限車速并保持，實驗結果如下:

(1)未配備ESP 系統的汽車

在轉圈行駛的行駛試驗中，車速約超過95 km/h 就達到它的物理極限車速，所需的轉向變得很困難，同時浮角也迅速增加，但駕駛員還能將汽車保持在圓形車道內行駛。到約98 km/h的車速時，未配備ESP 系統的汽車行駛變得不穩定，汽車尾部甩出，駕駛員必須反轉向并駛出圓形車道。此述實驗可以驗證，汽車轉向過程中會出現極限車速，并且此極限車速隨附著系數和轉彎半徑的變化而變化。在上述實驗中，汽車的極限車速為95 km/h。到98 km/h 時，汽車變得不穩定，并且在不減速的情況下，通過駕駛技術已經不能克服。

(2)配備ESP 系統的汽車

在配備ESP 系統的汽車車速到約95 km/h 時，其行駛性能與未配備ESP 系統的汽車在車速95 km/h 時的行駛性能完全一樣。駕駛員想進一步提高車速已無法實現，因為汽車已處于穩定的極限，ESP 系統利用發動機干預限制汽車的驅動轉矩。

3.3 減小制動距離

根據德國某數據庫的一項研究表明: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行制動。但通過實驗表明制動輔助系統允許普通駕駛者在以100 km/h 的行駛速度制動時，制動距離平均縮短7.6 m，如果行駛速度為50 km/h，制動距離將縮短0.7 m。但如果裝配了ESP 系統，那么同樣能夠達到制動輔助系統的效果。ESP 系統裝配的制動踏板位置傳感器能夠計算制動踏板的位置和踩下制動踏板的加速度，加速度很大表明需要緊急制動，即開始踩下制動踏板時制動力就必須達到最大值。如圖6 中所示，一旦傳感器收到制動踏板被踩下的加速度很大的時候，ESP 便進入干涉階段，迅速啟動泵1，將閥7 和6 關閉，將閥5 打開，使四個車輪的制動力迅速達到最大值，并且依然能夠通過ABS 保證車輛不抱死。但是，若沒有ESP 作用，制動力的上升隨著制動踏板的行程的增加而增加，在車輪臨近抱死階段，制動力達到最大值，在這種情況下將喪失寶貴的制動時間。

4 結論

ESP 技術在系統上整合了ABS + EBD、ASR + MSR 系統，通過綜合整體控制實現了汽車從低速起步到高速轉彎、正常行車及緊急制動的安全性，ESP 系統在對汽車動態性能控制方面有不可替代的重要作用。其技術價值逐漸被消費者認同，同時該系統的普及率也快速提升，目前在標致408 車型已經成為標準配置［4］。雖然普及率不斷提升，但從ESP 系統發展的趨勢而言，在技術上未見更大的突破，技術完善及普及已成為主流趨勢。

ESP 技術的發展受到以下幾個方面的制約:

(1)城市道路越來越擁擠、平均車速在逐年降低，ESP 的技術應用遠遠不及混合動力的應用所帶來的直接效益。

(2)ESP 系統與以電機驅動純電動汽車尚沒有進行匹配。

(3)智能控制的無人駕駛技術的出現將徹底改變ESP 的技術現狀。

【1】李巍.汽車ABS/BAS/DSC/ESP 系統維修實例精選及剖析［M］.北京:機械工業出版社，1997:12-40.

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

【3】泛亞汽車技術中心.2009 林蔭大道維修手冊［Z］. 上海通用汽車有限公司，2009:755.

【4】ESP 從選配至標配國內力口緊步伐［J］.汽車零部件，2009(9):16.