基于GTR.8和FMVSS 126的ESC測評方法研究*

梁榮亮，高明秋，郭魁元，許志光，謝晉中，徐軍輝

(中國汽車技術研究中心，天津 300162)

前言

電子穩定性控制系統(ESC)的問世是繼車輛防抱死制動系統(ABS)和牽引力控制系統(TCS)之后車輛主動安全控制技術方面的一次里程碑式的跨越提升，它保證車輛在極限工況下具有良好的側向穩定性及轉向響應性，在提高道路安全方面的有效性和巨大潛力受到全球汽車行業的密切關注，新車配置率逐步提高。根據美國高速公路交通安全局(NHTSA)統計，ESC系統使乘用車和SUV單車的碰撞事故分別減少了34%和59%；還可有效預防71%的乘用車和84%的SUV車發生翻車事故[1]。常見的汽車穩定性控制系統有電子穩定程序(electronic stability program, ESP)、電子穩定控制(electronic stability contro1, ESC)和動力學穩定控制(dynamics stability contro1, DSC)等，目前ESC是歐美官方最常用的專業術語。

自ESC問世以來，全球對ESC系統的測評方法也在不斷更新完善，但各整車廠和ESC研發機構都按照自定測評規程在匹配試驗的同時進行整車性能評價，缺乏統一的量化評價指標和測試方法；不同測評方法之間的差異給ESC性能完善和功能擴展帶來不利的影響。

2006年，美國NHTSA正式頒布了有關ESC系統的新法規FMVSS 126，對ESC功能、效能、費用和安裝可行性等因素進行了深入闡述[2]，詳細規定了ESC的基本結構、功能和試驗方法，并要求2011年9月1日起所有4.5t以下車輛必須強制安裝ESC。2008年，WP29按照UN/ECE“1998年協議書”要求完成了GTR.8的制定，等同采用美國FMVSS 126標準的技術內容，對ESC的功能、試驗方法和評價指標進行了詳細規定[3]，包括美國、歐盟、日本、俄羅斯、澳大利亞和韓國在內的主要國家都已將該項技術法規納入實施計劃。2009年，ECE R13H第二次修訂，將ESC及BAS(brake asist system)納入附錄9中，并要求從2011年11月1日起歐盟新車型強制安裝ESC，2014年11月1日起所有車型強制安裝ESC[4]。

我國在新的挑戰下，必須在戰略和汽車技術創新方面作出相應的調整和決策，用最快的速度研發、掌握和應用ESC技術。未來ESC技術的發展趨勢是滿足國際法規和使用者的要求，提高和完善性能，擴展功能和降低成本。

1 ESC技術原理和控制方案

ESC系統利用各種傳感器對車輛的動態狀況和駕駛員指令進行監控，評價車輛實際行駛狀態與駕駛員意圖的誤差，根據評價結果發出調整指令，通過脈沖調整車輪制動力和發動機輸出轉矩對車輛由于轉向過多或轉向不足導致的車輛失控工況進行自動干預，對車輛橫擺力矩進行適當調整，使車輛按照駕駛員的意圖行駛，改善車輛的側向穩定性和轉向響應性，要求ESC具有如下功能：

(1) 在對車輛實際狀態和駕駛員希望實現的車輛狀態進行對比評價的基礎上，自動對各車軸或各車橋組中的某個車軸左、右兩側車輪的制動力矩進行單獨控制，使車輛產生橫擺力矩以改善車輛的方向穩定性；

(2) 在對車輛實際狀態與駕駛員希望達到的車輛狀態進行對比評估的基礎上，通過計算機閉環控制來限制車輛過度轉向和不足轉向；

(3) 直接測定車輛橫擺角速度，并估算側向加速度或側向位移；

(4) 監控駕駛員的轉向輸入；

(5) 其算法應能判斷是否需要并能在必要時調整車輛驅動力矩，輔助駕駛員保持對車輛的控制；

(6) 能在汽車的全部車速范圍內起作用(車速低于15km/h或倒車例外)，在各種工況下良好工作，包括加速、減速、制動、滑行，即使在防抱死制動系統(ABS)或牽引控制系統(TCS)作用期間也能正常工作。

NHTSA除了在FMVSS 126中對ESC系統狀況的監控、顯示和故障診斷作了詳細規定外，還修訂了FMVSS 101關于控制器和顯示器的規定，配置ESC系統的車輛應在儀表板上增加相應的信號圖形符號或縮寫字母符號和控制器標識[5]，見表1。

表1 ESC系統響應的信號指示符號及控制器標識

2 ESC試驗評價體系

FMVSS 126為ESC的研究和評價提供了統一的規范；歐盟新車安全評價組織Euro NCAP正式將后撞頸傷測試(Whiplash)、ESC和限速裝置納入新的整車安全性評級體系，并采用Fishhook試驗來評價ESC對汽車動態翻滾傾向性的影響；同時，汽車行業協會和標準化組織也致力于采用ISO 7401 J-turn試驗、ISO 3888-1:1999 Double Lane-change雙移線試驗、ISO 3888-2:2002 Obstacle Avoidance避障試驗和ISO 4138:2004穩態回轉試驗等來研究ESC對整車操縱穩定性的干預。

2.1 ESC試驗方法

2004年，NHTSA啟動ESC系統對輕型車輛操縱穩定性影響的專項研究，使用12種操縱穩定性試驗方法，并進行ESC開啟和關閉的比對試驗，對配置ESC系統的5種車型進行驗證測試，在用最小轉向盤轉角致使車輛快速進入操穩極限工況，保證良好的側向穩定性和轉向響應性的前提下，最終確定以轉角緩增轉向(slowly increasing steer, SIS)試驗和帶停頓的正弦(sine with dwell, SWD)輸入轉向試驗(下簡稱正弦—停頓轉向試驗)的組合作為整車ESC的標準測試方法[6]，并被GTR.8等效采用。

2.1.1 ESC試驗準備

正弦—停頓轉向試驗要求轉向盤最大轉向速率在1 200°/s時對應的轉向力矩維持在40～60N·m，超出人工打輪的物理極限，為保證試驗良好的重復性和一致性，必須采用轉向機器人來實現，同時為避免正弦—停頓轉向試驗過程中發生的絆倒性側翻[7]，保證試驗人員人身安全，對于靜態穩定系數(SSF)≤1.25的試驗車輛須考慮安裝防翻滾支架的可行性和必要性。按照試驗條件進行車輛載荷的配置，測試設備的架設緊固并按照要求進行制動器和輪胎預熱。試驗場地為帶有滿足100km/h直線加速性能的直徑不小于150m的VDA動態圓廣場，路面峰值制動系數(PBC)為0.9。可選擇以下兩種方法之一測量峰值制動系數：

(1) 采用美國測試與材料協會(ASTM)的方法E1337-90，使用ASTM/E1136規定的試驗輪胎，以64km/h的速度進行測試；

(2) UN ECE R13-H附件6附錄2定義的附著系數利用率計算方法。

2.1.2 SIS試驗

試驗車輛以(80±2)km/h勻速直線行駛時，轉向盤轉角以13.5°/s的速度線性增加直至產生0.5g側向加速度的轉向盤轉角δ0.5g，保持2s后回正，記錄整個過程的車輛側向加速度ay，將ay在0.1g～0.4g區間的歷程進行線性擬合，根據擬合系數計算出側向加速度達到0.3g時的轉向盤轉角δ0.3g。試驗共進行6次，順時針3次，逆時針3次，將6次試驗得到的轉向盤轉角δ0.3g平均并精確到0.1°，記為A值，如表2所示。

表2 轉向盤轉角緩增轉向試驗結果

SIS試驗時，轉向盤轉角在線性區域內遞增直至側向加速度達到規定限值，試驗車輛甚至會由于側向加速度過大而產生單側車輪離地的極限行駛狀態，SIS試驗過程對車身側傾角、側向加速度、橫擺角速度等參數的測量對考察車輛的側向穩定性具有重大意義，但ESC系統本身對車輛的線性區域的穩態轉向干預不敏感，帶有一定的不完整性和非典型性，在SIS試驗中ESC更多的是通過減少發動機驅動轉矩來保持車輛線性轉向的穩定性，沒有體現出對非線性失穩工況下車輛的轉向機動性的考察。

2.1.3 正弦—停頓轉向試驗

試驗車輛以(80±2)km/h的速度勻速直線行駛，待車速穩定后轉向機器人啟動工作程序，以0.7Hz的頻率以正弦—停頓模式進行轉向輸入，在第2個波峰處(嚴格說應是第1個波谷，即270°時)保持500ms停頓后回正，如圖1所示。初次正弦—停頓試驗的轉向盤轉角幅值為1.5A，并以0.5A幅值梯度逐次增加試驗次數直至轉向盤轉角幅值為6.5A。如果6.5A<270°時，最后一次正弦—停頓試驗的轉向盤轉角幅值為270°；如果6.5A>300°時，最后一次正弦—停頓試驗的轉向盤轉角幅值取300°，試驗分順時針方向和逆時針方向兩組進行。

NHTSA法規正式采用Fishhook、J-Turn及Sine with Dwell試驗對車輛在非線性轉向失穩狀態下的轉向機動性、路徑偏離和車輛響應性進行考核，由圖1～圖3可以發現，Fishhook及J-Turn試驗工況中轉向盤轉角過渡瞬態多變且幅值均存在停頓現象，高車速極易誘發絆倒性側翻，對于考核失穩工況下高側向加速度與側翻率的響應具有重要意義[2]，但ESC效能測試主要針對車輛的橫擺運動，尤其是在高附著系數路面上對過度轉向的抑制作用，因而NHTSA最終選用正弦—停頓轉向試驗考核車輛在高速轉向失穩狀態下的轉向機動性。

2.2 ESC評價方法

FMVSS 126規定以SIS試驗與SWD試驗組合作為整車ESC的標準測試方法，并把SWD分為兩部分進行分析，以車輛橫擺角速度和側向位移作為考核ESC對側向穩定性和轉向響應性的評價指標，分別考核車輛對可能發生的過度轉向的控制能力和車輛躲避前方障礙的能力。

2.2.1 側向穩定性評價

FMVSS 126規定以轉向盤輸入結束(completion of steer, COS)后車輛橫擺角速度衰變率(yaw rate ratio, YRR)來評價ESC對側向穩定性的影響。要求SWD試驗COS后1s及1.75s的車輛橫擺角速度不能大于反向輸入開始后產生的橫擺角速度峰值的35%和20%，如圖4所示，對應的公式為

(1)

(2)

值；t0為SWD轉向盤輸入結束時刻。

NHTSA定義COS后4s，車輛縱向方向與初始縱向方向之間的夾角大于90°即為嚴重過度轉向，稱之為激轉現象(spinout)。圖5對法規中YRR參數限值的選取有重要意義，利用SAS衰退模型及卡方分布分析計算發生激轉現象的可能性。Ⅰ區表示發生激轉的統計概率小于5%，置信區間的兩側邊界均小于95%置信度；Ⅱ區表示發生激轉的統計概率小于5%，但至少有一個置信區間的邊界在95%置信度外；Ⅲ區表示統計學概率大于5%，置信區間的邊界已都在50%的左側或右側；Ⅳ區和Ⅴ區與Ⅱ區和Ⅰ區統計學意義相同，但對應的實際意義相反，因此將Ⅰ區與Ⅱ區之間的邊界認定為判斷車輛滿足側向穩定性要求的標志線。

NHTSA選用24輛輕型車在ESC開啟及關閉的狀態下分別進行Sine with Dwell測試。ESC工作狀態下車輛的YRR在COS后1.5s和1.75s與ESC關閉狀態下相比最容易區分，為在兩者之間做出更加客觀、公正的選擇，NHTSA選用62輛輕型車進一步擴大測試范圍，最終選用在COS后1.75s時刻計算YRR，最能區分該車輛是否配置ESC系統。NHTSA同時認為COS后1.75s離COS時間過長，僅憑單一閾值進行判斷不夠嚴謹和客觀，故增補另一閾值以進行組合考核非常必要，該閾值的選取要盡可能接近COS，同時也要有足夠的時間間隔可以判別是否裝有ESC系統，最后選定COS后1s時刻作為判斷的標準[9]。

2.2.2 轉向響應性評價

由上述分析可知，ESC系統能夠顯著改善車輛側向穩定性，如果在高速工況下駕駛員為規避前方障礙而猛打轉向盤，ESC采用脈沖制動短暫地使前軸車輪不能偏轉，使車輛失去轉向能力而繼續沿原方向前進，也必然不會出現激轉或側翻，但這并不能保證車輛的安全，所以NHTSA認為在極端工況下提升側向穩定性不應以犧牲轉向響應性為前提，FMVSS 126規定采用轉向機動性來評定ESC系統在非線性過度轉向工況下試驗車輛對于轉向盤轉向輸入的反應能力，作為對側向穩定性考核的補充。

標準參數采用從轉向盤轉向輸入開始停頓(begin of steer, BOS)時刻至轉向輸入開始停頓時刻(即BOS至BOS后1.07s)的車輛質心偏離初始縱向行駛方向的側向位移(lateral displacement, LD)必須大于規定限值，以規避前方可能存在的障礙。

(1) 對于最大設計總質量≤3.5t的試驗車輛，側向位移LD≥1.83m。

(2) 對于最大設計總質量>3.5t的試驗車輛，側向位移LD≥1.52m。

(3)

式中：BOS為正弦—停頓試驗中轉向盤轉角輸入開始時刻；ayc為根據側翻角校正之后車輛質心側向加速度。

側向位移、側向速度、側向加速度和質心偏移等車輛動力學參數均可對車輛的轉向響應性進行判斷，但基于直觀性、客觀性、便捷性且能直接反映車輛緊急避障能力，NHTSA最終選用側向位移。對于側向位移對應時刻的選取，NHTSA重點分別對最大側向位移時刻、COS后1s、COS后1.75s、轉向盤輸入首個峰值時刻、轉向停頓開始時刻進行分析研究。

(1) NHTSA認為，車輛在盡可能短的縱向距離內達到最大側向位移無疑具有良好的轉向響應性，但難以確定發生側向位移時刻車輛的縱向位置。

(2) 根據多次Sine with Dwell試驗分析，最大側向位移出現時刻早于COS后1s和1.75s，并且轉向響應性主要針對車輛在轉向輸入過程中的避障能力，而非在緊急轉向后的恢復階段。

(3) FMVSS 126選用0.7Hz的Sine with Dwell轉向輸入，首個轉向盤輸入峰值對應時刻為BOS后的357ms，NHTSA判定在如此短的時間內難以保證車輛產生顯著的易于觀測的側向位移。

(4) Sine with Dwell轉向輸入最大側向位移通常出現在500ms停頓期內或停頓結束時刻，而轉向停頓開始時刻足夠接近該時間點，NHTSA認為此點所測定的數據更具有實際價值，如圖6所示。

NHTSA初期研究中采用高精度的GPS并對原始數據進行差分處理并同步優化計算側向位移，需多臺測試設備同時啟動并要求保持一致的時間響應性，此方法操作難度大。從便捷性角度考慮，ESC測試直接對側向加速度進行二重積分計算側向位移，但卻存在初始值零點漂移造成測量誤差，NHTSA就此進行GPS方法與二重積分方法的側向位移對比試驗，如圖7所示。從圖中可以得出如下結論：在Sine with Dwell整個輸入過程的2s內，GPS方法與二重積分方法在計算側向位移的計量方面具有良好的一致性，隨著BOS時刻的延遲，一致性逐漸降低，但在BOS時刻至轉向輸入停頓開始時刻(BOS后1.07s)，二者高度重合且相互收斂，所以可以采用二重積分方法進行BOS至BOS后1.07s的側向位移的計算，技術內容等效于GPS方法進而考核車輛轉向機動性。

3 ESC道路試驗驗證

目前，國內能滿足ESC測試要求的高附著試驗場地僅有海南汽車試驗場和博世吳江試驗場的VDA廣場，參考直徑大于150m，滿足SIS試驗中為獲取A值而引起的車輛橫向偏移和SWD試驗的側向位移要求。選用某國產B級乘用車，按照FMVSS 126要求進行整車ESC道路試驗驗證，整車參數見表3。試驗前，保證車輛輪胎、制動、轉向系統良好，拆除駕駛員轉向盤安全氣囊并安裝轉向機器人，從安全角度考慮拆卸掉前、后保險桿并安裝防翻滾支架。

表3 試驗車輛參數

為保證試驗重復性和精確度，所有轉向盤轉向輸入均由機器人自動完成，驗證結果見表4和表5。

采用自動轉向機器人進行轉向盤轉角輸入，保證試驗數據具有非常良好的重復性和一致性，由SIS試驗獲取該試驗樣車A值為31.4°，初次正弦—停頓試驗時轉向盤轉角峰值為1.5A(47°)，以0.5A幅值增量逐次試驗，直至轉向盤轉角幅值為270°，累計進行16次頻率為0.7Hz的正弦—停頓轉向盤轉向輸入。隨著每次試驗中轉向盤轉角峰值的逐次疊加，所產生的基于時間歷程的車輛橫擺角速度和橫擺角速度峰值也相應增加，但每次試驗中COS后1s和1.75s的車輛橫擺角速度均小于轉向盤反向輸入開始后產生的橫擺角速度峰值的35%及20%，車輛橫擺角速度衰退速率YRR滿足側向穩定性指標要求。

表4 初始左向正弦—停頓轉向試驗

表5 初始右向正弦—停頓轉向試驗

由表5可知，從第8次至最后一次正弦—停頓試驗中，在轉向盤轉向輸入期間側向加速度和側向位移的響應相當一致，每次試驗增加0.5A的轉向盤轉角峰值并沒有使側向加速度和側向位移產生明顯的波動和漂移，每次BOS后1.07s時刻，車輛質心相對初始直線行駛軌跡的橫向偏移(轉向盤轉角為5A及以上的試驗)均滿足大于6ft(1.83m)的轉向機動性限值要求。

在高附著路面上，ESC對過度轉向的干預控制效果非常顯著，但ESC對高附著路面上的不足轉向的干預卻非常謹慎，尤其是對于車輛懸架系統阻尼較小、質心位置較高的SUV、MPV車型，轉向系統所固有的不足轉向特性致使ESC測試中必然增加轉向盤轉角輸入幅值來滿足SIS試驗中A值的要求，這本身與其側向穩定性相矛盾。

4 結論

(1) 介紹ESC技術原理、控制方案及全球ESC相關標準，重點分析研究NHTSA針對ESC系統的測試評價體系，最終選定SIS試驗與正弦—停頓轉向試驗的組合作為ESC系統標準測試方法，選用COS后1s及1.75s的車輛YRR評價ESC系統對車輛側向穩定性的干預，選用BOS后1.07s時刻的側向位移評價ESC系統對車輛轉向機動性的控制。

(2) 建立整車ESC測評試驗流程和試驗能力并完成道路試驗驗證，為國內ESC系統的開發和ESC測評國家標準的制定奠定了基礎。

(3) 研究ESC系統在高附著路面對過度轉向的干預控制只是研究ESC性能評價體系的第一步，后續的研究應重點關注ESC在高、低附著路面上對轉向不足控制的必要性和可行性，同時應加強對ESC失效模式的重點分析。

[1] FMVSS 126. Electronic Stability Control Systems[S]. National Highway Traffic Safety Administration(NHTSA), DOT. Washington, DC,2007.

[2] Proposed FMVSS No. 126 Electronic Stability Control Systems.Office of Regulatory Analysis and Evaluation National Center for Statistics and Analysis[R].2006-08.

[3] Global Technical Regulation No. 8. Electronic Stability Control Systems[S]. UN/ECE. Geneva,26 June 2008.

[4] ECE R13-H. Uniform Provisions Concerning the Approval of Passenger Cars with Regard to Braking[S]. UN/ECE.Geneva,4 October 2011.

[5] FMVSS 101. Controls, Telltales and Indicators[S]. National Highway Traffic Safety Administration(NHTSA), DOT. Washington, DC,2005.

[6] Garrick J Forkenbrock, Devin Elsasser, Bryan O’Harra. NHTSA’s Light Vehicle Handling and ESE Effectiveness Research Program[J]. Transportation Research Center, Inc.United States.05-0221.

[7] Patrick L Boyd. NHTSA’s Ncap Rollover Resistance Rating System[J]. National Highway Traffic Safety Administration United States.05-0450.

[8] Klaus Weimert. Fishhook Test by Corrsys-datron Sensor System GmbH[R]. http://www.corrsys-datron.com/Support/Applications/cds_r_fishhook_test.pdf.

[9] Garrick J Forkenbrock, Patrick L Boyd. Light Vehicle ESE Performance Test Development[J]. NHTSA United States.07-0456.