ESC系統在客車上的應用

李葉中

摘 要：本文簡要介紹了ESC系統用途，并對ESC系統在客車應用進行匹配設計。

關鍵詞：ESC；客車；附著系數；設計

中圖分類號：U461.1 文獻標識碼：A

車身電子穩定控制系統，全稱Electronic Stability Control，簡稱ESC，ESC系統能夠在幾毫秒的時間內，識別出汽車不穩定的行駛趨勢，并及時對制動系統和發動機動力系統做出響應，使車輛趨于穩定，防止跑偏、甩尾、側翻。研究表明，ESC可減少高達80%的側滑事故，美國國家公路交通安全管理局公布采用電子穩定控制系統，可以減少67%的單次車輛撞擊和64%得致命車輛撞擊。ESC系統作為整車主動安全電控產品，目前已在轎車逐步普及。但在客車上采用ESC才剛開始起步。客車作為載人運輸工具，更有必要配置。

車輛制動系統主要分為兩類：液壓制動系統和氣壓制動系統。本文介紹了液壓制動ESC系統在客車上的實際應用，采用的是蕪湖一家公司研制的整體式、四通道ESC系統，即：有4個輪速傳感器，在通往4個車輪制動分泵的管路中，各設1個制動壓力調節器，分別進行獨立控制形式。

1 ESC系統的結構組成

ESC系統由電子控制單元（ECU）、液壓控制單元、發動機控制系統、常規液壓制動系統（真空助力器、主缸、制動管路、制動分泵）、轉向角度傳感器、車輪輪速傳感器、側向加速度傳感器、橫擺角傳感器以及ESC開關、指示燈等部件組成。其中電子控制單元（ECU）、液壓調節總成是集成為一體，側向加速度傳感器、橫擺角傳感器集成在慣量傳感器（IMU）中。

其系統主要部件如圖1所示。

2 ESC系統工作原理

該電子穩定系統，擁有ABS（防抱死剎車系統）、EBD（電子制動力分配）、TCS（牽引力控制系統）、ESC（車身電子穩定控制系統）功能，通過對制動系統和發動機進行控制，實現各項功能。

車身電子穩定控制系統用于在高速轉彎或在濕滑路面上行駛時提供最佳的車輛穩定性和方向控制，通過主動干預危險信號來實現車輛平穩行駛，其工作簡要原理圖如圖2所示。側向加速度和橫擺角傳感器信息通過專用的IMU CAN線實時傳遞，方向盤轉角信息、發動機信息等信息通過CAN（Controller Aea Network）線實時傳遞。電子控制單元持續檢測并判斷的輸入信號有：電源電壓、車輪速度、方向盤轉角、側向加速度、橫擺角度、制動開關通斷、油門開度等信號。根據采集到的數據進行計算，算出車身狀態，再與ECU存儲器里面預先設定的數據進行比對。當ECU計算數據超出存儲器預存的數值，即車身臨近失控或者已經失控的時候則命令液壓調節器和發動機控制系統工作，實施車輪制動和限制發動機扭矩，使車輪滑移率和驅動滑移率控制在穩定區范圍內，增大車輪附著系統，消除側滑，從而保證車輛能夠穩定行使。

3 ESC系統設計

試驗車基本狀態：7m車、發動機前置、前盤后鼓液壓制動、后輪驅動、柴油發動機、整備質量4100kg、12V電壓系統。根據我公司提供的樣車制動、動力傳動、轉向、車身等系統參數，蕪湖公司進行ESC系統總成設計、模型建立、軟件仿真、硬件在環仿真、系統仿真分析。同時我公司根據ESC系統各個零件特點和要求，進行整車匹配設計，重點進行轉角傳感器安裝設計、IMU安裝設計、電器線路設計、ESC總成和常規液壓制動設計。

3.1 輪速傳感器

輪速傳感器和脈沖環即為ESC系統的“感知器”。脈沖環（齒圈）隨車輪一起旋轉，傳感器測量車輛運動情況并產生與輪速相應的感應信號（電壓），實時傳送至控制單元（ECU）， ECU根據這些信號分別計算出車速和輪速。該車前后輪都采用80齒磁脈沖環，前輪采用主動式主動傳感器、后輪采用被動傳感器。裝配后檢測齒面的跳動公差應小于0.1mm，齒圈的旋轉中心必須與輪轂的旋轉軸心同心，其公差應小于0.1mm。傳感器與齒面的間隙自然形成小于0.7mm。

3.2 轉向角度傳感器

方向盤轉向角度傳感器安裝在方向盤下方。采用的角度傳感器角度測量范圍：±780°、角度分辨率：0.0625°、角速度分辨率：4°/s。角度傳感器將方向盤轉動角度轉換成數字信息通過CAN線實時傳輸，電子控制單元（ECU）采集這些信息計算出駕駛員所要求的方向。角度傳感器安裝設計需要保證角度傳感器與周邊相鄰件必須保持3mm間距，不能出現運動干涉。

3.3 慣量傳感器（IMU）

慣量傳感器（IMU）集成了側向加速度傳感器和橫擺角傳感器，閉環信號處理，16位高精度數字信號輸出。慣量傳感器根據車輛繞其縱軸的旋轉角度和側向加速度輸出相應的數字信號，通過專用的IMU CAN總線進行傳輸，計算出車輛的實際行駛狀態。慣量傳感器安裝在車輛空載時重心位置。

3.4 液壓調節器

液壓調節器內部集成了閥體、電機、液壓泵、4個常開電磁閥、4個常閉電磁閥、低壓蓄油器，外部兩路輸入油路接口、四路輸出油路接口。該系統采用四通道設計，四個車輪單獨控制。汽車在正常行駛時無信號輸入調節器電磁閥，此時調節器處于常通狀態（常規制動）。緊急情況時，調節器電磁閥會根據電子控制單元所發出的信號進行閉合、開啟，自動調節制動輪缸的壓力使之增壓、減壓、保壓狀態，進而實現制動壓力的保持、釋放、增加，最終實現對各個車輪制動力控制。制動壓力調節器串接在制動主缸與輪缸之間。

3.5 電子控制單元（ECU）

電子控制單元（ECU）通過CAN線、IMU CAN線、車輪輪速等線路連接，采集信號、處理信號、輸出控制信號，是ESC的控制中心。它與液壓控制單元集成在一起構成一個總成。

4 整車ESC系統標定

該車安裝、調試好，對ESC系統進行初步靜態和動態標定，然后分別在試驗場進行冬季和夏季標定。由于ESC是在極限行駛工況下控制車輛穩定性，測試是非常危險的過程，因此要在測試前加裝防護梁。按國標GB13594-2003《機動車和掛車防抱制動性能和試驗方法》要求進行ABS試驗，同時進行 雪面ESC雙變道、單變道試驗、S型繞障礙、直線ESC試驗、30米環道ESC試驗、操穩ESC試驗、蛇形繞樁ESC試驗、變線ESC試驗，各項試驗都做了ESC工作和不工作對比，并進行錄像。ESC工作時操穩性能更好。

如該車在有ESC控制時，30m環道試驗發動機扭矩受到抑制，車速穩定在42km/h，方向盤轉角恒定不變，車輛極其穩定的沿著30m半徑的圓周運動，輪胎沒有受到明顯的磨損。沒有ESC控制時，發動機扭矩不受抑制，車速在45～50km/h之間變動，方向盤轉角隨著路面的起伏而不停的調整，車輛不穩定的沿著30米半徑的圓周運動，輪胎受到非常嚴重的磨損，乘員感到很不舒服。ESC工作時，蛇形繞樁、變線能順利完成，否則不能完成。

結語

通過該車的ESC系統匹配、搭載、試驗，達到了預期效果，整車控制能力有較大提升，能夠使車輛在特殊工況（濕滑路面、冰雪路面、急轉彎、不同附著系統路面等）保持穩定行駛。它是一種主動安全系統，能夠探測和分析車況并糾正駕駛的錯誤，最大限度地保證汽車不跑偏、不甩尾、不側翻，減輕了駕駛員負擔。ESC系統在客車使用將是趨勢，歐盟ECE-R13標準要求從2014年11月1日開始，所有在歐盟范圍內銷售的新車都必須配置車身電子穩定系統。ESC系統法規、技術標準、認證體系需要相關部門制定，為批量采用ESC系統提供法律依據。

參考文獻

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