商用車輛ESC法規(guī)FMVSS 136制定過程的研究

孫 勇，孫 明，許志光

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

商用車ESC系統(tǒng)是近年來發(fā)展起來的一種新型主動安全控制系統(tǒng)，可有效抑制車輛的方向失穩(wěn)和側(cè)翻失穩(wěn)，對道路車輛事故預(yù)防和增強車輛行駛穩(wěn)定性有積極的促進(jìn)作用。如何測試評價商用車輛的ESC性能成為車型測試匹配和消費者廣泛關(guān)注的重要問題，目前國際法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)中已有歐盟ECE R13和美國 FMVSS 136法規(guī)對商用車ESC性能有所規(guī)定。

歐盟在商用車制動法規(guī)ECE R13《關(guān)于M、N、O類機動車制動的統(tǒng)一規(guī)定》附件21中規(guī)定了裝有ESC功能車輛的特殊要求，針對方向失穩(wěn)控制和側(cè)翻失穩(wěn)控制分別給出了推薦性的測試評價工況，但并未給出具體的測試方法以及評價指標(biāo)。美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）發(fā)布的FMVSS 136 《重型車輛電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)》，此法規(guī)對側(cè)翻穩(wěn)定性控制給出了具體的測試方法和評價指標(biāo)，相比ECE R13法規(guī)更具可操作性，但是FMVSS 136并未給出方向穩(wěn)定性控制的測試方法和評價指標(biāo)。

引用格式：

基于ESC系統(tǒng)對提高車輛穩(wěn)定性具有重要作用，歐盟要求自2014年11月起所有新生產(chǎn)商用車強制裝配ESC系統(tǒng)。美國交通部要求從2017年8月起所有 Class7型、Class 8型的重型卡車和大客車必須裝配ESC系統(tǒng)，2019年8月起所有重型卡車和大客車都需裝配ESC系統(tǒng)，而目前國內(nèi)還未推出商用車ESC有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)。NHTSA發(fā)布了初步監(jiān)管影響分析（PRIA）[1]、法規(guī)制定提案通知（NPRM）[2]、法規(guī)終稿（FR）[3]等三個文稿，本文通過梳理三篇文稿來分析FMVSS 136法規(guī)制定過程，探討ESC的測試評價方法，以期對國內(nèi)制定商用車ESC的有關(guān)政策標(biāo)準(zhǔn)等提供參考。

1 PRIA、NPRM中ESC性能測試

由于商用車輛具有載重質(zhì)量大、質(zhì)心較高等特點，電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)主要包括方向失穩(wěn)控制和側(cè)翻失穩(wěn)控制兩方面功能。ESC的測試應(yīng)體現(xiàn)出方向穩(wěn)定性控制和側(cè)翻穩(wěn)定性控制的功能，為此NHTSA在法規(guī)PRIA和NPRM兩文稿中提出兩個測試工況：慢增量轉(zhuǎn)向試驗（Slowly Increasing Steer，SIS） 工況和正弦停滯試驗（Sine with Dwell，SWD）工況，測試規(guī)程如下。

1.1 SIS工況測試

（1）試驗車輛應(yīng)沿逆時針方向和順時針方向分別進(jìn)行一組SIS試驗，每組試驗由3 次重復(fù)試驗組成，各次試驗之間允許的最長間隔時間為5 min。試驗應(yīng)在48.3±1.6 km/h 的恒定車速下進(jìn)行，以13.5 （°）/s 的速度從0°到270°逐漸增加方向盤轉(zhuǎn)角，直至側(cè)向加速度達(dá)到大約4.9 m/s2，方向盤輸入如圖1所示。

（2） 通過SIS試驗確定使試驗車輛產(chǎn)生4.9 m/s2的側(cè)向加速度時的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，記作“A”值。采用線性回歸法計算每次慢增量轉(zhuǎn)向試驗的“A”值并圓整至0.1°；然后，計算六次慢增量轉(zhuǎn)向試驗“A”值絕對值的平均值并圓整至0.1°，用于正弦停滯SWD試驗。

1.2 SWD工況測試

（1）按圖2所示進(jìn)行SWD轉(zhuǎn)向輸入試驗：正弦轉(zhuǎn)向輸入的頻率為0.5 Hz，在第2 個峰值處有1 000 ms的 延遲。

圖 2 SWD工況方向盤輸入示意圖

（2）應(yīng)在72±1.6 km/h 車速下，以高擋位滑行狀態(tài)開始轉(zhuǎn)向操作。

（3）如果計算得出的1.3 A 小于等于400°，則每組試驗的最后一次試驗的方向盤轉(zhuǎn)角幅值為1.3 A；如果其中任何一次試驗的方向盤轉(zhuǎn)角幅值（最大為1.3 A）大于400°，則每組試驗的最后一次試驗的方向盤轉(zhuǎn)角幅值為400 °。

（4）每組試驗應(yīng)從方向盤轉(zhuǎn)角幅值為0.3 A 開始，以0.1 A 的幅度逐次增加方向盤轉(zhuǎn)角幅值，直至達(dá)到規(guī)定的最后一次試驗的方向盤轉(zhuǎn)角幅值結(jié)束試驗。

基于以上測試方法，PRIA和NPRM研究報告給出兩個測試工況的相應(yīng)評價指標(biāo)，見表1。

1.3 其它替代工況測試

除了SIS和SWD工況外，NHTSA也做了一些可替代工況的研究工作，在NPRM中提出了也可適用于ESC性能測試的工況：J-turn和斜坡轉(zhuǎn)向RSM（Ramp Steer Maneuver）。J-turn和RSM工況的最大區(qū)別是：

表1 PRIA、NPRM中測試工況及評價指標(biāo)

（1）J-turn是路徑跟隨工況，駕駛員需要對方向盤施加操作，即沿著固定的路徑進(jìn)行試驗。

（2）RSM工況是非路徑跟隨工況，即按固定的方向盤轉(zhuǎn)角輸入進(jìn)行試驗，需要自動轉(zhuǎn)向控制機器進(jìn)行精確控制，不需要駕駛員干預(yù)操作過程，且方向盤最大轉(zhuǎn)角輸入由SIS工況測試來確定，方向盤轉(zhuǎn)角輸入如圖3所示，測試工況的說明見表2[4]。

圖 3 RSM測試方向盤輸入示意圖

表2 RSM測試工況說明

2 FR 對PRIA、NPRM中ESC測試的反饋意見

PRIA、NPRM中ESC測試評價選用SIS測試和SWD測試，而測試的執(zhí)行需要廣闊的試驗場地，以及專業(yè)的自動轉(zhuǎn)向控制器施加操作等，基于多種因素考慮，整車及零部件企業(yè)提出了相關(guān)反饋意見。

2.1 SIS和SWD測試工況反饋意見

各企業(yè)反饋意見如下。

2.1.1 SWD測試無法體現(xiàn)真實操縱工況

（1）EMA認(rèn)為：迄今為止沒有制造商使用SWD工況測試和驗證ESC系統(tǒng)。

（2）Navistar聲稱高速公路的標(biāo)準(zhǔn)寬度無法滿足完成SWD操作的空間。

（3）EMA、Navistar認(rèn)為一輛牽引汽車的駕駛員需要6到8車道的道路寬度才能執(zhí)行SWD操作，SWD測試不同于任何可能發(fā)生在公共道路上的工況。

（4）DTNA宣稱，SWD測試未能提供判斷測試ESC性能通過或失敗的標(biāo)準(zhǔn)。

（5）DTNA，Navistar和EMA認(rèn)為調(diào)整ESC系統(tǒng)以通過SWD測試可能會影響ESC系統(tǒng)性能。Navistar認(rèn)為，關(guān)注SWD測試將減少為優(yōu)化其它條件下ESC性能而進(jìn)行的設(shè)計工作。

（6）Navistar推測，一些ESC系統(tǒng)可能不符合SWD測試，可能需要較長時間的研究、開發(fā)進(jìn)而重新設(shè)計ESC系統(tǒng)。

（7）DTNA和EMA稱，SWD性能測試會對制造商帶來額外的負(fù)擔(dān)和限制。因為缺乏SWD測試的經(jīng)驗，制造商需要進(jìn)行廣泛的ESC測試，增加測試及設(shè)計負(fù)擔(dān)。為確保符合SWD測試，重型車輛車型選擇及匹配將受到限制。

2.1.2 SWD測試所需場地數(shù)量有限

Navistar、EMA、 DTNA、Volvo和 HDBMC等企業(yè)認(rèn)為滿足要求的場地數(shù)量是一個問題。俄亥俄州的交通研究中心（TRC）是為數(shù)不多能夠滿足執(zhí)行SWD和SIS測試要求的場地。 基于此，他們認(rèn)為增加使用TRC的企業(yè)數(shù)量將限制測試場地的可用性。

Bendix提供了相關(guān)數(shù)據(jù)和結(jié)果計算，以建議安全執(zhí)行SIS和SWD測試所需的測試區(qū)域尺寸。 根據(jù)Bendix研究，SIS測試需要176 m×151 m的面積，SWD測試需要112 m×58 m的面積。 Bendix進(jìn)一步認(rèn)為ESC性能測試應(yīng)該是便于實現(xiàn)，這意味著任何可以進(jìn)行FMVSS 121法規(guī)測試的場地都應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)FMVSS136法規(guī)測試。

2.1.3 測試成本

ATA 、EMA 、Navistar、Meritor WABCO、Volvo等企業(yè)認(rèn)為采用SIS和SWD評價方法的測試成本過高，會增加企業(yè)負(fù)擔(dān)。

2.1.4 SWD測試的有效性

EMA認(rèn)為NHTSA沒有用SWD測試進(jìn)行牽引車的嚴(yán)格驗證，且NHTSA所選用的測試用牽引車車型范圍不足以覆蓋法規(guī)要求的車型。EMA批評NHTSA的驗證測試僅選用了一輛控制掛車，這些不足以說明SWD測試的有效性。Volvo宣稱，提出的性能測試可能會損壞測試車輛，這與一些制造商對客戶車輛安全保證的要求相違背。

2.2 替代工況反饋意見

Daimler、Volvo、 Meritor WABCO、Navistar、HDMA、 EMA和 Bendix 等企業(yè)建議NHTSA采用替代工況來代替SIS和SWD測試工況。EMA向NHTSA提交了用于測試側(cè)翻穩(wěn)定性的J-turn和用于測試方向穩(wěn)定性的低附著路面單移線工況的說明。Daimler、Meritor WABCO、 HDMA 和 Bendix 等公司都建議采用EMA所提議的J-turn工況來測試車輛ESC防側(cè)翻穩(wěn)定性。

對于方向穩(wěn)定性，NHTSA在NPRM中提到在濕滑路面進(jìn)行Jennite測試引起測試變化可能性太大，而EMA對此不認(rèn)同。EMA建議采用附著系數(shù)0.5路面上的單移線工況測試方向穩(wěn)定性，如圖4所示。測試車速高于側(cè)翻工況車速1.6 km/h，車輛按照測試路徑重復(fù)4次試驗，并測量車輪制動氣壓。EMA建議評價ESC的最低性能要求為：至少有三次測試的制動氣壓不小于69 kPa。

Daimler 、HDMA和Bendix認(rèn)為，如果EMA評論中描述的單移線工況測試方向穩(wěn)定性具有可操作性，建議NHTSA采用，否則，他們建議取消與方向穩(wěn)定性相關(guān)的性能要求，只留下關(guān)于方向穩(wěn)定性能的設(shè)備定義。其它企業(yè)對方向穩(wěn)定性測試持有與上述類似的觀點，比如Meritor WABCO建議，NHTSA應(yīng)該等待，直到開發(fā)出新的方向穩(wěn)定性測試方法。但是EMA與NHTSA一致認(rèn)為不足轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性失穩(wěn)的測試是比較困難的。在實際道路行駛中，即使沒有性能測試，ESC性能要求中不足轉(zhuǎn)向的預(yù)防也是客觀存在的。

2.3 NHTSA對部分企業(yè)反饋意見的答復(fù)

2.3.1 SIS和SWD測試工況反饋答復(fù)

（1）不同意關(guān)于SWD工況無相關(guān)性的主張。缺乏企業(yè)自愿采用SWD工況并不代表SWD工況無關(guān)緊要。

（2）認(rèn)為關(guān)于SWD所需道路寬度及實際道路發(fā)生可能性小的評論是不恰當(dāng)?shù)摹y試的目的是用客觀、可重復(fù)性的工況來驗證ESC最低性能。SWD測試不在公共道路上進(jìn)行，必須在專業(yè)場地測試，這不能有力說服SWD測試是不相關(guān)的。

（3）不認(rèn)同這會給企業(yè)增加額外的設(shè)計負(fù)擔(dān)，沒有企業(yè)能夠提供有有力說明以證明增加設(shè)計負(fù)擔(dān)。

（4）不認(rèn)同測試會對車造成損害。任何試驗只要不安全的操作都會對車造成損害，而NHTSA沒有測試過程中對車產(chǎn)生損害的經(jīng)歷。

2.3.2 防側(cè)翻控制性能測試

RSM和J-turn都是測試防側(cè)翻穩(wěn)定性的可替代工況。RSM工況是開環(huán)工況，需用自動轉(zhuǎn)向控制器操縱方向盤，并進(jìn)行SIS測試來決定RSM工況的方向盤輸入；J-turn工況是路徑跟隨工況，需由駕駛員操縱方向盤。鑒于SIS測試的專業(yè)場地空間及數(shù)量非常有限，以及測試成本、設(shè)備成本等因素的考慮，NHTSA最終選用J-turn工況用于測試防側(cè)翻控制性能。

2.3.3 方向控制性能測試

NPRM中提出了適用于方向穩(wěn)定性評價的SWD測試工況，基于大量的時間成本和儀器負(fù)擔(dān)等因素考慮，NHTSA在FR中沒有選用SWD工況。SWD測試僅用于測試過度轉(zhuǎn)向，但不足轉(zhuǎn)向是方向失穩(wěn)中最主要的失穩(wěn)類型，但這并不代表NHTSA會放棄對SWD工況的研究。EMA建議的單移線測試工況和低附著Jenite測試工況，還沒有充分的車型數(shù)據(jù)、明確的評價指標(biāo)以及試驗驗證以證明可用于ESC方向穩(wěn)定性評價。鑒于NHTSA在輕型車ESC法規(guī)制定方面的經(jīng)驗和缺乏有效測試不足轉(zhuǎn)向的工況，NHTSA會對EMA建議的兩種工況進(jìn)行深入研究或開發(fā)新的測試工況，并保持對SWD工況的繼續(xù)研究。

3 FR中ESC防側(cè)翻控制性能要求

3.1 試驗路徑

FMVSS 136法規(guī)采用J-turn試驗作為測試ESC防側(cè)翻控制的試驗工況，按照順時針和逆時針兩個方向的J-turn測試分別進(jìn)行試驗，其中逆時針方向下的測試路徑如圖5所示。

圖 5 J-turn測試工況（逆時針）路徑圖

3.2 防側(cè)翻與防折疊設(shè)備

為了保證駕駛員行車安全以及防止車輛受損害，NHTSA要求車輛進(jìn)行試驗時應(yīng)安裝防側(cè)翻支架。由于車輛質(zhì)心高、滿載載荷大等因素，NHTSA認(rèn)為防側(cè)翻支架的安裝對試驗結(jié)果影響非常小。NHTSA設(shè)計了標(biāo)準(zhǔn)的防側(cè)翻支架，以減少測試的不確定性和增加測試結(jié)果的可重復(fù)性。

對于牽引汽車，測試需掛接帶制動控制功能的掛車組成列車進(jìn)行試驗。汽車列車進(jìn)行測試時，為防止列車折疊發(fā)生，保證測試安全性，需安裝防折疊設(shè)備。NHTSA提供了一套纜線，通過設(shè)定鉸接角度來防止折疊，此角度一般設(shè)定為30°。

3.3 測試規(guī)程

3.3.1 初始參考速度的確定

測試車輛采用逐漸增加車速的方式進(jìn)行順時針和逆時針方向的J-turn轉(zhuǎn)向測試。測試時進(jìn)入速度采用ESC系統(tǒng)激活行車制動前0.5 s的原始速度數(shù)據(jù)的平均值，車輛進(jìn)入試驗路徑的最初速度為32 km/h±1.6 km/h，以1.6 km/h的幅度逐漸增加車速并重復(fù)進(jìn)行試驗，直到ESC行車制動功能被激活或者車輛偏離車道，ESC激活行車制動時的車速即為初始參考車速Vref-1。測試中車輛有任何一輪在0～120°測試路徑范圍內(nèi)偏離車道，需以同樣速度重復(fù)測試。如果車輪再次偏離車道，則以同樣車速連續(xù)進(jìn)行4次試驗。

3.3.2 參考速度的確定

當(dāng)以某一初始參考速度Vref-1進(jìn)行順時針和逆時針方向的J-turn路徑測試時，每個方向4次試驗中至少有兩次同樣速度試驗可以令ESC激活行車制動功能，則認(rèn)定該速度為參考速度Vref-2。每個方向測試中，若發(fā)生至少兩次ESC未激活行車制動功能，則以1.6 km/h幅度增加初始參考速度并重復(fù)試驗。

3.3.3 發(fā)動機降轉(zhuǎn)矩試驗

駕駛員以參考速度Vref-2進(jìn)入試驗路徑時，立即將油門踏板踩到底直至車輛經(jīng)過測試終止點位置，此期間操作方向盤保持對固定路徑的跟隨。順時針和逆時針各連續(xù)進(jìn)行4次試驗，ESC被激活后將對發(fā)動機降轉(zhuǎn)矩，測試發(fā)動機轉(zhuǎn)矩相對駕駛員需求轉(zhuǎn)矩的降低幅值。

3.3.4 側(cè)翻穩(wěn)定性控制試驗

車輛進(jìn)入J-turn試驗路徑的速度為Vtest，以相同的速度分別按照順時針和逆時針方向各連續(xù)進(jìn)行8次試驗，其中Vtest滿足如下要求：

當(dāng)ESC系統(tǒng)將車速減小到相對進(jìn)入車速4.8 km/h以下時，駕駛員釋放油門踏板。

3.4 評價指標(biāo)

3.4.1 參考速度確定過程中的車道保持性能

在確定初始參考車速和參考車速時，車輛以相同車速分別進(jìn)行順時針和逆時針方向的連續(xù)4次測試，每一方向應(yīng)至少有兩次測試過程中車輪不偏離規(guī)定的試驗路徑范圍。

3.4.2 發(fā)動機降轉(zhuǎn)矩性能

在發(fā)動機降轉(zhuǎn)矩性能測試時，分別進(jìn)行順時針和逆時針方向的連續(xù)4次測試，每一方向應(yīng)至少有兩次測試結(jié)果滿足：

（1）從車輛通過測試起始點后1.5 s開始到車輛經(jīng)過測試終止點為止，ESC系統(tǒng)應(yīng)降低駕駛員需求轉(zhuǎn)矩至少10%，且至少持續(xù)0.5 s時間。

（2）從測試起始點到測試終止點，車輪應(yīng)不偏離規(guī)定的試驗路徑范圍。

3.4.3 側(cè)翻穩(wěn)定性控制性能

在側(cè)翻穩(wěn)定性控制測試時，車輛以相同車速分別進(jìn)行順時針和逆時針方向的連續(xù)8次測試，每一方向應(yīng)至少有6次測試結(jié)果滿足：

（1）車輛通過測試起始點后3.0 s時刻，車速不應(yīng)超過47 km/h。

（2）車輛通過測試起始點后4.0 s時刻，車速不應(yīng)超過45 km/h。

（3）從測試起始點到測試終止點，車輪應(yīng)不偏離規(guī)定的試驗路徑范圍。

（4）ESC行車制動功能應(yīng)處于激活狀態(tài)。

4 結(jié)論

（1）FMVSS 136法規(guī)的初步監(jiān)管影響分析（PRIA）和法規(guī)制定提案通知（NPRM）中規(guī)定了測試ESC側(cè)翻穩(wěn)定性控制、方向穩(wěn)定性控制的SIS和 SWD工況的測試方法以及相應(yīng)的評價指標(biāo)，并給出了除此之外的可替代工況測試方法。

（2）FR詳細(xì)描述了各企業(yè)關(guān)于ESC測試評價方法及指標(biāo)的相關(guān)反饋建議，以及NHTSA針對相關(guān)問題作出的回復(fù)。

（3）FR采用路徑跟隨工況J-turn用于評價測試ESC的防側(cè)翻穩(wěn)定性控制性能，并規(guī)定了具體的測試方法和評價指標(biāo)，但并未給出涉及方向穩(wěn)定性控制性能的測試評價方法。NHTSA將針對企業(yè)建議的方向穩(wěn)定性測試工況繼續(xù)研究或開發(fā)新的測試工況。

參考文獻(xiàn)（References）：

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