楊昌偉，王志榮，馮迪

（長安大學(xué)工程機械學(xué)院，陜西 西安 710034）

近年來，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步，汽車工業(yè)和道路建設(shè)質(zhì)量都有了很大程度的改善，因此，汽車的運行速度和制動性能等動力學(xué)性能都有了很大的提升。從而使汽車逐漸成為了人們出行過程中使用的普通、快捷、方便的交通工具。但也應(yīng)該認(rèn)識到汽車對人類社會的生命財產(chǎn)所造成的傷害和損失。本文將重點研究汽車失穩(wěn)的原因以及汽車穩(wěn)定性應(yīng)對策略。

1 汽車失穩(wěn)原因分析

區(qū)分不同轉(zhuǎn)向特性的車輛，如果某一汽車是轉(zhuǎn)向過度特性的汽車，當(dāng)車度過高，達到一定的限度時，即便其是處于線性區(qū)域內(nèi)也非常可能會出現(xiàn)失去穩(wěn)定的情況。而對于轉(zhuǎn)向不足特性的車輛來說，相比轉(zhuǎn)向過度的汽車，在較高的車速時其仍然具有較好的穩(wěn)定性，從而確保車輛在線性區(qū)域內(nèi)能夠得到較好的操控穩(wěn)定性。具體來說，在非線性區(qū)域內(nèi)由于側(cè)偏角的增大，輪胎的側(cè)向力會逐漸地趨于飽和，從而導(dǎo)致在非線性區(qū)域內(nèi)車輛失去穩(wěn)定性的概率較大。車輛后軸的側(cè)向力達到一定極限時，這時車輛的后軸會出現(xiàn)橫向移動，引發(fā)車輛甩尾等其他十分嚴(yán)重事故；在車輛前軸側(cè)向力達到一定極限時，前軸就會出現(xiàn)橫向運動，從而導(dǎo)致汽車的駕駛方向出現(xiàn)偏差，方向失控。與此同時，導(dǎo)致車輛失穩(wěn)的因素還有很多，比如不同路面u值的摩擦系數(shù)，自然界的側(cè)向風(fēng)，不同的駕駛操縱等。下面列舉了一些致使汽車失穩(wěn)的一些主要因素。

（1）在駕駛員進行緊急剎車或者突然加速等緊急操縱而致使車輛進入非線性區(qū)內(nèi)，這時質(zhì)心側(cè)偏角會增大，車輛會失去穩(wěn)定性，駕駛員不能通過操縱方向盤來控制汽車的行駛方向。

（2）轉(zhuǎn)向不足的汽車在不同的駕駛模式下運行時，車輛的軸荷會因為過度的速度變化而轉(zhuǎn)移，在某些情況下會導(dǎo)致車輛由轉(zhuǎn)向不足轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)向過度，車輛也會因此失穩(wěn)。

（3）由于不同的路面其附著系數(shù)u值是不同的，它對汽車行駛特性影響較大。另外，自然界等產(chǎn)生的橫向力，道路的縱橫曲線同樣會對汽車的運行產(chǎn)生影響，進而引發(fā)質(zhì)心側(cè)偏角的增大使車輛失穩(wěn)。

（4）當(dāng)汽車突然要變更車道時，往往會產(chǎn)生較高的質(zhì)心側(cè)偏角。汽車實際的橫擺角速度總是滯后于駕駛員對汽車的操作，汽車轉(zhuǎn)向時這種滯后會導(dǎo)致汽車出現(xiàn)相對較高的橫擺力矩，在橫擺力矩的影響下車輛往往會失去穩(wěn)定性。

上述主要分析了4條影響汽車穩(wěn)定性的因素，從上述分析來看，影響車輛穩(wěn)定性的變量主要包括車輛的橫擺角速度和質(zhì)心的側(cè)偏，在目前國內(nèi)外的研究中也主要用這兩個參數(shù)作為理想變量來描述車輛的運行情況。

2 汽車穩(wěn)定性控制策略分析

汽車穩(wěn)定性控制技術(shù)包括汽車動力學(xué)建模、行駛狀態(tài)觀測、失穩(wěn)控制策略和控制技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。動力學(xué)建模則包括面向控制和面向仿真的建模。面向仿真的建模通常采用Carsim、ADAMS等仿真軟件建立仿真模型，面向控制的建模可采用兩輪、四輪模型。狀態(tài)觀測通常是指對汽車運行過程中的狀態(tài)參數(shù)的觀測，包括對輪缸壓力、摩擦系數(shù)、輪胎側(cè)向力、縱橫向車速等進行的實時觀測。在產(chǎn)業(yè)化方面通過不斷的探索和研究，在國內(nèi)汽車的生產(chǎn)線中，穩(wěn)定性控制技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化在逐步實現(xiàn)。控制車輛穩(wěn)定性的策略主要有以下幾個方面。

（1）汽車制動防抱死系統(tǒng)（ABS）。由于車輪在邊滾變化狀態(tài)下與地面的附著力大于車輪處于抱死狀態(tài)下的附著力，這樣不僅可以防止車輛發(fā)生側(cè)滑，還可以最大限度縮小制動距離，從而控制車輪的滑移率在20%，制動達到最安全的效果。

（2）汽車牽引力控制系統(tǒng)（TCS）。牽引力控制系統(tǒng)（TCS，Traction Control System），也叫作循跡控制系統(tǒng)。TCS借助輪速傳感器的信號來比較驅(qū)動輪和從動輪的大小，當(dāng)驅(qū)動輪的速度大于從動輪的輪速時，控制驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速的一種防滑轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)。TCS與ABS的作用模式十分相似，都使用輪速傳感器及制動調(diào)節(jié)器對車輪運轉(zhuǎn)狀態(tài)進行調(diào)節(jié)。TCS對汽車的穩(wěn)定性的意義重大，在附著系數(shù)較低比如結(jié)冰。濕滑的路面，汽車在加速時驅(qū)動輪容易出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，后輪滑轉(zhuǎn)會導(dǎo)致汽車甩尾，前輪滑轉(zhuǎn)則會導(dǎo)致汽車方向失控向一側(cè)偏移，TCS可以在汽車加速時避免或減輕這種現(xiàn)象，使汽車保持預(yù)定的行駛軌跡。

（3）汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（ESP）。汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（ESP，Electronic Stability Program）。雖然不同的汽車企業(yè)對穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的叫法有所不同，但是原理和結(jié)構(gòu)基本相同。其中比較典型的叫法主要包括：豐田的 Vehicle Stability Control，簡稱VSC；本田的 Vehicle Stability Assist 簡稱VSA； Bmw的 Dynamic Stability Control 簡稱DSC、奔馳的 Electronic Stability Program 簡 稱 ESP；Volvo的 Dynamic Stability and Traction Control 簡稱DSTC。可以說是TCS 系統(tǒng)技術(shù)和ABS系統(tǒng)技術(shù)的疊加升級，相對這兩項技術(shù)來說有了質(zhì)的飛躍。

車輛穩(wěn)定控制系統(tǒng)的基本組成包含發(fā)動機管理電子控制單元 ECU、液壓控制系統(tǒng)、橫擺角速度傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、橫向加速度傳感器、輪速傳感器。嚴(yán)格控制車輪的滑移率，防止車輪因“抱死”而出現(xiàn)車輛方向的不可控是車輛穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵。因此，ESP在工作過程中的關(guān)鍵是對輪胎 “抱死”狀態(tài)，即對車輪滑移率的控制。在ESP工作過程中各個加速度傳感器協(xié)同工作，共同完成汽車運行穩(wěn)定性的控制，一方面，對方向盤的轉(zhuǎn)角信號的檢測與計算可以得出駕駛員的實際操作意圖；另一方面，對橫向加速度傳感器、橫擺角速度傳感器信號的處理分析可以得到車輛在實際道路上運行時的實時工況變化，將實際參數(shù)與理想?yún)?shù)進行分析對比，兩者之間的偏差ε大于設(shè)定的偏差εmax時，則得到汽車運行不穩(wěn)定,失去方向控制的結(jié)論。此時電子控制單元ECU就會通過偏差ε來輸出一個相應(yīng)大小的補償力矩，即通過液壓調(diào)節(jié)器重新分配不同車輪制動力的大小，通過兩側(cè)車輪制動力的不同產(chǎn)生的新的反向力矩來消除車輛運行產(chǎn)生的橫擺力矩，使車輛恢復(fù)穩(wěn)定性。在必要時，也可以對發(fā)動機進行調(diào)節(jié)，降低驅(qū)動力以保持車輛穩(wěn)定性。在外界的干擾或者轉(zhuǎn)向等的作用下，當(dāng)汽車以高速或者在路面附著系數(shù)比較小的道路上進行轉(zhuǎn)向等其他緊急駕駛操作時，轉(zhuǎn)向半徑R會變得不穩(wěn)定，將實際的轉(zhuǎn)向半徑(R1)比預(yù)期的轉(zhuǎn)向半徑(R2)小的情況(R1＜R2)稱為過度轉(zhuǎn)向，實際的轉(zhuǎn)向半徑(R1)比預(yù)期的轉(zhuǎn)向半徑(R2)大的情況(R1＞R2)稱為不足轉(zhuǎn)向，當(dāng)R1≠R2時車輛都是失穩(wěn)的。

車輛穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESP）具體工作原理如下。

（1）防止車輛后輪打滑的傾向。當(dāng)車輛后輪相對于前輪失去抓地力時會發(fā)生側(cè)滑。ECU使用橫擺角速度和橫向加速度傳感器信號來確定橫向加速度和質(zhì)心偏角值，當(dāng)這兩個值較大時，確定后輪有較大的滑動傾向，這時對車輛的外側(cè)前輪施加一定的制動量形成力平衡力抵抗橫擺力矩，并抑制由于過度轉(zhuǎn)向?qū)е碌暮筝嗊^度側(cè)滑，從而防止車輛旋轉(zhuǎn)或甩尾現(xiàn)象。同時，施加在車輪上的制動力也降低了車輛的速度，更有利于保持車輛的穩(wěn)定性。

（2）防止車輛前輪打滑的傾向。ECU像（1）中后輪一樣，計算車輛的狀態(tài)以確定是否存在前輪打滑（即轉(zhuǎn)向不足）的趨勢。如果橫擺角速度的實際值比理想值小，表示車輛不能根據(jù)駕駛員期望的軌跡行駛，并且預(yù)期轉(zhuǎn)向半徑小于實際的轉(zhuǎn)向半徑。在這種情況下，通過滑動趨勢的幅度減小發(fā)動機的輸出功率，同時制動力被施加到內(nèi)后輪以減小側(cè)向力以形成相同的力矩以保持車輛處于預(yù)定的軌跡，由此抑制前輪打滑。

3 結(jié)語

汽車主動安全是汽車安全領(lǐng)域的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。汽車動力學(xué)穩(wěn)定性的控制在汽車主動安全技術(shù)體系中至關(guān)重要,是汽車持續(xù)安全發(fā)展,滿足人類社會安全發(fā)展需求的基礎(chǔ)。但是,當(dāng)前單一的汽車穩(wěn)定性控制技術(shù)已經(jīng)不能滿足當(dāng)前汽車安全技術(shù)的需要，行業(yè)發(fā)展趨勢表明，同時將 DSC 技術(shù)與自適應(yīng)巡航控制、防側(cè)翻控制、智能交通系統(tǒng)等技術(shù)融合，最大限度的實現(xiàn)安全交通是行業(yè)追求的目標(biāo)，是今后汽車主動安全技術(shù)發(fā)展的方向。

[1]楊康．汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng) ESP 控制策略的研究[D]．燕山大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2014．

[2]郭孔輝．汽車操縱動力學(xué)[M]．長春：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，1991．

[3]周鑫華．基于橫擺和側(cè)傾的汽車穩(wěn)定性及控制策略模型研究[D]．重慶理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2013．