商用車電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)測試評價(jià)方法研究

孫勇 郭魁元 許志光

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

1 前言

商用車電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)(Electronic Stability Control，ESC)是在制動(dòng)防抱死系統(tǒng)(Anti-lock Braking System，ABS)、電子制動(dòng)系統(tǒng)(Electronic Braking System，EBS)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型主動(dòng)安全控制系統(tǒng)，在降低商用車道路交通事故和提高車輛穩(wěn)定性上發(fā)揮了重要作用[1～3]，因此部分國家地區(qū)已開始要求商用車輛強(qiáng)制裝配ESC系統(tǒng)。自2017年8月起，美國要求所有重型卡車和大客車必須裝配ESC系統(tǒng)，歐盟要求從2014年11月起新生產(chǎn)的所有輕型商用車必須強(qiáng)制配置ESC系統(tǒng)。

目前，市場上面向商用車電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的產(chǎn)品主要由主動(dòng)安全供應(yīng)商威伯科（WABCO）、克諾爾（KNORR）公司推出，而國內(nèi)具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的商用車ESC產(chǎn)品還沒有裝配在車輛上[4，5]。在ESC標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)方面，歐盟ECE R13和美國NHTSA FMVSS136法規(guī)規(guī)定了商用車ESC系統(tǒng)的性能以及相關(guān)測試方法等，但是兩者在車型適用范圍、測試方法、性能評價(jià)指標(biāo)等方面存在較大差異，商用車ESC系統(tǒng)的測試還沒有形成統(tǒng)一有效的評價(jià)方法。

本文分析了ECER13法規(guī)和FMVSS 136法規(guī)針對ESC測試評價(jià)的差異，探討了ISO商用車操縱穩(wěn)定性評價(jià)方法在ESC功能測試評價(jià)上的適用性，并依據(jù)ECE R13法規(guī)，通過實(shí)車道路試驗(yàn)測試了ESC系統(tǒng)的方向穩(wěn)定性控制功能，為制定統(tǒng)一有效的商用車ESC系統(tǒng)測試方法、評價(jià)指標(biāo)提供支持。

2 商用車ESC控制原理

相關(guān)研究表明，商用車因質(zhì)心較高使其側(cè)傾穩(wěn)定性較低而易發(fā)生側(cè)翻失穩(wěn)[6]。基于縱向力和側(cè)向力耦合關(guān)系以及輪胎側(cè)偏特性理論[7]，當(dāng)商用車輪胎特性處于非線性區(qū)時(shí)，若前軸側(cè)向力先達(dá)到附著極限（飽和)，則車輛產(chǎn)生側(cè)滑（Plow out）；若后軸側(cè)向力先達(dá)到附著極限（飽和），則車輛出現(xiàn)甩尾（Spin out），進(jìn)而導(dǎo)致車輛橫擺失穩(wěn)。常見的失穩(wěn)狀態(tài)如圖1所示。

圖1 車輛失穩(wěn)狀態(tài)示意

針對不同的失穩(wěn)狀態(tài)，商用車ESC系統(tǒng)通常具有防側(cè)翻穩(wěn)定性控制（Roll Stability Control,RSC）和方向穩(wěn)定性控制（Directional Stability Control,DSC）兩個(gè)功能。RSC系統(tǒng)主要應(yīng)用于高附著系數(shù)路面，當(dāng)車輛側(cè)向加速度達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)，RSC系統(tǒng)通過限制或降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出，或?qū)ο鄳?yīng)車輪進(jìn)行主動(dòng)制動(dòng)，使車輛減速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)橫擺角速度或質(zhì)心側(cè)偏角超出穩(wěn)定性區(qū)域邊界時(shí)，DSC系統(tǒng)通過限制或降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出，或?qū)ο鄳?yīng)車輪進(jìn)行主動(dòng)制動(dòng)[9，10]來保持車輛的穩(wěn)定狀態(tài)。

3 商用車ESC測試評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法

3.1 法規(guī)ECE R13的ESC測試評價(jià)

歐盟在商用車制動(dòng)法規(guī)ECER13《關(guān)于M、N、O類機(jī)動(dòng)車制動(dòng)的統(tǒng)一規(guī)定》附件21中對裝有ESC系統(tǒng)的車輛進(jìn)行了特殊要求。

3.1.1 法規(guī)ECER13適用車型范圍

法規(guī)ECER13適用車型范圍如表1所示。

表1 法規(guī)ECER13適用車型范圍

3.1.2 試驗(yàn)工況

法規(guī)ECER13對商用車ESC系統(tǒng)的功能要求為：對于方向控制，應(yīng)能自動(dòng)控制同一車軸或同一軸組上的左右車輪速度，此功能通過車輛實(shí)際運(yùn)行狀況與車輛駕駛意圖的比較評價(jià)(對于掛車，通過掛車實(shí)際運(yùn)行狀況與牽引車狀態(tài)意圖下的車輛行為進(jìn)行比較評價(jià))進(jìn)行選擇制動(dòng)來實(shí)現(xiàn)；對于側(cè)翻控制，應(yīng)能自動(dòng)控制同一車軸或同一軸組上至少兩個(gè)車輪速度，此功能通過對車輛可能導(dǎo)致側(cè)翻的實(shí)際運(yùn)行狀況的評價(jià)進(jìn)行選擇制動(dòng)或自動(dòng)控制制動(dòng)來實(shí)現(xiàn)?；谏鲜龉δ芤?，法規(guī)ECER13中給出了驗(yàn)證ESC功能的試驗(yàn)工況，如表2所列。

表2 法規(guī)ECER13驗(yàn)證ESC功能的試驗(yàn)工況

3.1.3 測試方法及評價(jià)指標(biāo)

法規(guī)ECER13針對方向控制和側(cè)翻控制分別規(guī)定了相應(yīng)的測試工況，但并未給出每個(gè)試驗(yàn)工況的具體測試方法，具體測試方法由認(rèn)證機(jī)構(gòu)與廠家協(xié)調(diào)決定。法規(guī)ECER13提及當(dāng)所選工況并未引起方向穩(wěn)定性喪失或側(cè)翻發(fā)生時(shí)，車輛生產(chǎn)廠家應(yīng)與認(rèn)證機(jī)構(gòu)協(xié)商將其作為適當(dāng)?shù)膫溥x工況參與驗(yàn)證試驗(yàn)。

法規(guī)ECER13附錄中規(guī)定，可以利用仿真方法對M、N、O類動(dòng)力傳動(dòng)車輛及掛車的方向控制和側(cè)翻控制的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，以減少試驗(yàn)樣車的實(shí)際測試數(shù)量，降低相應(yīng)的測試成本。這種測試評價(jià)方法需要通過仿真測試與實(shí)車測試的高精度驗(yàn)證，同時(shí)仿真工具需要通過相關(guān)認(rèn)證機(jī)構(gòu)的授權(quán)認(rèn)可。

在統(tǒng)一的商用車ESC測試方法確定前，具體的認(rèn)證評價(jià)測試由相關(guān)的認(rèn)證機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠商進(jìn)行一致確認(rèn)。目前評價(jià)指標(biāo)規(guī)定如下：在相應(yīng)的試驗(yàn)工況下，車輛發(fā)出降低車速的制動(dòng)信號或發(fā)動(dòng)機(jī)限制（或降低）輸出轉(zhuǎn)矩的信號，并且車輛能夠保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，即可認(rèn)為ESC性能滿足ECER13標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 FMVSSNo.136法規(guī)ESC測試評價(jià)

美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）推出了FMVSSNo.136《重型車輛電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)》法規(guī)，此法規(guī)針對側(cè)翻穩(wěn)定性控制功能給出了具體的測試方法和評價(jià)指標(biāo)，但對于方向穩(wěn)定性的控制功能并未給出測試方法和評價(jià)指標(biāo)。

3.2.1 FMVSSNo.136法規(guī)適用車型范圍

FMVSSNo.136法規(guī)適用車型范圍如表3所列。

表3 FMVSSNo.136法規(guī)適用車型范圍

3.2.2 試驗(yàn)工況及測試方法

3.2.2.1 試驗(yàn)工況

法規(guī)FMVSSNo.136采用J-Turn試驗(yàn)作為測試ESC防側(cè)翻控制的試驗(yàn)工況，J-Turn是一個(gè)路徑跟隨工況（path followingmaneuver），車輛先以一定速度直線行駛，再切線進(jìn)入定半徑圓周曲線路徑，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角由駕駛員根據(jù)對固定路徑的保持跟隨而進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)或修正，J-Turn試驗(yàn)路徑如圖2所示。

圖2 J-Turn試驗(yàn)路徑

3.2.2.2 測試方法

測試時(shí)，駕駛員駕駛車輛以某一速度進(jìn)入試驗(yàn)路徑，保持車速并操作轉(zhuǎn)向盤跟隨固定路徑。車輛進(jìn)入試驗(yàn)路徑的初速度為32 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(yàn)，直至車輛在某一速度下ESC行車制動(dòng)功能被激活，在此期間駕駛員不得有行車制動(dòng)或發(fā)動(dòng)機(jī)排氣制動(dòng)等操作，此時(shí)的速度稱為初始參考速度Vref-1。

對于氣壓制動(dòng)系統(tǒng)車輛，ESC行車制動(dòng)功能被激活時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)氣壓應(yīng)至少達(dá)到34 kPa，并維持時(shí)間不小于0.5 s；對于液壓制動(dòng)系統(tǒng)車輛，ESC行車制動(dòng)功能被激活時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)液壓應(yīng)至少達(dá)到172 kPa，并維持時(shí)間不少于0.5 s。

當(dāng)在某一初始參考速度Vref-1下進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)方向的4次試驗(yàn)中不低于2次試驗(yàn)可以激活ESC功能，則認(rèn)定該速度為試驗(yàn)參考速度Vref-2，否則以1.6 km/h幅度增加初始參考速度并重復(fù)試驗(yàn)。

駕駛員以試驗(yàn)參考速度Vref-2進(jìn)入試驗(yàn)路徑時(shí)，立即將油門踏板踩到底，操作轉(zhuǎn)向盤對固定路徑的保持跟隨，ESC被激活后將對發(fā)動(dòng)機(jī)降轉(zhuǎn)矩，測試發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩相對駕駛員需求轉(zhuǎn)矩的降低幅值，然后將車輛進(jìn)入試驗(yàn)路徑的速度提高到Vtest，Vtest應(yīng)滿足Vtest=1.3Vref-2，且Vtest≥48 km/h。

通過初始位置后,駕駛員立即將油門踏板踩到底，操作轉(zhuǎn)向盤保持對固定路徑的跟隨，ESC被激活后采取行車制動(dòng)降低車速，測試ESC的防側(cè)翻拉制能力。當(dāng)完成一個(gè)系列的上述試驗(yàn)（包括順時(shí)針和逆時(shí)針試驗(yàn)）時(shí)，車輛的ESC功能應(yīng)被激活并滿足相應(yīng)性能要求及評價(jià)指標(biāo)。

3.2.3 性能要求及評價(jià)指標(biāo)

FMVSSNo.136法規(guī)規(guī)定ESC功能應(yīng)滿足以下4個(gè)方面的性能要求及評價(jià)指標(biāo)。

3.2.3.1 系統(tǒng)響應(yīng)特性

在連續(xù)8次測試（順時(shí)針4次，逆時(shí)針4次）中，應(yīng)至少有6次（單方向不少于2次）測試時(shí)車輪保持在規(guī)定的初始位置與結(jié)束位置的120°范圍的路徑內(nèi)。車輛進(jìn)入試驗(yàn)路徑的試驗(yàn)速度Vtest應(yīng)不小于48 km/h。

3.2.3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)降轉(zhuǎn)矩能力

車輛通過測試路徑初始位置后1.5 s開始到測試路徑結(jié)束這段時(shí)間內(nèi)，ESC系統(tǒng)應(yīng)能至少持續(xù)工作0.5 s，以保證減少不低于10%的駕駛員需求發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。

3.2.3.3 側(cè)翻穩(wěn)定控制性能

法規(guī)要求測試滿足以下性能要求：

a.車輛通過初始位置點(diǎn)后的第3.0 s時(shí)測得的車速不應(yīng)超過47 km/h；

b.車輛通過初始位置點(diǎn)后的第4.0 s時(shí)測得的車速不應(yīng)超過45 km/h；

3.2.3.4 ESC故障檢測能力

每輛車必須在駕駛員易于觀察的位置配備指示器，當(dāng)ESC出現(xiàn)故障時(shí)該指示器應(yīng)處于激活狀態(tài)。

3.3 基于ISO商用車標(biāo)準(zhǔn)的ESC測試評價(jià)

法規(guī)ECER13中所列出的ESC功能測試工況是基于ISO商用車標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的。在ISO商用車標(biāo)準(zhǔn)中，與商用車操縱穩(wěn)定性相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要有ISO11026：2010、ISO14792：2011、ISO14793：2011和 ISO3888—1:1999等，為此，基于以上標(biāo)準(zhǔn)測試工況的評價(jià)方法進(jìn)行分析[11～14]。

a.ISO11026:2010《重型商用車和公共汽車側(cè)傾穩(wěn)定性閉合曲線試驗(yàn)方法》是為了確定側(cè)傾穩(wěn)定性的控制效果。車輛以恒定縱向速度沿曲率不斷增加的閉合曲線路徑行駛，閉合曲線路徑通過側(cè)向加速度的變化率和縱向行駛車速來確定，同時(shí)路徑曲率應(yīng)能保證車輛側(cè)向加速度超出穩(wěn)態(tài)側(cè)傾閥值的50%。

b.ISO14792:2011《重型商用車和公共汽車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法》主要是測試車輛左轉(zhuǎn)向與右轉(zhuǎn)向時(shí)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性，試驗(yàn)方法分為定圓周（固定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角）連續(xù)加速試驗(yàn)和定車速連續(xù)增加轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角試驗(yàn)。

c.ISO14793:2011《重型商用車和公共汽車側(cè)向瞬時(shí)響應(yīng)試驗(yàn)方法》的測試目標(biāo)是確定線性區(qū)行為和非線性區(qū)行為的車輛瞬時(shí)響應(yīng)特性，其中線性區(qū)特性基于頻域內(nèi)隨機(jī)輸入、脈沖輸入、連續(xù)正弦輸入試驗(yàn)進(jìn)行測試;非線性區(qū)特性基于時(shí)域內(nèi)階躍輸入、單周期的正弦輸入試驗(yàn)進(jìn)行測試。

d.ISO3888—1:1999《車道急劇改變操縱用試驗(yàn)車道：雙移線變道》作為一項(xiàng)適用輕型汽車的閉環(huán)測試方法，經(jīng)適當(dāng)調(diào)整后可用于商用車輛以及客車的測試評價(jià)，其主要用于測試車輛的側(cè)翻穩(wěn)定性和方向控制穩(wěn)定性。

上述基本試驗(yàn)方法通過對功能適當(dāng)調(diào)整后可用于商用車ESC的方向穩(wěn)定性和側(cè)翻穩(wěn)定性的測試評價(jià)，測試工況及評價(jià)指標(biāo)[15，16]如表4所示。

表4 基于ISO標(biāo)準(zhǔn)的ESC功能測試工況及評價(jià)指標(biāo)

4 ESC實(shí)車道路測試

為測試我國商用車ESC的穩(wěn)定性控制功能是否滿足ECER13的法規(guī)要求，依據(jù)ECER13的試驗(yàn)工況（高附著到低附著路面變道試驗(yàn)），選用國產(chǎn)某牽引列車進(jìn)行ESC實(shí)車道路測試。因ECE R13法規(guī)中并未對車輛測試時(shí)的載荷狀態(tài)作出規(guī)定，一般認(rèn)為在法規(guī)認(rèn)證時(shí)選擇任何一種載荷狀態(tài)都可以，故該測試選擇在車輛空載狀態(tài)下進(jìn)行，所選牽引列車樣車主要技術(shù)參數(shù)如表5所列。

表5 國產(chǎn)某牽引列車樣車主要技術(shù)參數(shù)

4.1 ESC防側(cè)翻支架

重型商用車的ESC功能驗(yàn)證試驗(yàn)危險(xiǎn)性較高，為此設(shè)計(jì)了一種可適用于多種車型的防側(cè)翻支架[17]，如圖3所示。

圖3 汽車試驗(yàn)用防側(cè)翻支架

4.2 ESC方向控制功能驗(yàn)證

ESC方向控制功能驗(yàn)證選用高附著路面到低附著路面的變道試驗(yàn)路徑進(jìn)行，該工況模擬在一定速度下因躲避障礙而引起的方向失穩(wěn)，要求在一定長度L范圍內(nèi)完成變道操作。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，駕駛員盡量保持油門踏板的位置不變，完成變道后，駕駛員可根據(jù)車輛實(shí)際運(yùn)行狀況施加轉(zhuǎn)向盤修正動(dòng)作，但必須保持車輛在相應(yīng)寬度B的車道范圍內(nèi)，試驗(yàn)路徑如圖4所示。圖4中，高附著路面的路面附著系數(shù)μhigh≥0.7，低附著路面的路面附著系數(shù)μlow≤0.3，B≥4m，L≈車速/3.6（估計(jì)值）。在黑龍江北安冬季汽車測試場進(jìn)行了ESC方向控制功能道路試驗(yàn)，試驗(yàn)選用了高附著瀝青路面（μ≈0.8）到低附著壓實(shí)冰雪路面（（μ≈0.2）的變道路徑。

圖4 高附著路面到低附著路面變道試驗(yàn)路徑

圖5為ESC方向控制功能測試結(jié)果。由圖5可看出，在由高附著路面向低附著路面變道過程中，列車前半部分先進(jìn)入低附著路面，列車后半部分位于高附著路面，由于列車以50 km/h的較高速度進(jìn)行轉(zhuǎn)向變道，列車前、后軸的輪胎所受側(cè)向力不同，出現(xiàn)橫擺方向失穩(wěn)，此時(shí)ESC系統(tǒng)立刻啟動(dòng)對牽引車以及掛車相應(yīng)車輪施加主動(dòng)制動(dòng)，保證了列車穩(wěn)定，此時(shí)相應(yīng)車輪的制動(dòng)氣壓最高達(dá)0.1MPa。

在試驗(yàn)中，列車在低附著路面上出現(xiàn)明顯的不足轉(zhuǎn)向，這是因?yàn)轳{駛員緊急操縱轉(zhuǎn)向盤以維持列車在低附著路面上沿道路方向行駛時(shí)，由于橫擺角速度滯后于駕駛員對轉(zhuǎn)向盤的操縱，這種滯后特性使車輛在轉(zhuǎn)向過程中產(chǎn)生較大的橫擺力矩，作用一段時(shí)間后產(chǎn)生很大的質(zhì)心側(cè)偏角，從而引發(fā)失穩(wěn)[18]。此時(shí)ESC系統(tǒng)識(shí)別到潛在危險(xiǎn)后立刻啟動(dòng)對相應(yīng)車輪以及掛車車輪的主動(dòng)制動(dòng)，一方面可以降低列車車速，另外一方面不同車輪上的制動(dòng)力可形成對不足轉(zhuǎn)向的抑制力矩，此時(shí)牽引車的車輪制動(dòng)氣壓最高達(dá)0.35MPa，掛車車輪制動(dòng)氣壓達(dá)到0.15 MPa，以此來保證牽引列車的方向穩(wěn)定性。

在此試驗(yàn)工況中，車輛的車速因主動(dòng)制動(dòng)而逐漸降低，不穩(wěn)定狀態(tài)得到了控制，車輛保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，ESC性能滿足法規(guī)ECER13要求。

圖5 ESC方向控制功能測試結(jié)果

5 商用車ESC的測試評價(jià)發(fā)展趨勢

美國NHTSA推出的適用于評價(jià)商用車ESC系統(tǒng)的FMVSS 136法規(guī)只規(guī)定了防側(cè)翻穩(wěn)定控制性能的測試方法以及評價(jià)指標(biāo)，其選用的J-turn工況可減輕企業(yè)的檢測成本和避免場地條件的限制，并且可較好地體現(xiàn)車輛的側(cè)翻穩(wěn)定性狀態(tài)，相對容易操作，但并未列出方向穩(wěn)定性的測試評價(jià)方法以及評價(jià)指標(biāo)。

歐洲ECER13法規(guī)雖然對ESC系統(tǒng)評價(jià)規(guī)定了相關(guān)的試驗(yàn)工況，但并未給出具體的測試方法以及評價(jià)指標(biāo)；ISO商用車操縱穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)可以根據(jù)具體測試情況適當(dāng)調(diào)整即可用于ESC系統(tǒng)的評價(jià)，但與ECER13法規(guī)存在類似問題，詳細(xì)的測試方法以及具體的評價(jià)指標(biāo)需要繼續(xù)研究。同時(shí)ECER13法規(guī)支持采用仿真認(rèn)證的方法對ESC系統(tǒng)進(jìn)行評價(jià)，可降低研發(fā)測試、車型匹配以及型式認(rèn)證的成本，模型平臺(tái)和仿真工具、環(huán)境的搭建以及有效性的驗(yàn)證需進(jìn)一步深入研究，國外研究機(jī)構(gòu)已逐漸開展相關(guān)工作[19，20]。

商用車ESC控制技術(shù)在我國發(fā)展剛剛起步，目前還未有自主研發(fā)且成熟、市場化產(chǎn)品推出，但是萬安科技、集瑞重工、清華大學(xué)已經(jīng)開始著手開發(fā)商用車ESC系統(tǒng)。全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)已經(jīng)啟動(dòng)商用車電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)性能要求和試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)研究工作。

基于我國特殊復(fù)雜的交通運(yùn)輸、道路環(huán)境等因素，且國內(nèi)商用車ESC的測試評價(jià)處于起步研究階段，可優(yōu)先考慮參考ECER13的測試評價(jià)方法，隨著研究的推進(jìn)以及技術(shù)發(fā)展，定量化的評價(jià)指標(biāo)是未來商用車測試評價(jià)的必然要求。

從各國ESC標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展來看，商用車ESC系統(tǒng)的試驗(yàn)方法以及評價(jià)指標(biāo)在不同的法規(guī)中有不同的規(guī)定，商用車ESC測試評價(jià)還未有效統(tǒng)一，研究不同法規(guī)不同試驗(yàn)工況的異同，并提出詳細(xì)具體的測試規(guī)程以及評價(jià)指標(biāo)是需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

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