電子穩定控制系統在重型卡車上的應用

趙 陽，王衛翼

（北京福田戴姆勒汽車有限公司，北京 101400）

1 車體運動分析

如圖1所示，車輛行駛過程中，車體的加速度可分解為縱向加速度（X軸方向）、橫向加速度（Y軸方向）、垂直加速度（Z軸方向）3個方面；車體的旋轉運動也分解為3個方面：繞Z軸的旋轉速率（偏航率），繞Y軸的旋轉速率（俯仰率），繞X軸的旋轉速率（翻滾率）。

2 基于ABS的ESC系統

2.1 系統電路

應用具有ESC功能的ABS制動系統電路如圖2所示，在具有ASR功能的ABS系統基礎上增加橫擺角速率與側向加速度傳感器、轉向盤轉角傳感器等來檢測車身穩定狀況。通過增加前橋ASR電磁閥、掛車控制ABS電磁閥等執行器來實現ESC干預過程中對單個或部分車輪實施制動。

圖1 車體運動與旋轉

2.2 新增傳感器

2.2.1 橫向擺角與側向加速度傳感器

橫向擺角與側向加速度傳感器結構如圖3所示，它安裝于前軸后的2～3m處，橫向位置在車輛中軸線±0.5m位置。

橫向擺角與側向加速度傳感器基于電容原理工作（圖4）。傳感元件是通過彈性軸支撐的一個慣性金屬盤，金屬盤彈性搭鐵與車體連接。

圖2 4S4M ABS/ESC 電控系統

當車身繞垂直軸線旋轉時，彈性軸扭曲變形，慣性金屬盤相對車體逆向旋轉，旋轉量和車身旋轉角速率成正比；當車輛過彎時，金屬盤在側向離心力（慣性力）作用下，克服彈性軸彈力，向轉彎方向的反向偏斜。慣性盤系統把復合運動解耦，金屬盤旋轉量和偏斜量改變了對應的電容參數，經過對兩組電容值變化信號加工與處理，便可計算出車輛橫擺角速率和側向加速度值。

圖3 橫向擺角與側向加速度傳感器

圖4 橫擺率與側向加速度傳感器測量原理

1）橫擺率測量原理：金屬盤分為圓盤和擺動環兩部分，兩者之間通過4個彈性軸連在一起。擺動環外緣分布著4個魚骨狀極板嵌入到靜電驅動器的極板a和極板b間的凹槽中。所有a極板連在一起，所有的b極板也連在一起，這樣金屬盤M和全部極板a形成電容CMa，金屬盤M和全部極板b形成電容CMb。

車輛直行時，圓盤和擺動環在彈性軸支撐下，4個魚骨狀極板位于極板a和極板b中間位置，此時CMa=CMb。

車輛左轉彎時，車體逆時針旋轉，由于慣性作用，擺動環克服4個彈性軸彈力（圓盤與擺動環之間的4個彈性軸產生彈性變形），相對于圓盤（車體）反向（即順時針）轉動（轉動量正比于車身偏轉角速率），結果使CMa減小，CMb增大，CMa＜CMb，依據兩者之差大小即可計算出橫擺率。

當車身右轉時，擺動環相對車體逆時針轉動，結果CMa＞CMb。

系統根據轉向盤轉角信號計算出駕駛員預期橫擺率值，然后與橫向擺角與側向加速度傳感器測得的橫擺率進行比較，當實際橫擺率大于駕駛員預期值時，判定為轉向過度；當實際橫擺率小于駕駛員預期值時判定為轉向不足。

2）側向加速度測量原理：車輛直行時，彈性軸不受側向彎矩作用，金屬盤M和下部2個半圓盤M1、M2間距離相等，電容也相等，即C1=C2。

車輛左轉彎時，圓盤受到離心力的作用克服中央彈性軸彈力偏向右側，結果C1和C2不再相等，C1＜C2；車輛右轉彎時，圓盤受到離心力的作用克服中央彈性軸彈力偏向左側，結果C1＞C2。C1和C2兩者差的大小與車體側向加速度成正比，通過C1和C2兩者之差即可計算出側向加速度值。

側向加速度信號用于防側翻控制。

2.2.2 轉向盤轉角傳感器

轉向盤轉角傳感器結構如圖5所示，它安裝在轉向盤下方的轉向管柱上，用于檢測轉向盤絕對角度，它為非接觸式角位移傳感器。通過對角位移信號進行處理，即可計算出駕駛員預期的車身橫擺率。

圖5 轉向盤轉角傳感器

2.3 ESC功能

2.3.1 車行軌跡矯正

車輛在低附著路面高速過彎、變道、急拐時，車輪和地面之間更容易產生滑移。如果前輪滑移，則車輛會按著慣性方向直行，轉向角度會小于駕駛員預期（轉向不足）；如果后輪滑移，轉向角度會大于駕駛員預期（甩尾）。

1）轉向不足控制

如圖6所示，轉向不足的發生，系統通過對單側后輪進行制動干預來矯正車行軌跡。右轉向發生轉向不足傾向時，ESC系統通過制動右后輪，使車體受到順時針方向轉矩作用，來完成車行軌跡矯正。左轉彎發生轉向不足時，則制動左后輪。

圖6 轉向不足的矯正

2）轉向過度控制

如圖7所示，轉向過度發生時，系統通過對前輪進行制動干預來矯正車行軌跡。右轉彎發生轉向過度時，通過對左前輪實施制動，使車體受到逆時針轉矩作用，抑制車輛甩尾、失控；左轉彎發生轉向過度時，則制動右前輪。半掛列車發生轉向過度時，除了對主車前輪實施制動外，還對掛車實施全輪制動，掛車制動起到了“拉伸”效果（即拖拽制動），有效抑制主、掛車間“折合”等失控情況的發生。

圖7 轉向過度的矯正

2.3.2 防側翻控制

在高附著系數路面，車輛急拐或高速過彎時，更容易發生側翻。當車輪所受側向力超過一定限值時，車身就會發生傾覆。側向力大小和側向加速度絕對值成正比，而側向加速度和車速及轉向角速率成正比。系統通過側向加速度傳感器信號計算側向力大小，判斷側翻傾向存在時，實施防側翻控制策略。

系統通過限制發動機扭矩和實施制動來抑制側翻的發生。側翻抑制時制動的車輪包括主車全部驅動輪和掛車所有車輪。

制動的結果使車輪縱向滑移率增大，輪胎與地面之間橫向摩擦系數下降，輪胎所受側向力隨之減小。縱向滑移率和輪胎側向力的關系如圖8所示。

圖8 縱向滑移率與輪胎側向力的關系

通過制動力控制，滑移率被控制在理想的范圍內，此時車輪會有輕微側向滑移，輪胎側向力大幅下降，側翻傾向被有效抑制。如圖9所示。

圖9 輪胎側向輕微滑動導致側向力減小

3 結束語

重型卡車車型因整車重心高，質量大，更容易出現車輛失穩、側翻等情況，同時由于車輛長度長、整車總質量大等原因，其失穩或側翻的事故危害性更大。通過重型卡車的電子穩定控制系統ESC，能夠顯著提升車輛的主動安全性能，增加車輛的穩定性，有效降低車輛失穩或側翻發生的概率，對保障道路交通安全具有重要意義。