乘用車ESC系統冰雪路面試驗方法探究

董曉菲，何俊南，覃 秋

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

近十年來，我國汽車工業在良好的經濟環境下蓬勃發展，汽車給日常生活帶來巨大便利的同時，也帶來了如能源、環境、安全等在內的諸多問題。據統計，交通事故已排在人類死亡原因第十位。在這種背景下，汽車安全技術的提升已經成為各大汽車生產企業的重要發展方向之一。

其中汽車電子穩定性控制（Electronic Stability Controller, ESC）系統自其誕生以來，便成為最重要的主動安全系統之一[1]，是近十年汽車安全技術領域出現的具有里程碑意義的產品。ESC 系統核心技術和產品在國外已經比較成熟，而國內還處于初步研究階段，目前尚無ESC 系統自主開發匹配及生產能力，對ESC系統的測試和評價方法目前也不完善，本文將圍繞該系統在冰雪路面條件下的試驗方法展開研究，找出環境條件等因素對試驗一致性的影響特點。

1 ESC系統

ESC包含3個子系統，分別是制動防抱死系統（Anti-lock Braking System, ABS）、牽引力控制系統（Traction Control System, TCS），以及橫擺力矩控制（Active Yaw Control, AYC）系統[2]。整個系統又分別由傳感器、電控、執行單元三個模塊組成，經過傳感器信息處理和運算算法分析，ESC系統根據駕駛員的操作定義期望的運動狀態，與此同時對汽車的實際運動狀態進行測量和估算。一旦駕駛員期望的運動狀態與實際運動狀態之間的差值超過給定的門限值時，ESC系統按照一定的控制規則調節車輪上的縱向力大小，通過直接調節車輪縱向力大小以及間接影響車輪橫向力來控制汽車的橫擺運動,由此產生的橫擺力矩幫助駕駛員控制汽車使其實際運動狀態跟蹤駕駛員期望的運動狀態，使汽車具有良好的操縱性和方向穩定性的主動安全控制系統。

2 ESC系統現有評價方法

2.1 國內外標準法規

國外對于搭載ESC系統的整車性能試驗方法研究起步較早，如美國高速公路交通安全局于2007年3月制定并頒布了FMVSS 126《汽車電子穩定控制系統》。國內在該領域的法規標準研究起步較晚，2014年發布的《輕型汽車電子穩定性控制系統性能要求及試驗方法》（GB/T 30677—2014）[3]，正文部分與國外法規基本一致，在附錄部分增加了兩項冰雪路面ESC性能的試驗方法，分別是雙移線[4]和穩態回轉試驗。

2.2 ESC系統冰雪路面性能測試方法

與高附路面對ESC系統性能測試評價標準較為完備不同，在以冰、雪路為代表的低附路面，目前主要參考博世、大陸等ESC主流研發公司推薦的測試方法，常見測試道路包括壓實雪面、冰雪圓環、μ-Split對開路面、雪面高速環道[5]。在這些典型的低附試驗路型下，可以有效地對車輛轉向不足、側滑的動態控制能力進行評價和驗證[6]。典型的試驗方法如表1所示。

表1 ESC系統低附路面性能測試方法

對以上5項試驗方法，都具有可定量測量的參數指標，但由于該類試驗受到試驗員操作差異、場地條件變化、氣象環境條件波動的影響較大，因此試驗一致性較差，目前多以主觀評價的方法開展。同時，該領域也缺乏操作性強、得到行業認可的團體標準、國家標準。

為了促進該領域汽車測試技術的發展，我公司在2021至2022年測試季，于內蒙古呼倫貝爾牙克石中汽中心冬季試驗場，對ESC系統在冰雪路面性能的測試方法進行了大量驗證，試圖找出各影響因素對試驗一致性的影響特點，及各影響因素的控制方法。

3 驗證試驗

本次驗證的試驗方法為GB/T 30677—2014附錄部分的雙移線試驗，其中試驗車輛的準備、試驗通道樁桶擺放、試驗操作均嚴格參照標準要求執行。試驗設備為測力方向盤、組合慣導測試系統，如表2所示，分別測量測試車輛方向盤轉角、方向盤轉速、車速、車輛橫擺角速度、側向加速度、側傾角等多項車輛動態參數。主要試驗設備在車輛內的安裝情況如圖1所示。

表2 主要測試設備

圖 1 主要試驗設備安裝情況

驗證試驗于2022年2月下旬在位于內蒙古牙克石的中汽研汽車檢驗中心（呼倫貝爾）有限公司進行，試驗期間的環境溫度為-26 ℃～-18 ℃，試驗路面為圖2所示的壓實雪路面。雪面壓實度指數為75～85，路面摩擦系數為0.3～0.4。

圖2 試驗場地及試驗車輛

雙移線試驗通道使用樁桶擺放，擺放形式如圖3所示，車輛以某一初速度從A通道駛入，后緊急變線通過B通道，最終從C通道駛出。A、B、C通道的寬度分別為（1.1/1.2/1.3）×車輛寬度+1.25 m。

圖3 雙移線試驗通道示意（單位：m）

通過大量的重復試驗，對采集的試驗數據進行分類和統計，進而分析對該試驗結果產生影響的因素及影響特點。

4 試驗一致性的影響因素

4.1 影響因素分類

在冰雪路面對整車ESC系統性能進行試驗，主要受到駕駛員操作差異、冰雪路面條件變化及氣象條件波動三類因素影響，各影響因素如表3所示。

表3 ESC冰雪路面試驗一致性影響因素

由于試驗條件的限制，本研究只對方向盤轉角幅度、路面反復碾壓次數對試驗一致性的影響幅度進行了分析，而其他幾項影響因素的情況則會在后續試驗季進一步開展。下面將對方向盤轉角幅度的變化及壓實雪面被反復碾壓造成的路面條件變化對試驗一致性的影響特點進行分析。

4.2 方向盤轉角幅度差異對試驗結果的影響

4.2.1 不同駕駛員間操作差異性

該次驗證中，分別由2名試驗駕駛員進行雙移線試驗操作，試驗開始前進行多次試驗操作練習，試驗中以75 km/h的車速作為試驗車速，分別由2名駕駛員重復完成10次，并記錄方向盤轉角及車輛各項動態參數，本次試驗目的為分析不同試驗駕駛員轉向操作的差異，統計數據如表4所示。

表4 不同試驗駕駛員操作差異性數據

從10次操作數據的統計結果可以看出，不同試驗駕駛員之間的轉向操作存在明顯差異，方向盤轉角幅度的平均值相差了5.07°。從標準差數據可以看出，不同試驗駕駛員操作一致性也存在明顯差異。

4.2.2 方向盤轉角幅度的影響

該驗證試驗由1名駕駛員，以75 km/h的車速重復完成30次雙移線試驗，記錄方向盤轉角及車輛各項動態參數，選取每次試驗中第一次轉向操作時的峰值方向盤轉角、峰值方向盤轉速、峰值橫擺角速度、峰值側向加速度、峰值側傾角，共計30組數據如表5所示。

表5 30次重復試驗數據

首先，分析方向盤轉角幅度，以及該時刻的車輛橫擺角速度和側向加速度數據。按照方向盤轉角幅度數據，對30組試驗數據分類，根據表6，方向盤轉角幅度為（15±2）°的情況出現4次，方向盤轉角幅度為（20±2）°的情況出現12次，方向盤轉角幅度為（25±2）°的情況出現11次。

表6 30次重復試驗數據分類

對分類后的數據分別統計，得到不同方向盤轉角幅度對車輛動態參數的影響情況如表7所示。能夠看出，相同試驗車速下，隨著方向盤轉角的增加，橫擺角速度與側向加速度都呈正相關趨勢增加，其中橫擺角速度增加幅度更明顯。

表7 方向盤轉角幅度對車輛動態參數的影響

在方向盤轉角從15°增加至25°時，橫擺角速度的增加幅度為48%；側向加速度的增加幅度為26%。

4.3 壓實雪面被反復碾壓對試驗結果的影響

目前在冰雪路面開展的ESC系統性能試驗，如雙移線、穩態回轉等，均需要在同一試驗路面反復多次進行，區別于高附路面的穩定條件，壓實雪面在每次試驗后，由于車輛的碾壓，路面狀態都發生一定變化，造成路面摩擦系數差異，并對試驗結果產生影響。

從4.2.2進行的30組試驗數據中，對轉角幅度為（20±2）°的12組數據進一步分析，從試驗次序上來看，這12組數據在第1—10次試驗中出現2次，在第11—20次試驗中出現6次，在第21—30次試驗中出現4次，數據分析如表8所示。

表8 路面反復碾壓后對試驗結果的影響

從試驗數據發現，在30次試驗中，在保證其他試驗條件基本一致的情況下，試驗次序的增加，沒有明顯造成車輛橫擺角速度、側向加速度的增大。可以推斷壓實雪面在多次重復試驗受到車輛碾壓后，路面質量的均一性變差，但整體的摩擦系數未發生顯著變化。

5 總結

目前冰雪路面常見的ESC試驗方法均為試驗駕駛員操作，而人為操作的誤差是該類試驗一致性差的重要影響因素之一。

冰雪路面，特別是壓實雪路面，在經過數次重復試驗后，路面受車輛碾壓，均一性明顯降低，但從實測的試驗數據來看，路面被碾壓發生變化對試驗結果的影響較輕微。

環境溫度、空氣濕度、太陽輻射強度、風速等條件組成的氣象系統，是該類試驗一致性、復現性較差的另一個重要影響因素，由于當前的試驗條件限制，還很難明確其中的影響規律。在這種情況下，可以嚴格限制試驗環境條件的范圍及試驗流程來控制試驗一致性的誤差范圍。