汽车的不稳定行驶与ESP的应用

何志雄

（广东交通职业技术学院，广东 广州 510650）

1 概述

ABS（防抱死制动系统）能有效地防止车轮抱死，可以避免汽车在紧急制动时产生的失控现象；ASR（防滑控制系统，又称为牵引力控制系统--TRC）能有效地防止车轮打滑，确保汽车在湿、滑路面上起步和加速时具有合适的牵引力，维持汽车良好的稳定性和操控性。

但是，ABS和ASR都无法解决汽车高速行驶和转弯时产生的车轮侧滑问题，从而往往会引发出汽车行驶的不稳定性和失控现象。

车轮的滑移与轮胎的转向特性关系极大，图1为轮胎的转向特性曲线，它给出了不同路面，轮胎所受的侧向力与侧偏角的关系。

图1 轮胎转向特性曲线

从图中可以看出，当侧偏角较小时，侧偏力与侧偏角基本上成线性关系，汽车具有良好的稳态转向响应特性，容易驾驶。但当侧偏角到达一定值时，侧偏力不再随侧偏角的增加而增加，而是基本保持不变，也就是说侧偏力达到了附着极限，而侧偏角仍在显著地增大，此时，汽车的转向性能就变得“不听话”了，容易导致事故的发生。路面的附着系数不同，达到饱和状态时的侧偏力也不相同。

侧向力包括汽车转弯时的离心力、侧向风、路面的横向坡度和障碍物阻力。一般来说，只有轮胎的侧偏角与转向盘的转角满足线性响应时，驾驶员才能正确操纵汽车。当汽车高速转弯，一旦侧向力达到或超过附着力极限时，轮胎的转向特性便发生了变化，侧偏角迅速增大，此时汽车便处于失控状态，根据汽车的转向特性的不同，会产生不同的后果；对于不足转向特性的汽车，很可能出现如图2所示的前轮侧滑；对于过度转向特性的汽车，很可能出现如图3所示的后轮甩尾。

图2 前轮侧滑的后果

图3 后轮侧滑的后果

2 ESP的作用

汽车电子稳定程序控制系统又称为汽车稳定性控制系统，英文缩写为ESP（ElectronicStabilityProgram）。不同的汽车生产企业，称谓稍有不同，如丰田公司便称为VSC。

ESP是近年来在ABS和ASR的基础上发展起来的一种新型机电一体化的主动安全控制系统。它的作用是通常以每秒25次的频率，监控汽车的行驶状态，当汽车在转弯或紧急避让障碍物的过程中，一旦出现前轮侧滑或后轮甩尾的失控状态时，能主动地进行干预，按预先设定的程序自动地对车轮产生制动作用，纠正汽车航向的偏离，或减小发动机的输出动力，避免车轮的滑移。通过上述的综合控制，使汽车回复到原来的轨道，按照驾驶员的意图正确行驶[1]。

ESP对汽车的转向特性特别敏感，能够迅速识别出前轮侧滑或后轮甩尾的危险情况，并且反应快如闪电，精确地自动采用制动方式进行干预，有效地避免了事故的发生。

3 电子稳定程序控制系统的组成

ESP与其他电子控制系统一样，由各种传感器、ESP ECU和ESP执行器三部分组成。

（1）传感器。ESP的传感器主要包括光电式的转向盘转角传感器、陀螺仪结构的车身航向角传感器、压电式的车身横向加速的传感器以及ABS中的磁电式车轮转速传感器等。

（2）ESP ECU。ESP ECU为控制单元，它储存有各种计算参数和控制程序，接受各种传感器送来的信号，经过计算处理和分析，一旦发现有差异时，便向执行器发出程序纠偏指令。

（3）ESP执行器。由于ESP是在ABS和ASR的基础上发展起来的，因此它与ABS和ASR（涉及发动机的电喷系统）共用一套执行器。例如通过ABS的制动压力调节器来调节各车轮的制动力；通过ASR来控制发动机的动力输出。

4 ESP的工作原理

汽车行驶时，ESP便立即投入工作，对各种传感器送来的实时信号进行数据处理，监控汽车的行驶状态。例如通过转向盘转角传感器信号便能掌握驾驶员的转向意图、通过车身航向角传感器检测汽车航向的变化、通过各种车轮转速传感器检测车轮的转速和计算其滑移率。ESP ECU接收到各传感器送来的信号后，便不断地进行分析和处理，判断是否需要纠正到规定的范围上来，一旦发现有差异时，便立即按照设定的控制程序发出纠偏指令，再通过ABS和ASR的协调工作，从而无须驾驶员踩刹车，便具有独立地对某一个（或全部）车轮主动施加制动力，进而强制减速的功能，确保汽车高速或转弯的稳定性和循迹行驶的能力。

（1）直线行驶车轮滑移的控制。当汽车在湿滑的路面上作直线起步或加速行驶，ESP ECU一旦通过车轮转速传感器检测到某个或全部车轮滑移率大于某设定值时，便立即通过ASR向发动机ECU发出减小喷油量的指令，降低发动机的动力输出，使驱动轮不再打滑。

（2）前轮侧滑的纠偏。当汽车高速转弯产生前轮侧滑时，ESP ECU便首先通过ASR向发动机ECU发出减小喷油量的指令，降低发动机的动力输出，并采用反向平衡的原理，同时向ABS ECU发出先制动内后轮的纠偏指令，使车身得到向内转的运动，然后对4个车轮进行制动，使车速降到某一水平和抑制汽车的侧滑，汽车便按照驾驶员的意图，回复到正确的轨道上来。[2]

（3）后轮甩尾的纠偏。当汽车转弯产生后轮甩尾时，ESP ECU同样采用反向平衡原理，首先通过ASR向发动机ECU发出减小喷油量的指令，降低发动机的动力输出，并同时向ABS ECU发出先制动外前轮的纠偏指令，使车身得到向外转的运动，然后对四个车轮进行制动，使车速降低到某一水平，抑制汽车的甩尾，汽车便按照驾驶员的意图，回复到正确的轨道上来。

5 ESP的应用前景

随着汽车工业的发展，汽车的性能越来越先进，车速也越来越快，但是伴随而来的事故发生率也越来越多。通过前述的介绍可知，ESP具有良好的主动安全性能，明显提高了汽车的安全性，大大减少事故的发生，成为了高档轿车的标准装备。

目前，欧、美、日各国ESP的装车率在迅速提高，一些中级轿车（如雪铁龙凯旋2.0）也开始装用ESP了。然而，在国产轿车中，ESP的装配率还比较低，仅在某些高档豪华车上有所采用（如奥迪A6）。而几款销量领先的中、高档轿车，如雅阁、别克、帕萨特、马自达6等都没有配置，甚至连新生产的宝马3系列、奥迪A4也没有将ESP列为标准配置。唯独东风雪铁龙凯旋秉承了欧洲的风格，配置了ESP，从而大大得提高了该车的档次。

虽然ESP是一种全新的概念，是机电一体化的高度体现，但是它所涉及的传感器和执行器都是一些比较成熟的元件，关键在于ESP ECU的研发（包括程序编程和其他ECU的匹配）和元器件的可靠性问题。

我国的汽车工业正面临高速发展的大好机遇，2009年的总产量已达1379.10万辆（其中轿车为1038.38万辆），成为世界第一汽车生产和消费国。但是总体来说，我国生产的轿车质量和档次还不高，产量低，仍有待于提升。

ESP的研发对提升国产轿车的档次具有极为重要的作用，数千元的投入，可产生数万元的附加值，前景非常广阔，值得广大汽车生产厂家给予关注。相信，随着消费者安全意识的进一步加强，ESP技术的日臻完善，ESP会成为国内更多车型的标配置。

[1]姜立标.现代汽车最新安全控制装置[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2]金加龙.汽车底盘构造与维修[M].北京：电子工业出版社，2008.