楊昌偉，王志榮，馮迪

（長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710034）

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)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(yùn)行速度和制動(dòng)性能等動(dòng)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(guò)程中使用的普通、快捷、方便的交通工具。但也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到汽車對(duì)人類社會(huì)的生命財(cái)產(chǎn)所造成的傷害和損失。本文將重點(diǎn)研究汽車失穩(wěn)的原因以及汽車穩(wěn)定性應(yīng)對(duì)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(guò)度特性的汽車，當(dāng)車度過(guò)高，達(dá)到一定的限度時(shí)，即便其是處于線性區(qū)域內(nèi)也非?？赡軙?huì)出現(xiàn)失去穩(wěn)定的情況。而對(duì)于轉(zhuǎn)向不足特性的車輛來(lái)說(shuō)，相比轉(zhuǎn)向過(guò)度的汽車，在較高的車速時(shí)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(lái)說(shuō)，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(huì)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(dá)到一定極限時(shí)，這時(shí)車輛的后軸會(huì)出現(xiàn)橫向移動(dòng)，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(dá)到一定極限時(shí)，前軸就會(huì)出現(xiàn)橫向運(yùn)動(dòng)，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(shí)，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(jìn)行緊急剎車或者突然加速等緊急操縱而致使車輛進(jìn)入非線性區(qū)內(nèi)，這時(shí)質(zhì)心側(cè)偏角會(huì)增大，車輛會(huì)失去穩(wěn)定性，駕駛員不能通過(guò)操縱方向盤來(lái)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(yùn)行時(shí)，車輛的軸荷會(huì)因?yàn)檫^(guò)度的速度變化而轉(zhuǎn)移，在某些情況下會(huì)導(dǎo)致車輛由轉(zhuǎn)向不足轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)向過(guò)度，車輛也會(huì)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(duì)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(huì)對(duì)汽車的運(yùn)行產(chǎn)生影響，進(jìn)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(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生較高的質(zhì)心側(cè)偏角。汽車實(shí)際的橫擺角速度總是滯后于駕駛員對(duì)汽車的操作，汽車轉(zhuǎn)向時(shí)這種滯后會(huì)導(dǎo)致汽車出現(xiàn)相對(duì)較高的橫擺力矩，在橫擺力矩的影響下車輛往往會(huì)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(lái)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(guó)內(nèi)外的研究中也主要用這兩個(gè)參數(shù)作為理想變量來(lái)描述車輛的運(yùn)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(dòng)力學(xué)建模、行駛狀態(tài)觀測(cè)、失穩(wěn)控制策略和控制技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。動(dòng)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?？刹捎脙奢?、四輪模型。狀態(tài)觀測(cè)通常是指對(duì)汽車運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)參數(shù)的觀測(cè)，包括對(duì)輪缸壓力、摩擦系數(shù)、輪胎側(cè)向力、縱橫向車速等進(jìn)行的實(shí)時(shí)觀測(cè)。在產(chǎn)業(yè)化方面通過(guò)不斷的探索和研究，在國(guó)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(shí)現(xiàn)?？刂栖囕v穩(wěn)定性的策略主要有以下幾個(gè)方面。

（1）汽車制動(dòng)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(dòng)距離，從而控制車輪的滑移率在20%，制動(dòng)達(dá)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(hào)來(lái)比較驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪的大小，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪的速度大于從動(dòng)輪的輪速時(shí)，控制驅(qū)動(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)器對(duì)車輪運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。TCS對(duì)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(shí)驅(qū)動(dòng)輪容易出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，后輪滑轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致汽車甩尾，前輪滑轉(zhuǎn)則會(huì)導(dǎo)致汽車方向失控向一側(cè)偏移，TCS可以在汽車加速時(shí)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(duì)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(jiǎn)稱VSC；本田的 Vehicle Stability Assist 簡(jiǎn)稱VSA； Bmw的 Dynamic Stability Control 簡(jiǎn)稱DSC、奔馳的 Electronic Stability Program 簡(jiǎn) 稱 ESP；Volvo的 Dynamic Stability and Traction Control 簡(jiǎn)稱DSTC?？梢哉f(shuō)是TCS 系統(tǒng)技術(shù)和ABS系統(tǒng)技術(shù)的疊加升級(jí)，相對(duì)這兩項(xiàng)技術(shù)來(lái)說(shuō)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(dòng)機(jī)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(guò)程中的關(guān)鍵是對(duì)輪胎 “抱死”狀態(tài)，即對(duì)車輪滑移率的控制。在ESP工作過(guò)程中各個(gè)加速度傳感器協(xié)同工作，共同完成汽車運(yùn)行穩(wěn)定性的控制，一方面，對(duì)方向盤的轉(zhuǎn)角信號(hào)的檢測(cè)與計(jì)算可以得出駕駛員的實(shí)際操作意圖；另一方面，對(duì)橫向加速度傳感器、橫擺角速度傳感器信號(hào)的處理分析可以得到車輛在實(shí)際道路上運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)工況變化，將實(shí)際參數(shù)與理想?yún)?shù)進(jìn)行分析對(duì)比，兩者之間的偏差ε大于設(shè)定的偏差εmax時(shí)，則得到汽車運(yùn)行不穩(wěn)定,失去方向控制的結(jié)論。此時(shí)電子控制單元ECU就會(huì)通過(guò)偏差ε來(lái)輸出一個(gè)相應(yīng)大小的補(bǔ)償力矩，即通過(guò)液壓調(diào)節(jié)器重新分配不同車輪制動(dòng)力的大小，通過(guò)兩側(cè)車輪制動(dòng)力的不同產(chǎn)生的新的反向力矩來(lái)消除車輛運(yùn)行產(chǎn)生的橫擺力矩，使車輛恢復(fù)穩(wěn)定性。在必要時(shí)，也可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，降低驅(qū)動(dòng)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(jìn)行轉(zhuǎn)向等其他緊急駕駛操作時(shí)，轉(zhuǎn)向半徑R會(huì)變得不穩(wěn)定，將實(shí)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(guò)度轉(zhuǎn)向，實(shí)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(shí)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(duì)于前輪失去抓地力時(shí)會(huì)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(hào)來(lái)確定橫向加速度和質(zhì)心偏角值，當(dāng)這兩個(gè)值較大時(shí)，確定后輪有較大的滑動(dòng)傾向，這時(shí)對(duì)車輛的外側(cè)前輪施加一定的制動(dòng)量形成力平衡力抵抗橫擺力矩，并抑制由于過(guò)度轉(zhuǎn)向?qū)е碌暮筝嗊^(guò)度側(cè)滑，從而防止車輛旋轉(zhuǎn)或甩尾現(xiàn)象。同時(shí)，施加在車輪上的制動(dòng)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(jì)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(shì)。如果橫擺角速度的實(shí)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(shí)際的轉(zhuǎn)向半徑。在這種情況下，通過(guò)滑動(dòng)趨勢(shì)的幅度減小發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，同時(shí)制動(dòng)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(yǔ)

汽車主動(dòng)安全是汽車安全領(lǐng)域的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。汽車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性的控制在汽車主動(dòng)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(huì)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(shì)表明，同時(shí)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(shí)現(xiàn)安全交通是行業(yè)追求的目標(biāo)，是今后汽車主動(dòng)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(dòng)力學(xué)[M]．長(zhǎng)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．