汽車穩定性分析及對策研究

楊昌偉，王志榮，馮迪

（長安大學工程機械學院，陜西 西安 710034）

近年來，隨著社會經濟的發展和科學技術的進步，汽車工業和道路建設質量都有了很大程度的改善，因此，汽車的運行速度和制動性能等動力學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程中使用的普通、快捷、方便的交通工具。但也應該認識到汽車對人類社會的生命財產所造成的傷害和損失。本文將重點研究汽車失穩的原因以及汽車穩定性應對策略。

1 汽車失穩原因分析

區分不同轉向特性的車輛，如果某一汽車是轉向過度特性的汽車，當車度過高，達到一定的限度時，即便其是處于線性區域內也非常可能會出現失去穩定的情況。而對于轉向不足特性的車輛來說，相比轉向過度的汽車，在較高的車速時其仍然具有較好的穩定性，從而確保車輛在線性區域內能夠得到較好的操控穩定性。具體來說，在非線性區域內由于側偏角的增大，輪胎的側向力會逐漸地趨于飽和，從而導致在非線性區域內車輛失去穩定性的概率較大。車輛后軸的側向力達到一定極限時，這時車輛的后軸會出現橫向移動，引發車輛甩尾等其他十分嚴重事故；在車輛前軸側向力達到一定極限時，前軸就會出現橫向運動，從而導致汽車的駕駛方向出現偏差，方向失控。與此同時，導致車輛失穩的因素還有很多，比如不同路面u值的摩擦系數，自然界的側向風，不同的駕駛操縱等。下面列舉了一些致使汽車失穩的一些主要因素。

（1）在駕駛員進行緊急剎車或者突然加速等緊急操縱而致使車輛進入非線性區內，這時質心側偏角會增大，車輛會失去穩定性，駕駛員不能通過操縱方向盤來控制汽車的行駛方向。

（2）轉向不足的汽車在不同的駕駛模式下運行時，車輛的軸荷會因為過度的速度變化而轉移，在某些情況下會導致車輛由轉向不足轉變為轉向過度，車輛也會因此失穩。

（3）由于不同的路面其附著系數u值是不同的，它對汽車行駛特性影響較大。另外，自然界等產生的橫向力，道路的縱橫曲線同樣會對汽車的運行產生影響，進而引發質心側偏角的增大使車輛失穩。

（4）當汽車突然要變更車道時，往往會產生較高的質心側偏角。汽車實際的橫擺角速度總是滯后于駕駛員對汽車的操作，汽車轉向時這種滯后會導致汽車出現相對較高的橫擺力矩，在橫擺力矩的影響下車輛往往會失去穩定性。

上述主要分析了4條影響汽車穩定性的因素，從上述分析來看，影響車輛穩定性的變量主要包括車輛的橫擺角速度和質心的側偏，在目前國內外的研究中也主要用這兩個參數作為理想變量來描述車輛的運行情況。

2 汽車穩定性控制策略分析

汽車穩定性控制技術包括汽車動力學建模、行駛狀態觀測、失穩控制策略和控制技術產業化。動力學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，面向控制的建模可采用兩輪、四輪模型。狀態觀測通常是指對汽車運行過程中的狀態參數的觀測，包括對輪缸壓力、摩擦系數、輪胎側向力、縱橫向車速等進行的實時觀測。在產業化方面通過不斷的探索和研究，在國內汽車的生產線中，穩定性控制技術的產業化在逐步實現。控制車輛穩定性的策略主要有以下幾個方面。

（1）汽車制動防抱死系統（ABS）。由于車輪在邊滾變化狀態下與地面的附著力大于車輪處于抱死狀態下的附著力，這樣不僅可以防止車輛發生側滑，還可以最大限度縮小制動距離，從而控制車輪的滑移率在20%，制動達到最安全的效果。

（2）汽車牽引力控制系統（TCS）。牽引力控制系統（TCS，Traction Control System），也叫作循跡控制系統。TCS借助輪速傳感器的信號來比較驅動輪和從動輪的大小，當驅動輪的速度大于從動輪的輪速時，控制驅動輪轉速的一種防滑轉控制系統。TCS與ABS的作用模式十分相似，都使用輪速傳感器及制動調節器對車輪運轉狀態進行調節。TCS對汽車的穩定性的意義重大，在附著系數較低比如結冰。濕滑的路面，汽車在加速時驅動輪容易出現滑轉現象，后輪滑轉會導致汽車甩尾，前輪滑轉則會導致汽車方向失控向一側偏移，TCS可以在汽車加速時避免或減輕這種現象，使汽車保持預定的行駛軌跡。

（3）汽車穩定性控制系統（ESP）。汽車穩定性控制系統（ESP，Electronic Stability Program）。雖然不同的汽車企業對穩定性控制系統的叫法有所不同，但是原理和結構基本相同。其中比較典型的叫法主要包括：豐田的 Vehicle Stability Control，簡稱VSC；本田的 Vehicle Stability Assist 簡稱VSA； Bmw的 Dynamic Stability Control 簡稱DSC、奔馳的 Electronic Stability Program 簡 稱 ESP；Volvo的 Dynamic Stability and Traction Control 簡稱DSTC。可以說是TCS 系統技術和ABS系統技術的疊加升級，相對這兩項技術來說有了質的飛躍。

車輛穩定控制系統的基本組成包含發動機管理電子控制單元 ECU、液壓控制系統、橫擺角速度傳感器、方向盤轉角傳感器、橫向加速度傳感器、輪速傳感器。嚴格控制車輪的滑移率，防止車輪因“抱死”而出現車輛方向的不可控是車輛穩定性控制的關鍵。因此，ESP在工作過程中的關鍵是對輪胎 “抱死”狀態，即對車輪滑移率的控制。在ESP工作過程中各個加速度傳感器協同工作，共同完成汽車運行穩定性的控制，一方面，對方向盤的轉角信號的檢測與計算可以得出駕駛員的實際操作意圖；另一方面，對橫向加速度傳感器、橫擺角速度傳感器信號的處理分析可以得到車輛在實際道路上運行時的實時工況變化，將實際參數與理想參數進行分析對比，兩者之間的偏差ε大于設定的偏差εmax時，則得到汽車運行不穩定,失去方向控制的結論。此時電子控制單元ECU就會通過偏差ε來輸出一個相應大小的補償力矩，即通過液壓調節器重新分配不同車輪制動力的大小，通過兩側車輪制動力的不同產生的新的反向力矩來消除車輛運行產生的橫擺力矩，使車輛恢復穩定性。在必要時，也可以對發動機進行調節，降低驅動力以保持車輛穩定性。在外界的干擾或者轉向等的作用下，當汽車以高速或者在路面附著系數比較小的道路上進行轉向等其他緊急駕駛操作時，轉向半徑R會變得不穩定，將實際的轉向半徑(R1)比預期的轉向半徑(R2)小的情況(R1＜R2)稱為過度轉向，實際的轉向半徑(R1)比預期的轉向半徑(R2)大的情況(R1＞R2)稱為不足轉向，當R1≠R2時車輛都是失穩的。

車輛穩定控制系統（ESP）具體工作原理如下。

（1）防止車輛后輪打滑的傾向。當車輛后輪相對于前輪失去抓地力時會發生側滑。ECU使用橫擺角速度和橫向加速度傳感器信號來確定橫向加速度和質心偏角值，當這兩個值較大時，確定后輪有較大的滑動傾向，這時對車輛的外側前輪施加一定的制動量形成力平衡力抵抗橫擺力矩，并抑制由于過度轉向導致的后輪過度側滑，從而防止車輛旋轉或甩尾現象。同時，施加在車輪上的制動力也降低了車輛的速度，更有利于保持車輛的穩定性。

（2）防止車輛前輪打滑的傾向。ECU像（1）中后輪一樣，計算車輛的狀態以確定是否存在前輪打滑（即轉向不足）的趨勢。如果橫擺角速度的實際值比理想值小，表示車輛不能根據駕駛員期望的軌跡行駛，并且預期轉向半徑小于實際的轉向半徑。在這種情況下，通過滑動趨勢的幅度減小發動機的輸出功率，同時制動力被施加到內后輪以減小側向力以形成相同的力矩以保持車輛處于預定的軌跡，由此抑制前輪打滑。

3 結語

汽車主動安全是汽車安全領域的關鍵環節。汽車動力學穩定性的控制在汽車主動安全技術體系中至關重要,是汽車持續安全發展,滿足人類社會安全發展需求的基礎。但是,當前單一的汽車穩定性控制技術已經不能滿足當前汽車安全技術的需要，行業發展趨勢表明，同時將 DSC 技術與自適應巡航控制、防側翻控制、智能交通系統等技術融合，最大限度的實現安全交通是行業追求的目標，是今后汽車主動安全技術發展的方向。

[1]楊康．汽車電子穩定系統 ESP 控制策略的研究[D]．燕山大學碩士學位論文, 2014．

[2]郭孔輝．汽車操縱動力學[M]．長春：吉林科學技術出版社，1991．

[3]周鑫華．基于橫擺和側傾的汽車穩定性及控制策略模型研究[D]．重慶理工大學碩士學位論文,2013．