汽车稳定性分析及对策研究

杨昌伟，王志荣，冯迪

（长安大学工程机械学院，陕西 西安 710034）

近年来，随着社会经济的发展和科学技术的进步，汽车工业和道路建设质量都有了很大程度的改善，因此，汽车的运行速度和制动性能等动力学性能都有了很大的提升。从而使汽车逐渐成为了人们出行过程中使用的普通、快捷、方便的交通工具。但也应该认识到汽车对人类社会的生命财产所造成的伤害和损失。本文将重点研究汽车失稳的原因以及汽车稳定性应对策略。

1 汽车失稳原因分析

区分不同转向特性的车辆，如果某一汽车是转向过度特性的汽车，当车度过高，达到一定的限度时，即便其是处于线性区域内也非常可能会出现失去稳定的情况。而对于转向不足特性的车辆来说，相比转向过度的汽车，在较高的车速时其仍然具有较好的稳定性，从而确保车辆在线性区域内能够得到较好的操控稳定性。具体来说，在非线性区域内由于侧偏角的增大，轮胎的侧向力会逐渐地趋于饱和，从而导致在非线性区域内车辆失去稳定性的概率较大。车辆后轴的侧向力达到一定极限时，这时车辆的后轴会出现横向移动，引发车辆甩尾等其他十分严重事故；在车辆前轴侧向力达到一定极限时，前轴就会出现横向运动，从而导致汽车的驾驶方向出现偏差，方向失控。与此同时，导致车辆失稳的因素还有很多，比如不同路面u值的摩擦系数，自然界的侧向风，不同的驾驶操纵等。下面列举了一些致使汽车失稳的一些主要因素。

（1）在驾驶员进行紧急刹车或者突然加速等紧急操纵而致使车辆进入非线性区内，这时质心侧偏角会增大，车辆会失去稳定性，驾驶员不能通过操纵方向盘来控制汽车的行驶方向。

（2）转向不足的汽车在不同的驾驶模式下运行时，车辆的轴荷会因为过度的速度变化而转移，在某些情况下会导致车辆由转向不足转变为转向过度，车辆也会因此失稳。

（3）由于不同的路面其附着系数u值是不同的，它对汽车行驶特性影响较大。另外，自然界等产生的横向力，道路的纵横曲线同样会对汽车的运行产生影响，进而引发质心侧偏角的增大使车辆失稳。

（4）当汽车突然要变更车道时，往往会产生较高的质心侧偏角。汽车实际的横摆角速度总是滞后于驾驶员对汽车的操作，汽车转向时这种滞后会导致汽车出现相对较高的横摆力矩，在横摆力矩的影响下车辆往往会失去稳定性。

上述主要分析了4条影响汽车稳定性的因素，从上述分析来看，影响车辆稳定性的变量主要包括车辆的横摆角速度和质心的侧偏，在目前国内外的研究中也主要用这两个参数作为理想变量来描述车辆的运行情况。

2 汽车稳定性控制策略分析

汽车稳定性控制技术包括汽车动力学建模、行驶状态观测、失稳控制策略和控制技术产业化。动力学建模则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等仿真软件建立仿真模型，面向控制的建模可采用两轮、四轮模型。状态观测通常是指对汽车运行过程中的状态参数的观测，包括对轮缸压力、摩擦系数、轮胎侧向力、纵横向车速等进行的实时观测。在产业化方面通过不断的探索和研究，在国内汽车的生产线中，稳定性控制技术的产业化在逐步实现。控制车辆稳定性的策略主要有以下几个方面。

（1）汽车制动防抱死系统（ABS）。由于车轮在边滚变化状态下与地面的附着力大于车轮处于抱死状态下的附着力，这样不仅可以防止车辆发生侧滑，还可以最大限度缩小制动距离，从而控制车轮的滑移率在20%，制动达到最安全的效果。

（2）汽车牵引力控制系统（TCS）。牵引力控制系统（TCS，Traction Control System），也叫作循迹控制系统。TCS借助轮速传感器的信号来比较驱动轮和从动轮的大小，当驱动轮的速度大于从动轮的轮速时，控制驱动轮转速的一种防滑转控制系统。TCS与ABS的作用模式十分相似，都使用轮速传感器及制动调节器对车轮运转状态进行调节。TCS对汽车的稳定性的意义重大，在附着系数较低比如结冰。湿滑的路面，汽车在加速时驱动轮容易出现滑转现象，后轮滑转会导致汽车甩尾，前轮滑转则会导致汽车方向失控向一侧偏移，TCS可以在汽车加速时避免或减轻这种现象，使汽车保持预定的行驶轨迹。

（3）汽车稳定性控制系统（ESP）。汽车稳定性控制系统（ESP，Electronic Stability Program）。虽然不同的汽车企业对稳定性控制系统的叫法有所不同，但是原理和结构基本相同。其中比较典型的叫法主要包括：丰田的 Vehicle Stability Control，简称VSC；本田的 Vehicle Stability Assist 简称VSA； Bmw的 Dynamic Stability Control 简称DSC、奔驰的 Electronic Stability Program 简 称 ESP；Volvo的 Dynamic Stability and Traction Control 简称DSTC。可以说是TCS 系统技术和ABS系统技术的叠加升级，相对这两项技术来说有了质的飞跃。

车辆稳定控制系统的基本组成包含发动机管理电子控制单元 ECU、液压控制系统、横摆角速度传感器、方向盘转角传感器、横向加速度传感器、轮速传感器。严格控制车轮的滑移率，防止车轮因“抱死”而出现车辆方向的不可控是车辆稳定性控制的关键。因此，ESP在工作过程中的关键是对轮胎 “抱死”状态，即对车轮滑移率的控制。在ESP工作过程中各个加速度传感器协同工作，共同完成汽车运行稳定性的控制，一方面，对方向盘的转角信号的检测与计算可以得出驾驶员的实际操作意图；另一方面，对横向加速度传感器、横摆角速度传感器信号的处理分析可以得到车辆在实际道路上运行时的实时工况变化，将实际参数与理想参数进行分析对比，两者之间的偏差ε大于设定的偏差εmax时，则得到汽车运行不稳定,失去方向控制的结论。此时电子控制单元ECU就会通过偏差ε来输出一个相应大小的补偿力矩，即通过液压调节器重新分配不同车轮制动力的大小，通过两侧车轮制动力的不同产生的新的反向力矩来消除车辆运行产生的横摆力矩，使车辆恢复稳定性。在必要时，也可以对发动机进行调节，降低驱动力以保持车辆稳定性。在外界的干扰或者转向等的作用下，当汽车以高速或者在路面附着系数比较小的道路上进行转向等其他紧急驾驶操作时，转向半径R会变得不稳定，将实际的转向半径(R1)比预期的转向半径(R2)小的情况(R1＜R2)称为过度转向，实际的转向半径(R1)比预期的转向半径(R2)大的情况(R1＞R2)称为不足转向，当R1≠R2时车辆都是失稳的。

车辆稳定控制系统（ESP）具体工作原理如下。

（1）防止车辆后轮打滑的倾向。当车辆后轮相对于前轮失去抓地力时会发生侧滑。ECU使用横摆角速度和横向加速度传感器信号来确定横向加速度和质心偏角值，当这两个值较大时，确定后轮有较大的滑动倾向，这时对车辆的外侧前轮施加一定的制动量形成力平衡力抵抗横摆力矩，并抑制由于过度转向导致的后轮过度侧滑，从而防止车辆旋转或甩尾现象。同时，施加在车轮上的制动力也降低了车辆的速度，更有利于保持车辆的稳定性。

（2）防止车辆前轮打滑的倾向。ECU像（1）中后轮一样，计算车辆的状态以确定是否存在前轮打滑（即转向不足）的趋势。如果横摆角速度的实际值比理想值小，表示车辆不能根据驾驶员期望的轨迹行驶，并且预期转向半径小于实际的转向半径。在这种情况下，通过滑动趋势的幅度减小发动机的输出功率，同时制动力被施加到内后轮以减小侧向力以形成相同的力矩以保持车辆处于预定的轨迹，由此抑制前轮打滑。

3 结语

汽车主动安全是汽车安全领域的关键环节。汽车动力学稳定性的控制在汽车主动安全技术体系中至关重要,是汽车持续安全发展,满足人类社会安全发展需求的基础。但是,当前单一的汽车稳定性控制技术已经不能满足当前汽车安全技术的需要，行业发展趋势表明，同时将 DSC 技术与自适应巡航控制、防侧翻控制、智能交通系统等技术融合，最大限度的实现安全交通是行业追求的目标，是今后汽车主动安全技术发展的方向。

[1]杨康．汽车电子稳定系统 ESP 控制策略的研究[D]．燕山大学硕士学位论文, 2014．

[2]郭孔辉．汽车操纵动力学[M]．长春：吉林科学技术出版社，1991．

[3]周鑫华．基于横摆和侧倾的汽车稳定性及控制策略模型研究[D]．重庆理工大学硕士学位论文,2013．