Система динамической стабилизации предназначена для контроля поперечной динамики  автомобиля и  предотвращение  срыва  автомобиля в  занос и боковое скольжение посредством компьютерного управления  моментами силы колес. Иногда эту систему называют «противозаносной» или «системой поддержания курсовой устойчивости».  Она способна компенсировать ошибки водителя, нейтрализуя и исключая занос, когда контроль над автомобилем уже потерян.

 

 

Функции системы динамической стабилизации

 

Причиной большого числа ДТП является чело­веческий фактор. Даже при обычных условиях движения водитель и автомобиль могут достиг­нуть своих физических пределов вследствие, к примеру, неожиданного поворота дороги, вне­запно появившегося препятствия или непред­виденного изменения состояния дорожного покрытия. Увеличение скорости также может привести к потере водителем уверенного кон­троля над автомобилем, если силы поперечного ускорения, воздействующие на автомобиль, в такой ситуации достигнут уровня, требующего от водителя слишком больших усилий.

При резком изменении сцепления шин с до­рогой автомобиль внезапно начинает вести себя не так, как ожидает водитель, исходя из своего опыта. В таких экстремальных ситуациях води­тель зачастую уже не способен самостоятельно стабилизировать автомобиль; как правило, в состоянии паники он своими действиями лишь усугубляет потерю устойчивости. В результате образуется значительное расхождение между продольным движением автомобиля и его про­дольной осью (угол дрейфа β). Даже путем поворота рулевого колеса в противоположном направлении обычный водитель сможет само­стоятельно восстановить устойчивость лишь при угле дрейфа не более 8°.

Система динамической стабилизации (ESP) — именно под этим названием компания Bosch вывела на рынок свою систему управ­ления динамикой движения — вносит значи­тельный вклад в преодоление таких ситуаций, помогая водителю сохранить управляемость автомобиля в физических рабочих пределах. Датчики постоянно фиксируют поведение и водителя, и автомобиля. Путем сравнения фактического состояния с заданным, подхо­дящим к той или иной ситуации, в случае значительных расхождений система вмешивается в работу тормозной системы и силового агре­гата для стабилизации автомобиля (рис. «Боковая динамическая реакция легкового автомобиля с ESP»  ).

 

 

Встроенная функциональность антиблокировочной системы (ABS) предотвращает блокиро­вание колес при нажатии на тормоз, в то время как аналогично интегрируемая система управ­ления тяговым усилием (TCS) предотвращает пробуксовывание колес при трогании с места и разгоне. ESP — это комплексная система, охва­тывающая возможности, выходящие далеко за рамки ABS и комбинации ABS и TCS. Эта си­стема предотвращает отклонение автомобиля от курса с заносом задней оси (избыточная поворачиваемость) или передней оси (недостаточ­ная поворачиваемость), автомобиль слушается руля в рамках физически возможного.

Система ESP базируется на испытанных и зарекомендовавших себя компонентах систем ABS и TCS. Таким образом, можно активно тормозить воздействуя на отдельные колеса с высоким уровнем динамической реакции. На крутящий момент двигателя и, соответственно, тягу и пробуксовывание колес можно повлиять с помощью системы управления двигателем. Эти системы сообщаются между собой, к примеру, по шине CAN.

 

Требования к системе динамической стабилизации

 

Система динамической стабилизации (ESP) помогает повысить безопасность дорож­ного движения. Она улучшает поведение автомобиля на дороге в рамках физически возможного. Реакция автомобиля остается предсказуемой для водителя, и автомобиль становится более управляемым в критиче­ских ситуациях.

В рамках физических возможностей авто­мобиля курсовая устойчивость автомобиля улучшается во всех состояниях — при полном и частичном торможении, движении нака­том, разгоне, обгоне и изменениях нагрузки, а также, к примеру, в случае экстремальных маневров (при панической реакции). Значи­тельно снижается риск заноса.

В ряде ситуаций эффективность торможе­ния достигается путем использования тяговых характеристик при вмешательстве ABS и TCS, и когда активировано управление тяговым крутящим моментом двигателя (автоматиче­ское увеличение оборотов двигателя для по­давления избыточного тормозного момента двигателя). Это приводит к сокращению тор­мозного пути и увеличению тяги, улучшению устойчивости и повышению уровня чувстви­тельности рулевого управления.

Некорректные вмешательства систем мо­гут сказаться на безопасности. Комплексная концепция безопасности обеспечивает своев­ременное обнаружение всех неисправностей, которых не удается избежать, и система ESP полностью или частично отключается в за­висимости от типа неисправности.

Многочисленные исследования показали, что ESP значительно снижает количество ДТП, вызванных зано­сом, и уровень смертности в ДТП. Как след­ствие, оснащение автомобилей системой ESP стало обязательным в США и Канаде с сентя­бря 2011 года. В Евросоюзе (ЕС), все новые легковые автомобили и легкие грузовики должны оснащаться системой ESP с ноября 2011 года (неотъемлемая часть ECE-R 13Н). Для остальных новых автомобилей установ­лен переходный период до конца 2014 года. В других регионах, например, в Японии и Австралии, также будут вводиться такие тре­бования.

 

Принцип действия системы динамической стабилизации

 

Система динамической стабилизации (ESP) использует тормозную систему автомобиля и силовой агрегат для коррекции продольного и поперечного движения автомобиля в критиче­ских ситуациях. Когда подключается система динамической стабилизации, она смещает приоритеты управления тормозной системой. Основная функция колесных тормозов-замед­ление и/или остановка автомобиля — становится вторичной по важности, поскольку происходит вмешательство ESP для сохранения курсовой устойчивости автомобиля. ESP может также ускорять приводные колеса путем вмешатель­ства в работу двигателя, повышая устойчивость.

Оба механизма воздействуют на движе­ние автомобиля. При движении по окруж­ности в устойчивом состоянии существует определенная связь между усилиями на рулевом колесе и результирующим по­перечным ускорением автомобиля и, соответственно, силами на шинах в поперечном направлении (эффект подруливания). Силы, воздействующие на шину в продольном и поперечном направлениях, зависят от про­буксовки шины. Это означает, что на дви­жение автомобиля можно повлиять через скольжение шин. Торможение отдельных колес, например, заднего колеса на вну­треннем радиусе поворота в случае недо­статочной поворачиваемости или переднего колеса на внешнем радиусе поворота в слу­чае избыточной поворачиваемости помогает как можно более точно выдержать заданную траекторию движения автомобиля.

 

Типичный маневр автомобиля

 

Чтобы сравнить, как автомобиль будет вести себя в экстремальной ситуации с ESP и без ESP, рассмотрим следующий пример. Ма­невр движения отражает текущую ситуацию и базируется на программах моделирования, разработанных на основе результатов испы­таний. Результаты были подтверждены по­следующими дорожными испытаниями.

 

Быстрое маневрирование и выруливание

 

На рис. «Курсовая устойчивость во время последовательного прохождения правого/левого поворота» изображена реакция автомобиля без ESP и автомобиля с ESP при прохождении серии S-образных участков с быстрым маневрирова­нием и выруливанием на дороге с высоким ко­эффициентом сцепления шин с дорогой (μ = 1), без притормаживания и на исходной скорости 144 км/ч. На рис. «Кривые динамической реакции при последовательном прохождении поворотов» изображены кривые параме­тров динамической реакции. В начале, при при­ближении к S-образному участку, условия для обоих автомобилей и их реакции идентичны. За­тем водители начинают маневрировать (фаза 1).

 

 

Автомобиль без ESP

 

Как видно из рисунка, после начальной фазы резкое маневрирование у автомобиля без ESP уже угрожает потерей управляемости (рис. а, «Курсовая устойчивость во время прохождения поворотов» фаза 2). В то время как вращение руля быстро создало значительные попереч­ные силы на передних колесах, имеет место определенная задержка создания аналогич­ных сил на задних колесах. Автомобиль реа­гирует вращением по часовой стрелке вокруг своей вертикальной оси. Он лишь реагирует на попытки водителя вырулить (фаза 3), так как уже потерял управляемость. Резко возрастают скорость рыскания и угол бокового увода, и автомобиль срывается в занос (фаза 4).

 

Автомобиль с ESP

 

Автомобиль с ESP стабилизируется после первоначального маневрирования путем активного торможения переднего левого ко­леса для устранения угрозы потери устойчи­вости (рис. b, «Курсовая устойчивость во время прохождения поворотов» фаза 2): это происходит без вмешательства водителя. Это действие огра­ничивает занос внутрь, уменьшая скорость рыскания и стабилизируя угол разворота при движении по инерции. После изменения направления поворота, свое направление сначала меняет момент, и затем — скорость вращения вокруг вертикальной оси (между фазами 3 и 4). В фазе 4, второе короткое на­жатие на тормоз, на этот раз правого перед­него колеса — полностью восстанавливает устойчивость. Автомобиль продолжает дви­гаться по траектории, заданной водителем.

 

Структура системы динамической стабилизации

 

Цель системы управления динамикой

 

Контроль характеристик управляемости в пределах физически возможного направлен на то, чтобы сохранить три степени свободы автомобиля в плоскости дороги — линей­ную скорость v_x, поперечную скорость v_y и скорость ψ вращения вокруг вертикальной оси — в контролируемых пределах. Заду­манный водителем маневр преобразуется в динамическую реакцию автомобиля, адапти­руемую к характеристикам дороги в рамках процесса оптимизации, нацеленного на обе­спечение максимальной безопасности.

 

Структура системы и управления

 

Система ESP состоит из автомобиля как управляемой системы, датчиков, определяю­щих вводные переменные, исполнительных органов для коррекции тормозных, движу­щих и поперечных сил, а также иерархически структурированных контроллеров — контрол­лера поперечной динамики (высший уровень) и контроллеров колес (низший уровень) (рис. «ESP — общая система управления» ). Контроллер высшего уровня определяет заданные значения для контроллеров низ­шего уровня в виде моментов или скольже­ния или их изменений. Внутренние систем­ные переменные, не измеряемые напрямую, такие как угол дрейфа β определяются при оценке условий движения.

 

 

Чтобы определить номинальное поведе­ние, анализируются сигналы, соответствущие командам водителя. Оцениваются сигналы от датчика положения рулевого колеса, датчика давления в тормозной системе (желаемое замедление, получаемое из тормозного давления, измеренного в гидравлическом блоке) и положения педали акселератора (желаемый крутящий момент двигателя). При вычислении номинального поведения также учитывается используемый потенциал коэффициента сцепления шин с дорогой и скорость автомобиля. Эти параметры оцени­ваются на основе сигналов, получаемых от датчиков частоты вращения колес, датчика поперечного ускорения, датчика скорости вращения вокруг вертикальной оси и датчика давления в тормозной системе. Затем вычис­ляется момент относительно вертикальной оси, который необходим для приближенного приведения параметров действительного со­стояния к параметрам требуемого состояния.

В целях получения требуемого момента ры­скания необходимо, чтобы изменения в вели­чинах тормозного момента и относительного скольжения колес определялись посредством контроллера ESP. Эти величины затем уста­навливаются контроллерами низшего уровня — контроллерами относительного скольжения и тягового усилия с помощью исполнительного механизма гидравлической тормозной системы и привода управления работой двигателя.

 

Оценка состояния движения

 

Для определения стабилизирующих вмеша­тельств важно не только знать сигналы от датчиков угловых скоростей колес v_whl, давле­ние на впуске р_Adm, скорость вращения вокруг вертикальной оси поперечное ускорение ψ, угол поворота рулевого колеса δ и крутящий момент двигателя, но и ряд других внутренних системных переменных, которые могут быть из­мерены косвенно. К ним, к примеру, относятся силы, действующие на шины в продольном, поперечном и нормальном направлениях (F_x, F_y и F_n), линейная скорость v_x, значения отно­сительного скольжения шин λ_i, угол бокового увода колес а на одной оси, угол дрейфа β поперечная скорость автомобиля v_y и коэффи­циент сцепления μ. Они определяются по сигна­лам датчиков на базе вычислительных моделей.

Линейная скорость автомобиля v_x имеет ключевую важность для всех контроллеров бокового увода колес и поэтому должна вычис­ляться с очень большой точностью. Это делается на основе автомобильной модели с использо­ванием измеренных угловых скоростей колес. Здесь необходимо учитывать влияние много­численных факторов. Скорость автомобиля v_x уже в нормальных ситуациях вследствие тормо­жения или пробуксовки отличается от линейных скоростей вращательного движения колес v_whl. У полноприводных автомобилей, в частности, необходимо учитывать особенности привода колес. На поворотах колеса, движущиеся по внутреннему радиусу, проходят по траектории, отличной от траектории колес на внешнем ра­диусе, следовательно, их скорости разные.

Управляемость автомобиля меняется при обычной эксплуатации в ответ на изменения нагрузки, сопротивления движению (например, уклон дороги или изменение типа покрытия, ве­тер) или износ (например, тормозных колодок).

При всех этих граничных условиях ли­нейная скорость автомобиля должна оцени­ваться с отклонением в несколько процентов для обеспечения стабилизирующего вмеша­тельства в необходимой степени.

 

Контроллер поперечной динамики

 

Задачей контроллера поперечной динамики является вычисление фактического поведе­ния автомобиля на основании, например, сиг­нала скорости вращения вокруг вертикаль­ной оси и угла дрейфа, и сделать поведение автомобиля в экстремальной по динамике ситуации как можно более близким к по­ведению в обычной ситуации (номинальное поведение).

Связь, существующая при движении по окружности в устойчивом состоянии между скоростью вращения вокруг вертикальной оси и углом поворота рулевого колеса δ, линейной скоростью автомобиля v_x и характеристиче­скими переменными, используется для опреде­ления номинального поведения. Применяя одно­колейную модель, получаем:

ψ = (v_x / l) δ (1/ 1+(v_x/v_ch)²)

в качестве базы для расчета номинального движения автомобиля. В этой формуле l озна­чает расстояние между передней и задней осями. Геометрические и физические параме­тры модели автомобиля обобщены в «характе­ристической скорости автомобиля» v_ch.

В этом случае переменная ψ ограничива­ется соответственно текущим коэффициентам скольжения и конкретными свойствами дина­мики автомобиля и ситуации движения (ини­циируемые водителем торможение или раз­гон) и такими условиями, как наличие уклона или различие в коэффициентах скольжения (μ-разделение). Таким образом, команда во­дителя известна как номинальная скорость вращения вокруг вертикальной оси ψ_Nom.

Контроллер поперечной динамики сравни­вает измеренную скорость вращения вокруг вертикальной оси с номинальной и в случае значительных отклонений вычисляет момент вращения вокруг вертикальной оси, необхо­димый для совпадения переменной величины фактического состояния с номинальным зна­чением. На более высоком уровне контролиру­ется угол дрейфа β и по мере роста значений все в большей степени учитывается в расчете стабилизирующего момента вращения вокруг вертикальной оси ΔM_Z. Эта выходная перемен­ная контроллера применяется посредством входных переменных тормозного момента и проскальзывания отдельных колес, корректи­руемых контроллерами нижнего уровня.

Стабилизирующие вмешательства вы­полняются на всех колесах, торможение ко­торых генерирует момент вращения вокруг вертикальной оси в требуемом направлении вращения, и на которых еще не достигнут предел передаваемых сил. У автомобиля с избыточной поворачиваемостью физический предел сначала превышается на задней оси. Поэтому стабилизирующие вмешательства выполняются на переднем мосту. У автомо­биля с недостаточной поворачиваемостью ситуация обратная.

Номинальные значения относительного скольжения λ’_Nom, запрашиваемые контрол­лером поперечной динамики, на отдельных колесах устанавливаются с помощью кон­троллеров колес, т.е. контроллеров низшего уровня (см. рис. «ESP — общая система управления» ). Различают следующие три случая.

 

Управление колесами при движении накатом

 

Чтобы создавать как можно более точные вели­чины момента вращения вокруг вертикальной оси, необходимые для стабилизации автомо­биля, силы на колесах должны изменяться при определенных условиях путем контроля про­скальзывания колес. Номинальная величина проскальзывания, запрашиваемая контрол­лером поперечной динамики на том или ином колесе в случае отсутствия торможения регули­руется контроллером проскальзывания путем активного нагнетания давления. Для этого нужно как можно более точно знать величину текущего проскальзывания колеса. Оно вычисляется на основе сигнала измеренной скорости колеса и линейной скорости автомобиля v_x. Номиналь­ный тормозной момент на колесе образуется из отклонения фактической величины проскальзы­вания от номинальной с использованием PID- регулирования (пропорционально-интегрально­дифференциального регулирования).

Колесо может подвергаться торможению не только в случае активного нагнетания давле­ния контроллером поперечной динамики. По­сле переключения на пониженную передачу и резком отпускании педали газа инерция движущихся деталей двигателя в определен­ной степени тормозит приводные колеса. При увеличении этой силы и соответствующего реактивного момента сверх определенного уровня шины теряют способность передавать результирующие нагрузки на дорогу и у них появляется тенденция к блокированию (на­пример, из-за внезапного наезда на скользкий участок дороги). Тормозное проскальзывание приводных колес можно ограничить в случае движения накатом посредством регулировки тормозного момента двигателя. Водителем это воспринимается как «плавный разгон».

 

Управление колесами при торможении

 

При торможении на отдельных колесах вы­полняются различные операции, в зависимо­сти от ситуации:

• Вмешательство водителя через нажатие пе­дали тормоза и вращение рулевого колеса;
• Эффект контроллера ABS, предотвращаю­щего блокировку отдельных колес;
• Вмешательства контроллера поперечной динамики, обеспечивающие устойчивость автомобиля за счет подтормаживания от­дельных колес, при необходимости.

 

Эти три требования должны координироваться таким образом, чтобы инициируемые водите­лем торможение и маневрирование реализовы­вались как можно полнее. Если управление ко­лесами выполняется главным образом с целью максимального замедления автомобиля, то его можно выполнять на основании ускорения ко­лес, надежно определеяемого по минимальной информации датчиков (управление неустой­чивостью). Для регулировки продольных и поперечных сил на шине для стабилизации автомобиля необходимо применять принцип управления проскальзывания, так как он также позволяет управлять колесами в неста­бильном диапазоне характеристики коэффи­циента сцепления / проскальзывания. Однако на основании имеющихся сигналов датчиков должна определяться абсолютная величина проскальзывания колеса до нескольких про­центов, в зависимости от скорости автомобиля.

 

Контроллер ABS

 

Задача контроллера ABS — обеспечить устойчивость и управляемость автомобиля в любых дорожных условиях и использование сцепления между шинами и дорогой в как можно большей степени. Будучи контролле­ром нижнего уровня по отношению к контрол­леру поперечной динамики, он выполняет эти функции путем модулирования тормозного давления на колесе таким образом, чтобы обеспечивалась максимально возможная про­дольная сила при сохранении достаточной поперечной устойчивости. Однако в ESP изме­ряется больше переменных, чем в ABS, имею­щей только датчики угловых скоростей колес. Таким образом, информация о движении колеса, такая как скорость вращения вокруг вертикальной оси или поперечное ускорение, получается путем прямого измерения с боль­шей точностью, чем при модельной оценке на основании нескольких измеренных значений.

В определенных ситуациях можно повы­сить эффективность системы путем адаптации управления ABS посредством использования переменных из контроллера поперечной ди­намики. Когда автомобиль тормозит на неров­ной дороге (μ -разделение), на левых и правых колесах возникают очень разные тормозные силы. В результате возникает момент вращения вокруг вертикальной оси, на который водитель должен реагировать выруливанием, чтобы стабилизировать автомобиль. Скорость нарас­тания этого момента и быстрота последующей реакции водителя зависят от момента инерции автомобиля вокруг вертикальной оси. ABS вы­зывает задержку увеличения момента вращения вокруг вертикальной оси, сдерживая рост дав­ления в колесном цилиндре переднего колеса с более высоким коэффициентом сцепления с дорожным покрытием. Эта функция ABS может также использовать информацию контроллера высшего уровня — контроллера поперечной ди­намики (по реакции водителя и поведению авто­мобиля) и, соответственно, даже еще лучше реа­гировать на фактическое движение автомобиля.

Если при торможении в повороте автомобиль при определенных условиях начинает пово­рачиваться, то тенденции к избыточной пово­рачиваемости можно противодействовать путем электронного распределения тормозных сил че­рез уменьшение давления на отдельных колесах. Если этого недостаточно, то помогает контроллер поперечной динамики путем активного нагнета­ния давления на переднем колесе, движущемся по внешнему радиусу поворота (уменьшение поперечной силы). При недостаточной же пово­рачиваемости тормозной момент увеличивается на заднем колесе, движущемся по внутреннему радиусу поворота (при условии, что колесо не контролируется системой ABS) и слегка умень­шается на переднем внешнем колесе.

Если у автомобиля появляется тенденция к избыточной поворачиваемости при смене по­лосы с полным или частичным торможением, то уменьшается давление на заднем внешнем колесе (увеличение поперечной силы), и уве­личивается давление на переднем внешнем ко­лесе (уменьшение поперечной силы). При недо­статочной поворачиваемости при торможении в повороте увеличивается тормозной момент в заднем колесе, движущемся по внутреннему ра­диусу поворота (при условии, что колесо еще не попало в диапазон вмешательства ABS) и слегка уменьшается на переднем внешнем колесе.

 

Управление колесами при активном движении

 

Как только приводные колеса начинают проскальзывать при активном движении, активируется контроллер низшего уровня — контроллер тягового усилия (TCS). На изме­ренную скорость колеса и соответствующее проскальзывания можно повлиять путем из­менения баланса крутящего момента на каж­дом приводном колесе. Контроллер TCS огра­ничивает крутящий момент на каждом колесе до величины, которая может быть передана на дорогу. Таким образом, команда водителя реа­лизуется после разгона настолько, насколько зто физически возможно, и одновременно обеспечивается фундаментальная курсовая устойчивость, так как слишком сильно умень­шаются боковые силы на колесе.

У автомобиля с активной осью в качестве регулирующих переменных используются средняя скорость колеса приводной оси.

 

v_MWhl = 1/2 (v^l_Whl + v^R_Whl)

 

и разность скоростей    v_Dif = v^l_Whl — v^R_Whl     между левым v^l_Whl и правым v^R_Whl колесами.

Структура контроллера TCS изображена на рис. «Структура контроллера TCS». Опорные переменные контроллера поперечной динамики включаются в расчет номинального значения средней скорости колеса и разности скоростей колес, а также номинальных значений относительного скольжения и скоростей колес при движении накатом. При расчете номинальных значений v_DifNom (номинальной разности скоростей при­водных колес на одной оси) и v_WhlNom (номи­нальной средней скорости колес), вводные переменные для изменения номинального от­носительного скольжения Δλ_Nom и допустимая разность величин относительного скольжения Δλ_DlfTolNom приводной оси или осей корректируют базовые значения, вычисленные блоком TCS. Кроме того, тенденция к недостаточной или избыточной поворачиваемости, выяв­ляемая контроллером поперечной динамики, через приращение номинального крутящего момента двигателя ΔМ_RedNom напрямую вли­яет на определение максимально допустимого приводного момента.

 

 

Динамическая реакция силового агрегата зависит от сильно изменяющихся режимов работы. Поэтому необходимо определить те­кущий режим работы (выбранная передача, включение сцепления), чтобы можно было адаптировать параметры контроллера к ди­намической реакции регулируемой системы и к не линейным характеристикам.

Поскольку на среднюю угловую скорость ко­леса влияют переменные инерционные силы, возникающие в приводе в целом (в двигателе, трансмиссии, на ведущих колесах, на кардан­ном валу), то для описания её относительно медленной скорости динамической реакции ис­пользуется относительно большая постоянная времени. Среднюю угловую скорость колеса контролирует нелинейный PID-контроллер, при этом, в частности, приращение l-компонента (в зависимости от режима работы) может варьи­роваться в широком спектре. В стационарном случае l-компонент является мерой крутящего момента, который может быть передан на ко­лесо в точке контакта с поверхностью дороги. Выходной переменной этого контроллера явля­ется номинальный суммарный момент М_MWhlNom.

И наоборот, постоянная времени для разности скоростей колес относительно мала и отражает тот факт, что собственные инерционные силы колес являются практически единственным определяющим фактором для динамической реакции. Кроме того, в отличие от средней ско­рости колес, двигатель влияет на неё лишь кос­венно. Разность скоростей колес v_Dif контролируется нелинейным Pl-контроллером. Поскольку притормаживания приводного колеса вначале становятся заметными только через баланс кру­тящих моментов этого колеса, то они изменяют распределение межколесного дифференциала, имитируя его блокировку. Параметры этого кон­троллера блокировки межколесного дифферен­циала лишь в минимальной степени зависят от включенной передачи и влияний двигателя. Если дифференциальная скорость на приводной оси отличается от номинальной v_DlfNom больше, чем это допустимо («мертвая зона»), то запускается вычисление номинального дифференциального момента M_DlfNom. «Мертвая зона» расширяется, если тормозных вмешательств TCS необходимо избегать, например, при прохождении поворотов на пределах возможностей.

 

Номинальные дифференциальные крутящие моменты

 

Номинальный суммарный и номинальный дифференциальный крутящие моменты явля­ются основой для распределения позициони­рующих сил между исполнительными меха­низмами. Номинальный дифференциальный момент M_DlfNom задается разностью между крутящими моментами на левом и правом ведущих колесах путем активации соответ­ствующего клапана в гидравлическом блоке (ассиметричное вмешательство тормозов). Но­минальный суммарный момент М_MWhlNom регу­лируется как вмешательствами двигателя, так и симметричным вмешательством тормозов.

У бензинового двигателя регулировки, пред­принимаемые через дроссельный клапан, относительно медленно дают эффект (задержка и переходная реакция двигателя). Для быстрого вмешательства через двигатель используются задержка момента зажигания и еще одна опция — селективное подавление импульсов впрыска. В дизельных двигателях электронный блок управления (EDC) умень­шает крутящий момент двигателя путем из­менения количества впрыскиваемого топлива. Для краткосрочной помощи в уменьшении крутящего момента двигателя можно приме­нять симметричное тормозное воздействие.

Во внедорожных условиях особую роль играет тяговое усилие. Обычно у внедорожни­ков управление тяговым усилием автоматически адаптируется путем идентификации ситуации для достижения наилучших уровней эффектив­ности и надежности. Другие автопроизводители дают водителю возможность выбрать различ­ные регулировки, от деактивации ограничения крутящего момента двигателя до адаптации к особым состояниям дороги (лед, снег, трава, песок, снежная каша, каменистый грунт).

 

Дополнительные функции поперечной динамики

 

Описанные выше базовые функции ESP могут также включать в себя дополнительные функ­ции поперечной динамики для особых катего­рий автомобилей, таких как полноприводные универсалы или внедорожники (SUV) и легкие фургоны, а также для особых требований к ста­билизации автомобилей.

 

Расширенное управление недостаточной поворачиваемостью

 

Даже в нормальных условиях движения автомо­биль может оказаться неспособным адекватно реагировать на вращение рулевого колеса (с образованием недостаточной поворачиваемости), если, к примеру, на повороте дорожное покрытие внезапно окажется мокрым или грязным. ESP может увеличить скорость вра­щения автомобиля вокруг вертикальной оси, создав дополнительный момент вращения. Это позволяет автомобилю пройти поворот с фи­зически возможной максимальной скоростью. Ожидаемая частота вмешательств и требования к комфорту у разных типов автомобилей раз­ные и поэтому имеются соответственно разные ступени расширения для выполнения таких тормозных вмешательств, которые влияют на поведение автомобиля при недостаточной по­ворачиваемости.

Если водитель захочет пройти поворот по меньшему радиусу, чем это физически воз­можно, то останется лишь уменьшение скорости автомобиля. Эту информацию можно считывать во время поворота в устойчивом состоянии по зависимости между радиусом поворота r, линейной скоростью автомобиля v_x и скоростью вращения вокруг вертикаль­ной оси ψ:

 

r = v_x / ψ

Чтобы автомобиль оставался на заданной траектории, он — без применения момента вра­щения вокруг вертикальной оси — тормозится настолько, насколько это необходимо путем торможения всех колес (расширенное управле­ние недостаточной поворачиваемостью, EUC).

 

Предотвращение опрокидывания

 

Легкие грузовики и другие автомобили с вы­соким центром тяжести, такие как внедорож­ники (SUV), могут перевернуться при возник­новении больших поперечных сил, например, из-за резкого руления при маневрах уклоне­ния от препятствия на сухой дороге (очень динамичные ситуации вождения) или при медленном увеличении поперечного ускоре­ния автомобиля до критического при съезде с автострады с уменьшающимся радиусом по­ворота на слишком высокой скорости (почти стационарные ситуации вождения).

Существуют особые функции (функции по­давления опрокидывания, RMF), выявляющие эти критические ситуации с помощью обычных датчиков ESP и стабилизирующих автомобиль путем вмешательства в работу тормозной си­стемы и двигателя. Для обеспечения своевре­менного вмешательства, в дополнение к манев­рирующим действиям водителя и измеренной реакции автомобиля (скорость вращения вокруг вертикальной оси и боковое ускорение), для оценки поведения автомобиля в ближайшем будущем используется прогнозирующая модель. В частности, при выявлении надви­гающейся опасности опрокидывания притор­маживаются два колеса на внешнем радиусе поворота. Это действие уменьшает поперечные силы на колесах и, соответственно, критиче­ское поперечное ускорение. Управление коле­сами должно выполняться с таким высоким уровнем чувствительности, чтобы, несмотря на сильно колеблющиеся вертикальные силы F_N, управляемость не ухудшалась из-за тенденции к блокированию отдельных колес, особенно при очень динамичных маневрах уклонения. Уменьшение скоростей колес при приторма­живании отдельных колес также помогает во­дителю удержать автомобиль на своей полосе. В почти стационарных ситуациях движения точно выверенное уменьшение крутящего мо­мента двигателя также не позволяет водителю спровоцировать критическую ситуацию.

Момент стабилизирующего вмешатель­ства и его интенсивность должны быть как можно точнее адаптированы к текущему поведению автомобиля. Это поведение может значительно изменяться с нагрузкой, к при­меру, в случае с легкими фургонами и внедо­рожниками с багажниками на крыше. Такие автомобили используют дополнительные оценочные алгоритмы, вычисляющие массу автомобиля и изменение центра тяжести, вызванное распределением нагрузки, если это требуется для адаптации функций ESP (управление с адаптацией к нагрузке, LAC).

 

Подавление раскачивания прицепа

 

В зависимости от скорости движения автомо­били с прицепом подвержены раскачиванию вокруг вертикальной оси. Если автомобиль с прицепом или автопоезд движется со скоро­стью меньшей «критической» (обычно 90 км/ч и 130 км/ч), эти раскачивающие движения адекватно и быстро гасятся. Но если скорость оказывается выше, то небольшие повороты руля, боковой ветер или наезд на выбоину могут внезапно вызвать такие раскачивающие движения, которые быстро набирают интен­сивность и в конечном счете могут привести к ДТП из-за складывания автопоезда.

Периодическая избыточная поворачи­ваемость вызывает стандартные стабилизи­рующие вмешательства ESP, но они обычно приходят поздно и сами по себе не способны стабилизировать автопоезд. Функция пода­вления раскачивания прицепа (TSM) своевре­менно выявляет раскачивающие движения на основе сигналов стандартных датчиков ESP; это делается посредством анализа скорости вращения тягача вокруг вертикальной оси на основе моделей, с учетом маневрирующих движений водителя. Когда эти раскачи­вающие движения достигают критического уровня, автопоезд автоматически тормозится для уменьшения скорости до такой степени, чтобы даже малейшее последующее возбуж­дение не вызвало немедленных критических колебаний. Чтобы как можно эффективнее погасить колебания в критической ситуации, в дополнение к симметричному торможению через все оси тягача выполняются приторма­живания отдельных колес, быстро устраняю­щие раскачивание автопоезда. Ограничение крутящего момента двигателя предотвращает опасное ускорение автомобиля (инициируе­мое водителем) во время стабилизации.

 

Активация других исполнительных органов ESP

 

Наряду с использованием гидравлических колесных тормозов, предусмотрены и другие исполнительные механизмы, посредством которых можно влиять на динамику дви­жения автомобиля. Когда активное рулевое управление и системы шасси соединяются с ESP, образуя комплексную систему- систему управления динамикой автомобиля (Vehicle Dynamics Management, VDM), они в ком­плексе могут даже лучше поддержать води­теля, что еще больше повышает безопасность движения и динамику вождения.

В то время как сочетание системы стабилиза­ции рулевого управления с тормозной системой появилось в последние несколько лет, си­стемы для активации блокировки дифферен­циала в трансмиссии уже давно представлены на рынке. Большое количество таких систем означает, что соединение с ESP возможно во многих случаях. Дополнительный исполнитель­ный механизм может быть активирован либо непосредственно из расширенной функции ESP (принцип взаимодействия), либо через отдель­ный ЭБУ, обменивающийся информацией с ЭБУ ESP (параллельный принцип).

В полноприводных автомобилях созда­ваемый двигателем момент распределяется между обеими осями через межосевой дифференциал (рис. «Концепция полноприводного автомобиля с ESP» ). Когда двигатель сначала приводит в действие одну ось, а другая ось соединена с двигателем через межосевой дифференциал, такая система называется за­висимой. Если этот межосевой дифференциал представляет собой разомкнутый дифферен­циал (без блокировки), то приводной момент ограничивается при увеличении пробуксовки одной оси. В самом неблагоприятном случае при пробуксовке колеса не происходит движе­ния вперед. В сочетании с ESP симметричные вмешательства торможением контроллера TCS на все колеса могут ограничить межосевую разность скоростей колес и тем самым до­биться продольного блокирующего эффекта.

 

 

Управление тяговым усилием системы ESP может также сопоставляться с особыми принципами работы других типов межосевых дифференциалов, таких как Torsen и вязкие муфты. В принципе, все управляемые испол­нительные механизмы привода должны иметь определенный блокирующий момент и дина­мическую реакцию при размыкании и смыка­нии, чтобы адаптировать к себе подруливаю­щие свойства автомобиля.

Если привод автомобиля может быть вруч­ную переключен в различные режимы, то ESP может автоматически подстроиться под вы­бранный водителем режим. Поскольку ESP базируется на индивидуальном управлении колесами, то взаимодействие с механиче­скими блокировками дифференциала для езды по бездорожью возможно лишь при возможности автоматического размыка­ния блокировки дифференциала во время вмешательств контроллера поперечной динамики. В противном случае систему не­обходимо переключить на аварийный режим ABS, когда включена блокировка, потому что вмешательства системы динамической ста­билизации на одном колесе затронут и другие колеса, если оси жестко соединены.

 

Блокира­торы межосевого дифференциала

 

Наряду с простыми соединениями между двумя осями, имеются управляемые блокира­торы межосевого дифференциала, в которых электрический или гидравлический исполни­тельный орган активирует муфту, тем самым адаптируя момент блокировки (рис. «Концепция полноприводного автомобиля с ESP» ). Таким образом, на основании информации ESP (ско­рости колес, скорость автомобиля, скорость вращения вокруг вертикальной оси, боковое ускорение и крутящий момент двигателя), и с учетом переменных, специфичных для ис­полнительного органа (таких как механическая нагрузка) можно оптимально адаптировать со­отношение двух осей к текущей ситуации дви­жения (динамический крутящий момент при межосевом распределении, DCT-C).

Пример на рис. «Влияние распределения момента привода на поведение автомобиля» показывает, как пере­менное распределение приводного момента влияет на поведение автомобиля. Если в случае риска избыточной поворачиваемости при прохождении поворота можно временно перебросить часть крутящего момента на переднюю ось, это необходимо делать лишь намного позже во избежание потери устой­чивости, для уменьшения крутящего момента двигателя или даже стабилизации автомо­биля вмешательством тормозной системы (показано максимально возможное перерас­пределение крутящего момента привода).

Если автомобиль имеет тенденцию к недо­статочной поворачиваемости, то её можно уменьшить путем смещения крутящего мо­мента на заднюю ось. В обоих случаях дости­гается улучшение реакции автомобиля и по­вышение устойчивости. Пределы, в которых фактически возможно смещение крутящего момента привода, зависят от конфигурации конкретного привода.

Управляемый межколесный дифференциал на одной оси может быть активирован систе­мой ESP по аналогичным линиям к гибкому соединению двух осей. В плане принципа ра­боты система динамического распределения крутящего момента на колеса (Dynamic Wheel Torque Distribution, DWT) отличается лишь от блокировки межколесного дифференциала, выполняемой системой TCS через гидрав­лические колесные тормоза.

Однако такой дополнительный исполнительный орган в обычных ситуациях также активно распреде­ляет момент привода между колесами одной оси. Это делается с минимальными потерями и с гораздо большей чувствительностью и комфортом, чем может быть достигнуто че­рез управление тяговым усилием в сочетании с регулированием тормозного момента и уменьшением крутящего момента двигателя, учитывая износ гидравлического блока ESP.

 

Компоненты программы

 

Гидравлический блок, непосредственно под­ключенный к нему ЭБУ (добавочный ЭБУ) и датчики скорости работают в сложных усло­виях моторного отсека и колесных арок. Дат­чик вращения вокруг вертикальной оси и дат­чик бокового ускорения либо встраиваются в ЭБУ, либо, как датчик угла поворота, уста­навливаются в салоне. На рис. «Компоненты ESP» показаны примерные места установки компонентов в автомобиле с электрическими и механиче­скими соединениями.

 

 

Электронный блок управления

 

ЭБУ в виде печатной платы включает в себя, как и компьютер с двухъядерным процессо­ром, все приводы и полупроводниковые реле для активации клапанов и насосов, а также интерфейсные контуры для обработки сиг­налов датчиков и соответствующие комму­тирующие входы для дополнительных сигна­лов (например, выключатель стоп-сигнала). Имеются также интерфейсы (CAN, FlexRay) для сообщения с другими системами, такими как системы управления двигателем и транс­миссией.

 

Гидравлический блок

 

Гидравлический блок (также называемый ги­дравлическим модулятором), как в системах ABS или ABS/TCS, образует гидравлическое соединение между главным тормозным ци­линдром и рабочими цилиндрами колесных тормозов. Он преобразует управляющие ко­манды ЭБУ и через электромагнитные кла­паны регулирует давление в колесных тор­мозах. Гидравлический контур выполняется в виде каналов в алюминиевом блоке. Этот блок также используется для размещения необходимых элементов гидравлической функции (электромагнитных клапанов, плун­жерных насосов и камер-аккумуляторов).

В системе ESP должно быть 12 клапанов не­зависимо от конфигурации тормозных контуров (рис. «Схема гидравлического блока ESP (х-образная конфигурация тормозных контуров» ). Кроме того, обычно встраивается датчик давления, измеряющий инициируемое водителем замедление через тормозное давление в главном тормозном цилиндре. Это повышает эффектив­ность стабилизации автомобиля при частично активных маневрах. Давление модулируется при регулировании со стороны ABS (пассивное регу­лирование) с помощью гидравлики ESP точно так же, как было описано для системы ABS.

 

 

Но поскольку системы ESP также должны активно нагнетать давление (активное регули­рование) или повышать тормозное давление, создаваемое водителем (частично активное регулирование), используемый в ABS воз­вратный насос заменяется самовсасывающим насосом для каждого контура. Рабочие цилиндры тормозных механизмов колес и глав­ный тормозной цилиндр соединяются через коммутационный клапан, открываемый при нулевом электрическом токе, и переключаю­щий клапан высокого давления.

Дополнительный невозвратный клапан с определенным давлением закрытия предот­вращает высасывание лишней тормозной жидкости из цилиндров колес. Насосы при­водятся в действие электродвигателем посто­янного тока в зависимости от потребностей. Двигатель вращает расположенный на его валу эксцентриковый подшипник.

На рис. «Модуляция давления в гидравлическом блоке ESP» показаны три примера моду­ляции давления. Чтобы нагнеталось дав­ление независимо от водителя (рис. с), коммутационные клапаны закрываются, а переключающие клапаны высокого давле­ния — открываются. Теперь самовсасывающий насос подает тормозную жидкость на соответствующее колесо или колёса, нагне­тая давление. Впускные клапаны других ко­лес остаются закрытыми.

Чтобы уменьшить давление, выпускные клапаны открываются, а переключающие клапаны высокого дав­ления возвращаются в исходное положение (рис. b). Тормозная жидкость вытекает из рабочих тормозных цилиндров колес в резер­вуары низкого давления, опорожняемые насо­сами. Управление двигателем насоса, в зависимости от потребностей, уменьшает шум при нагнетании и регулировании давления.

Для частично активного управления (рис. а) переключающий клапан высокого давления должен быть способен открывать всасывающий канал насоса при высоком дифференциальном давлении (> 0,1 МПа). Первая ступень клапана открывается за счет магнитной силы катушки, находящейся под напряжением, а вторая ступень — за счет разности гидравлических площадей. Если контроллер ESP обнаружит нестабильное со­стояние автомобиля, то коммутирующие кла­паны (открытые при нулевом электрическом токе) закрываются, а переключающий клапан высокого давления (закрытый при нулевом электрическом токе) открывается.

Затем два насоса генерируют дополнительное давление для стабилизации автомобиля. По заверше­нии вмешательства системы открывается вы­пускной клапан, и тормозная жидкость из ра­бочего тормозного цилиндра регулируемого колеса выходит в аккумулятор. Как только водитель отпустит педаль тормоза, тормоз­ная жидкость откачивается из аккумулятора обратно в бачок.

 

 

Система контроля

 

Комплексная система контроля безопасности является фундаментальной для обеспечения надежного функционирования ESP. Система контроля безопасности охватывает работу системы ESP вместе с ее компонентами и всеми другими функциональными взаимо­связями. В основе системы контроля безо­пасности лежат такие методы, как FMEA, FTA и исследования с моделированием неисправ­ностей. Применяются методы по исключению ошибок, которые бы имели последствия, относящиеся к безопасности. Крупномасштабные программы контроля гарантируют надежное и точное определение всех ошибок датчиков, которые не могут быть полностью исключены. Эти программы основаны на хорошо разработанных надежных программ­ных обеспечениях систем ABS и TCS, контро­лирующих все компоненты, подключенные к ЭБУ вместе с их электрическими подсоеди­нениями. Со временем надежное программ­ное обеспечение улучшалось более полным использованием возможностей, предостав­лявшихся дополнительными датчиками и их последующим приспособлением к специаль­ным компонентам и функциям ESP.

Работа датчиков контролируется в несколько этапов. Во время первой стадии датчики непре­рывно контролируются во время управления автомобилем на обрыв проводов и вероят­ность прохождения сигнала (внедиапазонная проверка, определение помех, физическое правдоподобие). В течение второго этапа наи­более важные датчики проверяются отдельно. Датчик скорости вращения вокруг вертикаль­ной оси испытывается путем преднамеренной расстройки чувствительного элемента и затем оценивается на прохождение сигнала. Даже датчик ускорения имеет внутренний фоно­вый контроль. При активации сигнал датчика давления должен показывать предопределен­ную характеристику; происходит внутренняя компенсация смещения и усиления. Датчик угла поворота рулевого колеса имеет свои собственные контрольные функции, которые непосредственно сопровождают какое-либо ошибочное сообщение, поступающее к ЭБУ. Дополнительно контролирует цифровой сиг­нал, постоянно передаваемый к ECU. Во время третьего этапа применяется аналитическая избыточность для контроля работы датчиков во время стационарного режима эксплуатации автомобиля. В данном случае используется мо­дель автомобиля с целью проверить тот факт, что не имеется нарушений для определенных связей между сигналами датчиков и движе­нием автомобиля. Эти модели также часто при­меняются для вычислений и компенсирования смещений датчиков, поскольку они остаются в пределах технических условий.

В случае возникновения ошибки система выключается или частично, или полностью, что зависит от типа ошибки. Реагирование системы на ошибки также зависит от того, действительно ли осуществлялось управ­ление.

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ: