PROJEKTOWANIE MECHATRONICZNE

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Elektroniczny układ stabilizujący jazdę ESP.

Przygotowali:

Mateusz Smoleń

Michał Such

Mariusz Szpiech

Piotr Wychowański

ESP (Electronic Stability Program) to system stabilizacji toru jazdy. Układ ten należy do grupy aktywnego bezpieczeństwa, w której skład wchodzą także ABS oraz ASR. Działanie tego systemu w wielu sytuacjach umożliwia uniknięcie groźnych sytuacji podczas pokonywania zakrętów, co oczywiście nie oznacza, że posiadając ESP możemy zapomnieć o prawach fizyki.

Rys. 1 Demonstracja działania układu.

1.Historia powstania systemu ESP.

Od wielu lat konstruktorom samochodowym marzył się sposób na zapobieganie poślizgowi samochodu na szybko pokonywanym zakręcie, przy ograniczonej przyczepności. Około 50% wszystkich śmiertelnych ofiar i ciężko rannych w wypadków samochodowych spowodowanych jest wpadnięciem samochodu w poślizg i nieopanowania go przez kierowcę. Pierwszym udanym rozwiązaniem, które może zmienić tę smutną statystykę wydaje się być Elektroniczny System (Program) Stabilizujący. Pojawienie się systemu ESP stanowi wielki postęp w kierunku zwiększania bezpieczeństwa czynnego podczas jazdy samochodem.

Pierwsze prace nad tym układem rozpoczęły się w firmie Daimler-Benz już w 1988 roku. W roku 1994 osiemdziesięciu wybranych właścicieli Mercedesów "jechało" na symulatorze jazdy samochodem w Berlinie po wirtualnej drodze z prędkością ok. 100 km/h. W pewnym momencie zasymulowane zostały cztery oblodzone zakręty z przyczepnością obniżoną o ok. 70%. Gdy układ ESP był wyłączony 78% kierowców nie opanowało swego samochodu, co mogło doprowadzić do ciężkich wypadków spowodowanych poślizgiem. Wszystkie próby przy włączonym układzie obyły się bez poślizgów i ani jednego wypadku.

Pierwszy publiczny pokaz systemu dla dziennikarzy odbył się w 1995 roku na zamarzniętym jeziorze zorganizowany przez firmę Daimler-Benz. Dziennikarze, którzy mogli wypróbować Mercedesa klasy S wyposażonego w ten system byli zaszokowani skutecznością wyprowadzania samochodu z poślizgu. Prace nad ESP prowadzone były już wtedy przez wiele lat. Głównym problemem we wcześniejszym opracowaniu systemu była zbyt mała moc obliczeniowa dostępnych przemysłowych układów mikroprocesorowych, aby sprostać wymaganiom potrzebne były procesory o mocy obliczeniowej grubo powyżej 1.000.000 operacji na sekundę. Dopiero w połowie lat dziewięćdziesiątych stało się to możliwe pokonanie tych trudności. Pierwszym samochodem produkowanym seryjnie wyposażonym w system ESP był Mercedes-Benz Coupe S 600 od 1995 roku. Największą sławę system ESP zawdzięcza słynnym problemom z "wywracającym się" Mercedesem klasy A. Dopiero modyfikacje zawieszenia oraz wprowadzenie do seryjnego wyposażenia ESP zapewniło bezpieczne zachowanie się samochodu w szybko pokonywanych zakrętach.

2. Stateczność ruchu samochodu i boczne znoszenie opon.

Statecznością samochodu podczas ruchu nazywamy zdolność do zachowania nadanego mu przez kierowcę kierunku jazdy. Utrata stateczności ruchu może być wywołana np. przekroczeniem maksymalnej dopuszczalnej prędkości na zakręcie, impulsem zewnętrznym, bocznym wiatrem, nierównościami drogi itp.

Istotny wpływ na stateczność ruchu ma zjawisko bocznego znoszenia opon (rys. 2). W wyniku powstawania odkształceń sprężystych ogumienia, wywołanych działaniem sił bocznych na powierzchni styku opony z nawierzchnią występują mikropoślizgi o kierunku poprzecznym do kierunku ruchu. Wskutek tego rzeczywisty kierunek ruchu koła odchyla się od płaszczyzny obrotu, a więc od kierunku ustawionego prze kierowcę. Kąt zawarty między rzeczywistym kierunkiem ruchu a płaszczyzną obrotu koła nazywamy kątem bocznego znoszenia d ("delta") .

Rys.2 Znoszenie boczne koła ogumionego

3. Zjawisko podsterowności i nadsterowności.

Rys.3 Zależności geometryczne charakteryzujące ruch pojazdu po torze krzywoliniowym, uwzględniające boczne znoszenie kół

Jeżeli w danym momencie d_P > d_T wówczas R^I > R, czyli wskutek znoszenia samochód ma tendencję do samoczynnego powiększania promienia skrętu, na zakręcie "nie chce" wejść w zakręt i stara się pojechać prosto mimo odpowiedniego skrętu kierownicą. Mamy wtedy do czynienia ze zjawiskiem podsterowności. W przypadku gdy d_P < d_T wtedy R^I < R, co oznacza, że na skutek znoszenia samochód ma tendencję do samoczynnego zmniejszania promienia skrętu, a więc w zakręcie przejawia się tym, że samochód skręca bardziej niż wynika to ze skrętu kierownicy. Oznacza to, że występuje zjawisko nadsterowności. Wartości kątów znoszenia zależą m.in. od:

• konstrukcji opon,

• ciśnienia w ogumieniu,

• wartości sił poprzecznych działających na koła,

• promienia zakrętu,

• prędkości jazdy.

W związku z powyższym ten sam samochód w pewnych sytuacjach może być podsterowny, a w innych nadsterowny. W większości przypadków samochody z przednim napędem zachowują się głównie podsterownie, natomiast tylno napędowe nadsterownie.

4. Zasada działania ESP.

4.1 Podstawowe założenia pracy.

Układ ESP (ang. Electronic Stability Programm) jak wskazuje nazwa stabilizuje samochód wpadający w poślizg, korygując tor jego jazdy. Zastosowane w nim układy elektroniczne rozpoznają uślizg boczny samochodu i poprzez możliwość przyhamowania dowolnego koła z osobna potrafią wywołać moment przeciwstawiający się obrotowi samochodu lub korygujący jego tor jazdy. W razie potrzeby jednocześnie redukowany jest moment obrotowy silnika, w celu zmniejszenia siły napędowej na kołach osi napędzanej. ESP może zadziałać w każdych warunkach (jazda na wprost, pokonywanie zakrętu, hamowanie, przyśpieszanie, swobodne toczenie). Gdy tylko pojazd wykazuje tendencję do obrotu wokół osi środkowej lub poślizgu bocznego następuje interwencja układu.

W przypadku podsterowności (przednia oś samochodu ślizga się bardziej od tylnej) przyhamowanie tylnego wewnętrznego koła stabilizuje samochód na jego właściwym torze jazdy. Jeżeli w poślizg wpada tylna oś (nadsterowność) przyhamowywane jest koło przednie zewnętrzne. Niebezpieczne przyspieszenie wokół osi pionowej rozpoznawane jest przez bardzo czuły sensor prędkości obrotowej. Czas reakcji systemu wynosi zaledwie 20 ms (0,02 sekundy), dzięki czemu wszelki poślizg wykrywany jest znacznie wcześniej niż zrobiłby to nawet najbardziej wyćwiczony kierowca.

System ESP łączy w sobie zalety wielu układów: ABS, elektronicznej regulacji rozkładu siły hamowania między osiami, układu kontroli momentu obrotowego, systemu kontroli trakcji ASR oraz, w przypadku Mercedesa, także układu BAS (Brems Assistant System) wspomagającego pełne wykorzystanie hamulców w niebezpiecznych sytuacjach. "Mózgiem" systemu w wykonaniu firmy Bosch są dwa 16-bitowe, 56kB-we mikrokomputery przetwarzające dane z wszystkich czujników. Jeden procesor pełni funkcje kontrolną kontrolując prace drugiego. Dla porównania układ ABS wymaga zaledwie czwartej części mocy obliczeniowej wymaganej przez ESP.

Czujniki ESP ciągle monitorują następujące wartości:

• prędkość obrotową każdego koła (przez czujniki ABS),

• kąt skrętu kierownicy,

• przyspieszenie poprzeczne samochodu,

• ciśnienie płynu hamulcowego w przewodach,

• prędkość obrotową wokół osi pionowej samochodu,

• aktualną prędkość jazdy samochodu,

• aktualny moment obrotowy, przekazywany na oś napędzaną,

• aktualne przełożenie wybrane przez kierowcę lub przez komputer sterujący automatyczną skrzynią biegów.

W niektórych rozwiązaniach uwzględniane są dodatkowo takie parametry jak:

• ciężar całkowity pojazdu (na podstawie układu regulującego twardość amortyzatorów),

• ciśnienie w ogumieniu (czujniki na obręczy koła lub na podstawie różnic prędkości obrotowych sąsiednich kół),

• różnice w wysokości lub rodzaju rzeźby bieżnika poszczególnych kół (porównanie prędkości obrotowej kół).

Oprogramowanie modułu sterującego bierze pod uwagę ok. 70 zmiennych, mających wpływ na sposób zadziałania układu. Elektroniczny moduł sterujący oblicza na podstawie danych z powyższych czujników teoretyczną prędkość żyroskopową (obrotową wokół osi pionowej), która odpowiada chwilowemu zamierzonemu torowi jazdy i warunkom przyczepności do powierzchni jezdni. Ta prędkość porównywana jest z rzeczywistą prędkością żyroskopową, która mierzona jest za pomocą specjalnego czujnika umieszczonego centralnie. Jeżeli występują różnice pomiędzy dwiema wielkościami, układ aktywnie wkracza do akcji hamując odpowiednie koło (koła) i regulując moment napędowy.

W przypadku samochodów z napędem na cztery koła przed konstruktorami układu ESP pojawiły się dodatkowe trudności. Ponieważ miarodajne informacje o chwilowej prędkości samochodu dostarczają koła nienapędzane potrzebna była zmiana sposobu zbierania danych o prędkości rzeczywistej samochodu. Dopiero zastosowanie oprogramowania, wyliczającego prędkość na podstawie zachowania wszystkich czterech kół przyniosła przełom. W marcu 1997 roku, prawie dwa lata po premierze ESP, pojawił się on po raz pierwszy w samochodzie z napędem na cztery koła (Audi A8 4.2 quattro).

Elementy układu ESP przedstawia rysunek nr 4:

Rys. 4 Schemat blokowy układu ESP

1 - elektroniczny układ sterujący systemem ESP (mikrokontroler) 2 - czujnik kąta skręcenia kierownicy 3 - czujnik prędkości obrotowej samochodu wokół osi pionowej 4 - czujnik przyspieszeń poprzecznych 5 - czujniki prędkości obrotowej kół 6 - mikroprocesor sterujący silnikiem 7 - mikroprocesor sterujący automatyczną skrzynią biegów (opcjonalnie) 8 - jednostka hydrauliczna regulująca ciśnienie w układzie hamulcowym 9 - pompa hamulcowa 10 – hamulec.

4.2 Opis działania ESP w przypadku podsterowności (rys. 5a)

Załóżmy, że samochód pokonuje zakręt w lewo z prędkością większą niż dopuszczalna możliwa do osiągnięcia na tym odcinku drogi i wpada w poślizg. Bardziej ślizga się oś przednia, więc mamy do czynienia z posterownością. Do komputera sterującego przychodzą dane o skręceniu kierownicy o kąt wynikający z promienia zakrętu (wybrany przez kierowcę). Jednocześnie czujnik przyspieszeń poprzecznych podaje aktualną wartość tego przyspieszenia, która po przeanalizowaniu w komputerze okazuje się mniejsza od wartości, która wystąpiłaby teoretycznie na zakręcie o danym promieniu (czujnik kierownicy) przy danej prędkości jazdy (czujniki prędkości obrotowej kół). Do tego komputer "dowiaduje się" z czujnika prędkości obrotowej wokół osi pionowej, że samochód nie obraca się o kąt, który powinien wystąpić na zakręcie o promieniu wybranym przez kierowcę. Na podstawie powyższych danych komputer wykrywa uślizg osi przedniej i wszczyna alarm. Wysyła sygnał do jednostki sterującej pracą silnika i/lub skrzyni biegów, aby chwilowo zmniejszyć moc silnika (a przez to siłę napędową na kołach napędzanych) oraz do jednostki hydraulicznej regulującej ciśnienie płynu hamulcowego koła tylnego lewego (wewnętrznego, na osi o mniejszym poślizgu), aby natychmiast rozpocząć hamowanie tego koła z maksymalną możliwą do uzyskania siłą hamowania. Dzięki temu powstaje stabilizujący moment obrotowy (wokół osi pionowej), który działa w przeciwnym kierunku do występującej niekorzystnej podsterowności i "naprowadza" samochód na idealny tor jazdy, samochód "skręca" w lewo. Niebezpieczeństwo wypadnięcia na zewnątrz zakrętu zostaje zażegnane.

Rys. 5 Siły działające na samochód w zakręcie naturalne i pochodzące z układu ESP w przypadku: a) podsterowności oraz b) nadsterowności

4.3 Opis działania ESP w przypadku nadsterowności (rys. 5b)

W przypadku, gdy samochód pokonuje zakręt znów w lewo z prędkością większą niż dopuszczalna możliwa do osiągnięcia na tym odcinku drogi i wpada w poślizg, ale bardziej ślizga się oś tylna, więc mamy do czynienia z nadsterownością. Do komputera sterującego znowu dochodzą dane o skręceniu kierownicy o kąt wynikający z promienia zakrętu (wybrany przez kierowcę). Jednocześnie czujnik przyspieszeń poprzecznych podaje aktualną wartość tego przyspieszenia, która po przeanalizowaniu w komputerze okazuje się większa od wartości, która wystąpiłaby teoretycznie na zakręcie o danym promieniu (czujnik kierownicy) przy danej prędkości jazdy (czujniki prędkości obrotowej kół). Do tego komputer stwierdza, na podstawie danych z czujnika prędkości obrotowej wokół osi pionowej, że samochód obraca się o kąt znacznie większy niż ten, który powinien wystąpić na zakręcie o promieniu wybranym przez kierowcę. Na podstawie powyższych danych komputer wykrywa poślizg osi tylnej i podejmuje w przeciągu 0,02 sekundy środki zapobiegawcze: wysyła sygnał do jednostki sterującej pracą silnika i/lub skrzyni biegów, aby chwilowo zmniejszyć moc silnika (a przez to siłę napędową na kołach napędzanych) oraz do jednostki hydraulicznej regulującej ciśnienie płynu hamulcowego koła przedniego prawego (zewnętrznego, na osi o mniejszym poślizgu), aby natychmiast rozpocząć hamowanie tego koła z maksymalną możliwą do uzyskania siłą hamowania. Dzięki temu powstaje stabilizujący moment obrotowy (wokół osi pionowej), który "naprowadza" samochód na idealny tor jazdy, samochód "skręca" w prawo. Niebezpieczeństwo gwałtownego zacieśnienia zakrętu oraz obrotu samochodu (potocznie: "wyprzedzenie samochodu przez jego tył") i w konsekwencji wypadku zostaje zażegnane.

Oczywiście w przypadku wystąpienia poślizgu hamowanego koła układ ABS zmniejsza siłę hamowania aż do odzyskania przez koło przyczepności i ponownie zwiększa ją, itd.

4.4 Komunikacja systemu z kierowcą

W czasie aktywnego działania układu ESP kierowca jest informowany poprzez centralnie na desce rozdzielczej umieszczoną kontrolkę ostrzegawczą (na ogół migający żółty trójkąt). Zwraca on uwagę kierowcy na uaktywnienie układu, a tym samym na potrzebę ostrożniejszej jazdy. Niestety żaden z produkowanych samochodów wyposażonych w ESP nie informuje kierowców innych samochodów o jego zadziałaniu przez zapalenie świateł hamowania. Tłumaczy się to przepisami mówiącymi o takiej sygnalizacji wyłącznie wtedy gdy to kierowca uruchamia hamulce. Układ ESP można wyłączyć przyciskiem umieszczonym obok. Jest to uzasadnione jazdą np. z założonymi łańcuchami przeciwśnieżnymi w górach, przy podjazdach pod górę, gdy wskazany jest poślizg.

4.5 Zalety i wady ESP

4.5.1 Podstawowe zalety układu ESP to:

• zwiększenie sterowności,

• zdecydowana poprawa bezpieczeństwa czynnego,

• zwiększenie stateczności samochodu,

• poprawa skuteczności hamowania,

• brak konieczności korygowania kursu samochodu kierownicą w czasie poślizgu.

4.5.2 Wady systemu:

• wysoka komplikacja systemu, przez co jego wysoka cena,

• brak sygnalizacji działania układu (światła hamowania) dla innych użytkowników drogi.

5. Przykładowa realizacja systemu ESP

Części składowe systemu ESP firmy Bosch stosowanego przez firmę Mercedes (rys. 5):

Rys.5 Elementy składowe układu ESP firmy Bosch:

• czujnik prędkości obrotowej samochodu wokół osi pionowej (1),

• jednostka tłocząca (2),

• pompa doładowująca (3),

• jednostka hydrauliczna (4),

• czujnik kąta skręcenia kierownicy (5),

• czujniki prędkości obrotowej kół przednich (6),

• jednostka sterująca (mikrokontroler) (7),

• czujnik przyspieszeń poprzecznych (8),

• czujniki prędkości obrotowej kół tylnych (9).

Rozmieszczenie powyższych elementów na przykładzie Mercedesa klasy A przedstawia rysunek 6:

Rys. 6 Rozmieszczenie elementów układu ESP w samochodzie Mercedes klasa A

6. Niezawodność systemu

Komplikacja systemu ESP oraz ingerencja w układ hamulcowy niosą ze sobą obawy o jego niezawodne działanie. Dlatego system zbudowany został tak, aby zminimalizować wszelkie niebezpieczeństwo. W przypadku awarii jakiegokolwiek elementu układu, który nie jest powiązany z innymi (np. z ABS) wyłączany jest sam układ ESP. Dzięki temu np. jeżeli awarii ulegnie czujnik prędkości obrotowej samochodu wokół osi pionowej kierowca ciągle może liczyć na sprawne działanie układu ABS, ASR oraz elektroniczny rozdział siły hamowania.

Jeżeli system uległ awarii to przy uruchomionym silniku świeci się lampka kontrolna ESP. Należy w takim wypadku natychmiast usunąć usterkę w Autoryzowanej Stacji Obsługi.

7. Aktualne zastosowania systemu ESP

W chwili obecnej elementy systemu produkowane są przez dwóch szeroko znanych w świecie poddostawców komponentów samochodowych, firmę Bosch (stosowane m.in. przez firmę DaimlerChrysler) oraz ITT Automotive (np. Volkswagen, Audi). Oba systemy są funkcjonalnie zbliżone do siebie. Układ ESP stosowany jest obecnie jedynie w droższych modelach i to tylko wybranych producentów. W skład seryjnego wyposażenia ESP wchodzi jedynie w modelu A firmy Mercedes-Benz, co spowodowane było słynnymi problemami ze stabilnością tego samochodu i w konsekwencji powodowało jego wywrotki. Dopiero zastosowanie zmian w zawieszeniu oraz układu ESP rozwiązało problem. Oczywiście wraz z upływem czasu coraz więcej samochodów będzie miało na liście wyposażenia to bardzo przydatne urządzenie i to po coraz niższej cenie lub w wyposażeniu standardowym. W chwili obecnej cena układu wynosi 1000 - 2000 DM, jeżeli samochód ma w wyposażeniu seryjnym układ ASR, w przeciwnym razie nawet do ok. 3500 DM (Mercedes).

Aktualna lista (październik 1998) samochodów z dostępnym układem ESP seryjnie jak i za dopłatą przedstawia się następująco:

Producent	Model	Oznaczenie	Cena w Niemczech
Audi	A3, A4, A6, A8	ESP	S/1816 DM
BMW	Serie: 3, 5, 7	DSC	S/1800 DM
Ford	Focus	ESP	Ok. 1000 DM
Mercedes-Benz	Klasa: A, C, E, S, CL, SL, CLK	ESP	S/1740 DM
Nissan	Cima	ESP	-
Porsche	Carrera 4	PSM	S
Subaru	Legacy	ESP	Ok. 1000 DM
Toyota	Majesta	ESP	-
Volvo	S 80	DSTC	1950 DM
Volkswagen	Golf, New Beetle, Bora, Passat	ESP	S/990-1600 DM

8. Podsumowanie

Elektroniczne układy stabilizujące jazdę mają przed sobą "świetlaną" przyszłość. Wynika to niestety z niezbyt optymistycznych statystyk wypadków. Według badań Instytutu d/s Bezpieczeństwa Pojazdów Stowarzyszenia Niemieckich Ubezpieczycieli Gospodarczych (GDV), z końca 1998 roku, producenci samochodów powinni konsekwentnie stosować zabezpieczenia bierne przy kolizjach bocznych (boczne poduszki powietrzne) oraz zabezpieczenia czynne, czyli właśnie elektroniczne układy stabilizacji jazdy typu ESP. Przyczyniłoby się to do dalszej znaczącej redukcji liczby ofiar wypadków drogowych. Czy jednak są granice skutecznego działania ESP? Oczywiście! Gdy same hamulce nie są w stanie zapobiec obrotowi samochodu. Oznacza to również, że kierowca wjechał w zakręt o tyle za szybko, że żaden system bezpieczeństwa nie byłby mu w stanie pomóc. Praw fizyki nie da się oszukać. Zresztą i tak będzie miał wtedy szczęście w nieszczęściu, gdyż nie wypadnie z szosy bokiem lub tyłem, lecz zawsze przodem. Dzięki temu przynajmniej poduszki powietrzne, pasy bezpieczeństwa i strefy kontrolowanego zgniotu zadziałają optymalnie.

9. Literatura

[1 ] Orzełowski S.: Budowa podwozi i nadwozi samochodowych. WSiP, Warszawa 1992
[2 ] Auto BILD - tygodnik, nr 10`95 s.88, 45`97 s.12, 40`98 s.76
[3 ] Auto ŚWIAT - tygodnik, nr 38`98 s.32
[4 ] Auto Motor i Sport - miesięcznik, nr 5`97 s.70 (Audi A8 quattro), nr 12`97 s.29
[5 ] Materiały DaimlerChrysler (dawniej Daimler-Benz AG)
[6 ] Materiały ITT Automotive
[7 ] Materiały Bosch
[8 ] Prof. Dr.-Ing. Axel Gräser - Institut für Automatisierungstechnik (IAT) -Universität Bremen
[9 ] Dipl.-Ing. Armin Müller, Daimler-Benz AG, Stuttgart - http://www.fh-pforzheim.de/fb05/blankenbach/sonstiges/et_kolloquium/vortrag_mueller.htm
[10 ] Labor Mechatronik - http://www-mb.bocholt.fh-ge.de/german/lmec01.htm

Artykuł wygłoszony przez autora po raz pierwszy 19 stycznia 1999 roku, na wykładzie przedmiotu Elektronika w technice motoryzacyjnej, wydziału Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Politechniki Gdańskiej.

Publikacja w Internecie 10 marca 1999 roku.

Powyższy artykuł został także opublikowany w tygodniku MOTOR w numerze 18`99 z datą wydawniczą 1 maja 1999 roku

Jeżeli chciał(a)byś wyrazić swoją opinię, ocenę lub uwagi krytyczne nie wahaj się dłużej tylko napisz do autora: