商用车辆ESC法规FMVSS 136制定过程的研究

孙 勇，孙 明，许志光

（中国汽车技术研究中心，天津 300300）

商用车ESC系统是近年来发展起来的一种新型主动安全控制系统，可有效抑制车辆的方向失稳和侧翻失稳，对道路车辆事故预防和增强车辆行驶稳定性有积极的促进作用。如何测试评价商用车辆的ESC性能成为车型测试匹配和消费者广泛关注的重要问题，目前国际法规标准中已有欧盟ECE R13和美国 FMVSS 136法规对商用车ESC性能有所规定。

欧盟在商用车制动法规ECE R13《关于M、N、O类机动车制动的统一规定》附件21中规定了装有ESC功能车辆的特殊要求，针对方向失稳控制和侧翻失稳控制分别给出了推荐性的测试评价工况，但并未给出具体的测试方法以及评价指标。美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）发布的FMVSS 136 《重型车辆电子稳定控制系统》，此法规对侧翻稳定性控制给出了具体的测试方法和评价指标，相比ECE R13法规更具可操作性，但是FMVSS 136并未给出方向稳定性控制的测试方法和评价指标。

引用格式：

基于ESC系统对提高车辆稳定性具有重要作用，欧盟要求自2014年11月起所有新生产商用车强制装配ESC系统。美国交通部要求从2017年8月起所有 Class7型、Class 8型的重型卡车和大客车必须装配ESC系统，2019年8月起所有重型卡车和大客车都需装配ESC系统，而目前国内还未推出商用车ESC有关标准法规。NHTSA发布了初步监管影响分析（PRIA）[1]、法规制定提案通知（NPRM）[2]、法规终稿（FR）[3]等三个文稿，本文通过梳理三篇文稿来分析FMVSS 136法规制定过程，探讨ESC的测试评价方法，以期对国内制定商用车ESC的有关政策标准等提供参考。

1 PRIA、NPRM中ESC性能测试

由于商用车辆具有载重质量大、质心较高等特点，电子稳定性控制系统主要包括方向失稳控制和侧翻失稳控制两方面功能。ESC的测试应体现出方向稳定性控制和侧翻稳定性控制的功能，为此NHTSA在法规PRIA和NPRM两文稿中提出两个测试工况：慢增量转向试验（Slowly Increasing Steer，SIS） 工况和正弦停滞试验（Sine with Dwell，SWD）工况，测试规程如下。

1.1 SIS工况测试

（1）试验车辆应沿逆时针方向和顺时针方向分别进行一组SIS试验，每组试验由3 次重复试验组成，各次试验之间允许的最长间隔时间为5 min。试验应在48.3±1.6 km/h 的恒定车速下进行，以13.5 （°）/s 的速度从0°到270°逐渐增加方向盘转角，直至侧向加速度达到大约4.9 m/s2，方向盘输入如图1所示。

（2） 通过SIS试验确定使试验车辆产生4.9 m/s2的侧向加速度时的转向盘转角，记作“A”值。采用线性回归法计算每次慢增量转向试验的“A”值并圆整至0.1°；然后，计算六次慢增量转向试验“A”值绝对值的平均值并圆整至0.1°，用于正弦停滞SWD试验。

1.2 SWD工况测试

（1）按图2所示进行SWD转向输入试验：正弦转向输入的频率为0.5 Hz，在第2 个峰值处有1 000 ms的 延迟。

图 2 SWD工况方向盘输入示意图

（2）应在72±1.6 km/h 车速下，以高挡位滑行状态开始转向操作。

（3）如果计算得出的1.3 A 小于等于400°，则每组试验的最后一次试验的方向盘转角幅值为1.3 A；如果其中任何一次试验的方向盘转角幅值（最大为1.3 A）大于400°，则每组试验的最后一次试验的方向盘转角幅值为400 °。

（4）每组试验应从方向盘转角幅值为0.3 A 开始，以0.1 A 的幅度逐次增加方向盘转角幅值，直至达到规定的最后一次试验的方向盘转角幅值结束试验。

基于以上测试方法，PRIA和NPRM研究报告给出两个测试工况的相应评价指标，见表1。

1.3 其它替代工况测试

除了SIS和SWD工况外，NHTSA也做了一些可替代工况的研究工作，在NPRM中提出了也可适用于ESC性能测试的工况：J-turn和斜坡转向RSM（Ramp Steer Maneuver）。J-turn和RSM工况的最大区别是：

表1 PRIA、NPRM中测试工况及评价指标

（1）J-turn是路径跟随工况，驾驶员需要对方向盘施加操作，即沿着固定的路径进行试验。

（2）RSM工况是非路径跟随工况，即按固定的方向盘转角输入进行试验，需要自动转向控制机器进行精确控制，不需要驾驶员干预操作过程，且方向盘最大转角输入由SIS工况测试来确定，方向盘转角输入如图3所示，测试工况的说明见表2[4]。

图 3 RSM测试方向盘输入示意图

表2 RSM测试工况说明

2 FR 对PRIA、NPRM中ESC测试的反馈意见

PRIA、NPRM中ESC测试评价选用SIS测试和SWD测试，而测试的执行需要广阔的试验场地，以及专业的自动转向控制器施加操作等，基于多种因素考虑，整车及零部件企业提出了相关反馈意见。

2.1 SIS和SWD测试工况反馈意见

各企业反馈意见如下。

2.1.1 SWD测试无法体现真实操纵工况

（1）EMA认为：迄今为止没有制造商使用SWD工况测试和验证ESC系统。

（2）Navistar声称高速公路的标准宽度无法满足完成SWD操作的空间。

（3）EMA、Navistar认为一辆牵引汽车的驾驶员需要6到8车道的道路宽度才能执行SWD操作，SWD测试不同于任何可能发生在公共道路上的工况。

（4）DTNA宣称，SWD测试未能提供判断测试ESC性能通过或失败的标准。

（5）DTNA，Navistar和EMA认为调整ESC系统以通过SWD测试可能会影响ESC系统性能。Navistar认为，关注SWD测试将减少为优化其它条件下ESC性能而进行的设计工作。

（6）Navistar推测，一些ESC系统可能不符合SWD测试，可能需要较长时间的研究、开发进而重新设计ESC系统。

（7）DTNA和EMA称，SWD性能测试会对制造商带来额外的负担和限制。因为缺乏SWD测试的经验，制造商需要进行广泛的ESC测试，增加测试及设计负担。为确保符合SWD测试，重型车辆车型选择及匹配将受到限制。

2.1.2 SWD测试所需场地数量有限

Navistar、EMA、 DTNA、Volvo和 HDBMC等企业认为满足要求的场地数量是一个问题。俄亥俄州的交通研究中心（TRC）是为数不多能够满足执行SWD和SIS测试要求的场地。 基于此，他们认为增加使用TRC的企业数量将限制测试场地的可用性。

Bendix提供了相关数据和结果计算，以建议安全执行SIS和SWD测试所需的测试区域尺寸。 根据Bendix研究，SIS测试需要176 m×151 m的面积，SWD测试需要112 m×58 m的面积。 Bendix进一步认为ESC性能测试应该是便于实现，这意味着任何可以进行FMVSS 121法规测试的场地都应该能够实现FMVSS136法规测试。

2.1.3 测试成本

ATA 、EMA 、Navistar、Meritor WABCO、Volvo等企业认为采用SIS和SWD评价方法的测试成本过高，会增加企业负担。

2.1.4 SWD测试的有效性

EMA认为NHTSA没有用SWD测试进行牵引车的严格验证，且NHTSA所选用的测试用牵引车车型范围不足以覆盖法规要求的车型。EMA批评NHTSA的验证测试仅选用了一辆控制挂车，这些不足以说明SWD测试的有效性。Volvo宣称，提出的性能测试可能会损坏测试车辆，这与一些制造商对客户车辆安全保证的要求相违背。

2.2 替代工况反馈意见

Daimler、Volvo、 Meritor WABCO、Navistar、HDMA、 EMA和 Bendix 等企业建议NHTSA采用替代工况来代替SIS和SWD测试工况。EMA向NHTSA提交了用于测试侧翻稳定性的J-turn和用于测试方向稳定性的低附着路面单移线工况的说明。Daimler、Meritor WABCO、 HDMA 和 Bendix 等公司都建议采用EMA所提议的J-turn工况来测试车辆ESC防侧翻稳定性。

对于方向稳定性，NHTSA在NPRM中提到在湿滑路面进行Jennite测试引起测试变化可能性太大，而EMA对此不认同。EMA建议采用附着系数0.5路面上的单移线工况测试方向稳定性，如图4所示。测试车速高于侧翻工况车速1.6 km/h，车辆按照测试路径重复4次试验，并测量车轮制动气压。EMA建议评价ESC的最低性能要求为：至少有三次测试的制动气压不小于69 kPa。

Daimler 、HDMA和Bendix认为，如果EMA评论中描述的单移线工况测试方向稳定性具有可操作性，建议NHTSA采用，否则，他们建议取消与方向稳定性相关的性能要求，只留下关于方向稳定性能的设备定义。其它企业对方向稳定性测试持有与上述类似的观点，比如Meritor WABCO建议，NHTSA应该等待，直到开发出新的方向稳定性测试方法。但是EMA与NHTSA一致认为不足转向稳定性失稳的测试是比较困难的。在实际道路行驶中，即使没有性能测试，ESC性能要求中不足转向的预防也是客观存在的。

2.3 NHTSA对部分企业反馈意见的答复

2.3.1 SIS和SWD测试工况反馈答复

（1）不同意关于SWD工况无相关性的主张。缺乏企业自愿采用SWD工况并不代表SWD工况无关紧要。

（2）认为关于SWD所需道路宽度及实际道路发生可能性小的评论是不恰当的。测试的目的是用客观、可重复性的工况来验证ESC最低性能。SWD测试不在公共道路上进行，必须在专业场地测试，这不能有力说服SWD测试是不相关的。

（3）不认同这会给企业增加额外的设计负担，没有企业能够提供有有力说明以证明增加设计负担。

（4）不认同测试会对车造成损害。任何试验只要不安全的操作都会对车造成损害，而NHTSA没有测试过程中对车产生损害的经历。

2.3.2 防侧翻控制性能测试

RSM和J-turn都是测试防侧翻稳定性的可替代工况。RSM工况是开环工况，需用自动转向控制器操纵方向盘，并进行SIS测试来决定RSM工况的方向盘输入；J-turn工况是路径跟随工况，需由驾驶员操纵方向盘。鉴于SIS测试的专业场地空间及数量非常有限，以及测试成本、设备成本等因素的考虑，NHTSA最终选用J-turn工况用于测试防侧翻控制性能。

2.3.3 方向控制性能测试

NPRM中提出了适用于方向稳定性评价的SWD测试工况，基于大量的时间成本和仪器负担等因素考虑，NHTSA在FR中没有选用SWD工况。SWD测试仅用于测试过度转向，但不足转向是方向失稳中最主要的失稳类型，但这并不代表NHTSA会放弃对SWD工况的研究。EMA建议的单移线测试工况和低附着Jenite测试工况，还没有充分的车型数据、明确的评价指标以及试验验证以证明可用于ESC方向稳定性评价。鉴于NHTSA在轻型车ESC法规制定方面的经验和缺乏有效测试不足转向的工况，NHTSA会对EMA建议的两种工况进行深入研究或开发新的测试工况，并保持对SWD工况的继续研究。

3 FR中ESC防侧翻控制性能要求

3.1 试验路径

FMVSS 136法规采用J-turn试验作为测试ESC防侧翻控制的试验工况，按照顺时针和逆时针两个方向的J-turn测试分别进行试验，其中逆时针方向下的测试路径如图5所示。

图 5 J-turn测试工况（逆时针）路径图

3.2 防侧翻与防折叠设备

为了保证驾驶员行车安全以及防止车辆受损害，NHTSA要求车辆进行试验时应安装防侧翻支架。由于车辆质心高、满载载荷大等因素，NHTSA认为防侧翻支架的安装对试验结果影响非常小。NHTSA设计了标准的防侧翻支架，以减少测试的不确定性和增加测试结果的可重复性。

对于牵引汽车，测试需挂接带制动控制功能的挂车组成列车进行试验。汽车列车进行测试时，为防止列车折叠发生，保证测试安全性，需安装防折叠设备。NHTSA提供了一套缆线，通过设定铰接角度来防止折叠，此角度一般设定为30°。

3.3 测试规程

3.3.1 初始参考速度的确定

测试车辆采用逐渐增加车速的方式进行顺时针和逆时针方向的J-turn转向测试。测试时进入速度采用ESC系统激活行车制动前0.5 s的原始速度数据的平均值，车辆进入试验路径的最初速度为32 km/h±1.6 km/h，以1.6 km/h的幅度逐渐增加车速并重复进行试验，直到ESC行车制动功能被激活或者车辆偏离车道，ESC激活行车制动时的车速即为初始参考车速Vref-1。测试中车辆有任何一轮在0～120°测试路径范围内偏离车道，需以同样速度重复测试。如果车轮再次偏离车道，则以同样车速连续进行4次试验。

3.3.2 参考速度的确定

当以某一初始参考速度Vref-1进行顺时针和逆时针方向的J-turn路径测试时，每个方向4次试验中至少有两次同样速度试验可以令ESC激活行车制动功能，则认定该速度为参考速度Vref-2。每个方向测试中，若发生至少两次ESC未激活行车制动功能，则以1.6 km/h幅度增加初始参考速度并重复试验。

3.3.3 发动机降转矩试验

驾驶员以参考速度Vref-2进入试验路径时，立即将油门踏板踩到底直至车辆经过测试终止点位置，此期间操作方向盘保持对固定路径的跟随。顺时针和逆时针各连续进行4次试验，ESC被激活后将对发动机降转矩，测试发动机转矩相对驾驶员需求转矩的降低幅值。

3.3.4 侧翻稳定性控制试验

车辆进入J-turn试验路径的速度为Vtest，以相同的速度分别按照顺时针和逆时针方向各连续进行8次试验，其中Vtest满足如下要求：

当ESC系统将车速减小到相对进入车速4.8 km/h以下时，驾驶员释放油门踏板。

3.4 评价指标

3.4.1 参考速度确定过程中的车道保持性能

在确定初始参考车速和参考车速时，车辆以相同车速分别进行顺时针和逆时针方向的连续4次测试，每一方向应至少有两次测试过程中车轮不偏离规定的试验路径范围。

3.4.2 发动机降转矩性能

在发动机降转矩性能测试时，分别进行顺时针和逆时针方向的连续4次测试，每一方向应至少有两次测试结果满足：

（1）从车辆通过测试起始点后1.5 s开始到车辆经过测试终止点为止，ESC系统应降低驾驶员需求转矩至少10%，且至少持续0.5 s时间。

（2）从测试起始点到测试终止点，车轮应不偏离规定的试验路径范围。

3.4.3 侧翻稳定性控制性能

在侧翻稳定性控制测试时，车辆以相同车速分别进行顺时针和逆时针方向的连续8次测试，每一方向应至少有6次测试结果满足：

（1）车辆通过测试起始点后3.0 s时刻，车速不应超过47 km/h。

（2）车辆通过测试起始点后4.0 s时刻，车速不应超过45 km/h。

（3）从测试起始点到测试终止点，车轮应不偏离规定的试验路径范围。

（4）ESC行车制动功能应处于激活状态。

4 结论

（1）FMVSS 136法规的初步监管影响分析（PRIA）和法规制定提案通知（NPRM）中规定了测试ESC侧翻稳定性控制、方向稳定性控制的SIS和 SWD工况的测试方法以及相应的评价指标，并给出了除此之外的可替代工况测试方法。

（2）FR详细描述了各企业关于ESC测试评价方法及指标的相关反馈建议，以及NHTSA针对相关问题作出的回复。

（3）FR采用路径跟随工况J-turn用于评价测试ESC的防侧翻稳定性控制性能，并规定了具体的测试方法和评价指标，但并未给出涉及方向稳定性控制性能的测试评价方法。NHTSA将针对企业建议的方向稳定性测试工况继续研究或开发新的测试工况。

参考文献（References）：

[1]FMVSS 136. Electronic Stability Control Systems for Heavy Vehicles，Preliminary Regulatory Impact Analysis(PRIA)[S]. Federal Motor Vehicle Safety Standard，2012.

[2]FMVSS 136. Electronic Stability Control Systems for Heavy Vehicles, Notice of Proposed Rulemaking (NPRM)[S]. Federal Motor Vehicle Safety Standard，Docket No.NHTSA-2012-0065，2012.

[3]FMVSS 136. Electronic Stability Control Systems for Heavy Vehicles，Final Rule [S]. Federal Motor Vehicle Safety Standard，Docket No. NHTSA-2015-0056，2015.

[4]Tractor Semi-trailer Stability Objective Performance Test Research-Roll Stability [S]. National Highway Traffic Safety Administration，Docket No. NHTSA -2010-0034，2010.