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作者:徐業良(2009-08-13);推薦:徐業良(2009-08-13)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2009年九月號,史丹福專欄。

談汽車的穩定控制系統

好吧,我從來沒有開著我的SUV跋山、涉水、越野過。不過即使只在市區道路或高速公路上開開,我還是很喜歡SUV駕駛座,廣告詞裡說的,「高高在上」的視野和寬闊感。噢,我也偷偷很享受駕駛SUV被「誤認」為「很粗獷」的感覺。

像我這樣把SUV當房車開的車主肯定不少。開SUV雖然不像開大客車、大貨車需要特別的駕照,但SUV車體重心位置比房車高了許多,駕駛SUV和駕駛房車還是挺不一樣的,基本上SUV操控感不那麼穩定、敏捷,白話點兒說,就是過彎時車體搖晃的比較厲害。

先把這個白話文的「搖晃」定義一下。您坐在駕駛座上,可以感受到車體有好幾個方向的自由度,最簡單的是車體經過路面不平時的上下跳動,英文叫做“bounce”,是車體的移動自由度。車體也有轉動自由度,例如您踩下煞車時車體重心向前移,前輪懸載被壓縮,車體會前低後高然後再恢復水平(也許反覆幾次),車體這種前後方向的搖晃叫做“pitch”,您從側面觀察行駛高速公路的大客車最明顯(大客車車體長的緣故);此外您操控車子左轉、右轉,或者急過彎甩尾動作,在水平面上車體的轉動則叫做“yaw”

不過這裡討論過彎時的「搖晃」,指的是車體在另一個垂直面的轉動自由度。過彎時因為離心力的關係,外側二車輪的懸載被壓縮,車體外低內高向外側傾斜,過彎之後再恢復垂直,這種左右側傾的動作叫做“roll”

即使SUV穩定性比房車差一些,對一般駕駛人來說卻完全不是問題-感謝現代電子科技的幫忙。

您在瀏覽SUV一長串媲美房車的豪華設備時,有沒有注意到許多SUV都有一個「穩定控制(Stability Control)」系統?這個穩定控制系統每個車廠名稱可能不太一樣,一般大多叫作「側傾穩定控制(Roll Stability Control, RSC)」,有的車廠叫作「動態穩定控制(Dynamic Stability Control, DSC)」,也有車廠叫做「自動穩定控制(Automatic Stability Control, ASC)」,這裡就統稱為RSC,反正是汽車的穩定性控制就對了。

這裡所謂汽車的「穩定性」,主要還是指汽車過彎時側傾(roll)的穩定性。事實上汽車側傾的穩定性受到許多因素影響,像是輪胎本身的設計、輪胎胎壓、懸載彈簧常數和減震筒阻尼係數的設定,防傾桿的剛性、左右車輪之間的距離等等。這些參數在汽車設計時都經由工程師仔細選擇,使汽車有最高的穩定性。然而這些機械性的參數設定之後,便完勸固定下來,不可能隨著實際行車狀況改變因應。

汽車過彎時因為離心力造成車體側傾,重心偏向外側,典型的現象是轉向不足,車體有朝向彎道外側切線方向衝出去的現象;另一個可能性則是外側後輪摩擦力不足以克服離心力,車體發生側移、甩尾,導致轉向過度而朝彎道內側衝出去。這兩種現象發生時,汽車不聽方向盤使喚,都可能會造成汽車失控。

和房車相比,SUV車體較重、重心較高,以同樣車速過彎時離心力較大,過彎時側傾程度更大,穩定性比較差。為了克服這個問題,SUV便必須依賴RSC以電子、主動的方式幫助機械式的輪胎、懸載、防傾桿,來維持車體的穩定性。基本上RSC判斷汽車過彎時是否依照駕駛人設定的路徑、是否有轉向不足或轉向過度的傾向,來決定何時需要主動介入,操作煞車或油門來恢復車體的穩定性。

標準流程,感知-判斷-行動。首先系統要感知汽車是否正在過彎,這個部分RSC借用了ABS煞車系統的現成訊號,ABS煞車系統基本上會不斷感測車輪速度,這個數據同時也傳送給RSC的電腦,當汽車轉向時,外側車輪走的距離比較遠,所以必須轉動快一些,電腦便可以根據內外側車輪速度的差異,來判斷汽車是否正在過彎。

判斷汽車過彎時是否依照駕駛人設定的路徑,需要多一個方向盤轉動角度的感測器,將駕駛人方向盤所指定的方向和汽車實際轉彎路徑作比對,判斷是否有轉向不足或轉向過度的傾向。RSC多半還搭配了一個感測車體在水平面上左右轉動(前面提到“yaw”方向)的感測器,和一個感測車體側傾(“roll”方向)的感測器,這兩個感測器通常位於車子重心附近,除了量測車體左右轉動和側傾的角度之外,也可由此計算角度改變的速率,有助於判斷車體穩定性是否已經失控,或者駕駛人證在進行「激烈」的操作。

穩定控制系統掌握了所有感測器的數據,接下來要判斷何時介入、如何介入,主動幫助駕駛人掌控汽車。這個判斷在汽車高速過彎或者低速、越野行駛時有很大不同。高速過彎時即使車體側傾程度不大,但因為車速的關係,可能仍然有足夠能量讓車體失控。當電腦程式判定有失控的可能性時,RSC基本介入方式是和ABS煞車系統密切結合,選擇性地操作單一車輪的煞車。

煞車基本上可以降低車速,使造成失控的能量降低;RSC系統判斷有轉向不足現象時,系統主動在內側後輪施加煞車(想像內側後輪被「定住」),便可將原本傾向直線衝出的車體掉頭拉回;RSC系統判斷車體有側滑、甩尾現象,造成轉向不足而偏往彎角內側行駛的話,系統便選擇煞住外側前輪,讓車體恢復循著直線軌跡前進,轉出彎角。除了過彎時車體穩定性的維持之外,駕駛人遭遇緊急狀況(如閃避衝出馬路的小狗)下意識做出煞車、急轉等激烈操作時,RSC也可以幫助使車子不致失控。

在低速操作(像是越野的場合)時,系統的各個感測器還是傳來同樣的訊息,但RSC電腦知道是低速狀況,車體能量較低,和以高速行駛同樣一個彎角相比,失控可能性較低。此時RSC系統便不會太快介入,甚至完全不會介入。

除了結合ABS煞車系統的操作之外,大部分RSC系統也會結合循跡控制系統同時控制引擎,當偵測到失控狀態時以減少噴油量、延遲點火等方式來降低引擎輸出,除了降低車速之外,也降低驅動輪的輸出扭力,以保持每一個車輪的循跡性,不致發生打滑空轉,更加重失控的問題。

RSC系統所有動作都在您不知情的狀況下自動發生,想像如果是駕駛人要自己做出這一系列的動作,覺察到失控狀況,踩煞車、鬆油門、打方向盤來補償轉向不足或轉向過度,眼睛還要同時注意周圍和對向來車,可能真得要越野賽車手才辦得到了。

所以您知道,RSC系統是您能把SUV輕輕鬆鬆當成房車來開的幕後英雄。電子式的RSC系統成本並不高,估計在一百美元上下,但是美國國家高速公路運輸安全局(NHTSA)估計,RSC系統對汽車駕駛人和乘客安全的防護,功效僅次於安全帶,卻還勝過成本高得多的氣囊。有報導提到NHTSA希望在2012年之前,強制美國市場每輛汽車(不只是SUV)加裝RSC系統,最後決策還沒有正式確認。

不過即使RSC系統如此功能強大,仍然無法克服基本物理定律,車體側傾角度太大,汽車還是會失控、翻覆。基本機械系統還是要小心維護,如果懸載系統減震筒磨損或彈簧損壞,過彎時車體側傾程度加大,RSC系統很難將車體保持控制。輪胎胎壓也非常關鍵,如果胎壓太低,過彎時輪胎側壁受力扭曲,車體側傾程度更大,再厲害的電子系統也沒辦法補償了。