Как электронная система стабилизации спасает вас при заносе автомобиля?

Электронная система курсовой устойчивости (ESC; у некоторых марок ESP) - это активная система безопасности, которая по датчикам скорости колёс, угла поворота руля и рыскания понимает, что автомобиль начал заносить, и, ограничивая мощность двигателя и притормаживая колёса по отдельности, выравнивает траекторию. Если коротко: подушка безопасности срабатывает после аварии, а ESP пытается предотвратить её ещё до начала.

Что такое ESP и чем оно отличается?

Наверняка ты встречал три разных названия одной и той же компьютерной технологии: ESC (Electronic Stability Control), ESP (Electronic Stability Program) и DSC (Dynamic Stability Control). Все три делают одно и то же: распознают и уменьшают занос автомобиля, то есть потерю сцепления. Марочные различия меняют названия, но логика внутри одна.

История у неё, кстати, красивая. Mercedes-Benz и Bosch с 1987 по 1992 год совместно разрабатывали «Elektronisches Stabilitätsprogramm», и система впервые появилась в 1995 году на Mercedes-Benz S 600 Coupé. В том же году VSC появился на Toyota Crown Majesta, а с модельного года 1997 GM представил StabiliTrak; в 1997 году Audi также представила первый серийный ESP на A8 и A6 quattro с полным приводом. Настоящий поворотный момент тоже наступил в 1997 году: шведский журналист опрокинул Mercedes A-Class без ESC на 78 км/ч в тесте на резкий манёвр - «лосином тесте». Mercedes отозвал 130 000 автомобилей и сделал ESP стандартным. То есть эта система родилась из истории одной аварии и предотвратила миллионы аварий.

Уточним здесь и различие между пассивной и активной безопасностью: ремни, подушки безопасности и зоны деформации управляют аварией; ESP же существует, чтобы аварии вообще не произошло. Как подчёркивает Euro NCAP, это, пожалуй, единственная активная система безопасности, польза которой доказана статистикой. По расчётам IIHS, если бы ESC был во всех автомобилях, ежегодно можно было бы предотвратить до 10 000 смертельных аварий. Серьёзные цифры, не так ли?

Четыре датчика: как система понимает намерения водителя?

Суперсила ESP - не предсказание, а измерение. Система питается от четырёх основных датчиков, и каждый отвечает на свой вопрос:

• Датчик угла поворота руля (SAS): Он расположен в рулевой колонке и сообщает, куда водитель хочет направиться. Внутри него несколько датчиков упакованы в один блок; аналоговые версии измеряют угол по разнице напряжений, цифровые - с помощью светодиодов, и отправляют в блок управления как минимум два сигнала - обычно два сигнала со сдвигом фазы относительно друг друга. Это резервирование предотвращает ошибочные показания.
• Датчик рыскания (yaw rate): Измеряет скорость вращения автомобиля вокруг вертикальной оси. Иными словами, ответ на вопрос «машина сейчас поворачивает вправо и насколько быстро?» приходит именно отсюда.
• Датчик бокового ускорения: Сообщает, насколько сильно автомобиль заносит в сторону.
• Датчики скорости колёс: Отслеживают скорость каждого из четырёх колёс по отдельности; если одно колесо замедляется быстрее остальных, значит, там происходит пробуксовка.

Одна из самых хитрых деталей здесь - отслеживание скорости вращения руля. Быстрое движение рулём на малой скорости совершенно нормально: при парковке вы крутите руль почти одним пальцем. Но если вы вращаете руль с той же скоростью на скорости шоссе, система интерпретирует это как сигнал «водитель теряет контроль». Маленькая деталь данных - большой смысл.

Есть и дополнительные участники: датчик продольного ускорения передаёт информацию об уклоне дороги и тангаже, а датчик скорости крена измеряет скорость наклона кузова вбок; оба делают модель автомобиля в контроллере более точной. В автомобилях с электроусилителем руля датчик крутящего момента на руле считывает, насколько сильно водитель сжимает руль, по лёгкому скручиванию торсионного стержня. То есть система в курсе даже того, что происходит с вашими руками.

Момент принятия решения: как система распознаёт занос и исправляет его?

Логика в сердце ESP на самом деле основана на одном-единственном сравнении: желаемое направление водителя и фактическое направление автомобиля. Намерение считывается из угла руля, фактическое состояние - из бокового ускорения и скоростей колёс; данные датчика вращения постоянно сравниваются с углом руля. Если они совпадают, система молча наблюдает. Если совпадение нарушено - то есть если алгоритм управления, сравнив желаемую скорость вращения и угол скольжения, рассчитанные из динамики автомобиля, с реальными значениями, обнаружил расхождение - начинается вмешательство.

Сначала газ, потом тормоз

Порядок вмешательства интересен: система сначала обращается к двигателю. Блок управления посылает сигнал на ECM и снижает крутящий момент двигателя через электронную дроссельную заслонку. Если снижения момента недостаточно, подключается тормоз, и вот тут начинается волшебная часть ESP: асимметричное торможение отдельных колёс. Для остановки заноса автомобиля намеренно создаётся противоположный вращающий момент вокруг вертикальной оси.

Какое колесо тормозить? Направление заноса определяет:

• При избыточной поворачиваемости (oversteer): Если заносит заднюю ось и автомобиль сворачивает внутрь поворота, торможение применяется к переднему внешнему колесу.
• При недостаточной поворачиваемости (understeer): Если автомобиль сносит наружу поворота и «нос» уходит наружу, торможение применяется к заднему внутреннему колесу.

Правильное торможение правильного колеса в правильном количестве возвращает занесённый «нос» или «хвост» на траекторию. И система делает это гораздо быстрее и эффективнее, чем типичный водитель; чаще всего водитель даже не замечает, что произошло. А чтобы это было замечено, на приборной панели загорается индикатор ESP и звучит предупреждающий сигнал - это значит «вы упёрлись в предел возможностей системы». Индикатор загорается не просто так, стоит прислушаться.

Последнее техническое замечание: когда ЭБУ принимает это решение, вы не так одиноки, как думаете; по шине данных CAN он общается с другими контроллерами, такими как распределение AWD и активная подвеска, чтобы вмешательства не конфликтовали друг с другом. Пошаговая цепочка: измерить, сравнить, сбросить газ, при необходимости притормозить отдельное колесо.

Гидравлический модулятор: рука, использующая тормозное давление

Вы говорите, что команда торможения подаётся на каждое колесо по отдельности, но кто создаёт это давление? Ответ - гидравлический модулятор: блок, внутри которого находятся гидравлический насос высокого давления, резервуары давления, электромагнитные и механические клапаны. Он родственник модулятора ABS, но с одним критическим отличием: ABS снижает давление во время торможения (чтобы колесо не заблокировалось), а ESC в некоторых случаях давление повышает - в то время как вы даже не касались педали. Чтобы компенсировать такие резкие градиенты давления, помимо гидравлического насоса может использоваться активный вакуумный усилитель тормозов. В решениях нового поколения функции усилителя и ESP объединяются в одном электрогидравлическом компоненте, независимо от вакуума. То есть педаль - ваша, но при необходимости у системы есть и своя нога.

ABS и Traction Control - одна семья?

Краткий ответ: да, более того, член одной семьи. ESC - это структура, интегрирующая контроль заноса в ABS; без ABS ESC в любом случае не может замедлять колёса по отдельности, потому что оборудование, замедляющее их, - это и есть гидравлика ABS. Три системы разделяют датчики и тормозное оборудование; представить traction control или stability control без ABS технически невозможно.

А как три системы различаются между собой? Traction control при разгоне ощущает пробуксовку ведущего колеса; тормозит буксующее колесо и/или отсекает избыточную мощность двигателя. Но его цель - не помочь вам ехать прямо, а лишь восстановить тягу. ESC же, наоборот, создан для поддержки рулевого управления: сохранение заданной вами траектории - его задача. Подведём итог таблицей:

Может ли ESP преодолеть законы физики? Граница системы

Теперь спустимся на землю, потому что это самая преувеличиваемая часть. ESP работает в пределах управляемости автомобиля и имеющегося сцепления между шиной и дорогой. Насколько велико сцепление пятна контакта шины с поверхностью, настолько и работает система; и всё. Если во время скольжения по луже (аквапланирование) колёса, которые нужно было бы использовать для коррекции, уже потеряли контакт с дорогой, эффективность системы серьёзно падает. Официальное дорожное агентство Канады резюмирует это дословно так:

Эта технология не может изменить законы физики; если вы едете слишком быстро для дорожных условий, вы всё равно можете потерять контроль.

Ограничения тоже перечислены коротко, но чётко: ESC не улучшает поведение в поворотах, не увеличивает сцепление, не позволяет проходить виражи быстрее и, как ABS, не сокращает тормозной путь. Кроме того, исследование Фергюсона 2007 года показало, что система весьма эффективна для снижения числа аварий на скользких дорогах; при этом во всех авариях с участием нескольких автомобилей её эффективность была низкой или отсутствовала вовсе. Иными словами, ESP - не волшебная палочка, а чрезвычайно способный корректирующий слой. Не доверяй ему свою скорость и шины - он лишь уменьшает допустимую погрешность.

Езда с горящей лампой ESP и риски отключения ESP

Задают два вопроса, вынесем оба на стол. Первый: безопасно ли ехать с постоянно горящей лампой ESP? Ответ - нет. Если лампа продолжает гореть, значит либо система сообщает об неисправности, либо вы постоянно нуждаетесь в системе - и то и другое повышает риск аварии, особенно в мокрых и обледенелых условиях, когда для сохранения контроля необходим стабилизатор. Не отмахивайся - езжай на сервис.

Второй: зачем нужна кнопка ESP и когда её следует использовать? Отключение системы может быть оправдано на рыхлых покрытиях, таких как грязь и песок, или при использовании временного запасного колеса, поскольку в этих условиях разница оборотов колёс может сбить датчики с толку. При выключении и включении зажигания ESC автоматически включается снова. Некоторые спортивные режимы не отключают систему полностью, а повышают порог её срабатывания. Но отключать систему «просто ради забавы» на пустой дороге - всё равно что ездить на велосипеде без страховки: скорее всего ничего не случится, но если случится - ты один.

Кстати, технический нюанс: если после регулировки сход-развала или замены детали рулевого управления не сброшен датчик угла поворота руля, водитель будет постоянно бороться с ESP; система может полностью отключиться или вмешиваться неожиданно. Некоторые автомобили калибруются автоматически поворотом руля до упора в обе стороны или движением по прямой, другие требуют диагностический сканер; а у некоторых калибровка нужна даже после отключения аккумулятора. Если после замены шин увидишь предупреждающий сигнал - не удивляйся.

Цифры на стороне ESP: сколько жизней спасено?

Мало у каких систем статистика настолько однозначна. Анализ NHTSA показал, что ESC снижает количество смертельных случаев выезда с дороги на легковых автомобилях на 36%, а на внедорожниках - на 70% - оба снижения статистически значимы. В полевом исследовании 2004 года выяснилось, что ESC сокращает количество аварий на 35%, а SUV с системой стабилизации попадают в аварии на 67% реже. Оценка IIHS 2006 года показала снижение до 56% в смертельных авариях с одним автомобилем и на 77–80% в смертельных авариях с опрокидыванием одного автомобиля; NHTSA оценила, что система позволит предотвратить 5 300–9 600 смертей в год. Считается, что в Европе ESP к настоящему времени спас примерно 15 000 жизней. Доказательства настолько убедительны, что в США система обязательна для всех новых пассажирских автомобилей с модельного года 2012; в ЕС допуск к эксплуатации с 1 ноября 2011 года выдаётся только моделям с ESC, а с 1 ноября 2014 года система обязательна для всех регистрируемых автомобилей. В Канаде она тоже обязательна. Euro NCAP «настоятельно» рекомендует покупать автомобили с ESC, а IIHS требует наличия ESC для присуждения награды Top Safety Pick.

Возможно, лучший пример убедительности - Швеция: в 2003 году доля моделей с ESC среди покупок новых автомобилей составляла 15%. Были опубликованы официальные рекомендации, и доля выросла до 69% в декабре 2004 года и до 96% в 2008 году. Когда людям объясняют, что такое система, они её покупают - нужно лишь правильно рассказать.

И наконец, будем честны: вокруг системы есть и споры. Риск избыточной уверенности, то есть мысль «есть ESP - могу ехать как угодно», - реальная проблема, и производители пытаются её компенсировать с помощью сигнальных огней и лёгких отклонений с курса. Нежелательные вмешательства при спортивной езде и контролируемом дрифте тоже могут раздражать; несмотря на критику в духе «это просто нянька», считается, что для большинства людей она спасает жизнь. На мой взгляд, воспринимайте это как заметку по ОБЖ: нянька спасает вас от падения с лестницы, но не запрещает по ней ходить.

Подведу итог: ESP - невероятное инженерное достижение, которое читает намерения водителя по четырём датчикам, распознаёт занос за миллисекунды, сначала сбрасывает газ, а затем подтормаживает нужное колесо. Но в тот момент, когда шины теряют сцепление с дорогой, она тоже бессильна. Ставьте на неё хорошие шины, серьёзно относитесь к сигнальной лампе и не выключайте систему без необходимости - с остальным она справится сама.

Источники

• Electronic stability control - Wikipedia
• Making sense of sensors: steering angle sensor
• Electronic stability program (ESP®)
• Electronic Stability Program - Справка Altair
• Electronic Stability Control - Транспорт Канады
• Статистический анализ эффективности ESC - NHTSA
• FMVSS No. 126 Системы электронной стабилизации - NHTSA
• Протокол испытаний ESC Euro NCAP v1.2
• Эффективность ESC - PubMed (Фергюсон, 2007)
• Traction Control против Stability Control - MotorTrend
• Traction Control: когда он может и не может спасти вашу жизнь - NAPA AutoPro
• ESC или ESP: что это и как это работает - RAC
• Electronic Stability Control - The AA
• Схема электрогидравлического модулятора ESP
• Тормозные системы - Bosch Engineering
• Electronic Stability Control: ESP / ESC - DUZ Academy
• Прямая правда о системах ESC - Motor.com