淺談汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

前言

汽車轉(zhuǎn)向性能是汽車的主要性能之一，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能直接影響到汽車的操縱穩(wěn)定性，它對于確保車輛的安全行駛、減少交通事故以及保護(hù)駕駛員的人身安全、改善駕駛員的工作條件起著重要的作用。如何合理地設(shè)計轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使汽車具有良好的操縱性能，始終是設(shè)計人員的重要研究課題。

在車輛高速化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車流密集化的今天，針對更多不同水平的駕駛?cè)巳?，汽車的易操縱性設(shè)計顯得尤為重要。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Steering – By - WireSystem，簡稱SBW)的發(fā)展，正是迎合這種客觀需求。它是繼EPS后發(fā)展起來的新一代轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，具有比EPS操縱穩(wěn)定性更好的特點(diǎn)，而且它在轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間不再采用機(jī)械連接，徹底擺脫傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所固有的限制，在給駕駛員帶來方便的同時也提高了汽車的安全性。

一、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展概況

德國奔馳公司在1990年開始了前輪線控轉(zhuǎn)向的研究，并將它開發(fā)的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用于概念車F400Carving上。日本Koyo也開發(fā)了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，但為了保證系統(tǒng)的安全，仍然保留了轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械部分，即通過離合器連接，當(dāng)線控轉(zhuǎn)向失效時通過離合器結(jié)合回復(fù)到機(jī)械轉(zhuǎn)向。寶馬汽車公司的概念車BMWZ22，應(yīng)用了SteerByWire技術(shù)，轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動范圍減小到160°，使緊急轉(zhuǎn)向時駕駛員的忙碌程度得到了很大降低。

意大利Bertone設(shè)計開發(fā)的概念車“FILO”，雪鐵龍越野車“C-Crosser”，Daimlerchrysler概念車“R129”，都采用了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。2003年日本本田公司在紐約國際車展上推出了LexusHPX概念車，該車也采用了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在儀表盤上集成了各種控制功能，實現(xiàn)車輛的自動控制。估計幾年后，機(jī)械系統(tǒng)將由電纜與電子信號取代。

二、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

(一)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向盤模塊、前輪轉(zhuǎn)向模塊、主控制器(ECU)以及自動防故障系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.前輪轉(zhuǎn)向模塊

前輪轉(zhuǎn)向模塊包括前輪轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)、電機(jī)控制器和前輪轉(zhuǎn)向組件等。其功能是將測得的前輪轉(zhuǎn)角信號反饋給主控制器，并接受主控制器的命令，控制轉(zhuǎn)向盤完成所要求的前輪轉(zhuǎn)角，實現(xiàn)駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。

2.主控制器

主控制器對采集的信號進(jìn)行分析處理，判別汽車的運(yùn)動狀態(tài)，向轉(zhuǎn)向盤回正力矩電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)發(fā)送命令，控制兩個電機(jī)協(xié)調(diào)工作。主控制器還可以對駕駛員的操作指令進(jìn)行識別，判定在當(dāng)前狀態(tài)下駕駛員的轉(zhuǎn)向操作是否合理。當(dāng)汽車處于非穩(wěn)定狀態(tài)或駕駛員發(fā)出錯誤指令時，前輪線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將自動進(jìn)行穩(wěn)定控制或?qū)Ⅰ{駛員錯誤的轉(zhuǎn)向操作屏蔽，以合理的方式自動駕駛車輛，使汽車盡快恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.轉(zhuǎn)向盤模塊

轉(zhuǎn)向盤模塊包括轉(zhuǎn)向盤組件、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、力矩傳感器、轉(zhuǎn)向盤回正力矩電機(jī)。其主要功能是將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖(通過測量轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳遞給主控制器，同時主控制器向轉(zhuǎn)向盤回正力矩電機(jī)發(fā)送控制信號，產(chǎn)生轉(zhuǎn)向盤回正力矩，以提供給駕駛員相應(yīng)的路感信息。

4.自動防故障系統(tǒng)

自動防故障系統(tǒng)是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要模塊，它包括一系列的監(jiān)控和實施算法，針對不同的故障形式和故障等級做出相應(yīng)的處理，以求最大限度的保持汽車的正常行駛。線控轉(zhuǎn)向技術(shù)采用嚴(yán)密的故障檢測和處理邏輯，以最大程度地提高汽車安全性能。

(二)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理

其工作過程:來自轉(zhuǎn)向盤傳感器和各種車輛當(dāng)前狀態(tài)的信息送給電子控制子系統(tǒng)后，利用計算機(jī)對這些信息進(jìn)行控制運(yùn)算，然后對車輛轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)發(fā)出指令，使車輛轉(zhuǎn)向。

同時車輪轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向阻力傳感器給出的信息也經(jīng)電子控制子系統(tǒng)，傳給轉(zhuǎn)向盤子系統(tǒng)中模擬路感的部件。原理如圖2所示。

由于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間沒有機(jī)械連接，是斷開的，通過總線傳輸必要的信息，故該系統(tǒng)也稱作柔性轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。