汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)探討

一、前言

汽車(chē)轉(zhuǎn)向性能是汽車(chē)的主要性能之一，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能直接影響到汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性，它對(duì)于確保車(chē)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(jì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使汽車(chē)具有良好的操縱性能，始終是設(shè)計(jì)人員的重要研究課題。在車(chē)輛高速化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車(chē)流密集化的今天，針對(duì)更多不同水平的駕駛?cè)巳?，汽?chē)的易操縱性設(shè)計(jì)顯得尤為重要。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Steering – By - WireSystem，簡(jiǎn)稱(chēng)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(lái)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(pán)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(lái)方便的同時(shí)也提高了汽車(chē)的安全性。

一、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展概況

德國(guó)奔馳公司在1990年開(kāi)始了前輪線控轉(zhuǎn)向的研究，并將它開(kāi)發(fā)的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用于概念車(chē)F400Carving上。日本Koyo也開(kāi)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(pán)與轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械部分，即通過(guò)離合器連接，當(dāng)線控轉(zhuǎn)向失效時(shí)通過(guò)離合器結(jié)合回復(fù)到機(jī)械轉(zhuǎn)向。寶馬汽車(chē)公司的概念車(chē)BMWZ22，應(yīng)用了SteerByWire技術(shù)，轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍減小到160°，使緊急轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員的忙碌程度得到了很大降低。意大利 Bertone設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的概念車(chē)“FILO”，雪鐵龍?jiān)揭败?chē)“C-Crosser”，Daimlerchrysler概念車(chē)“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(guó)際車(chē)展上推出了LexusHPX概念車(chē)，該車(chē)也采用了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在儀表盤(pán)上集成了各種控制功能，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的自動(dòng)控制。估計(jì)幾年后，機(jī)械系統(tǒng)將由電纜與電子信號(hào)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(chē)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向盤(pán)模塊、前輪轉(zhuǎn)向模塊、主控制器(ECU)以及自動(dòng)防故障系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.轉(zhuǎn)向盤(pán)模塊

轉(zhuǎn)向盤(pán)模塊包括轉(zhuǎn)向盤(pán)組件、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器、力矩傳感器、轉(zhuǎn)向盤(pán)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(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳遞給主控制器，同時(shí)主控制器向轉(zhuǎn)向盤(pán)回正力矩電機(jī)發(fā)送控制信號(hào)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)向盤(pán)回正力矩，以提供給駕駛員相應(yīng)的路感信息。

2.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(cè)得的前輪轉(zhuǎn)角信號(hào)反饋給主控制器，并接受主控制器的命令，控制轉(zhuǎn)向盤(pán)完成所要求的前輪轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。

3.主控制器

主控制器對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析處理，判別汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，向轉(zhuǎn)向盤(pán)回正力矩電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)發(fā)送命令，控制兩個(gè)電機(jī)協(xié)調(diào)工作。主控制器還可以對(duì)駕駛員的操作指令進(jìn)行識(shí)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(chē)處于非穩(wěn)定狀態(tài)或駕駛員發(fā)出錯(cuò)誤指令時(shí)，前輪線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行穩(wěn)定控制或?qū)Ⅰ{駛員錯(cuò)誤的轉(zhuǎn)向操作屏蔽，以合理的方式自動(dòng)駕駛車(chē)輛，使汽車(chē)盡快恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4.自動(dòng)防故障系統(tǒng)

自動(dòng)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(shí)施算法，針對(duì)不同的故障形式和故障等級(jí)做出相應(yīng)的處理，以求最大限度的保持汽車(chē)的正常行駛。線控轉(zhuǎn)向技術(shù)采用嚴(yán)密的故障檢測(cè)和處理邏輯，以最大程度地提高汽車(chē)安全性能。

(二)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理

其工作過(guò)程:來(lái)自轉(zhuǎn)向盤(pán)傳感器和各種車(chē)輛當(dāng)前狀態(tài)的信息送給電子控制子系統(tǒng)后，利用計(jì)算機(jī)對(duì)這些信息進(jìn)行控制運(yùn)算，然后對(duì)車(chē)輛轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)發(fā)出指令，使車(chē)輛轉(zhuǎn)向。同時(shí)車(chē)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(pán)子系統(tǒng)中模擬路感的部件。原理如圖2所示。

三、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能特點(diǎn)

由于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向輪之間沒(méi)有機(jī)械連接，是斷開(kāi)的，通過(guò)總線傳輸必要的信息，故該系統(tǒng)也稱(chēng)作柔性轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。具有如下性能特點(diǎn):

柔性轉(zhuǎn)向能消除轉(zhuǎn)向干涉問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)多功能全方位的自動(dòng)控制，以及汽車(chē)動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)和汽車(chē)平順性控制系統(tǒng)的系統(tǒng)集成提供了顯著的先決條件。

對(duì)前輪驅(qū)動(dòng)轎車(chē)，在安裝發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)需要考慮剛性轉(zhuǎn)向軸占用空間，轉(zhuǎn)向軸必須依據(jù)汽車(chē)是左側(cè)駕駛還是右側(cè)駕駛安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)附近，設(shè)計(jì)人員必須協(xié)調(diào)處理各種需要安排部件。而柔性轉(zhuǎn)向去掉了原來(lái)轉(zhuǎn)向系各個(gè)功能模塊之間的剛性機(jī)械連接，大大方便了系統(tǒng)的總布置。

舒適性得到提高。在剛性轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，路面不平和轉(zhuǎn)向輪的不平衡，可以回傳到轉(zhuǎn)向圖1線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖圖2線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理圖軸，而柔性系統(tǒng)不能。

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轉(zhuǎn)向回正力矩能夠通過(guò)軟件依據(jù)駕駛員的要求進(jìn)行調(diào)整。因此在不改變?cè)O(shè)計(jì)的情況下，可以個(gè)性化地適合特定的駕駛者和駕駛環(huán)境，與轉(zhuǎn)向有關(guān) 的駕駛行為都可以通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

消除了碰撞事故中轉(zhuǎn)向柱引起傷害駕駛員的可能性，不必設(shè)立轉(zhuǎn)向防扭機(jī)構(gòu)。

駕駛員腿部活動(dòng)空間增加，出入更方便自由。

四、線控轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵技術(shù)

(一)傳感器技術(shù)

現(xiàn)代汽車(chē)技術(shù)發(fā)展特征之一就是越來(lái)越多的部件采用電子控制。汽車(chē)電子控制系統(tǒng)控制效果依賴于傳感器的信息采集和反饋的精度，傳感器科技含量直接影響整個(gè)汽車(chē)電子控制系統(tǒng)的性能。汽車(chē)SBW系統(tǒng)需要的相關(guān)傳感器有:角位移傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、車(chē)速傳感器、側(cè)向加速度傳感器、橫擺角速度傳感器等。

(二)總線技術(shù)

隨著汽車(chē)總線技術(shù)的發(fā)展，存在著多種汽車(chē)總線標(biāo)準(zhǔn)，未來(lái)將會(huì)使用到具有高速實(shí)時(shí)傳輸特性的一些總線標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。這一類(lèi)總線標(biāo)準(zhǔn)主要有TTP、 Bytef-light和FlexRay。TTP(時(shí)間觸發(fā)協(xié)議)是一個(gè)應(yīng)用于分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的完整的通信協(xié)議，能夠支持多種容錯(cuò)策略，具有節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)和整合功能;BMW公司的Byte-light可用于汽車(chē)線控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是既能滿足某些高優(yōu)先級(jí)消息需要時(shí)間觸發(fā)，以保證確定延遲的要求，又能滿足某些消息需要事件觸發(fā)，需要中斷處理要求;而其他汽車(chē)制造商目前計(jì)劃采用FlexRay，這是一種特別適合下一代汽車(chē)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，具有容錯(cuò)功能和確定的消息傳輸時(shí)間，能夠滿足汽車(chē)控制系統(tǒng)的高速率通信要求。BMW、Daimler-Chryler，Motorola和Philips聯(lián)合開(kāi)發(fā)和建立了FlexRay標(biāo)準(zhǔn)，GM公司，Boseh公司和Volkswagen公司也加入了聯(lián)合開(kāi)發(fā)協(xié)會(huì)，現(xiàn)在已經(jīng)有7個(gè)核心成員，共同致力于開(kāi)發(fā)汽車(chē)分布式控制系統(tǒng)中高速總線系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。日前FlexRay標(biāo)準(zhǔn)的物理層標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)由Philips公司開(kāi)發(fā)完成，通迅協(xié)議正在研發(fā)中。該標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)不僅提高了信息傳輸?shù)囊恢滦?、可靠性，而且還簡(jiǎn)化了信息開(kāi)發(fā)和使用過(guò)程，并降低了成本。從現(xiàn)在的發(fā)展來(lái)看，由于FlexRay是基于時(shí)間和事件的觸發(fā)協(xié)議，要優(yōu)于 TTP。基于總線技術(shù)的SBW系統(tǒng)將傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變成通過(guò)高速容錯(cuò)通信總線相連的電氣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化與信息化。

(三)動(dòng)力電源

動(dòng)力電源承擔(dān)著SBW系統(tǒng)中電子控制單元、4個(gè)電動(dòng)機(jī)的供電(2個(gè)冗余轉(zhuǎn)矩反饋電動(dòng)機(jī)和2個(gè)冗余轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī))，2個(gè)轉(zhuǎn)矩反饋電動(dòng)機(jī)功率大約為 50～80W，2個(gè)轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)功率大約為500～800W，電源負(fù)荷相當(dāng)重，因此要保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，動(dòng)力電源的性能至關(guān)重要。隨著電子元件及其高功耗零部件的不斷增加，使得汽車(chē)負(fù)荷成倍增加。若繼續(xù)維持12V供電系統(tǒng)，就必須通過(guò)提高電流來(lái)獲得更多的功率，但是過(guò)高的電流將給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)安全隱患，汽車(chē)電路上的熱能消耗大大增加，所以汽車(chē)供電系統(tǒng)必須提高電壓以滿足現(xiàn)代汽車(chē)電氣系統(tǒng)負(fù)荷日益增長(zhǎng)的需要。于是，42V供電系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。42V電源的采用也為發(fā)展SBW系統(tǒng)創(chuàng)造了條件:電動(dòng)機(jī)的質(zhì)量減輕了20%;減小了線束直徑，降低了設(shè)計(jì)與使用成本，方便安裝;降低了負(fù)載電流;提高了電子元件的集成度等。這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)其開(kāi)發(fā)具有決定性的影響，必將大大推動(dòng)SBW系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)以及相關(guān)部件的發(fā)展。

(四)可靠性技術(shù)

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中最大的困擾是可靠性的問(wèn)題。由于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向車(chē)輪之間沒(méi)有直接的機(jī)械連接，當(dāng)電控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，車(chē)輛將無(wú)法保證轉(zhuǎn)向功能，處于失控狀態(tài)。隨著技術(shù)的發(fā)展，電控系統(tǒng)的可靠性不斷得到提高，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中大量引入了“冗余設(shè)計(jì)”的理念，比如:傳感器的冗余、電機(jī)的冗余、車(chē)載電源系統(tǒng)的冗余等，使線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性得到了明顯提高。圖3所示為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)的一個(gè)典型代表。

為保證線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有充足的電能供應(yīng)，而且為防止電源故障，必須使用更加安全的42V電源系統(tǒng)。在轉(zhuǎn)向盤(pán)下方安置2個(gè)轉(zhuǎn)向傳感器，保證可以辨識(shí)出駕駛員的操縱意圖。轉(zhuǎn)向盤(pán)電機(jī)的供電采用了兩路冗余設(shè)計(jì);為保證轉(zhuǎn)向盤(pán)電機(jī)損壞時(shí)也可以施加回正力矩，在轉(zhuǎn)向盤(pán)下方安裝1個(gè)扭轉(zhuǎn)彈簧或者安裝第二個(gè)轉(zhuǎn)向盤(pán)電機(jī)。為保證車(chē)輛前輪具有轉(zhuǎn)向能力，使用了兩路轉(zhuǎn)向電機(jī)，相應(yīng)地配備了2個(gè)轉(zhuǎn)向傳感器。在ECU的設(shè)計(jì)和控制軟件的設(shè)計(jì)上也都采用了冗余設(shè)計(jì)的思想。由于采用了上述種種措施，大大提高了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性。為SBW系統(tǒng)在汽車(chē)上的應(yīng)用提供了保障。

五、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的前景展望

汽車(chē)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以減輕駕駛員的體力和腦力勞動(dòng)、提高整車(chē)主動(dòng)安全性為根本出發(fā)點(diǎn)，使汽車(chē)性能適合于更多非職業(yè)駕駛員的要求，對(duì)廣大消費(fèi)者有著巨大的吸引力。下面從幾方面來(lái)說(shuō)明其前景:

從生產(chǎn)成本來(lái)看，隨著電子芯片和電子元器件成本的降低，而處理能力和可靠性卻大大提高，這將使得線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的成本在不久將來(lái)達(dá)到消費(fèi)者的接受水平。

再?gòu)钠鋵?shí)現(xiàn)的條件看，預(yù)計(jì)42V電源將會(huì)得到快 速發(fā)展，各種傳感器精度將會(huì)有所提高、成本會(huì)有所降低，以及模擬路感的電機(jī)振動(dòng)控制技術(shù)將會(huì)更加成熟，這些為其在汽車(chē)上的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

另外從現(xiàn)代汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，未來(lái)汽車(chē)的主體是低排放汽車(chē)(LEV)、混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)、燃料電池汽車(chē)(FCEV)、電動(dòng)汽車(chē)(EV)四大EV汽車(chē)，輔助駕駛系統(tǒng)和無(wú)人駕駛汽車(chē)是新興的熱門(mén)研究領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)智能轉(zhuǎn)向的最佳方案就是采用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這些都給線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)帶來(lái)了更加廣闊的應(yīng)用前景。

總之，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種適合消費(fèi)者的新技術(shù)，尤其對(duì)于今后實(shí)現(xiàn)汽車(chē)無(wú)人駕駛的設(shè)想創(chuàng)造了前提。