四輪轉向汽車電子控制技術

1.前言

隨著現(xiàn)代道路交通系統(tǒng)和現(xiàn)代汽車技術的發(fā)展，人們對汽車的轉向操縱性能和行駛穩(wěn)定性的要求日益提高。作為改善汽車操縱性能最有效的一種主動底盤控制技術--四輪轉向技術。于二十世紀80年代中期開始在汽車上得到應用，并伴隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展而不斷發(fā)展。汽車的四輪轉向（Four-wheel steering-4WS）是指汽車在轉向時。后輪可相對于車身主動轉向，使汽車的四個車輪都能起轉向作用。以改善汽車的轉向機動性、操縱穩(wěn)定性和行駛安全性。

隨著對4WS這一領域研究的不斷進展，出現(xiàn)了多種不同結構形式、不同控制方案的實用4WS系統(tǒng)。按照控制和驅動后輪轉向機構的方式不同，4WS系統(tǒng)可分為機械式、液壓式、電控機械式、電控液壓式和電控電動式等幾種類型。本文介紹的是電控電動式4WS系統(tǒng)。

2.電控電動式4WS系統(tǒng)的發(fā)展概況

從20世紀初，日本政府頒發(fā)第1個關于四輪轉向的專利證書開始，對于汽車四輪轉向技術的研究一直伴隨著汽車工業(yè)的發(fā)展而進行著。1985年，日本的NISSAN在客車上應用了世界上第1例實用的4WS系統(tǒng)，開始了現(xiàn)代4WS系統(tǒng)的研究與開發(fā)。在技術相對成熟的4WS汽車中，大多數(shù)采用電控液壓式4WS系統(tǒng)，主要用于前輪采用液壓動力轉向的4WS汽車中，這種4WS系統(tǒng)具有工作壓力大、工作平穩(wěn)可靠等優(yōu)點。但由于液壓動力系統(tǒng)在結構、系統(tǒng)布置、密封性、能耗、效率等方面的不足，尤其是在轉向過程中存在著響應滯后的固有缺陷，使得電控液壓式4WS系統(tǒng)在適應現(xiàn)代4WS汽車的轉向靈敏性、準確性方面受到了束縛，不能滿足汽車高速行駛穩(wěn)定性的要求。1988年3月，日本鈴木公司開發(fā)出電控電動式助力轉向系統(tǒng)（EPS），首次裝備在CERVO車上，有效地克服了液壓動力轉向系統(tǒng)的缺點。在EPS技術的基礎上，電控電動式4WS系統(tǒng)應運而生。1992年，在日本本田序曲的汽車上采用了電控電動式4WS系統(tǒng)。1993年，在日產全新的LAUREL車系上也開始采用電控電動式的4WS系統(tǒng)。電控電動式4WS系統(tǒng)結構簡單、布置容易、控制效果好。

隨著電子技術的飛速發(fā)展，計算機技術在汽車中的廣泛應用，電控電動式4WS將是4WS汽車的發(fā)展趨勢。

3.電控四輪轉向系統(tǒng)的基本組成和工作原理

3.1 電控四輪轉向系統(tǒng)的基本組成

電控電動式4WS系統(tǒng)是指采用電子控制、電機助力的4WS系統(tǒng)，前、后輪轉向系統(tǒng)之間沒有任何機械連接、油管連接裝置，結構上相互獨立。如圖1所示。



典型電控電動式4WS系統(tǒng)主要由前輪轉向機構、傳感器、電控單元（ECU）、步進電動機。減速器和后輪轉向機構等組成。本文介紹的電控電動式4WS系統(tǒng)前輪仍采用傳統(tǒng)的轉向系統(tǒng)，后輪采用電子控制、電機驅動的轉向系統(tǒng)。

3.2 電控四輪轉向系統(tǒng)的工作原理

轉向時，傳感器將前輪轉向的信號和汽車運動的信號送入ECU,ECU進行分析計算，向步進電動機輸出驅動信號，步進電動機動作，通過后輪轉向機構控制驅動后輪偏轉。同時ECU進行實時監(jiān)視汽車狀況，計算目標轉向角與后輪實際轉向角之間的差值，來實時調整后輪的轉角。這樣可以根據(jù)汽車的實際運動狀態(tài)，實現(xiàn)汽車的四輪轉向。

系統(tǒng)可設有兩種轉向模式，既可進入4WS狀態(tài)，也可保持傳統(tǒng)的2WS狀態(tài)，駕駛員可通過駕駛室內的轉向模式開關進行選擇。當4WS汽車在行駛過程中電子控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，后輪自動回到中間位置，汽車自動進入前輪轉向狀態(tài)，保證汽車像普通前輪轉向汽車一樣安全地行駛。同時儀表板上的4WS指示燈亮，警告駕駛員，故障情況被存儲在ECU中，以便于維修時檢碼。

上述的電控電動式4WS系統(tǒng)后輪轉向裝置屬車速感應型，其工作特點是后輪偏轉的方向和轉角大小主要受車速高低的控制，同時也響應前輪轉角、橫擺角速度的變化。ECU根據(jù)設定的控制策略，通過程序控制，實現(xiàn)汽車的四輪轉向。在低速行駛或者方向盤轉角較大時，前、后輪實現(xiàn)逆相位轉向，且后輪偏轉角度隨前輪轉角增大而在一定范圍內增大。這種轉向方式可改善汽車低速時的操縱輕便性，減小汽車的轉彎半徑，提高汽車的機動靈活性。在中、高速行駛或方向盤轉角較小時，前、后輪實現(xiàn)同相位轉向。使汽車車身的橫擺角速度大大減小，可減小汽車車身發(fā)生動態(tài)側偏的傾向，提高汽車高速行駛的操縱穩(wěn)定性。

4.4WS系統(tǒng)電控部分的組成

4.1 傳感器

傳感器的功用是檢測汽車轉向時的有關運動物理量，并轉換成電信號，輸入到ECU中，供ECU進行分析計算。

4.1.1 前、后輪轉角傳感器

前、后輪轉角傳感器分別安裝在前、后輪轉向機構靠近車輪的一側，采用非接觸型霍爾元件傳感器，用來檢測前、后車輪的瞬時偏轉角。

4.1.2 車速傳感器

車速傳感器安裝在車速里程表的轉子附近，采用光電式車速傳感器，將汽車前進速度檢測出來，以脈沖信號的形式輸出，送入四輪轉向系統(tǒng)ECU,同時將電信號輸入到自動變速器ECU.