四輪轉(zhuǎn)向汽車電子控制技術(shù)

1.前言

隨著現(xiàn)代道路交通系統(tǒng)和現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)汽車的轉(zhuǎn)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(dòng)底盤(pán)控制技術(shù)--四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)。于二十世紀(jì)80年代中期開(kāi)始在汽車上得到應(yīng)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(zhuǎn)向（Four-wheel steering-4WS）是指汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)。后輪可相對(duì)于車身主動(dòng)轉(zhuǎn)向，使汽車的四個(gè)車輪都能起轉(zhuǎn)向作用。以改善汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)性、操縱穩(wěn)定性和行駛安全性。

隨著對(duì)4WS這一領(lǐng)域研究的不斷進(jìn)展，出現(xiàn)了多種不同結(jié)構(gòu)形式、不同控制方案的實(shí)用4WS系統(tǒng)。按照控制和驅(qū)動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的方式不同，4WS系統(tǒng)可分為機(jī)械式、液壓式、電控機(jī)械式、電控液壓式和電控電動(dòng)式等幾種類型。本文介紹的是電控電動(dòng)式4WS系統(tǒng)。

2.電控電動(dòng)式4WS系統(tǒng)的發(fā)展概況

從20世紀(jì)初，日本政府頒發(fā)第1個(gè)關(guān)于四輪轉(zhuǎn)向的專利證書(shū)開(kāi)始，對(duì)于汽車四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究一直伴隨著汽車工業(yè)的發(fā)展而進(jìn)行著。1985年，日本的NISSAN在客車上應(yīng)用了世界上第1例實(shí)用的4WS系統(tǒng)，開(kāi)始了現(xiàn)代4WS系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)。在技術(shù)相對(duì)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(dòng)力轉(zhuǎn)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(diǎn)。但由于液壓動(dòng)力系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)布置、密封性、能耗、效率等方面的不足，尤其是在轉(zhuǎn)向過(guò)程中存在著響應(yīng)滯后的固有缺陷，使得電控液壓式4WS系統(tǒng)在適應(yīng)現(xiàn)代4WS汽車的轉(zhuǎn)向靈敏性、準(zhǔn)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(kāi)發(fā)出電控電動(dòng)式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS），首次裝備在CERVO車上，有效地克服了液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的缺點(diǎn)。在EPS技術(shù)的基礎(chǔ)上，電控電動(dòng)式4WS系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。1992年，在日本本田序曲的汽車上采用了電控電動(dòng)式4WS系統(tǒng)。1993年，在日產(chǎn)全新的LAUREL車系上也開(kāi)始采用電控電動(dòng)式的4WS系統(tǒng)。電控電動(dòng)式4WS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置容易、控制效果好。

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)在汽車中的廣泛應(yīng)用，電控電動(dòng)式4WS將是4WS汽車的發(fā)展趨勢(shì)。

3.電控四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本組成和工作原理

3.1 電控四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本組成

電控電動(dòng)式4WS系統(tǒng)是指采用電子控制、電機(jī)助力的4WS系統(tǒng)，前、后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之間沒(méi)有任何機(jī)械連接、油管連接裝置，結(jié)構(gòu)上相互獨(dú)立。如圖1所示。



典型電控電動(dòng)式4WS系統(tǒng)主要由前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、傳感器、電控單元（ECU）、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。減速器和后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等組成。本文介紹的電控電動(dòng)式4WS系統(tǒng)前輪仍采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，后輪采用電子控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

3.2 電控四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理

轉(zhuǎn)向時(shí)，傳感器將前輪轉(zhuǎn)向的信號(hào)和汽車運(yùn)動(dòng)的信號(hào)送入ECU,ECU進(jìn)行分析計(jì)算，向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)動(dòng)作，通過(guò)后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制驅(qū)動(dòng)后輪偏轉(zhuǎn)。同時(shí)ECU進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視汽車狀況，計(jì)算目標(biāo)轉(zhuǎn)向角與后輪實(shí)際轉(zhuǎn)向角之間的差值，來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整后輪的轉(zhuǎn)角。這樣可以根據(jù)汽車的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)汽車的四輪轉(zhuǎn)向。

系統(tǒng)可設(shè)有兩種轉(zhuǎn)向模式，既可進(jìn)入4WS狀態(tài)，也可保持傳統(tǒng)的2WS狀態(tài)，駕駛員可通過(guò)駕駛室內(nèi)的轉(zhuǎn)向模式開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇。當(dāng)4WS汽車在行駛過(guò)程中電子控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，后輪自動(dòng)回到中間位置，汽車自動(dòng)進(jìn)入前輪轉(zhuǎn)向狀態(tài)，保證汽車像普通前輪轉(zhuǎn)向汽車一樣安全地行駛。同時(shí)儀表板上的4WS指示燈亮，警告駕駛員，故障情況被存儲(chǔ)在ECU中，以便于維修時(shí)檢碼。

上述的電控電動(dòng)式4WS系統(tǒng)后輪轉(zhuǎn)向裝置屬車速感應(yīng)型，其工作特點(diǎn)是后輪偏轉(zhuǎn)的方向和轉(zhuǎn)角大小主要受車速高低的控制，同時(shí)也響應(yīng)前輪轉(zhuǎn)角、橫擺角速度的變化。ECU根據(jù)設(shè)定的控制策略，通過(guò)程序控制，實(shí)現(xiàn)汽車的四輪轉(zhuǎn)向。在低速行駛或者方向盤(pán)轉(zhuǎn)角較大時(shí)，前、后輪實(shí)現(xiàn)逆相位轉(zhuǎn)向，且后輪偏轉(zhuǎn)角度隨前輪轉(zhuǎn)角增大而在一定范圍內(nèi)增大。這種轉(zhuǎn)向方式可改善汽車低速時(shí)的操縱輕便性，減小汽車的轉(zhuǎn)彎半徑，提高汽車的機(jī)動(dòng)靈活性。在中、高速行駛或方向盤(pán)轉(zhuǎn)角較小時(shí)，前、后輪實(shí)現(xiàn)同相位轉(zhuǎn)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(dòng)態(tài)側(cè)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(cè)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)的有關(guān)運(yùn)動(dòng)物理量，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，輸入到ECU中，供ECU進(jìn)行分析計(jì)算。

4.1.1 前、后輪轉(zhuǎn)角傳感器

前、后輪轉(zhuǎn)角傳感器分別安裝在前、后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)靠近車輪的一側(cè)，采用非接觸型霍爾元件傳感器，用來(lái)檢測(cè)前、后車輪的瞬時(shí)偏轉(zhuǎn)角。

4.1.2 車速傳感器

車速傳感器安裝在車速里程表的轉(zhuǎn)子附近，采用光電式車速傳感器，將汽車前進(jìn)速度檢測(cè)出來(lái)，以脈沖信號(hào)的形式輸出，送入四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ECU,同時(shí)將電信號(hào)輸入到自動(dòng)變速器ECU.