汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)探討

一、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，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.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。

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。

3.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)。

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。

三、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能特點

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)。具有如下性能特點:

柔性轉(zhuǎn)向能消除轉(zhuǎn)向干涉問題，為實現(xiàn)多功能全方位的自動控制，以及汽車動態(tài)控制系統(tǒng)和汽車平順性控制系統(tǒng)的系統(tǒng)集成提供了顯著的先決條件。

對前輪驅(qū)動轎車，在安裝發(fā)動機(jī)時需要考慮剛性轉(zhuǎn)向軸占用空間，轉(zhuǎn)向軸必須依據(jù)汽車是左側(cè)駕駛還是右側(cè)駕駛安裝在發(fā)動機(jī)附近，設(shè)計人員必須協(xié)調(diào)處理各種需要安排部件。而柔性轉(zhuǎn)向去掉了原來轉(zhuǎn)向系各個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軟件依據(jù)駕駛員的要求進(jìn)行調(diào)整。因此在不改變設(shè)計的情況下，可以個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軟件來實現(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)代汽車技術(shù)發(fā)展特征之一就是越來越多的部件采用電子控制。汽車電子控制系統(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汽車電子控制系統(tǒng)的性能。汽車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)

隨著汽車總線技術(shù)的發(fā)展，存在著多種汽車總線標(biāo)準(zhǔn)，未來將會使用到具有高速實時傳輸特性的一些總線標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。這一類總線標(biāo)準(zhǔn)主要有TTP、 Bytef-light和FlexRay。TTP(時間觸發(fā)協(xié)議)是一個應(yīng)用于分布式實時控制系統(tǒng)的完整的通信協(xié)議，能夠支持多種容錯策略，具有節(jié)點的恢復(fù)和整合功能;BMW公司的Byte-light可用于汽車線控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，其特點是既能滿足某些高優(yōu)先級消息需要時間觸發(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;而其他汽車制造商目前計劃采用FlexRay，這是一種特別適合下一代汽車應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，具有容錯功能和確定的消息傳輸時間，能夠滿足汽車控制系統(tǒng)的高速率通信要求。BMW、Daimler-Chryler，Motorola和Philips聯(lián)合開發(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)合開發(fā)協(xié)會，現(xiàn)在已經(jīng)有7個核心成員，共同致力于開發(fā)汽車分布式控制系統(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公司開發(fā)完成，通迅協(xié)議正在研發(fā)中。該標(biāo)準(zhǔn)的出臺不僅提高了信息傳輸?shù)囊恢滦?、可靠性，而且還簡化了信息開發(fā)和使用過程，并降低了成本。從現(xiàn)在的發(fā)展來看，由于FlexRay是基于時間和事件的觸發(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)變成通過高速容錯通信總線相連的電氣系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化與信息化。

(三)動力電源

動力電源承擔(dān)著SBW系統(tǒng)中電子控制單元、4個電動機(jī)的供電(2個冗余轉(zhuǎn)矩反饋電動機(jī)和2個冗余轉(zhuǎn)向電動機(jī))，2個轉(zhuǎn)矩反饋電動機(jī)功率大約為 50～80W，2個轉(zhuǎn)向電動機(jī)功率大約為500～800W，電源負(fù)荷相當(dāng)重，因此要保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，動力電源的性能至關(guān)重要。隨著電子元件及其高功耗零部件的不斷增加，使得汽車負(fù)荷成倍增加。若繼續(xù)維持12V供電系統(tǒng)，就必須通過提高電流來獲得更多的功率，但是過高的電流將給整個系統(tǒng)帶來安全隱患，汽車電路上的熱能消耗大大增加，所以汽車供電系統(tǒng)必須提高電壓以滿足現(xiàn)代汽車電氣系統(tǒng)負(fù)荷日益增長的需要。于是，42V供電系統(tǒng)應(yīng)運而生。42V電源的采用也為發(fā)展SBW系統(tǒng)創(chuàng)造了條件:電動機(jī)的質(zhì)量減輕了20%;減小了線束直徑，降低了設(shè)計與使用成本，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)點對其開發(fā)具有決定性的影響，必將大大推動SBW系統(tǒng)的電動機(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)展過程中最大的困擾是可靠性的問題。由于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向車輪之間沒有直接的機(jī)械連接，當(dāng)電控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，車輛將無法保證轉(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)計中大量引入了“冗余設(shè)計”的理念，比如:傳感器的冗余、電機(jī)的冗余、車載電源系統(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)計的一個典型代表。

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)向盤下方安置2個轉(zhuǎn)向傳感器，保證可以辨識出駕駛員的操縱意圖。轉(zhuǎn)向盤電機(jī)的供電采用了兩路冗余設(shè)計;為保證轉(zhuǎn)向盤電機(jī)損壞時也可以施加回正力矩，在轉(zhuǎn)向盤下方安裝1個扭轉(zhuǎn)彈簧或者安裝第二個轉(zhuǎn)向盤電機(jī)。為保證車輛前輪具有轉(zhuǎn)向能力，使用了兩路轉(zhuǎn)向電機(jī)，相應(yīng)地配備了2個轉(zhuǎn)向傳感器。在ECU的設(shè)計和控制軟件的設(shè)計上也都采用了冗余設(shè)計的思想。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

汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計以減輕駕駛員的體力和腦力勞動、提高整車主動安全性為根本出發(fā)點，使汽車性能適合于更多非職業(yè)駕駛員的要求，對廣大消費者有著巨大的吸引力。下面從幾方面來說明其前景:

從生產(chǎn)成本來看，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)的成本在不久將來達(dá)到消費者的接受水平。

再從其實現(xiàn)的條件看，預(yù)計42V電源將會得到快 速發(fā)展，各種傳感器精度將會有所提高、成本會有所降低，以及模擬路感的電機(jī)振動控制技術(shù)將會更加成熟，這些為其在汽車上的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

另外從現(xiàn)代汽車的發(fā)展趨勢來看，未來汽車的主體是低排放汽車(LEV)、混合動力汽車(HEV)、燃料電池汽車(FCEV)、電動汽車(EV)四大EV汽車，輔助駕駛系統(tǒng)和無人駕駛汽車是新興的熱門研究領(lǐng)域，實現(xiàn)汽車智能轉(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)是一種適合消費者的新技術(shù)，尤其對于今后實現(xiàn)汽車無人駕駛的設(shè)想創(chuàng)造了前提。