解析汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)

◆文/河南 牛本寬 牛賓強 王秀艷

解析汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)

◆文/河南 牛本寬 牛賓強 王秀艷

汽車轉(zhuǎn)向性能是汽車的主要性能之一，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能直接影響汽車的操縱穩(wěn)定性，它在車輛的安全行駛、減少交通事故以及保護駕駛員的人身安全、改善駕駛員的工作條件等方面起著重要的作用。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，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械連接，徹底擺脫傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所固有的限制，給駕駛員帶來方便，同時提高了汽車的安全性。

一、汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和基本原理

1.汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由方向盤總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成和主控制器（ECU）三個主要部分以及自動故障處理系統(tǒng)、電源等輔助系統(tǒng)組成，如圖1所示。

方向盤總成的主要功能是將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖（通過測量方向盤轉(zhuǎn)角）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并傳遞給主控制器；同時接受主控制器送來的力矩信號，產(chǎn)生方向盤回正力矩，以提供給駕駛員相應(yīng)的路感信息。方向盤總成包括方向盤、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、力矩傳感器、方向盤回正力矩電機。

轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成的功能是接受主控制器的命令，通過轉(zhuǎn)向電機控制器控制轉(zhuǎn)向車輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成包括前輪轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機、轉(zhuǎn)向電機控制器和前輪轉(zhuǎn)向組件等組成。

主控制器（ECU）的功能是對采集的信號進行分析處理，判別汽車的運動狀態(tài)，向方向盤回正力電機和轉(zhuǎn)向電機發(fā)送指令，控制兩個電機的工作，保證各種工況下都具有理想的車輛響應(yīng)，以減少駕駛員對汽車轉(zhuǎn)向特性隨車速變化的補償任務(wù)，減輕駕駛員負擔。同時控制器還可以對駕駛員的操作指令進行識別，判定在當前狀態(tài)下駕駛員的轉(zhuǎn)向操作是否合理。當汽車處于非穩(wěn)定狀態(tài)或駕駛員發(fā)出錯誤指令時線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)會將駕駛員錯誤的轉(zhuǎn)向操作屏蔽，而自動進行穩(wěn)定控制，使汽車盡快地恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

自動故障處理系統(tǒng)是線控轉(zhuǎn)向系的重要模塊。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，以求最大限度地保持汽車的正常行駛。作為應(yīng)用最廣泛的交通工具之一，汽車的安全性是必須首先考慮的因素，是一切研究的基礎(chǔ)，因而故障的自動檢測和自動處理是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最重要的組成系統(tǒng)之一。它采用嚴密的故障檢測和處理邏輯，以更大地提高汽車安全性能。

電源系統(tǒng)承擔著控制器、兩個執(zhí)行電機以及其他車用電器的供電任務(wù)，其中僅前輪轉(zhuǎn)角執(zhí)行電機的最大功率就有500～800W，加上汽車上的其他電子設(shè)備，電源的負擔已經(jīng)相當沉重。所以要保證電網(wǎng)在大負荷下穩(wěn)定工作，電源的性能就顯得十分重要。

2.汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是決定汽車主動安全性的關(guān)鍵總成，傳統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是機械系統(tǒng)，汽車的轉(zhuǎn)向運動是由駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤，通過轉(zhuǎn)向器和一系列的桿件傳遞到轉(zhuǎn)向車輪而實現(xiàn)的。汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間的機械連接，完全由電能實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，擺脫了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各種限制，不但可以自由設(shè)計汽車轉(zhuǎn)向的力傳遞特性，而且可以設(shè)計汽車轉(zhuǎn)向的角傳遞特性，給汽車轉(zhuǎn)向特性的設(shè)計帶來無限的空間。

汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理，如圖2所示。用傳感器檢測駕駛員的轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)總線將信號傳遞至車上的ECU，并從轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)獲得反饋命令，轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)也從轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)獲得駕駛員的轉(zhuǎn)向指令，并從轉(zhuǎn)向系統(tǒng)獲得車輪情況。從而指揮整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運動。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制車輪轉(zhuǎn)到需要的角度，并將車輪的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩反饋到系統(tǒng)的其余部分，比如轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)，以使駕駛員獲得路感，這種路感的大小可以根據(jù)不同的情況由轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)控制。

二、汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點

1.提高汽車安全性能

去除了轉(zhuǎn)向柱等機械連接，完全避免了撞車事故中轉(zhuǎn)向柱對駕駛員的傷害；智能化的ECU根據(jù)汽車的行駛狀態(tài)判斷駕駛員的操作是否合理，并做出相應(yīng)的調(diào)整；當汽車處于極限工況時，能夠自動對汽車進行穩(wěn)定控制。當系統(tǒng)中電子部件出現(xiàn)故障后，由于采用冗余和容錯技術(shù)，系統(tǒng)仍能實現(xiàn)其最基本的轉(zhuǎn)向功能。

2.改善駕駛特性和增強操縱性

基于車速、牽引力控制以及其他相關(guān)參數(shù)基礎(chǔ)上的轉(zhuǎn)向比率（轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和車輪轉(zhuǎn)角的比值）不斷變化。低速行駛時，轉(zhuǎn)向比率低，可以減少轉(zhuǎn)彎或停車時轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動的角度；高速行駛時，轉(zhuǎn)向比率變大，獲得更好的直線行駛條件。

3.改善駕駛員的路感由于轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向車輪之間元機械連接，駕駛員“路感”通過模擬生成?？梢詮男盘栔刑岢鲎钅軌蚍磻?yīng)汽車實際行駛狀態(tài)和路面狀況的信息，作為轉(zhuǎn)向盤回正力矩的控制變量，使轉(zhuǎn)向盤僅向駕駛員提供有用信息，從而為駕駛員提供更為真實的“路感”。

4.增強汽車舒適性

由于消除了機械結(jié)構(gòu)連接，地面的不平和轉(zhuǎn)向輪的不平衡不會傳遞到轉(zhuǎn)向軸上。從而減緩了駕駛員的疲勞，駕駛員的腿部活動空間和汽車底盤的空間明顯增大。

5.體現(xiàn)個性化的設(shè)置

可以根據(jù)駕駛員的要求設(shè)置轉(zhuǎn)向傳動比和轉(zhuǎn)向盤反饋力矩，以滿足不同駕駛員的要求和適應(yīng)不同的駕駛環(huán)境，與轉(zhuǎn)向相關(guān)的駕駛行為都可以通過軟件來設(shè)置與實現(xiàn)。

三、汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用

1.汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展

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)向輪之間的機械部分，即通過離合器連接，當線控轉(zhuǎn)向失效時通過離合器結(jié)合回復(fù)到機械轉(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。

我國863計劃電動汽車專項首席科學家萬鋼領(lǐng)銜研發(fā)了“線控轉(zhuǎn)向四輪驅(qū)動微電動轎車技術(shù)”汽車。汽車的4個車輪邊上各有一個輪轂電機，通過線傳電控技術(shù)控制車輪的轉(zhuǎn)向和車速，提高了整車的主動安全性和操縱穩(wěn)定性。

2.汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用實例

我國長安汽車以長安CX30為平臺，將傳統(tǒng)的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改裝為SBW系統(tǒng)，是國內(nèi)第一輛裝備SBW轉(zhuǎn)向系統(tǒng)并進行了場地試驗的乘用車。系統(tǒng)采用了自主開發(fā)的轉(zhuǎn)向盤模塊、轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊以及SBW控制器，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向車輪間轉(zhuǎn)矩與位置的耦合控制，具有可變的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動比和力傳動比特性，這些特性可以根據(jù)駕駛員的不同需求通過軟件進行在線調(diào)整。

日產(chǎn)汽車公司生產(chǎn)的英菲尼迪Q50汽車，采用線控主動轉(zhuǎn)向技術(shù)（Direct Adaptive Steering），改變汽車轉(zhuǎn)向格局，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

從圖3中不難看出，線控主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本上還是延續(xù)了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。只是增加了一套離合器裝置以及三組ECU電子控制單元和一個轉(zhuǎn)向力度回饋器。當車輛啟動時，離合裝置會自動切斷連接，轉(zhuǎn)向的任務(wù)交由電控系統(tǒng)。由于采用電子信號控制，其傳動響應(yīng)更為迅速，也更為輕松。此外，由于隔斷了傳統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的扶持，導致來自路面的顛簸振動感不會傳至方向盤，進而使得駕車員能更平穩(wěn)的把控方向盤。極端復(fù)雜路況下，還能減少了因路面反饋過于明顯而造成車輛失控等危險。

對于一項新技術(shù)的推出，其可靠性、穩(wěn)定性是我們最為關(guān)心的話題。這一點英菲尼迪Q50汽車生產(chǎn)廠家當然也考慮在內(nèi)。首先，單是處理信號的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ECU就安裝了三個。但是不要誤解這三個ECU，它們是偕同工作的，其實是一個工作，另兩個監(jiān)控其工作狀態(tài)。如果出現(xiàn)問題它們會自動接管。其次，就算這三個ECU都失效了，最后還有傳統(tǒng)的機械連接可以自動介入，確保汽車的轉(zhuǎn)向功能。