汽车线控转向技术

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汽车转向性能是汽车的主要性能之一,转向系统的性能直接影响汽车的操纵稳定性,它在车辆的安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件等方面起着重要的作用。如何合理地设计转向系统,使汽车具有良好的操纵性能,是设计人员的重要研究课题。在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天,针对更多不同水平的驾驶人群,汽车的易操纵性设计显得尤为重要。线控转向系统(Steering–By-WireSystem,简称“SBW”)的发展,正迎合这种客观需求。它是继EPS后发展起来的新一代转向系统,具有比EPS操纵稳定性更好的特点,而且它在转向盘和转向轮之间不再采用机械连接,彻底摆脱传统转向系统所固有的限制,给驾驶员带来方便,同时提高了汽车的安全性。

一、汽车线控转向系统的结构和基本原理

1.汽车线控转向系统的结构

汽车线控转向系统由方向盘总成、转向执行总成和主控制器(ECU)三个主要部分以及自动故障处理系统、电源等辅助系统组成,如图1所示。

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图1 汽车线控转向系统结构

方向盘总成的主要功能是将驾驶员的转向意图(通过测量方向盘转角)转换成数字信号,并传递给主控制器;同时接受主控制器送来的力矩信号,产生方向盘回正力矩,以提供给驾驶员相应的路感信息。方向盘总成包括方向盘、方向盘转角传感器、力矩传感器、方向盘回正力矩电机。

转向执行总成的功能是接受主控制器的命令,通过转向电机控制器控制转向车轮转动,实现驾驶员的转向意图。转向执行总成包括前轮转角传感器、转向执行电机、转向电机控制器和前轮转向组件等组成。

主控制器(ECU)的功能是对采集的信号进行分析处理,判别汽车的运动状态,向方向盘回正力电机和转向电机发送指令,控制两个电机的工作,保证各种工况下都具有理想的车辆响应,以减少驾驶员对汽车转向特性随车速变化的补偿任务,减轻驾驶员负担。同时控制器还可以对驾驶员的操作指令进行识别,判定在当前状态下驾驶员的转向操作是否合理。当汽车处于非稳定状态或驾驶员发出错误指令时线控转向系统会将驾驶员错误的转向操作屏蔽,而自动进行稳定控制,使汽车尽快地恢复到稳定状态。

自动故障处理系统是线控转向系的重要模块。它包括一系列的监控和实施算法,针对不同的故障形式和故障等级做出相应的处理,以求最大限度地保持汽车的正常行驶。作为应用最广泛的交通工具之一,汽车的安全性是必须首先考虑的因素,是一切研究的基础,因而故障的自动检测和自动处理是线控转向系统最重要的组成系统之一。它采用严密的故障检测和处理逻辑,以更大地提高汽车安全性能。

电源系统承担着控制器、两个执行电机以及其他车用电器的供电任务,其中仅前轮转角执行电机的最大功率就有500~800W,加上汽车上的其他电子设备,电源的负担已经相当沉重。所以要保证电网在大负荷下稳定工作,电源的性能就显得十分重要。

2.汽车线控转向系统的原理

汽车转向系统是决定汽车主动安全性的关键总成,传统汽车转向系统是机械系统,汽车的转向运动是由驾驶员操纵转向盘,通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮而实现的。汽车线控转向系统取消了转向盘与转向轮之间的机械连接,完全由电能实现转向,摆脱了传统转向系统的各种限制,不但可以自由设计汽车转向的力传递特性,而且可以设计汽车转向的角传递特性,给汽车转向特性的设计带来无限的空间。

汽车线控转向系统的工作原理,如图2所示。用传感器检测驾驶员的转向数据,然后通过数据总线将信号传递至车上的ECU,并从转向控制系统获得反馈命令,转向控制系统也从转向操纵机构获得驾驶员的转向指令,并从转向系统获得车轮情况。从而指挥整个转向系统的运动。转向系统控制车轮转到需要的角度,并将车轮的转角和转动转矩反馈到系统的其余部分,比如转向操纵机构,以使驾驶员获得路感,这种路感的大小可以根据不同的情况由转向控制系统控制。

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图2 汽车线控转向系统的工作原理

二、汽车线控转向系统的特点

1.提高汽车安全性能

1.去除了转向柱等机械连接,完全避免了撞车事故中转向柱对驾驶员的伤害;智能化的ECU根据汽车的行驶状态判断驾驶员的操作是否合理,并做出相应的调整;当汽车处于极限工况时,能够自动对汽车进行稳定控制。当系统中电子部件出现故障后,由于采用冗余和容错技术,系统仍能实现其最基本的转向功能。

2.改善驾驶特性和增强操纵性

基于车速、牵引力控制以及其他相关参数基础上的转向比率(转向盘转角和车轮转角的比值)不断变化。低速行驶时,转向比率低,可以减少转弯或停车时转向盘转动的角度;高速行驶时,转向比率变大,获得更好的直线行驶条件。

3.改善驾驶员的路感

由于转向盘和转向车轮之间元机械连接,驾驶员“路感”通过模拟生成。可以从信号中提出最能够反应汽车实际行驶状态和路面状况的信息,作为转向盘回正力矩的控制变量,使转向盘仅向驾驶员提供有用信息,从而为驾驶员提供更为真实的“路感”。

4.增强汽车舒适性

由于消除了机械结构连接,地面的不平和转向轮的不平衡不会传递到转向轴上。从而减缓了驾驶员的疲劳,驾驶员的腿部活动空间和汽车底盘的空间明显增大。

5.体现个性化的设置

可以根据驾驶员的要求设置转向传动比和转向盘反馈力矩,以满足不同驾驶员的要求和适应不同的驾驶环境,与转向相关的驾驶行为都可以通过软件来设置与实现。

三、汽车线控转向系统的发展及应用

1.汽车线控转向系统的发展

德国奔驰公司在19 9 0年开始了前轮线控转向的研究,并 将它开发的线控转向系统应用于概念车F400Carving上。日本 Koyo也开发了线控转向系统,但为了保证系统的安全,仍然保留 了转向盘与转向轮之间的机械部分,即通过离合器连接,当线控 转向失效时通过离合器结合回复到机械转向。宝马汽车公司的概念车BMWZ22,应用了SteerByWire技术,转向盘的转动范围减小到160°,使紧急转向时驾驶员的忙碌程度得到了很大降低。意大利Bertone设计开发的概念车“FILO”,雪铁龙越野车“C-Crosser”,Daimlerchrysler概念车“R129”,都采用了线控转向系统。2003年日本本田公司在纽约国际车展上推出了LexusHPX概念车,该车也采用了线控转向系统,在仪表盘上集成了各种控制功能,实现车辆的自动控制。

我国863计划电动汽车专项首席科学家万钢领衔研发了“线控转向四轮驱动微电动轿车技术”汽车。汽车的4个车轮边上各有一个轮毂电机,通过线传电控技术控制车轮的转向和车速,提高了整车的主动安全性和操纵稳定性。

2.汽车线控转向系统的应用实例

我国长安汽车以长安CX30为平台,将传统的液压转向系统 改装为SBW系统,是国内第一辆装备SBW转向系统并进行了场 地试验的乘用车。系统采用了自主开发的转向盘模块、转向执行模 块以及SBW控制器,实现了转向盘与转向车轮间转矩与位置的耦 合控制,具有可变的转向系统角传动比和力传动比特性,这些特 性可以根据驾驶员的不同需求通过软件进行在线调整。

日产汽车公司生产的英菲尼迪Q50汽车,采用线控主动转 向技术(Direct Adaptive Steering),改变汽车转向格局,其结 构如图3所示。

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图3 英菲尼迪Q50汽车线控主动 转向系统的结构

从图3中不难看出,线控主动转向系统基本上还是延续了传统转向系统的结构。只是增加了一套离合器装置以及三组ECU电子控制单元和一个转向力度回馈器。当车辆启动时,离合装置会自动切断连接,转向的任务交由电控系统。由于采用电子信号控制,其传动响应更为迅速,也更为轻松。此外,由于隔断了传统机械结构的扶持,导致来自路面的颠簸振动感不会传至方向盘,进而使得驾车员能更平稳的把控方向盘。极端复杂路况下,还能减少了因路面反馈过于明显而造成车辆失控等危险。

对于一项新技术的推出,其可靠性、稳定性是我们最为关心的话题。这一点英菲尼迪Q50汽车生产厂家当然也考虑在内。首先,单是处理信号的转向系统ECU就安装了三个。但是不要误解这三个ECU,它们是偕同工作的,其实是一个工作,另两个监控其工作状态。如果出现问题它们会自动接管。其次,就算这三个ECU都失效了,最后还有传统的机械连接可以自动介入,确保汽车的转向功能。

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