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一、前言 汽車(chē)轉向性能是汽車(chē)的主要性能之一，轉向系統的性能直接影響到汽車(chē)的操縱穩定性，它對于確保車(chē)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起著(zhù)重要的作用。如何合理地設計轉向系統，使汽車(chē)具有良好的操縱性能，始終是設計人員的重要研究課題。在車(chē)輛高速化、駕駛人員非職業(yè)化、車(chē)流密集化的今天，針對更多不同水平的駕駛人群，汽車(chē)的易操縱性設計顯得尤為重要。線(xiàn)控轉向系統（Steering – By - WireSystem，簡(jiǎn)稱(chēng)SBW）的發(fā)展，正是迎合這種客觀(guān)需求。它是繼EPS后發(fā)展起來(lái)的新一代轉向系統，具有比EPS操縱穩定性更好的特點(diǎn)，而且它在轉向盤(pán)和轉向輪之間不再采用機械連接，徹底擺脫傳統轉向系統所固有的限制，在給駕駛員帶來(lái)方便的同時(shí)也提高了汽車(chē)的安全性。 一、線(xiàn)控轉向系統的發(fā)展概況 德國奔馳公司在1990年開(kāi)始了前輪線(xiàn)控轉向的研究，并將它開(kāi)發(fā)的線(xiàn)控轉向系統應用于概念車(chē)F400Carving上。日本Koyo也開(kāi)發(fā)了線(xiàn)控轉向系統，但為了保證系統的安全，仍然保留了轉向盤(pán)與轉向輪之間的機械部分，即通過(guò)離合器連接，當線(xiàn)控轉向失效時(shí)通過(guò)離合器結合回復到機械轉向。寶馬汽車(chē)公司的概念車(chē)BMWZ22，應用了SteerByWire技術(shù)，轉向盤(pán)的轉動(dòng)范圍減小到160°，使緊急轉向時(shí)駕駛員的忙碌程度得到了很大降低。意大利Bertone設計開(kāi)發(fā)的概念車(chē)“FILO”，雪鐵龍越野車(chē)“C-Crosser”，Daimlerchrysler概念車(chē)“R129”，都采用了線(xiàn)控轉向系統。2003年日本本田公司在紐約國際車(chē)展上推出了LexusHPX概念車(chē)，該車(chē)也采用了線(xiàn)控轉向系統，在儀表盤(pán)上集成了各種控制功能，實(shí)現車(chē)輛的自動(dòng)控制。估計幾年后，機械系統將由電纜與電子信號取代。 二、線(xiàn)控轉向系統的結構及工作原理 （一）線(xiàn)控轉向系統的結構 汽車(chē)線(xiàn)控轉向系統主要由轉向盤(pán)模塊、前輪轉向模塊、主控制器（ECU）以及自動(dòng)防故障系統組成，其結構如圖1所示。 1．轉向盤(pán)模塊 轉向盤(pán)模塊包括轉向盤(pán)組件、轉向盤(pán)轉角傳感器、力矩傳感器、轉向盤(pán)回正力矩電機。其主要功能是將駕駛員的轉向意圖（通過(guò)測量轉向盤(pán)轉角）轉換成數字信號并傳遞給主控制器，同時(shí)主控制器向轉向盤(pán)回正力矩電機發(fā)送控制信號，產(chǎn)生轉向盤(pán)回正力矩，以提供給駕駛員相應的路感信息。 2．前輪轉向模塊 前輪轉向模塊包括前輪轉角傳感器、轉向執行電機、電機控制器和前輪轉向組件等。其功能是將測得的前輪轉角信號反饋給主控制器，并接受主控制器的命令，控制轉向盤(pán)完成所要求的前輪轉角，實(shí)現駕駛員的轉向意圖。 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(chē)的運動(dòng)狀態(tài)，向轉向盤(pán)回正力矩電機和轉向電機發(fā)送命令，控制兩個(gè)電機協(xié)調工作。主控制器還可以對駕駛員的操作指令進(jìn)行識別，判定在當前狀態(tài)下駕駛員的轉向操作是否合理。當汽車(chē)處于非穩定狀態(tài)或駕駛員發(fā)出錯誤指令時(shí)，前輪線(xiàn)控轉向系統將自動(dòng)進(jìn)行穩定控制或將駕駛員錯誤的轉向操作屏蔽，以合理的方式自動(dòng)駕駛車(chē)輛，使汽車(chē)盡快恢復到穩定狀態(tài)。 4．自動(dòng)防故障系統 自動(dòng)防故障系統是線(xiàn)控轉向系統的重要模塊，它包括一系列的監控和實(shí)施算法，針對不同的故障形式和故障等級做出相應的處理，以求最大限度的保持汽車(chē)的正常行駛。線(xiàn)控轉向技術(shù)采用嚴密的故障檢測和處理邏輯，以最大程度地提高汽車(chē)安全性能。 （二）線(xiàn)控轉向系統的工作原理 其工作過(guò)程:來(lái)自轉向盤(pán)傳感器和各種車(chē)輛當前狀態(tài)的信息送給電子控制子系統后，利用計算機對這些信息進(jìn)行控制運算，然后對車(chē)輛轉向子系統發(fā)出指令，使車(chē)輛轉向。同時(shí)車(chē)輪轉向子系統中的轉向阻力傳感器給出的信息也經(jīng)電子控制子系統，傳給轉向盤(pán)子系統中模擬路感的部件。原理如圖2所示。 三、線(xiàn)控轉向系統的性能特點(diǎn) 由于線(xiàn)控轉向系統中的轉向盤(pán)和轉向輪之間沒(méi)有機械連接，是斷開(kāi)的，通過(guò)總線(xiàn)傳輸必要的信息，故該系統也稱(chēng)作柔性轉向系統。具有如下性能特點(diǎn): 柔性轉向能消除轉向干涉問(wèn)題，為實(shí)現多功能全方位的自動(dòng)控制，以及汽車(chē)動(dòng)態(tài)控制系統和汽車(chē)平順性控制系統的系統集成提供了顯著(zhù)的先決條件。 對前輪驅動(dòng)轎車(chē)，在安裝發(fā)動(dòng)機時(shí)需要考慮剛性轉向軸占用空間，轉向軸必須依據汽車(chē)是左側駕駛還是右側駕駛安裝在發(fā)動(dòng)機附近，設計人員必須協(xié)調處理各種需要安排部件。而柔性轉向去掉了原來(lái)轉向系各個(gè)功能模塊之間的剛性機械連接，大大方便了系統的總布置。 舒適性得到提高。在剛性轉向系統中，路面不平和轉向輪的不平衡，可以回傳到轉向圖1線(xiàn)控轉向系統的結構示意圖圖2線(xiàn)控轉向系統的工作原理圖軸，而柔性系統不能。 轉向回正力矩能夠通過(guò)軟件依據駕駛員的要求進(jìn)行調整。因此在不改變設計的情況下，可以個(gè)性化地適合特定的駕駛者和駕駛環(huán)境，與轉向有關(guān)的駕駛行為都可以通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現。 消除了碰撞事故中轉向柱引起傷害駕駛員的可能性，不必設立轉向防扭機構。 駕駛員腿部活動(dòng)空間增加，出入更方便自由。 四、線(xiàn)控轉向的關(guān)鍵技術(shù) （一）傳感器技術(shù) 現代汽車(chē)技術(shù)發(fā)展特征之一就是越來(lái)越多的部件采用電子控制。汽車(chē)電子控制系統控制效果依賴(lài)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(gè)汽車(chē)電子控制系統的性能。汽車(chē)SBW系統需要的相關(guān)傳感器有:角位移傳感器、轉矩傳感器、車(chē)速傳感器、側向加速度傳感器、橫擺角速度傳感器等。 （二）總線(xiàn)技術(shù) 隨著(zhù)汽車(chē)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，存在著(zhù)多種汽車(chē)總線(xiàn)標準，未來(lái)將會(huì )使用到具有高速實(shí)時(shí)傳輸特性的一些總線(xiàn)標準和協(xié)議。這一類(lèi)總線(xiàn)標準主要有TTP、Bytef-light和FlexRay。TTP（時(shí)間觸發(fā)協(xié)議）是一個(gè)應用于分布式實(shí)時(shí)控制系統的完整的通信協(xié)議，能夠支持多種容錯策略，具有節點(diǎn)的恢復和整合功能；BMW公司的Byte-light可用于汽車(chē)線(xiàn)控系統的通信網(wǎng)絡(luò )，其特點(diǎn)是既能滿(mǎn)足某些高優(yōu)先級消息需要時(shí)間觸發(fā)，以保證確定延遲的要求，又能滿(mǎn)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(chē)制造商目前計劃采用FlexRay，這是一種特別適合下一代汽車(chē)應用的網(wǎng)絡(luò )通信系統，具有容錯功能和確定的消息傳輸時(shí)間，能夠滿(mǎn)足汽車(chē)控制系統的高速率通信要求。BMW、Daimler-Chryler，Motorola和Philips聯(lián)合開(kāi)發(fā)和建立了FlexRay標準，GM公司，Boseh公司和Volkswagen公司也加入了聯(lián)合開(kāi)發(fā)協(xié)會(huì )，現在已經(jīng)有7個(gè)核心成員，共同致力于開(kāi)發(fā)汽車(chē)分布式控制系統中高速總線(xiàn)系統的標準。日前FlexRay標準的物理層標準已經(jīng)由Philips公司開(kāi)發(fā)完成，通迅協(xié)議正在研發(fā)中。該標準的出臺不僅提高了信息傳輸的一致性、可靠性，而且還簡(jiǎn)化了信息開(kāi)發(fā)和使用過(guò)程，并降低了成本。從現在的發(fā)展來(lái)看，由于FlexRay是基于時(shí)間和事件的觸發(fā)協(xié)議，要優(yōu)于TTP�；诳偩�(xiàn)技術(shù)的SBW系統將傳統的機械轉向系統變成通過(guò)高速容錯通信總線(xiàn)相連的電氣系統，實(shí)現系統的自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化與信息化。 （三）動(dòng)力電源 動(dòng)力電源承擔著(zhù)SBW系統中電子控制單元、4個(gè)電動(dòng)機的供電（2個(gè)冗余轉矩反饋電動(dòng)機和2個(gè)冗余轉向電動(dòng)機），2個(gè)轉矩反饋電動(dòng)機功率大約為50～80W，2個(gè)轉向電動(dòng)機功率大約為500～800W，電源負荷相當重，因此要保證整個(gè)系統的穩定工作，動(dòng)力電源的性能至關(guān)重要。隨著(zhù)電子元件及其高功耗零部件的不斷增加，使得汽車(chē)負荷成倍增加。若繼續維持12V供電系統，就必須通過(guò)提高電流來(lái)獲得更多的功率，但是過(guò)高的電流將給整個(gè)系統帶來(lái)安全隱患，汽車(chē)電路上的熱能消耗大大增加，所以汽車(chē)供電系統必須提高電壓以滿(mǎn)足現代汽車(chē)電氣系統負荷日益增長(cháng)的需要。于是，42V供電系統應運而生。42V電源的采用也為發(fā)展SBW系統創(chuàng )造了條件:電動(dòng)機的質(zhì)量減輕了20%；減小了線(xiàn)束直徑，降低了設計與使用成本，方便安裝；降低了負載電流；提高了電子元件的集成度等。這些優(yōu)點(diǎn)對其開(kāi)發(fā)具有決定性的影響，必將大大推動(dòng)SBW系統的電動(dòng)機以及相關(guān)部件的發(fā)展。 （四）可靠性技術(shù) 線(xiàn)控轉向系統發(fā)展過(guò)程中最大的困擾是可靠性的問(wèn)題。由于線(xiàn)控轉向系統中轉向盤(pán)和轉向車(chē)輪之間沒(méi)有直接的機械連接，當電控系統出現故障時(shí)，車(chē)輛將無(wú)法保證轉向功能，處于失控狀態(tài)。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，電控系統的可靠性不斷得到提高，在系統設計中大量引入了“冗余設計”的理念，比如:傳感器的冗余、電機的冗余、車(chē)載電源系統的冗余等，使線(xiàn)控轉向系統的可靠性得到了明顯提高。圖3所示為線(xiàn)控轉向系統冗余設計的一個(gè)典型代表。 為保證線(xiàn)控轉向系統有充足的電能供應，而且為防止電源故障，必須使用更加安全的42V電源系統。在轉向盤(pán)下方安置2個(gè)轉向傳感器，保證可以辨識出駕駛員的操縱意圖。轉向盤(pán)電機的供電采用了兩路冗余設計；為保證轉向盤(pán)電機損壞時(shí)也可以施加回正力矩，在轉向盤(pán)下方安裝1個(gè)扭轉彈簧或者安裝第二個(gè)轉向盤(pán)電機。為保證車(chē)輛前輪具有轉向能力，使用了兩路轉向電機，相應地配備了2個(gè)轉向傳感器。在ECU的設計和控制軟件的設計上也都采用了冗余設計的思想。由于采用了上述種種措施，大大提高了線(xiàn)控轉向系統的可靠性。為SBW系統在汽車(chē)上的應用提供了保障。 五、線(xiàn)控轉向系統的前景展望 汽車(chē)線(xiàn)控轉向系統的設計以減輕駕駛員的體力和腦力勞動(dòng)、提高整車(chē)主動(dòng)安全性為根本出發(fā)點(diǎn)，使汽車(chē)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(zhù)巨大的吸引力。下面從幾方面來(lái)說(shuō)明其前景: 從生產(chǎn)成本來(lái)看，隨著(zhù)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(xiàn)控轉向系統的成本在不久將來(lái)達到消費者的接受水平。 再從其實(shí)現的條件看，預計42V電源將會(huì )得到快速發(fā)展，各種傳感器精度將會(huì )有所提高、成本會(huì )有所降低，以及模擬路感的電機振動(dòng)控制技術(shù)將會(huì )更加成熟，這些為其在汽車(chē)上的應用創(chuàng )造了條件。 另外從現代汽車(chē)的發(fā)展趨勢來(lái)看，未來(lái)汽車(chē)的主體是低排放汽車(chē)（LEV）、混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）、燃料電池汽車(chē)（FCEV）、電動(dòng)汽車(chē)（EV）四大EV汽車(chē)，輔助駕駛系統和無(wú)人駕駛汽車(chē)是新興的熱門(mén)研究領(lǐng)域，實(shí)現汽車(chē)智能轉向的最佳方案就是采用線(xiàn)控轉向系統，這些都給線(xiàn)控轉向系統帶來(lái)了更加廣闊的應用前景。 總之，線(xiàn)控轉向系統是一種適合消費者的新技術(shù)，尤其對于今后實(shí)現汽車(chē)無(wú)人駕駛的設想創(chuàng )造了前提。 |
