解析汽車線控轉向技術

◆文/河南 牛本寬 牛賓強 王秀艷

解析汽車線控轉向技術

◆文/河南 牛本寬 牛賓強 王秀艷

汽車轉向性能是汽車的主要性能之一，轉向系統的性能直接影響汽車的操縱穩定性，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。如何合理地設計轉向系統，使汽車具有良好的操縱性能，是設計人員的重要研究課題。在車輛高速化、駕駛人員非職業化、車流密集化的今天，針對更多不同水平的駕駛人群，汽車的易操縱性設計顯得尤為重要。線控轉向系統（Steering-By-WireSystem，簡稱“SBW”）的發展，正迎合這種客觀需求。它是繼EPS后發展起來的新一代轉向系統，具有比EPS操縱穩定性更好的特點，而且它在轉向盤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，給駕駛員帶來方便，同時提高了汽車的安全性。

一、汽車線控轉向系統的結構和基本原理

1.汽車線控轉向系統的結構

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

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

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

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，向方向盤回正力電機和轉向電機發送指令，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，以減少駕駛員對汽車轉向特性隨車速變化的補償任務，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，判定在當前狀態下駕駛員的轉向操作是否合理。當汽車處于非穩定狀態或駕駛員發出錯誤指令時線控轉向系統會將駕駛員錯誤的轉向操作屏蔽，而自動進行穩定控制，使汽車盡快地恢復到穩定狀態。

自動故障處理系統是線控轉向系的重要模塊。它包括一系列的監控和實施算法，針對不同的故障形式和故障等級做出相應的處理，以求最大限度地保持汽車的正常行駛。作為應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，因而故障的自動檢測和自動處理是線控轉向系統最重要的組成系統之一。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。

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

2.汽車線控轉向系統的原理

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

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

二、汽車線控轉向系統的特點

1.提高汽車安全性能

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

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參數基礎上的轉向比率（轉向盤轉角和車輪轉角的比值）不斷變化。低速行駛時，轉向比率低，可以減少轉彎或停車時轉向盤轉動的角度；高速行駛時，轉向比率變大，獲得更好的直線行駛條件。

3.改善駕駛員的路感由于轉向盤和轉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噷嶋H行駛狀態和路面狀況的信息，作為轉向盤回正力矩的控制變量，使轉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

由于消除了機械結構連接，地面的不平和轉向輪的不平衡不會傳遞到轉向軸上。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.體現個性化的設置

可以根據駕駛員的要求設置轉向傳動比和轉向盤反饋力矩，以滿足不同駕駛員的要求和適應不同的駕駛環境，與轉向相關的駕駛行為都可以通過軟件來設置與實現。

三、汽車線控轉向系統的發展及應用

1.汽車線控轉向系統的發展

德國奔馳公司在1990年開始了前輪線控轉向的研究，并將它開發的線控轉向系統應用于概念車F400Carving上。日本Koyo也開發了線控轉向系統，但為了保證系統的安全，仍然保留了轉向盤與轉向輪之間的機械部分，即通過離合器連接，當線控轉向失效時通過離合器結合回復到機械轉向。寶馬汽車公司的概念車BMWZ22，應用了SteerByWire技術，轉向盤的轉動范圍減小到160°，使緊急轉向時駕駛員的忙碌程度得到了很大降低。意大利Bertone設計開發的概念車“FILO”，雪鐵龍越野車“C-Crosser”，Daimlerchrysler概念車“R129”，都采用了線控轉向系統。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向系統，在儀表盤上集成了各種控制功能，實現車輛的自動控制。

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

2.汽車線控轉向系統的應用實例

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

日產汽車公司生產的英菲尼迪Q50汽車，采用線控主動轉向技術（Direct Adaptive Steering），改變汽車轉向格局，其結構如圖3所示。

從圖3中不難看出，線控主動轉向系統基本上還是延續了傳統轉向系統的結構。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向力度回饋器。當車輛啟動時，離合裝置會自動切斷連接，轉向的任務交由電控系統。由于采用電子信號控制，其傳動響應更為迅速，也更為輕松。此外，由于隔斷了傳統機械結構的扶持，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的把控方向盤。極端復雜路況下，還能減少了因路面反饋過于明顯而造成車輛失控等危險。

對于一項新技術的推出，其可靠性、穩定性是我們最為關心的話題。這一點英菲尼迪Q50汽車生產廠家當然也考慮在內。首先，單是處理信號的轉向系統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，另兩個監控其工作狀態。如果出現問題它們會自動接管。其次，就算這三個ECU都失效了，最后還有傳統的機械連接可以自動介入，確保汽車的轉向功能。