線控轉向技術在國內外汽車領域的應用簡介

孟永剛， 羅來軍， 羅毅， 王軍， 李永晨

(聯創汽車電子有限公司，上海 201206)

線控轉向技術在國內外汽車領域的應用簡介

孟永剛， 羅來軍， 羅毅， 王軍， 李永晨

(聯創汽車電子有限公司，上海 201206)

隨著新能源汽車和無人駕駛汽車的研究推廣，一種新型的轉向系統——線控轉向系統應運而生。該系統取消了轉向盤與轉向輪之間的機械連接，解決了傳統轉向系統的種種弊端。介紹線控轉向系統的基本組成及其工作原理，對比線控轉向相對于電動助力轉向的優勢，總結線控轉向在國內外發展的現狀，分析線控轉向在我國的專利申請情況，并展望線控轉向良好的應用前景及其發展趨勢。

線控轉向技術；發展現狀；發展趨勢

0 引言

汽車動力轉向系統[1]大致經歷了機械轉向系統、液壓助力轉向系統(Hydraulic Power Steering，HPS)、電控液壓助力轉向系統(Electro Hydraulic Power Steering，EHPS)、電動助力轉向系統(Electric Power Steering，EPS)[2]的一個發展過程，目前EPS在我國已經進入批量生產階段并裝配在各類汽車上，且國內外可以提供量產EPS的企業也很多，如ZF、TRW、JTEKT、DIAS、東華等。

隨著科學技術的發展，未來汽車將主要有4個發展趨勢，即上汽集團所說的“新四化”——智能化、共享化、電動化和網聯化。其中的智能駕駛或自動駕駛最近這幾年在汽車行業如火如荼地開展起來。而在無人駕駛的應用中，除了相應的輔助傳感器研發外，相應的助力轉向系統也得到了更進一步的轉變和升級。考慮EPS受限于安裝空間、力傳遞特性、角傳遞特性等諸多因素不能自由設計和實現，一種新型的轉向系統——線控轉向系統(Steering-By-WireSystem，SBW)應運而生。該系統取消了轉向盤與轉向輪之間的機械連接，完全由電信號實現轉向的信息傳遞和控制。為最小化駕駛員工作負荷，同時保持好的駕駛感覺，轉向系的特性可根據駕駛任務、駕駛員需要和喜好、車輛固有特性、道路環境和交通條件主動而恰當地調整[3-7]。SBW系統具有路感好、反應速度快、整車安裝方便、節省空間、安全性高、擴展性好等諸多優點，后文會做詳細介紹。SBW給汽車轉向特性的設計帶來無限的空間，是汽車轉向系統的重大革新。

1 工作原理

結合圖1、圖2對SBW的基本原理作一個介紹。SBW主要由3個部分組成，即轉向盤總成(包含轉向盤、回正力矩電機及相應傳感器等)，轉向執行總成(包含前輪轉向機構、轉向執行電機及相應傳感器等)和電子控制單元(包含主控單元和故障處理單元)。

圖1 SBW系統結構圖

圖2 SBW工作原理

當轉向盤轉動時，轉矩傳感器和轉向角傳感器將測量到的駕駛員轉矩和轉向盤的轉角轉變成電信號[8]發送給主控單元，然后主控單元通過相應傳感器采集車速、橫擺角速度、車身加速度等信號，并結合相應控制策略做出分析判斷進而去控制轉向執行總成實現合理轉向，同時轉向執行總成將車輪角速度傳感器采集到的信息反饋給主控單元，主控單元再結合車況送出相應力矩指令給轉向盤總成中的回正力矩電機，進而給駕駛員提供相對應的路感感受。故障處理單元是SBW中的重要模塊，它包括一系列的監控和實施算法[9]，可實現對主控單元的監控，一旦發現主控單元有錯誤信息或狀態，故障處理單元會根據故障形式和故障等級做出相應的處理，確保駕駛員發現故障并可將車輛行駛到安全地帶。

2 產品優勢

對于SBW來說，它繼承了EPS的諸多優點，如它像EPS一樣可以對轉向過程中的每個環節(轉向、回正、中間位置)進行精確控制，從而提高汽車轉向助力性能[10]。下述SBW具有的優點[11-15]是相較EPS而提出的，至于EPS的諸多優點這里不再一一贅述。

2.1 改善駕駛員的“路感”

線控轉向系統中轉向盤控制與前輪控制解耦，系統可以較好地過濾路面各種顛簸；在回正力矩控制方面，可以從信號中提取最能反映汽車實際行駛狀態和路面狀態的信息，作為轉向盤回正力矩的控制變量，從而使車輛即使在崎嶇的道路行駛時，也不會讓駕駛員感覺轉向盤發抖、震顫，實現優化的、個性化的路感。

2.2 反應速度快

車輛轉向時，由于無傳統機械連接，在前輪轉向控制方面可以實現傳動比的任意設置[16-17]。主控單元接收指令后，根據行車路況、轉向盤轉動力度、速度等進行綜合計算后立刻實現轉向，轉向指令可以毫無遲滯地傳遞到車輪上，讓駕駛員體驗到真正的車隨心動和隨速助力。

2.3 整車安裝方便

SBW采用柔性連接，使轉向系統在車上布置更加靈活，轉向盤可方便布置在需要的位置。如耐世特的靜默方向盤TM系統搭載“完全可收縮式”轉向管柱，在自動駕駛模式下可自動收縮至儀表板內，從而增加可用空間并提升駕駛艙舒適度，使駕駛員可以從事其他活動。

2.4 安全性高

SBW去除了轉向柱等機械連接，因此在車輛碰撞時完全避免了管柱侵入對駕駛員的傷害，同時當把轉向盤總成收縮或移至他處后，極大地保證了安全氣囊的有效打開，從而極大地加強對駕駛員的安全保護。

2.5 便于擴展

SBW還可以根據車輛未來的發展趨勢實現更高級的功能需求，如車道保持支持——當位于車輛上的傳感器或攝像頭發現車輛偏離車道時，SBW會根據車道情況自動輸入轉向信號，幫助車輛回到正確的行駛軌跡上來；自動泊車支持——自動泊車系統通過環境感知傳感器檢測實際的泊車環境，探測獲取有效的泊車車位信息，通過SBW的支持，實現對車輛運動軌跡的精確控制，最終實現自動泊車入位功能。還有如主動轉向支持、智能駕駛支持等。

3 國內外現狀

3.1 國外狀況

歐美企業研究線控轉向技術較早。20世紀50年代，TRW和德國Kasselmann等對SBW系統的概念做出了大膽的設想，將方向盤與轉向車輪之間用控制信號代替原有的機械連接[18-20]。2000年9月，奔馳與ZF在法蘭克福車展上展示了線控轉向系統。2017年Nexteer推出隨需轉向TM及靜默方向盤TM系統，這兩項技術均采用了耐世特線控轉向技術，前者可實現駕駛員人為控制和自動駕駛控制之間更安全、更直覺的切換，后者能夠修正車輛自動轉向過程中方向盤的顫動和回正帶來的干擾，從而顯著降低操作疲勞，確保車輛安全平穩的行駛。最近，ThyssenKrupp計劃在常州興建世界最大的汽車轉向系統生產基地，其線控轉向系統也在開發中。

日本的Nissan于2013年在英菲尼迪Q50上首次搭載了DAS(Direct Adaptive Steering)，參見圖3，但2014年即因安全原因宣布召回。

圖3 英菲尼迪SBW架構

世界排名第一的轉向系統供應商JTEKT投入了大量資源重點研發線控轉向系統，他們認為為了實現自動駕駛汽車，線控轉向系統一定會取代如今的電動轉向系統，這無法避免。而世界排名第三的電動轉向系統供應商NSK對線控轉向系統則持反對意見，他們認為線控轉向技術過于昂貴，如今的電動轉向系統完全可以滿足自動駕駛汽車的需求。

3.2 國內狀況

主要有一些大學和科研機構做預研，如吉林大學、上海交通大學、同濟大學、北京理工大學、青島科技大學、江蘇大學、武漢科技大學等[17，21-22]。這些高校主要側重于模型的搭建、算法的處理和仿真模擬等，有一些高校和機構做出了功能件或概念車。如在2004年上海國際工業博覽會上，同濟大學展示了“春暉三號”概念車(見圖4(a))，其中一大亮點就是采用了線控轉向技術。在2010年北京國際車展上，長安集團也展示了采用線控操縱的Green-i概念車(見圖4(b))。這些高校和機構在控制策略，應用軟件方面如隨速助力、主動回正、阻尼控制、齒條末端保護等方面有一定的嘗試，但性能參差不齊，距離真正的實際應用還有很長的路要走，而整車廠及零部件企業對線控轉向系統的研究報道則很少，說明國內企業對線控轉向方面還缺乏認識或前瞻性考慮。

圖4 春暉三號和Green-i概念車

4 專利統計

通過分析近20年來關于SBW方面的專利在我國的申請情況，可以對SBW的發展狀況也有一個大致了解。圖5為不同國家/地區申請人在我國申請的關于SBW專利數量趨勢圖，可以看到SBW方面的專利申請量是逐年呈現上升趨勢的，其技術生長率持續增長說明該技術處于生長階段，且日本、美國、德國企業在中國申請線控轉向專利量逐年增多，說明已看好此技術在中國的未來前景。

圖5 不同國家/地區申請人在我國申請的關于SBW專利數量趨勢圖

下面對申請人分布情況也作一個分析。參見圖6，可以看到中國申請的線控專利主要還是在大學和科研院所，申請人分布很集中，國內企業研發線控轉線技術的并不多，其他在中國申請線控轉向專利的主要是國外企業，如NTN、NISSAN、JTEKT、DELPHI、ZF、BOSCH、TRW等，這些企業是線控轉向行業的主要競爭對手。

圖6 申請人分布情況

通過統計申請專利的技術分布來看，專利主要集中在B62D5/04使用伺服電動機與轉向器連接或構成轉向器的零件這方面，其次是B62D6/00 根據所檢測和響應行駛條件自動控制轉向的裝置。

5 發展前景

目前隨著EPS在我國汽車上的逐漸普及及智能駕駛相關技術的研發不斷投入，未來性能更優越的SBW開發與使用也成了必然，并將會成為未來智能技術中舉足輕重的一個重要環節。現在SBW還有很多關鍵難點亟待解決。比如安全性方面，由于電子部件還沒有達到機械部件那樣的可靠程度，如何保證在電子部件出現故障后，系統仍能實現基本的轉向功能，這在實際應用中十分重要[23]。再比如成本方面，例如，由于對電子部件可靠性的擔憂，目前的有些SBW為了解決安全問題還保留了機械部件如離合器來進行安全防護，該離合器將SBW分為上、下兩個部分，在正常轉向時離合器是分開的，一旦檢測到某些故障，離合器會將上、下兩部分連接成傳統的機械系統，以確保駕駛員仍能操縱轉向，這種為了滿足安全需求的冗余設計造成了成本的增加，也是阻礙SBW市場化的一個主要因素。雖然有這些難點擺在面前，還需要深入研究和大量的驗證，但相信隨著技術的發展，比如電子元件和芯片成本降低、可靠性和處理能力大大提高，這就為未來更多的消費者提供了低成本的便利[24-25]。一旦突破這些瓶頸，SBW一定會得到井噴式的發展與使用。文中第2節也提到了，SBW會在諸多場合提供支持，這符合汽車將在“新四化”方向上發展的大勢，因此SBW在未來將會有良好的商業化和產業化的市場前景，將是提升自主品牌技術含量的一次機遇與挑戰，是打破國外技術壟斷的一個新的突破點。

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ApplicationofSteer-by-WireTechnologyinAutomobileFieldatDomesticandAbroad

MENG Yonggang,LUO Laijun,LUO Yi, WANG Jun,LI Yongchen

(DIAS Automotive Electronic Systems Co., Ltd.,Shanghai 201206,China)

With the study and popularization of new energy vehicles and driverless vehicles, a new type of power steering system the steer-by-wire (SBW) comes into being.In the system,the mechanical connection between the steering wheel and the steering wheel is eliminated, then all the flaws of traditional steering systems are solved.The basic components and working principle of the SBW were introduced.Compared with electric power steering system,the advantages of the SBW were illustrated. The current development situations of the SBW at domestic and abroad were summarized.The patent application situation of the SBW in China was analyzed. The application prospect and development trend of the SBW were prospected.

Steer-by-wire technology;Current development situations; Development tendency

U463.2

A

1674-1986(2017)11-075-05

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.11.019

2017-06-27

孟永剛，男，本科，主要從事電動助力轉向、線控轉向方面的開發工作。E-mail:mengyonggang@dias.com.cn。