淺談汽車(chē)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

前言

汽車(chē)轉(zhuǎn)向性能是汽車(chē)的主要性能之一，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能直接影響到汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性，它對(duì)于確保車(chē)輛的安全行駛、減少交通事故以及保護(hù)駕駛員的人身安全、改善駕駛員的工作條件起著重要的作用。如何合理地設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使汽車(chē)具有良好的操縱性能，始終是設(shè)計(jì)人員的重要研究課題。

在車(chē)輛高速化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車(chē)流密集化的今天，針對(duì)更多不同水平的駕駛?cè)巳?，汽?chē)的易操縱性設(shè)計(jì)顯得尤為重要。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Steering – By - WireSystem，簡(jiǎn)稱SBW)的發(fā)展，正是迎合這種客觀需求。它是繼EPS后發(fā)展起來(lái)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(diǎn)，而且它在轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向輪之間不再采用機(jī)械連接，徹底擺脫傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)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、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展概況

德國(guó)奔馳公司在1990年開(kāi)始了前輪線控轉(zhuǎn)向的研究，并將它開(kāi)發(fā)的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用于概念車(chē)F400Carving上。日本Koyo也開(kāi)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(pán)與轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械部分，即通過(guò)離合器連接，當(dāng)線控轉(zhuǎn)向失效時(shí)通過(guò)離合器結(jié)合回復(fù)到機(jī)械轉(zhuǎn)向。寶馬汽車(chē)公司的概念車(chē)BMWZ22，應(yīng)用了SteerByWire技術(shù)，轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍減小到160°，使緊急轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員的忙碌程度得到了很大降低。

意大利Bertone設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的概念車(chē)“FILO”，雪鐵龍?jiān)揭败?chē)“C-Crosser”，Daimlerchrysler概念車(chē)“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(guó)際車(chē)展上推出了LexusHPX概念車(chē)，該車(chē)也采用了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在儀表盤(pán)上集成了各種控制功能，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的自動(dòng)控制。估計(jì)幾年后，機(jī)械系統(tǒng)將由電纜與電子信號(hào)取代。

二、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

(一)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

汽車(chē)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向盤(pán)模塊、前輪轉(zhuǎn)向模塊、主控制器(ECU)以及自動(dòng)防故障系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.前輪轉(zhuǎn)向模塊

前輪轉(zhuǎn)向模塊包括前輪轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)、電機(jī)控制器和前輪轉(zhuǎn)向組件等。其功能是將測(cè)得的前輪轉(zhuǎn)角信號(hào)反饋給主控制器，并接受主控制器的命令，控制轉(zhuǎn)向盤(pán)完成所要求的前輪轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。

2.主控制器

主控制器對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析處理，判別汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，向轉(zhuǎn)向盤(pán)回正力矩電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)發(fā)送命令，控制兩個(gè)電機(jī)協(xié)調(diào)工作。主控制器還可以對(duì)駕駛員的操作指令進(jìn)行識(shí)別，判定在當(dāng)前狀態(tài)下駕駛員的轉(zhuǎn)向操作是否合理。當(dāng)汽車(chē)處于非穩(wěn)定狀態(tài)或駕駛員發(fā)出錯(cuò)誤指令時(shí)，前輪線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行穩(wěn)定控制或?qū)Ⅰ{駛員錯(cuò)誤的轉(zhuǎn)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(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.轉(zhuǎn)向盤(pán)模塊

轉(zhuǎn)向盤(pán)模塊包括轉(zhuǎn)向盤(pán)組件、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器、力矩傳感器、轉(zhuǎn)向盤(pán)回正力矩電機(jī)。其主要功能是將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖(通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳遞給主控制器，同時(shí)主控制器向轉(zhuǎn)向盤(pán)回正力矩電機(jī)發(fā)送控制信號(hào)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)向盤(pán)回正力矩，以提供給駕駛員相應(yīng)的路感信息。

4.自動(dòng)防故障系統(tǒng)

自動(dòng)防故障系統(tǒng)是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要模塊，它包括一系列的監(jiān)控和實(shí)施算法，針對(duì)不同的故障形式和故障等級(jí)做出相應(yīng)的處理，以求最大限度的保持汽車(chē)的正常行駛。線控轉(zhuǎn)向技術(shù)采用嚴(yán)密的故障檢測(cè)和處理邏輯，以最大程度地提高汽車(chē)安全性能。

(二)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理

其工作過(guò)程:來(lái)自轉(zhuǎn)向盤(pán)傳感器和各種車(chē)輛當(dāng)前狀態(tài)的信息送給電子控制子系統(tǒng)后，利用計(jì)算機(jī)對(duì)這些信息進(jìn)行控制運(yùn)算，然后對(duì)車(chē)輛轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)發(fā)出指令，使車(chē)輛轉(zhuǎn)向。

同時(shí)車(chē)輪轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向阻力傳感器給出的信息也經(jīng)電子控制子系統(tǒng)，傳給轉(zhuǎn)向盤(pán)子系統(tǒng)中模擬路感的部件。原理如圖2所示。

由于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向輪之間沒(méi)有機(jī)械連接，是斷開(kāi)的，通過(guò)總線傳輸必要的信息，故該系統(tǒng)也稱作柔性轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。