常江雪 白學(xué)峰

摘要：線控轉(zhuǎn)向是車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的最新技術(shù)之一。文章對(duì)比分析了國(guó)內(nèi)外線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、特點(diǎn)和工作原理，并提出了在電動(dòng)車輛上采用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方案，從而提高車輛的轉(zhuǎn)向特性和安全性。

Abstract： SBW is the latest technology in vehicle steering system. This paper reviews the domestic and foreign development of steer-by-wire steering system. The structure， characteristics and operating principle of the steer-by- wire steering system were introduced in detail. At last， the solutions that making steer-by-wire steering system in engineering vehicle were proposed to improve the steering characteristics and safety of the vehicle.

關(guān)鍵詞：線控轉(zhuǎn)向;控制策略;主動(dòng)安全

Key words： steer-by-wire system;control strategy;active safety

中圖分類號(hào)：U463.62?????????????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????????????????????????????????? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）21-0236-02

0? 引言

電動(dòng)車輛的發(fā)展趨勢(shì)是節(jié)能、安全、環(huán)保。車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)車輛主動(dòng)安全的重要系統(tǒng)，其操縱穩(wěn)定性直接影響著車輛的性能。本文研究的對(duì)象是電動(dòng)車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。為了控制車輛能夠沿駕駛員預(yù)想的路徑行駛，駕駛員必須時(shí)刻調(diào)節(jié)自身的情況，這增加了駕駛員的駕駛負(fù)擔(dān)。當(dāng)遇到復(fù)雜工況時(shí)，駕駛員很難控制車輛，容易發(fā)生交通事故;近幾年隨著智能技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電液一體化技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在汽車上，研究人員提出了很多能夠提高電動(dòng)車輛性能的方案，解決了目前電動(dòng)車輛面臨的諸多難題，成為現(xiàn)代電動(dòng)車輛的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1? 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況

國(guó)外學(xué)者對(duì)線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究已經(jīng)達(dá)到了一定的水平。1990年，德國(guó)奔馳公司研究了前輪線控轉(zhuǎn)向技術(shù)，并且將該技術(shù)應(yīng)用在概念車F400 Carving上。德爾福公司研制了前輪和四輪線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。寶馬公司的BMWZ22概念車也使用了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它把方向盤的最大轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)成160°，這大大降低了緊急轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員的操作負(fù)擔(dān)。意大利Bertone公司設(shè)計(jì)的“FILO”概念車、Daimler chrysler“R129”概念車、雪鐵龍?jiān)揭败嚒癈-Crosser”等，都使用了線控轉(zhuǎn)向技術(shù)。國(guó)外的科研院校機(jī)構(gòu)也積極參與了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究，如美國(guó)斯坦福大學(xué)進(jìn)行了硬件在環(huán)試驗(yàn)和主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制策略試驗(yàn)、紐約州立大學(xué)進(jìn)行人車閉環(huán)控制、伊利諾伊大學(xué)在線控轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)性方面做了深入的研究。

我國(guó)對(duì)線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究起步較晚。研究比較深入的是同濟(jì)大學(xué)的“春暉三號(hào)-嘉樂(lè)”微型電動(dòng)車，它最突出的特點(diǎn)就是采用了線控轉(zhuǎn)向技術(shù)，研發(fā)出線控轉(zhuǎn)向四輪驅(qū)動(dòng)微型概念車。武漢理工大學(xué)對(duì)汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變傳動(dòng)比和路感的模糊控制算法進(jìn)行了研究，并開展了仿真分析。但這些研究尚處于初級(jí)階段，還沒(méi)有應(yīng)用在真實(shí)車輛上[2]。北京理工大學(xué)的施國(guó)標(biāo)、于蕾艷等深入探究了線控轉(zhuǎn)向變傳動(dòng)比和橫擺角速度反饋的主動(dòng)控制。吉林大學(xué)研究了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變傳動(dòng)比、穩(wěn)定性算法、方向盤回正力矩等內(nèi)容。此外，吉林大學(xué)還設(shè)計(jì)出一個(gè)線控轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)臺(tái)架，如圖1所示。

2? 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

線控轉(zhuǎn)向技術(shù)改變了車輛原始轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，分離了駕駛員的操作系統(tǒng)和控制車輪轉(zhuǎn)向的執(zhí)行系統(tǒng)，形成了兩個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，通過(guò)控制單元和傳感器將兩個(gè)子系統(tǒng)聯(lián)系在一起，控制單元通過(guò)分析和計(jì)算車輛的工況，可以調(diào)節(jié)車輛轉(zhuǎn)向時(shí)的力傳遞特性，從而降低了駕駛員的操作負(fù)擔(dān)，提高了人車閉環(huán)系統(tǒng)的主動(dòng)安全性能。

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，分別是方向盤模塊、前輪轉(zhuǎn)向模塊和控制器模塊，如圖2所示。

2.1 方向盤總成? 方向盤總成由方向盤、力矩傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、方向盤回正力矩電機(jī)組成。其主要功能是將駕駛員的轉(zhuǎn)向指令傳送給主控制器，進(jìn)而由主控制器來(lái)控制液壓轉(zhuǎn)向模塊的動(dòng)作;此外，主控制器向轉(zhuǎn)向盤回正力矩電機(jī)發(fā)送信號(hào)，產(chǎn)生一定的回正力矩，將相應(yīng)的駕駛路感信息提供給駕駛員。

2.2 前輪轉(zhuǎn)向總成? 前輪轉(zhuǎn)向總成由前輪轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)和轉(zhuǎn)向組件等組成。轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊的功能是接收主控制器傳來(lái)的控制指令，通過(guò)轉(zhuǎn)向電機(jī)來(lái)控制轉(zhuǎn)向車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，完成駕駛員的轉(zhuǎn)向指令。

2.3 控制器總成? 控制器的主要功能是采集傳感器輸入的信號(hào)，通過(guò)預(yù)先設(shè)置的控制算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和處理，并向轉(zhuǎn)向電機(jī)和方向盤回正力距電機(jī)發(fā)送控制指令，控制它們的轉(zhuǎn)速，確保車輛在各種狀態(tài)下都具有理想的響應(yīng)性，減輕駕駛員的操作負(fù)擔(dān)[3]。

3? 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

線控轉(zhuǎn)向技術(shù)斷開了轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，通過(guò)控制器來(lái)控制它們之間的相互運(yùn)動(dòng)，這樣可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)向響應(yīng)和穩(wěn)定性。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括方向盤總成、前輪轉(zhuǎn)向總成、主控制器總成，以及自動(dòng)防故障系統(tǒng)和電源等輔助部件。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)[4-5]：

3.1 改善轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向特性

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以根據(jù)車輛的行駛狀態(tài)由控制器實(shí)時(shí)設(shè)置角傳動(dòng)比，并對(duì)前輪轉(zhuǎn)角進(jìn)行補(bǔ)償，使車輛的轉(zhuǎn)向特性保持最優(yōu)。由于取消了機(jī)械連接的限制，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以自由設(shè)計(jì)傳動(dòng)比。當(dāng)車輛低速行駛時(shí)可以減小傳動(dòng)比，以提高轉(zhuǎn)向的響應(yīng)速度;而高速行駛時(shí)可以增大傳動(dòng)比，以提高轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性，這樣可以增加駕駛員的駕駛信心。

3.2 提高路感響應(yīng)性

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感是駕駛員通過(guò)方向盤受到的反作用力而感受到的。在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，由于轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間沒(méi)有機(jī)械連接，所以無(wú)法感受到轉(zhuǎn)向盤的反作用力，此時(shí)駕駛員所感受到的“路感”信息是主控制器根據(jù)車輛的行駛狀態(tài)，向轉(zhuǎn)向盤回正力矩電機(jī)提供控制信號(hào)而形成的。由于控制器可以提取出最能夠反應(yīng)車輛真實(shí)路況信號(hào)作為轉(zhuǎn)向盤回正力矩的控制變量，因此可以使轉(zhuǎn)向盤僅向駕駛員提供有用的信號(hào)，從而可以獲得更加符合駕駛員喜好的“路感”信息。

3.3 有利于節(jié)能環(huán)保

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)斷開了轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，使整車的重量減輕。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在需要轉(zhuǎn)向時(shí)電機(jī)才會(huì)輸出功率，同時(shí)采用電子元件提高了傳動(dòng)效率和響應(yīng)時(shí)間，從而能夠提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，節(jié)約了能源，減少可燃混合氣燃燒作功后產(chǎn)生的廢氣排放[6]。

3.4 提高車輛的安全性和穩(wěn)定性

車輛在行駛過(guò)程中常常會(huì)遇到各種復(fù)雜路況，如對(duì)開路面、低附著路面、側(cè)向風(fēng)等，當(dāng)車輛行駛在這些路況時(shí)容易失去穩(wěn)定性。而線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以通過(guò)采集傳感器的信號(hào)實(shí)時(shí)判斷車輛的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)車輛有失區(qū)穩(wěn)定性趨勢(shì)時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)向電機(jī)來(lái)控制前輪的轉(zhuǎn)角，從而使車輛恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)行駛。

3.5 提高車輛安全性，降低開發(fā)成本

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了轉(zhuǎn)向柱、皮帶、皮帶輪等機(jī)械部件，使得駕駛室里有更多的空間布置被動(dòng)安全部件，從而可以降低事故發(fā)生時(shí)對(duì)駕駛員造成的傷害。由于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬件部分具有很高的通用性，主控制器采用軟件控制，通過(guò)修改算法中一些特定參數(shù)就能夠應(yīng)用于其它車型，降低了新車型的開發(fā)成本[7]。

4? 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的前景展望

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越注重車輛的節(jié)能、環(huán)保、安全性和舒適性，車輛電子化和智能化已經(jīng)成為汽車未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最終將應(yīng)用在現(xiàn)代汽車上。

在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，車輛的轉(zhuǎn)向不是由駕駛員操縱方向盤進(jìn)行控制，而是由主控制器控制電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向動(dòng)作。我們利用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向角傳動(dòng)比可以自由設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種讓駕駛員更容易操作的車輛轉(zhuǎn)向特性，降低駕駛員的工作負(fù)擔(dān)，提高舒適性，這具有重要的實(shí)踐研究意義[8]。

就電動(dòng)車輛來(lái)說(shuō)，在液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入線控技術(shù)，將電子與液壓結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)一種電動(dòng)車輛的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。這樣既能擁有液壓轉(zhuǎn)向的優(yōu)點(diǎn)，又能在電子元件的控制下，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向操作靈活性，使車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確可靠、轉(zhuǎn)向靈活，提高車輛轉(zhuǎn)向特性，降低駕駛負(fù)擔(dān)，改善車輛操縱性。這也是電動(dòng)車輛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有待研究的課題。

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