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一、前言 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到汽車的操縱穩定性，它對于確保車輛的安全行駛、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，始終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，正是迎合這種客觀需求。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，在給駕駛員帶來方便的同時也提高了汽車的安全性。 一、線控轉向系統的發展概況 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。估計幾年后，機械系統將由電纜與電子信號取代。 二、線控轉向系統的結構及工作原理 （一）線控轉向系統的結構 汽車線控轉向系統主要由轉向盤模塊、前輪轉向模塊、主控制器（ECU）以及自動防故障系統組成，其結構如圖1所示。 1．轉向盤模塊 轉向盤模塊包括轉向盤組件、轉向盤轉角傳感器、力矩傳感器、轉向盤回正力矩電機。其主要功能是將駕駛員的轉向意圖（通過測量轉向盤轉角）轉換成數字信號并傳遞給主控制器，同時主控制器向轉向盤回正力矩電機發送控制信號，產生轉向盤回正力矩，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，控制轉向盤完成所要求的前輪轉角，實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行分析處理，判別汽車的運動狀態，向轉向盤回正力矩電機和轉向電機發送命令，控制兩個電機協調工作。主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，前輪線控轉向系統將自動進行穩定控制或將駕駛員錯誤的轉向操作屏蔽，以合理的方式自動駕駛車輛，使汽車盡快恢復到穩定狀態。 4．自動防故障系統 自動防故障系統是線控轉向系統的重要模塊，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，以求最大限度的保持汽車的正常行駛。線控轉向技術采用嚴密的故障檢測和處理邏輯，以最大程度地提高汽車安全性能。 （二）線控轉向系統的工作原理 其工作過程:來自轉向盤傳感器和各種車輛當前狀態的信息送給電子控制子系統后，利用計算機對這些信息進行控制運算，然后對車輛轉向子系統發出指令，使車輛轉向。同時車輪轉向子系統中的轉向阻力傳感器給出的信息也經電子控制子系統，傳給轉向盤子系統中模擬路感的部件。原理如圖2所示。 三、線控轉向系統的性能特點 由于線控轉向系統中的轉向盤和轉向輪之間沒有機械連接，是斷開的，通過總線傳輸必要的信息，故該系統也稱作柔性轉向系統。具有如下性能特點: 柔性轉向能消除轉向干涉問題，為實現多功能全方位的自動控制，以及汽車動態控制系統和汽車平順性控制系統的系統集成提供了顯著的先決條件。 對前輪驅動轎車，在安裝發動機時需要考慮剛性轉向軸占用空間，轉向軸必須依據汽車是左側駕駛還是右側駕駛安裝在發動機附近，設計人員必須協調處理各種需要安排部件。而柔性轉向去掉了原來轉向系各個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線控轉向系統的結構示意圖圖2線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軟件依據駕駛員的要求進行調整。因此在不改變設計的情況下，可以個性化地適合特定的駕駛者和駕駛環境，與轉向有關的駕駛行為都可以通過軟件來實現。 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。 駕駛員腿部活動空間增加，出入更方便自由。 四、線控轉向的關鍵技術 （一）傳感器技術 現代汽車技術發展特征之一就是越來越多的部件采用電子控制。汽車電子控制系統控制效果依賴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汽車電子控制系統的性能。汽車SBW系統需要的相關傳感器有:角位移傳感器、轉矩傳感器、車速傳感器、側向加速度傳感器、橫擺角速度傳感器等。 （二）總線技術 隨著汽車總線技術的發展，存在著多種汽車總線標準，未來將會使用到具有高速實時傳輸特性的一些總線標準和協議。這一類總線標準主要有TTP、Bytef-light和FlexRay。TTP（時間觸發協議）是一個應用于分布式實時控制系統的完整的通信協議，能夠支持多種容錯策略，具有節點的恢復和整合功能；BMW公司的Byte-light可用于汽車線控系統的通信網絡，其特點是既能滿足某些高優先級消息需要時間觸發，以保證確定延遲的要求，又能滿足某些消息需要事件觸發，需要中斷處理要求；而其他汽車制造商目前計劃采用FlexRay，這是一種特別適合下一代汽車應用的網絡通信系統，具有容錯功能和確定的消息傳輸時間，能夠滿足汽車控制系統的高速率通信要求。BMW、Daimler-Chryler，Motorola和Philips聯合開發和建立了FlexRay標準，GM公司，Boseh公司和Volkswagen公司也加入了聯合開發協會，現在已經有7個核心成員，共同致力于開發汽車分布式控制系統中高速總線系統的標準。日前FlexRay標準的物理層標準已經由Philips公司開發完成，通迅協議正在研發中。該標準的出臺不僅提高了信息傳輸的一致性、可靠性，而且還簡化了信息開發和使用過程，并降低了成本。從現在的發展來看，由于FlexRay是基于時間和事件的觸發協議，要優于TTP�；诳偩�技術的SBW系統將傳統的機械轉向系統變成通過高速容錯通信總線相連的電氣系統，實現系統的自動化、智能化、網絡化與信息化。 （三）動力電源 動力電源承擔著SBW系統中電子控制單元、4個電動機的供電（2個冗余轉矩反饋電動機和2個冗余轉向電動機），2個轉矩反饋電動機功率大約為50～80W，2個轉向電動機功率大約為500～800W，電源負荷相當重，因此要保證整個系統的穩定工作，動力電源的性能至關重要。隨著電子元件及其高功耗零部件的不斷增加，使得汽車負荷成倍增加。若繼續維持12V供電系統，就必須通過提高電流來獲得更多的功率，但是過高的電流將給整個系統帶來安全隱患，汽車電路上的熱能消耗大大增加，所以汽車供電系統必須提高電壓以滿足現代汽車電氣系統負荷日益增長的需要。于是，42V供電系統應運而生。42V電源的采用也為發展SBW系統創造了條件:電動機的質量減輕了20%；減小了線束直徑，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。這些優點對其開發具有決定性的影響，必將大大推動SBW系統的電動機以及相關部件的發展。 （四）可靠性技術 線控轉向系統發展過程中最大的困擾是可靠性的問題。由于線控轉向系統中轉向盤和轉向車輪之間沒有直接的機械連接，當電控系統出現故障時，車輛將無法保證轉向功能，處于失控狀態。隨著技術的發展，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、車載電源系統的冗余等，使線控轉向系統的可靠性得到了明顯提高。圖3所示為線控轉向系統冗余設計的一個典型代表。 為保證線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。在轉向盤下方安置2個轉向傳感器，保證可以辨識出駕駛員的操縱意圖。轉向盤電機的供電采用了兩路冗余設計；為保證轉向盤電機損壞時也可以施加回正力矩，在轉向盤下方安裝1個扭轉彈簧或者安裝第二個轉向盤電機。為保證車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，大大提高了線控轉向系統的可靠性。為SBW系統在汽車上的應用提供了保障。 五、線控轉向系統的前景展望 汽車線控轉向系統的設計以減輕駕駛員的體力和腦力勞動、提高整車主動安全性為根本出發點，使汽車性能適合于更多非職業駕駛員的要求，對廣大消費者有著巨大的吸引力。下面從幾方面來說明其前景: 從生產成本來看，隨著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，這將使得線控轉向系統的成本在不久將來達到消費者的接受水平。 再從其實現的條件看，預計42V電源將會得到快速發展，各種傳感器精度將會有所提高、成本會有所降低，以及模擬路感的電機振動控制技術將會更加成熟，這些為其在汽車上的應用創造了條件。 另外從現代汽車的發展趨勢來看，未來汽車的主體是低排放汽車（LEV）、混合動力汽車（HEV）、燃料電池汽車（FCEV）、電動汽車（EV）四大EV汽車，輔助駕駛系統和無人駕駛汽車是新興的熱門研究領域，實現汽車智能轉向的最佳方案就是采用線控轉向系統，這些都給線控轉向系統帶來了更加廣闊的應用前景。 總之，線控轉向系統是一種適合消費者的新技術，尤其對于今后實現汽車無人駕駛的設想創造了前提。 |
