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汽車轉向系統的基本性能是保證車輛在任何工況下轉動轉向盤時有較理想的操縱穩定性。隨著汽車電子技術的不斷發展和汽車系統的集成化，汽車轉向系統從傳統的液壓助力轉向系統(Hydraulic Power Steering System，HPS)、電控液壓動力轉向系統(Electronic Control Hydraulic Power Steering Systern，ECHPS)，發展到現在逐漸推廣應用的電動液壓動力轉向系統(Electro-Hydraulic Power Steering System，EHPS)。近年來，汽車線控轉向技術(Steer-ing-By-Wire，SBW)也成為國外的研究熱點。SBW是X-By-Wire的一種。X-By-Wire的全稱是“沒有機械和液力后備系統的安全相關的容錯系統”。“X”表示任何與安全相關的操作，包括轉向、制動，等等。 1 汽車線控轉向系統的結構和基本原理 1．1 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防故障系統、電源等輔助系統組成。 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。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。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。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。 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。 自動防故障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、兩個執行馬達以及其它車用電器的供電任務，其中僅前輪轉角執行馬達的最大功率就有500-800W，加上汽車上的其它電子設備，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。 1．2 汽車線控轉向系統的原理簡介 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，是汽車轉向系統的重大革新。 汽車線控轉向系統的工作原理。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給車上的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。 1．3 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。 (2)改善駕駛特性，增強操縱性。基于車速、牽引力控制以及其它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無機械連接，駕駛員“路感”通過模擬生成。可以從信號中提出最能夠反應汽車實際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。 2 汽車線控轉向系統的主要技術發展 汽車線控轉向系統的實現有如下的關鍵技術需要解決。 2．1 線控轉向系統的穩定可靠及安全性問題 目前阻撓線控轉向系統普及的一個重要因素是其可靠性問題，現在還無法在可靠性與成本之間取得一個很好的平衡。世界各大研究機構正在就這一問題進行聯合攻關，相信這一問題能夠得到合理的解決。裝載機線控轉向系統的實現，必須解決如下問題： (1)目前，電子部件還沒有達到機械部件那樣可靠的程度，如何保證在電子部件出現故障后，系統仍能實現其最基本的轉向功能，即如何保證電子轉向系統的穩定可靠、安全工作是十分重要的，這也是電子轉向系統目前最為突出的問題； (2)由于方向盤與轉向輪之間沒有直接的機械連接，因此如何提供給駕駛員合適的路感，以使駕駛員能夠感受到道路的狀況以及轉向輪所處的位置，從而據此調節轉向力矩是其中的關鍵技術之一； (3)為了保證車輛的行駛安全性，即車輛只要是在運行中，都應該保證轉向系統能夠起作用； ( 4)如何通過軟件來實現方向盤轉向圈數、轉向敏感度和路感強弱可調節。 線控轉向系統的穩定可靠及安全性問題對于傳統的機械系統，可以通過精巧設計來實現系統的安全性和可靠性，但線控轉向系統由于轉向盤和轉向車輪之間無機械連接，完全依靠電子和電器元件來工作。目前，電子部件還沒有達到機械部件那樣可靠的程度，如何保證在電子部件出現故障后，系統仍能實現其最基本的轉向功能，即如何保證線控轉向系統的穩定可靠、安全工作是十分重要的。這也是線控轉向系統最需要解決的關鍵技術。為解決這個問題，國外一些汽車公司采用了系統冗余和容錯技術。 2．2 線控轉向系統中模擬“路感”的問題 如何生成讓駕駛員能夠感知汽車實際行駛狀態和路面狀況的路感，是實現線控轉向系統必須解決的問題之一。這就涉及到模擬路感的電機震動控制技術。 汽車轉向系一直存在著輕與靈的矛盾。為此，人們常將轉向器設計成變傳動比，在轉向盤小轉角時以靈為主，在轉向盤大轉角時以輕為主。但是，靈的范圍只在轉向盤中間位置附近，僅對高速行駛有意義，并且傳動比不能隨車速變化，所以這種方法不能從根本上解決這一矛盾。另外，轉向力與路感也是相互制約的，轉向力小意味著轉向輕便，能減小駕駛員的體力消耗；但轉向力過小，就缺乏路感。傳統液壓動力轉向由于不能對助力進行實時調節與控制，所以協調轉向力與路感的關系困難，特別是汽車高速行駛時，仍然會提供較大助力，使駕駛員缺乏路感，甚至感覺汽車發飄，從而影響操縱穩定性。由于線控轉向系統由電機提供動力源，由于電動機具有彈簧阻尼的效果，能減少不平路面對轉向盤的沖擊力和車輪不平衡引起的震動，這樣同時就減少了駕駛員的“路感”。采用模擬路感的電機震動控制技術可以有效地解決這一問題。 2．3 線控轉向系統的動力電源問題 線控轉向系統在傳統的ECU供電系統條件下無法實施。未來車輛將采用電源技術，到時汽車電子附件的供電問題將會得到圓滿解決。 2．4 傳感器的精度和成本問題 傳感器是線控轉向系統中最重要的器件之一。在線控轉向系統中需要多個轉向傳感器參與工作。這些傳感器的作用是：實時檢測轉向盤與轉向電動機的轉矩或轉角的大小和方向，并將此信息轉換為電信號傳送到電子控制器。電子控制器根據轉向傳感器的信號及車輛導向單元的信號按照控制模型進行分析運算與判斷，然后將該信息送至轉向盤電動機與兩個轉向電動機。 傳感器的精度問題決定了整個線控轉向系統的性能可靠性。加速開發研究既可靠又低廉的傳感器十分重要，價格昂貴也是線控轉向系統難于推廣的一個原因。 3 應用前景 從我國裝載機行業的整體技術發展的水平來看，裝載機線控轉向技術的大量應用尚有一段距離，但該項技術的采用，必定會帶來我國裝載機行業技術水平的質的飛躍。 輔助駕駛系統和無人駕駛是現在新興的熱門研究領域，實現車輛智能轉向的最佳方案就是采用線控轉向系統，因而線控轉向系統的研制開發也為自動駕駛車輛的開發提供了良好的科研平臺，其自身也具有良好的應用前景。線控轉向系統由汽車產業向工程車輛轉移，是工程車輛發展的必然趨勢，雖然國內外生產廠商剛開始注意這個問題，但我們相信線控轉向系統以其特有的優勢，必然會在工程車輛中得到廣泛的應用。 4 結束語 綜上所述，汽車線控轉向技術以求獲得最佳的汽車轉向性能，提高汽車的操縱性、穩定性和安全性，使汽車具有一定的智能化。汽車線控轉向技術的發展代表未來汽車轉向技術的發展方向，并將在汽車轉向領域中占據主導地位。我國的線控轉向技術研究還是空白，無法與國外相比。從我國現有條件出發，對該系統進行深入、細致的研究，對于拓展電氣傳動技術的應用、加快國產汽車的電子化發展以及提供未來智能汽車駕駛技術的支持，都將有深遠的意義。 |
