汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展概況與典型布置形式

陳于思、黃錫金

1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展

線控轉(zhuǎn)向概念起源于20世紀(jì)50年代，美國天合（TRW）公司最早提出用控制信號代替轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，之后德國Kasselmann和Keranen設(shè)計(jì)了早期的線控轉(zhuǎn)向模型[1]。受制于電子控制技術(shù)，直到20世紀(jì)90年代，線控轉(zhuǎn)向才有較大進(jìn)展，美國、日本以及歐洲一些國家在線控轉(zhuǎn)向的研發(fā)與推廣比較活躍，一些采用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的概念車陸續(xù)展出。比如1990年奔馳推出的“F400 Carving”、2000年寶馬推出的“BMW-Z22”、2002年通用推出的“HY-WIRE”、意大利博通公司設(shè)計(jì)的“FILO”、雪鐵龍?jiān)揭败囃瞥龅摹癈-Crosser”、戴姆勒-克萊斯勒推出的“R129”以及2003年日本豐田推出的“Lexus-HPX”等。

2007年，日本捷太格特（JTEGT）公司和精工公司也分別展出了各自的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[2]。2013年德國公司Paravan-Industry與寶馬公司合作設(shè)計(jì)了一款搭載線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的賽車[3]，該款車的轉(zhuǎn)向盤總成可自由地在駕駛艙左右兩側(cè)移動(dòng)。同年，英菲尼迪的“Q50”成為第一款應(yīng)用線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的量產(chǎn)車型[4]。該線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由路感反饋總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)和3個(gè)電控單元組成，其中雙轉(zhuǎn)向電機(jī)的電控單元互相實(shí)現(xiàn)備份，可保證系統(tǒng)的冗余性能；轉(zhuǎn)向柱與轉(zhuǎn)向機(jī)間的離合器能夠在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)接合，保障緊急工況下依然可實(shí)現(xiàn)對車輛轉(zhuǎn)向的操縱。

2017年，美國耐世特公司開發(fā)了由“靜默轉(zhuǎn)向盤系統(tǒng)”和“隨需轉(zhuǎn)向系統(tǒng)”組成的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[5]。該系統(tǒng)可隨需轉(zhuǎn)向，在自動(dòng)駕駛時(shí)轉(zhuǎn)向盤可以保持靜止，而且轉(zhuǎn)向盤可收縮至儀表盤上，從而提供更大的車內(nèi)空間。

2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最顯著的特征為去掉了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中從轉(zhuǎn)向盤到轉(zhuǎn)向執(zhí)行器之間的機(jī)械連接，由路感反饋總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成、控制器以及相關(guān)傳感器組成。

路感反饋總成主要包括轉(zhuǎn)向盤、路感電機(jī)、減速器和矩轉(zhuǎn)角傳感器，功能是驅(qū)動(dòng)路感電機(jī)實(shí)現(xiàn)控制器給出的反饋力矩指令，對駕駛員施加合適的路感[6]。

轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成主要由轉(zhuǎn)向電機(jī)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向拉桿等部件組成，轉(zhuǎn)向電機(jī)一般為永磁同步直流電機(jī)，轉(zhuǎn)向器多為齒輪齒條結(jié)構(gòu)或者循環(huán)球式結(jié)構(gòu)。該部分工作原理為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)快速、準(zhǔn)確地執(zhí)行控制器給出的轉(zhuǎn)向角指令，實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向的功能[7]。

線控轉(zhuǎn)向控制器功能上包括路感反饋控制策略和線控轉(zhuǎn)向執(zhí)行控制策略。其中，路感反饋控制策略根據(jù)駕駛意圖、車輛狀況與路況，過濾不必要的振動(dòng)，實(shí)時(shí)輸出路感反饋力矩指令。線控轉(zhuǎn)向執(zhí)行控制策略，依據(jù)車輛運(yùn)動(dòng)控制準(zhǔn)則，提供良好的操縱穩(wěn)定性，實(shí)時(shí)輸出車輪轉(zhuǎn)向角指令。考慮到可靠性，保證車輛在任何工況下均不失去轉(zhuǎn)向能力，線控轉(zhuǎn)向執(zhí)行控制的冗余防錯(cuò)功能至關(guān)重要。

3 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的典型布置方式與比較

按照轉(zhuǎn)向電機(jī)的數(shù)量、布置位置與控制方式不同，目前線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的典型布置方式可分為5類，分別為單電機(jī)前輪轉(zhuǎn)向、雙電機(jī)前輪轉(zhuǎn)向、雙電機(jī)獨(dú)立前輪轉(zhuǎn)向、后輪線控轉(zhuǎn)向和四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向。

3.1 單電機(jī)前輪轉(zhuǎn)向

該布置方式與傳統(tǒng)的電機(jī)助力轉(zhuǎn)向相近，對底盤構(gòu)造改動(dòng)較小，易于布置。當(dāng)匹配轉(zhuǎn)向功率需求大的重載車型時(shí)，轉(zhuǎn)向電機(jī)可布置在齒條處或采用滾珠絲杠、齒輪減速器增大扭矩。但單電機(jī)不具有故障冗余性，且由于單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)功率較高。

3.2 雙電機(jī)前輪轉(zhuǎn)向

該布置方式采用2個(gè)電機(jī)共同實(shí)現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向，第一款上市的英菲尼迪“Q50”即采用這種方式。雙電機(jī)功能上可以互為冗余，但是轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)、冗余控制算法較復(fù)雜，且增加了零部件成本。

3.3 雙電機(jī)前輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向

該布置方式采用2個(gè)電機(jī)分別獨(dú)立控制左、右前輪，進(jìn)一步提高了前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)自由度。斯坦福大學(xué)開發(fā)的樣車“P1”即為這種方式，其左右車輪無機(jī)械連接，占用空間小。該方式在單電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)無法冗余備份，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向功能缺失，而且雙電機(jī)協(xié)調(diào)控制的復(fù)雜度較高。

3.4 線控后輪轉(zhuǎn)向

該布置方式一般作為前輪轉(zhuǎn)向的補(bǔ)充，例如ZF公司開發(fā)的主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Active Kinematics Control，簡稱AKC），可在前輪轉(zhuǎn)向的基礎(chǔ)上對后輪左右進(jìn)行最大3°的轉(zhuǎn)向，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的高速穩(wěn)定性和低速靈活性。不過采用該布置，系統(tǒng)零部件數(shù)量與成本增加，控制自由度增加，控制策略的復(fù)雜度也增大。

3.5 四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向

該布置方式是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中自由度最多的形式，4個(gè)車輪都為轉(zhuǎn)向輪，可全方位自由設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向特性，實(shí)現(xiàn)側(cè)向和零轉(zhuǎn)彎半徑行駛。吉林大學(xué)開發(fā)的“UFEV”等即為這種方式。該方式與底盤集成控制協(xié)同的潛力最大，但是零部件數(shù)量多，且四電機(jī)轉(zhuǎn)向協(xié)同控制算法更加復(fù)雜。

[1]宗長富,李剛,鄭宏宇等. 線控汽車底盤控制技術(shù)研究進(jìn)展及展望[J].中國公路學(xué)報(bào),2013,26(2):160-176.

[2]日本精工試制出最新線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng),使用兩個(gè)馬達(dá)提高汽車主動(dòng)安全性能[EB/OL].http://www.ca800.com/news/d_1nrusj6oao4g4.html.

[3]Steer-by-wire application in a professional Racecar made by Paravan [EB/OL].https://www.youtube.com/watch?v=8Pf82qT5RaU.

[4]齊偉. 英菲尼迪線控主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(DAS)淺探[J].汽車維修,2014(8):11-13.

[5]耐世特:展示最新自動(dòng)駕駛應(yīng)用[J].汽車與配件,2017(14).

[6]Yih P. Steer-by-wire: Implications for vehicle handling and safety[D].Stanford University,2005.

[7]王祥.汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雙向控制及變傳動(dòng)比特性研究[D].吉林大學(xué),2013.