線控轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計(jì)

線控轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向是車輛的重要組成部分。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能直接決定了車輛的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，與車輛的安全性密切相關(guān)。轉(zhuǎn)向系的設(shè)計(jì)一直是各大汽車公司研究的重要方面。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷了4個(gè)基本發(fā)展階段:純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng),液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。而目前更為先進(jìn)的線控助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)出來,線控轉(zhuǎn)向裝置取消了轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪的機(jī)械連接,占據(jù)空間小,可減少碰撞時(shí)對(duì)駕駛員的傷害;路面的不平?jīng)_擊不會(huì)傳到駕駛員手上,可根據(jù)車況實(shí)現(xiàn)最佳路感,實(shí)現(xiàn)前輪的主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制,使車輛受到干擾、處于危險(xiǎn)或極限工況時(shí)代替駕駛員實(shí)現(xiàn)主動(dòng)安全性。目前國(guó)外著名的汽車公司和汽車零部件廠家競(jìng)相研究具有智能化的新一代轉(zhuǎn)向系統(tǒng),如美國(guó)Delphi公司、TRW公司,日本三菱公司、Koyo公司,德國(guó)Bosch公司、ZF公司,此外DaimlerChrysler公司、BMW公司,韓國(guó)Hyundai公司等都相繼在研制各自的SBW系統(tǒng);國(guó)內(nèi)也開始涉足這一相關(guān)研究領(lǐng)域[6～8],因此研究與開發(fā)SBW系統(tǒng)完全適應(yīng)未來汽車技術(shù)發(fā)展的潮流,具有重要的工程意義和學(xué)術(shù)意義。1線控制與轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展1.1線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)早在20世紀(jì)50年代,TRW等轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)商就做了大膽的假設(shè),將轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向車輪之間用控制信號(hào)代替原有的機(jī)械連接。在2001年的第71屆日內(nèi)瓦國(guó)際汽車展覽會(huì)上,意大利的Bertone汽車設(shè)計(jì)及開發(fā)公司展示了新型概念車“FILO”。“FILO”采用了“drive-by-wire”系統(tǒng),所有的駕駛動(dòng)作都通過信號(hào)傳遞。它使用操縱桿進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作,并采用了最新的42V供電系統(tǒng)。德國(guó)奔馳公司在1990年開始了前輪線控轉(zhuǎn)向的研究,并將它開發(fā)的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用于概念車F400Carving上。日本Koyo也開發(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)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械部分,即通過離合器連接,當(dāng)線控轉(zhuǎn)向失效時(shí)通過離合器結(jié)合回復(fù)到機(jī)械轉(zhuǎn)向。寶馬汽車公司的概念車BMWZ22,應(yīng)用了SBW技術(shù),轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍減少到了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)開發(fā)的概念車FILO,雪鐵龍?jiān)揭败嘋-Crosser,戴克概念車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)際車展上推出LexusHPX概念車,也采用了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng),在儀表盤上集成了各種控制功能,實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)控制。1.2汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)目前國(guó)內(nèi)對(duì)該技術(shù)的研究主要集中在各高校:同濟(jì)大學(xué)利用Dspace/Autobox為四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車開發(fā)了線控轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺(tái)架以及四輪驅(qū)動(dòng)、四輪轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車。武漢理工大學(xué)利用電磁施力器進(jìn)行轉(zhuǎn)向盤力反饋,設(shè)計(jì)了模糊-PID混合控制器,開發(fā)的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向隨動(dòng)。吉林大學(xué)也進(jìn)行了變傳動(dòng)比、轉(zhuǎn)向盤回正力矩和穩(wěn)定性算法研究。2線性控制的結(jié)構(gòu)和原理2.1盤和電子控制系統(tǒng)如圖1所示,線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)分為三部分:轉(zhuǎn)向盤總成、控制器和前輪轉(zhuǎn)向總成。其中轉(zhuǎn)向盤系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)向角傳感器、轉(zhuǎn)矩反饋電動(dòng)機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)裝置;電子控制系統(tǒng)包括車速傳感器,也可以增加橫擺角速度傳感器、加速度傳感器和電子控制單元以提高車輛的操縱穩(wěn)定性;轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括角位移傳感器、轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)、齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和其他機(jī)械轉(zhuǎn)向裝置等(見圖1)。2.2轉(zhuǎn)向盤回正力以及回收方力駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí),控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器信號(hào),由前輪轉(zhuǎn)角算法計(jì)算得到參考前輪轉(zhuǎn)角,向轉(zhuǎn)向電機(jī)發(fā)出控制信號(hào),使轉(zhuǎn)向電機(jī)進(jìn)行位置閉環(huán)控制(PD控制)和電流閉環(huán)控制(PI控制),以實(shí)現(xiàn)該參考前輪轉(zhuǎn)角。同時(shí),控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向盤回正力矩算法得到轉(zhuǎn)向盤回正力矩。轉(zhuǎn)向盤子系統(tǒng)進(jìn)行電流的PI控制,實(shí)現(xiàn)期望的轉(zhuǎn)向盤回正力矩。此外,為了使駕駛員得到更好的轉(zhuǎn)向感覺,可以進(jìn)行轉(zhuǎn)向盤回正控制和阻尼控制。2.3具有顯著的前提條件由于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間沒有機(jī)械連接,是斷開的,通過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)。其具有如下性能特點(diǎn):(1)柔性轉(zhuǎn)向能消除轉(zhuǎn)向干涉問題,為實(shí)現(xiàn)多功能全方位的自動(dòng)控制,以及汽車動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)和汽車平順性控制系統(tǒng)的系統(tǒng)集成提供了顯著的先決條件。(2)對(duì)前輪驅(qū)動(dòng)轎車,在安裝發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)需要考慮剛性轉(zhuǎn)向軸占用空間,轉(zhuǎn)向軸必須依據(jù)汽車是左側(cè)駕駛還是右側(cè)駕駛安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)附近,設(shè)計(jì)人員必須協(xié)調(diào)處理各種需要安排部件。而柔性轉(zhuǎn)向去掉了原來轉(zhuǎn)向系各個(gè)功能模塊之間的剛性機(jī)械連接,大大方便了系統(tǒng)的總布置。(3)舒適性得到提高。在剛性轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中,路面不平和轉(zhuǎn)向輪的不平衡,可以回傳到轉(zhuǎn)向軸,而柔性系統(tǒng)不會(huì)。(4)轉(zhuǎn)向回正力矩能夠通過軟件依據(jù)駕駛員的要求進(jìn)行調(diào)整。因此在不改變?cè)O(shè)計(jì)的情況下,可以個(gè)性化地適合特定的駕駛者和駕駛員環(huán)境,與轉(zhuǎn)向有關(guān)的駕駛行為都可以通過軟件來實(shí)現(xiàn)。(5)消除了碰撞事故中轉(zhuǎn)向柱引起傷害駕駛員的可能性,不必設(shè)置轉(zhuǎn)向防扭機(jī)構(gòu)。(6)增加駕駛員腿部活動(dòng)空間,出入更方便自由。3支持直梯運(yùn)動(dòng)的核心技術(shù)3.1傳感器科技含量影響現(xiàn)代汽車技術(shù)發(fā)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(tǒng)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(gè)汽車電子控制系統(tǒng)的性能。汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要的相關(guān)傳感器有:角位移傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、側(cè)向加速度傳感器、橫擺角速度傳感器等。3.2基于故障容錯(cuò)的汽車容錯(cuò)控制系統(tǒng)為了滿足汽車的可靠性與安全性的要求,汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須采用容錯(cuò)控制技術(shù),容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)方法有硬件冗余方法和解析冗余方法2類。硬件冗余方法主要是通過對(duì)重要部件及易發(fā)生故障部件提供備份,以提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性能;解析冗余方法主要是通過設(shè)計(jì)控制器的軟件來提高整個(gè)系統(tǒng)的冗余度,從而改善系統(tǒng)的容錯(cuò)性能。汽車容錯(cuò)控制系統(tǒng)(見圖2)由測(cè)量模塊、故障容錯(cuò)分析模塊、執(zhí)行模塊和故障容錯(cuò)與處理模塊組成。故障容錯(cuò)分析模塊及時(shí)發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)的故障,分離出發(fā)生故障的部位,判別故障的種類,估計(jì)出故障的大小和時(shí)間,進(jìn)行評(píng)估與決策。故障容錯(cuò)與處理模塊根據(jù)故障檢測(cè)與診斷信息,可知被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)與參數(shù)的變化情況,采取具體的容錯(cuò)控制措施。故障容錯(cuò)分析模塊和故障容錯(cuò)與處理模塊是汽車容錯(cuò)控制系統(tǒng)的主要組成部分?；谌蒎e(cuò)控制技術(shù)的汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng),在不影響系統(tǒng)控制功能的情況下,容錯(cuò)控制技術(shù)提高了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性,保證了車輛的正常行駛及安全性。3.3汽車總線標(biāo)準(zhǔn)線控技術(shù)的全面應(yīng)用將意味著汽車由機(jī)械到電子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。線控技術(shù)要求網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性好、可靠性高,而且一些線控部分要求功能實(shí)現(xiàn)冗余,以保證在出現(xiàn)一定的故障時(shí)仍可實(shí)現(xiàn)這個(gè)裝置的基本功能。這就要求用于線控的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速度高,時(shí)間特性好和可靠性高。國(guó)際上眾多知名汽車公司早在20世紀(jì)80年代就積極致力于汽車總線技術(shù)的研究及應(yīng)用,隨著汽車總線技術(shù)的發(fā)展,存在著多種汽車總線標(biāo)準(zhǔn)。這類總線標(biāo)準(zhǔn)主要有TTP、Byteflight和FlexRay。TTP(時(shí)間觸發(fā)協(xié)議)是一個(gè)應(yīng)用于分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的完整的通信協(xié)議,能夠支持多種容錯(cuò)策略,具有節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)和再整合功能;BMW公司的Byteflight可用于汽車線控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信,其特點(diǎn)是既能滿足某些高優(yōu)先級(jí)消息需要時(shí)間觸發(fā),以保證確定延遲的要求,又能滿足某些消息需要事件觸發(fā),需要中斷處理的要求;而其他汽車制造商目前計(jì)劃采用FlexRay,這是一種特別適合下一代汽車應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng),具有容錯(cuò)功能和確定的消息傳輸時(shí)間,能夠滿足汽車控制系統(tǒng)的高速率通信要求。目前FlexRay標(biāo)準(zhǔn)的物理層標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)由Philips公司開發(fā)完成,通訊協(xié)議正在研發(fā)中。該標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)不僅提高了信息傳輸?shù)囊恢滦?、可靠?而且還簡(jiǎn)化了信息開發(fā)和使用過程,并降低了成本。從現(xiàn)在的發(fā)展來看,由于FlexRay是基于時(shí)間和事件的觸發(fā)協(xié)議,要優(yōu)于TTP?；诳偩€技術(shù)的汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變成通過高速容錯(cuò)通信總線相連的電氣系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化與信息化。3.4電源性能的影響汽車電源承擔(dān)著SBW系統(tǒng)中電子控制單元和4個(gè)電動(dòng)機(jī)的供電。2個(gè)轉(zhuǎn)矩反饋電動(dòng)機(jī)功率大約為50～80W,2個(gè)轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)功率大約為500～800W,電源負(fù)荷相當(dāng)重。因此,要保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作,汽車電源的性能至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)證明,對(duì)于特定的功率,電壓值的提高可使系統(tǒng)電流減小。而小的電流可使導(dǎo)線上的損耗減少,從而可使用更細(xì)、更小的線束。提高電壓值,可以減少電器裝置本身的體積、質(zhì)量和損耗,有利于控制裝置的小型化,提高集成度。于是,汽車制造商提出,將現(xiàn)有的電壓提高3倍,即達(dá)到42V。42V電源的采用為發(fā)展汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)創(chuàng)造了條件:電動(dòng)機(jī)的質(zhì)量減輕了20%;減小了線束直徑,降低了設(shè)計(jì)與使用成本,方便安裝;降低了負(fù)載電流;提高了電子元件的集成度等。這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)其開發(fā)具有決定性的影響,必將大大推動(dòng)汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)以及相關(guān)部件的發(fā)展。4汽車上的應(yīng)用和趨勢(shì)汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)把減輕駕駛員的體力和腦力勞動(dòng)、提高整車主動(dòng)安全性作為根本出發(fā)點(diǎn),使汽車性能適合于更多非職業(yè)駕駛員的要求,對(duì)廣大消費(fèi)者有著巨大的吸引力。其市場(chǎng)發(fā)展前景與如下三方面有著重要的聯(lián)系:(1)生產(chǎn)成本。電子芯片和電子元器件成本不斷降低,而處理能力和可靠性卻大大提高,這將使得線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的成本在不久的將來達(dá)到消費(fèi)者的接受水平。(2)實(shí)現(xiàn)條件。預(yù)計(jì)42V電源將會(huì)得到快速發(fā)展,各種傳感器精度將會(huì)有所提高,成本會(huì)有所降低,模擬路感的電機(jī)振動(dòng)控制技術(shù)將會(huì)更加成熟,這些為