線控轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計

線控轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計

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,可減少碰撞時對駕駛員的傷害;路面的不平?jīng)_擊不會傳到駕駛員手上,可根據(jù)車況實現(xiàn)最佳路感,實現(xiàn)前輪的主動轉(zhuǎn)向控制,使車輛受到干擾、處于危險或極限工況時代替駕駛員實現(xiàn)主動安全性。目前國外著名的汽車公司和汽車零部件廠家競相研究具有智能化的新一代轉(zhuǎn)向系統(tǒng),如美國Delphi公司、TRW公司,日本三菱公司、Koyo公司,德國Bosch公司、ZF公司,此外DaimlerChrysler公司、BMW公司,韓國Hyundai公司等都相繼在研制各自的SBW系統(tǒng);國內(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代替原有的機(jī)械連接。在2001年的第71屆日內(nèi)瓦國際汽車展覽會上,意大利的Bertone汽車設(shè)計及開發(fā)公司展示了新型概念車“FILO”?！癋ILO”采用了“drive-by-wire”系統(tǒng),所有的駕駛動作都通過信號傳遞。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)動范圍減少到了160°,使緊急轉(zhuǎn)向時駕駛員的忙碌程度得到了很大降低。意大利Bertone設(shè)計開發(fā)的概念車FILO,雪鐵龍越野車C-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,實現(xiàn)車輛的自動控制。1.2汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)目前國內(nèi)對該技術(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)動電動汽車開發(fā)了線控轉(zhuǎn)向試驗臺架以及四輪驅(qū)動、四輪轉(zhuǎn)向電動汽車。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)計了模糊-PID混合控制器,開發(fā)的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向隨動。吉林大學(xué)也進(jìn)行了變傳動比、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)矩反饋電動機(jī)和機(jī)械傳動裝置;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)動轉(zhuǎn)向盤時,控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器信號,由前輪轉(zhuǎn)角算法計算得到參考前輪轉(zhuǎn)角,向轉(zhuǎn)向電機(jī)發(fā)出控制信號,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),以實現(xiàn)該參考前輪轉(zhuǎn)角。同時,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:(1)柔性轉(zhuǎn)向能消除轉(zhuǎn)向干涉問題,為實現(xiàn)多功能全方位的自動控制,以及汽車動態(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)對前輪驅(qū)動轎車,在安裝發(fā)動機(jī)時需要考慮剛性轉(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)動機(jī)附近,設(shè)計人員必須協(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。(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。因此在不改變設(shè)計的情況下,可以個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空間,出入更方便自由。3支持直梯運(yùn)動的核心技術(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基于故障容錯的汽車容錯控制系統(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)必須采用容錯控制技術(shù),容錯控制設(shè)計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)的容錯性能;解析冗余方法主要是通過設(shè)計控制器的軟件來提高整個系統(tǒng)的冗余度,從而改善系統(tǒng)的容錯性能。汽車容錯控制系統(tǒng)(見圖2)由測量模塊、故障容錯分析模塊、執(zhí)行模塊和故障容錯與處理模塊組成。故障容錯分析模塊及時發(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,估計出故障的大小和時間,進(jìn)行評估與決策。故障容錯與處理模塊根據(jù)故障檢測與診斷信息,可知被控對象的結(jié)構(gòu)與參數(shù)的變化情況,采取具體的容錯控制措施。故障容錯分析模塊和故障容錯與處理模塊是汽車容錯控制系統(tǒng)的主要組成部分?；谌蒎e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)的實時性好、可靠性高,而且一些線控部分要求功能實現(xiàn)冗余,以保證在出現(xiàn)一定的故障時仍可實現(xiàn)這個裝置的基本功能。這就要求用于線控的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速度高,時間特性好和可靠性高。國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(時間觸發(fā)協(xié)議)是一個應(yīng)用于分布式實時控制系統(tǒng)的完整的通信協(xié)議,能夠支持多種容錯策略,具有節(jié)點的恢復(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,其特點是既能滿足某些高優(yōu)先級消息需要時間觸發(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),具有容錯功能和確定的消息傳輸時間,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)的出臺不僅提高了信息傳輸?shù)囊恢滦?、可靠?而且還簡化了信息開發(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是基于時間和事件的觸發(fā)協(xié)議,要優(yōu)于TTP。基于總線技術(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)變成通過高速容錯通信總線相連的電氣系統(tǒng),實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化、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個電動機(jī)的供電。2個轉(zhuǎn)矩反饋電動機(jī)功率大約為50～80W,2個轉(zhuǎn)向電動機(jī)功率大約為500～800W,電源負(fù)荷相當(dāng)重。因此,要保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定工作,汽車電源的性能至關(guān)重要。實驗證明,對于特定的功率,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:電動機(jī)的質(zhì)量減輕了20%;減小了線束直徑,降低了設(shè)計與使用成本,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)點對其開發(fā)具有決定性的影響,必將大大推動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電動機(jī)以及相關(guān)部件的發(fā)展。4汽車上的應(yīng)用和趨勢汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計把減輕駕駛員的體力和腦力勞動、提高整車主動安全性作為根本出發(fā)點,使汽車性能適合于更多非職業(yè)駕駛員的要求,對廣大消費(fèi)者有著巨大的吸引力。其市場發(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)實現(xiàn)條件。預(yù)計42V電源將會得到快速發(fā)展,各種傳感器精度將會有所提高,成本會有所降低,模擬路感的電機(jī)振動控制技術(shù)將會更加成熟,這些為