主動前輪轉(zhuǎn)向控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢-汽車電子
0 引言
在車輛的操縱穩(wěn)定性控制中，比較常見的是利用縱向控制產(chǎn)生橫擺力矩來提高車輛的穩(wěn)定性，稱為直接橫擺力矩控制。直接橫擺力矩控制常常是以犧牲車輛的部分制動性能為代價，而采用主動轉(zhuǎn)向控制來實現(xiàn)車輛穩(wěn)定性控制卻可以在不影響制動的情況下達到同樣的效果，并且其所需要的輪胎力只有制動時的約1/4。在諸如對開路面制動等工況下，主動轉(zhuǎn)向還可以有效地抵消由于不平衡制動力所產(chǎn)生的擾動力矩，保證車輛的穩(wěn)定行駛。由于具有上述優(yōu)勢，主動轉(zhuǎn)向技術(shù)成為當(dāng)前底盤動力學(xué)控制發(fā)展的熱點之一。
常見主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)AFS和四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(也稱為主動后輪轉(zhuǎn)向)。主動前輪轉(zhuǎn)向是隨著線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的一項技術(shù)，并且隨著寶馬的主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝配實車而進入實用階段。由于主動前輪轉(zhuǎn)向與傳統(tǒng)車輛的結(jié)構(gòu)能夠很好兼容，同時對車輛操縱穩(wěn)定性的提高效果明顯，顯示出了良好的發(fā)展前景，成為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)未來發(fā)展的主要方向之一。
1 主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理
目前可用于乘用車的主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要有兩種形式：一種是以寶馬和ZF公司聯(lián)合開發(fā)的AFS系統(tǒng)為代表的機械式主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通過行星齒輪機械結(jié)構(gòu)增加一個輸入自由度從而實現(xiàn)附加轉(zhuǎn)向，目前已裝配于寶馬5系的轎車上，以及韓國的MANDO、美國的TRW、日本的JTEKT公司也有類似產(chǎn)品；另一種是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(SWB)，利用控制器綜合駕駛員轉(zhuǎn)向角輸入和當(dāng)時的車輛狀態(tài)來決定轉(zhuǎn)向電機的輸出電流，最終驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)動。該系統(tǒng)在許多概念車和實驗室研究中已廣泛采用，如通用公司的Sequel燃料電池概念車就采用了線控轉(zhuǎn)向技術(shù)。
線控轉(zhuǎn)向和機械式主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大的區(qū)別體現(xiàn)在當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，機械式主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍能通過轉(zhuǎn)向盤與車輪間的機械連接確保其轉(zhuǎn)向性能，而線控轉(zhuǎn)向必須通過系統(tǒng)主要零件的冗余設(shè)計來保證車輛的安全性。由于上述安全性和可靠性的原因，目前法律上還不允許將線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)直接裝備車輛。
1．1 機械式主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
下面以寶馬的AFS系統(tǒng)為例，介紹機械式主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理。該系統(tǒng)主要由三大子系統(tǒng)組成：液壓助力齒輪齒條動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、變傳動比執(zhí)行系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。
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該系統(tǒng)除傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向機械構(gòu)件外，主要包括兩大核心部件：一是一套雙行星齒輪機構(gòu)，通過疊加轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)變傳動比功能；二是Sewtronic液力伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，用于實現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力功能。在駕駛過程中，駕駛員輸入的力矩和轉(zhuǎn)角共同傳遞給扭桿，其中的力矩輸入由液力伺服機構(gòu)根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向角度進行助力控制，而角輸入則通過由伺服電機驅(qū)動的雙行星齒輪機構(gòu)與控制器輸出的附加轉(zhuǎn)角進行角疊加，經(jīng)過疊加后的總轉(zhuǎn)向角才是傳遞給齒輪齒條轉(zhuǎn)向機構(gòu)的最終轉(zhuǎn)角。其中，控制器輸出的轉(zhuǎn)角是根據(jù)各個傳感器的信號，包括車輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向角度、偏轉(zhuǎn)率、橫向加速度經(jīng)綜合計算得到的。由于寶馬主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不僅能夠?qū)D(zhuǎn)向力矩進行調(diào)節(jié)，而且還可以對轉(zhuǎn)向角度進行調(diào)整，因而可以使轉(zhuǎn)向輸入與當(dāng)前的車速達到最佳匹配。
1．2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
一般來說，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由方向盤總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成和主控制器(ECU)3個主要部分以及自動防故障系統(tǒng)、電源等輔助系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
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方向盤總成包括方向盤、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、力矩傳感器、方向盤回正力矩電機。其主要功能是將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖(通過測量方向盤轉(zhuǎn)角)轉(zhuǎn)換成數(shù)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(chǎn)生方向盤回正力矩，以提供給駕駛員相應(yīng)的路感信息。
轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成包括前輪轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機、轉(zhuǎn)向電機控制器和前輪轉(zhuǎn)向組件等。轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成的功能是接受主控制器的命令，通過轉(zhuǎn)向電機控制器控制轉(zhuǎn)向車輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。
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