摘要:介紹了電控電動(dòng)式四輪轉(zhuǎn)向(4WS)系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)工作原理,對(duì)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向電機(jī)、整車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī),以及傳感器的選取做了較詳細(xì)的介紹分析。在研究現(xiàn)有4WS電控技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出了在助力轉(zhuǎn)向條件下前、后輪分別由電機(jī)驅(qū)動(dòng),同時(shí)由電控單元(ECU)監(jiān)測(cè)控制的四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)。對(duì)未來(lái)四輪轉(zhuǎn)向電控技術(shù)和展趨勢(shì)做了進(jìn)一步的分析展望。
1.前言
隨著現(xiàn)代道路交通系統(tǒng)和現(xiàn)代汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)汽車(chē)的轉(zhuǎn)向操縱性能和行駛穩(wěn)定性的要求日益提高。作為改善汽車(chē)操縱性能最有效的一種主動(dòng)底盤(pán)控制技術(shù)--四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)。于二十世紀(jì)80年代中期開(kāi)始在汽車(chē)上得到應(yīng)用,并伴隨著現(xiàn)代汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展而不斷發(fā)展。汽車(chē)的四輪轉(zhuǎn)向(Four-wheel steering-4WS)是指汽車(chē)在轉(zhuǎn)向時(shí)。后輪可相對(duì)于車(chē)身主動(dòng)轉(zhuǎn)向,使汽車(chē)的四個(gè)車(chē)輪都能起轉(zhuǎn)向作用。以改善汽車(chē)的轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)性、操縱穩(wěn)定性和行駛安全性。
隨著對(duì)4WS這一領(lǐng)域研究的不斷進(jìn)展,出現(xiàn)了多種不同結(jié)構(gòu)形式、不同控制方案的實(shí)用4WS系統(tǒng)。按照控制和驅(qū)動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的方式不同,4WS系統(tǒng)可分為機(jī)械式、液壓式、電控機(jī)械式、電控液壓式和電控電動(dòng)式等幾種類(lèi)型。本文介紹的是電控電動(dòng)式4WS系統(tǒng)。
2.電控電動(dòng)式4WS系統(tǒng)的發(fā)展概況
從20世紀(jì)初,日本政府頒發(fā)第1個(gè)關(guān)于四輪轉(zhuǎn)向的專(zhuān)利證書(shū)開(kāi)始,對(duì)于汽車(chē)四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究一直伴隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展而進(jìn)行著。1985年,日本的NISSAN在客車(chē)上應(yīng)用了世界上第1例實(shí)用的4WS系統(tǒng),開(kāi)始了現(xiàn)代4WS系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)。在技術(shù)相對(duì)成熟的4WS汽車(chē)中,大多數(shù)采用電控液壓式4WS系統(tǒng),主要用于前輪采用液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向的4WS汽車(chē)中,這種4WS系統(tǒng)具有工作壓力大、工作平穩(wěn)可靠等優(yōu)點(diǎn)。但由于液壓動(dòng)力系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)布置、密封性、能耗、效率等方面的不足,尤其是在轉(zhuǎn)向過(guò)程中存在著響應(yīng)滯后的固有缺陷,使得電控液壓式4WS系統(tǒng)在適應(yīng)現(xiàn)代4WS汽車(chē)的轉(zhuǎn)向靈敏性、準(zhǔn)確性方面受到了束縛,不能滿足汽車(chē)高速行駛穩(wěn)定性的要求。1988年3月,日本鈴木公司開(kāi)發(fā)出電控電動(dòng)式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS),首次裝備在CERVO車(chē)上,有效地克服了液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的缺點(diǎn)。在EPS技術(shù)的基礎(chǔ)上,電控電動(dòng)式4WS系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。1992年,在日本本田序曲的汽車(chē)上采用了電控電動(dòng)式4WS系統(tǒng)。1993年,在日產(chǎn)全新的LAUREL車(chē)系上也開(kāi)始采用電控電動(dòng)式的4WS系統(tǒng)。電控電動(dòng)式4WS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置容易、控制效果好。
隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,計(jì)算機(jī)技術(shù)在汽車(chē)中的廣泛應(yīng)用,電控電動(dòng)式4WS將是4WS汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)。
3.電控四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本組成和工作原理
3.1 電控四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本組成
電控電動(dòng)式4WS系統(tǒng)是指采用電子控制、電機(jī)助力的4WS系統(tǒng),前、后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之間沒(méi)有任何機(jī)械連接、油管連接裝置,結(jié)構(gòu)上相互獨(dú)立。如圖1所示。
典型電控電動(dòng)式4WS系統(tǒng)主要由前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、傳感器、電控單元(ECU)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。減速器和后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等組成。本文介紹的電控電動(dòng)式4WS系統(tǒng)前輪仍采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng),后輪采用電子控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
3.2 電控四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理
轉(zhuǎn)向時(shí),傳感器將前輪轉(zhuǎn)向的信號(hào)和汽車(chē)運(yùn)動(dòng)的信號(hào)送入ECU,ECU進(jìn)行分析計(jì)算,向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào),步進(jìn)電動(dòng)機(jī)動(dòng)作,通過(guò)后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制驅(qū)動(dòng)后輪偏轉(zhuǎn)。同時(shí)ECU進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視汽車(chē)狀況,計(jì)算目標(biāo)轉(zhuǎn)向角與后輪實(shí)際轉(zhuǎn)向角之間的差值,來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整后輪的轉(zhuǎn)角。這樣可以根據(jù)汽車(chē)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài),實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的四輪轉(zhuǎn)向。
系統(tǒng)可設(shè)有兩種轉(zhuǎn)向模式,既可進(jìn)入4WS狀態(tài),也可保持傳統(tǒng)的2WS狀態(tài),駕駛員可通過(guò)駕駛室內(nèi)的轉(zhuǎn)向模式開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇。當(dāng)4WS汽車(chē)在行駛過(guò)程中電子控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),后輪自動(dòng)回到中間位置,汽車(chē)自動(dòng)進(jìn)入前輪轉(zhuǎn)向狀態(tài),保證汽車(chē)像普通前輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)一樣安全地行駛。同時(shí)儀表板上的4WS指示燈亮,警告駕駛員,故障情況被存儲(chǔ)在ECU中,以便于維修時(shí)檢碼。
上述的電控電動(dòng)式4WS系統(tǒng)后輪轉(zhuǎn)向裝置屬車(chē)速感應(yīng)型,其工作特點(diǎn)是后輪偏轉(zhuǎn)的方向和轉(zhuǎn)角大小主要受車(chē)速高低的控制,同時(shí)也響應(yīng)前輪轉(zhuǎn)角、橫擺角速度的變化。ECU根據(jù)設(shè)定的控制策略,通過(guò)程序控制,實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的四輪轉(zhuǎn)向。在低速行駛或者方向盤(pán)轉(zhuǎn)角較大時(shí),前、后輪實(shí)現(xiàn)逆相位轉(zhuǎn)向,且后輪偏轉(zhuǎn)角度隨前輪轉(zhuǎn)角增大而在一定范圍內(nèi)增大。這種轉(zhuǎn)向方式可改善汽車(chē)低速時(shí)的操縱輕便性,減小汽車(chē)的轉(zhuǎn)彎半徑,提高汽車(chē)的機(jī)動(dòng)靈活性。在中、高速行駛或方向盤(pán)轉(zhuǎn)角較小時(shí),前、后輪實(shí)現(xiàn)同相位轉(zhuǎn)向。使汽車(chē)車(chē)身的橫擺角速度大大減小,可減小汽車(chē)車(chē)身發(fā)生動(dòng)態(tài)側(cè)偏的傾向,提高汽車(chē)高速行駛的操縱穩(wěn)定性。
4.4WS系統(tǒng)電控部分的組成
4.1 汽車(chē)傳感器
傳感器的功用是檢測(cè)汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)的有關(guān)運(yùn)動(dòng)物理量,并轉(zhuǎn)換成電信號(hào),輸入到ECU中,供ECU進(jìn)行分析計(jì)算。
4.1.1 前、后輪轉(zhuǎn)角傳感器
前、后輪轉(zhuǎn)角傳感器分別安裝在前、后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)靠近車(chē)輪的一側(cè),采用非接觸型霍爾元件傳感器,用來(lái)檢測(cè)前、后車(chē)輪的瞬時(shí)偏轉(zhuǎn)角。
4.1.2 車(chē)速傳感器
車(chē)速傳感器安裝在車(chē)速里程表的轉(zhuǎn)子附近,采用光電式車(chē)速傳感器,將汽車(chē)前進(jìn)速度檢測(cè)出來(lái),以脈沖信號(hào)的形式輸出,送入四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ECU,同時(shí)將電信號(hào)輸入到自動(dòng)變速器ECU.
4.1.3 車(chē)身橫擺角速度傳感器
車(chē)身橫擺角速度傳感器安裝在汽車(chē)質(zhì)心處的車(chē)身上,采用壓電射流角速度傳感器,檢測(cè)汽車(chē)轉(zhuǎn)向行駛時(shí)的車(chē)身橫擺角速度,以電信號(hào)的形式輸入ECU,ECU輸出控制信號(hào),實(shí)時(shí)控制汽車(chē)的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng),保證汽車(chē)轉(zhuǎn)向行駛時(shí)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。
4.2 電控單元(ECU)
ECU是4WS系統(tǒng)的核心,其功用是根據(jù)制定的控制方案,按照編制的程序?qū)Ω鞣N傳感器輸入信號(hào)進(jìn)行分析、計(jì)算、處理,輸出一定的控制信號(hào)指令,驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)動(dòng)作。其電控單元的控制框圖如2圖所示,4WS系統(tǒng)ECU主要由輸入信號(hào)調(diào)理電路、微處理器、輸出信號(hào)處理電路、電源電路等硬件部分和控制程序、軟件平臺(tái)等軟件部分組成。為保證控制系統(tǒng)可靠地工作,電控單元還必須采取有效的抗干擾措施和故障自診斷處理措施。
4.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
電動(dòng)機(jī)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī),其功用是根據(jù)ECU的指令輸出適宜的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角,驅(qū)動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),控制后輪的轉(zhuǎn)向,是后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種數(shù)字控制電動(dòng)機(jī),將數(shù)字式電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移,控制性能好,非常適合于單片機(jī)控制。采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是:步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比,隨動(dòng)性好,可與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng);動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,易于實(shí)現(xiàn)起停、正反轉(zhuǎn)及變速;具有自鎖和保持轉(zhuǎn)矩能力;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,堅(jiān)固耐用,抗干擾能力強(qiáng)。
4.4 減速機(jī)構(gòu)
減速機(jī)構(gòu)的功用是降低步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,增大步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳遞給轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩,常采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)或行星齒輪機(jī)構(gòu)。
4.5 后輪轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
不同的車(chē)型,后輪轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式也不一樣,可采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)形式,也可根據(jù)汽車(chē)后懸結(jié)構(gòu)和行駛轉(zhuǎn)向要求,設(shè)計(jì)特定結(jié)構(gòu)形式的后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。
5.電控電動(dòng)式4WS系統(tǒng)的特點(diǎn)分析
5.1 電控電動(dòng)式4WS與普通2WS系統(tǒng)對(duì)比分析
電控電動(dòng)式4WS汽車(chē)與普通的2WS汽車(chē)相比,電控電動(dòng)式4WS汽車(chē)具有如下特點(diǎn):
(1)轉(zhuǎn)向操作的響應(yīng)加快,準(zhǔn)確性高。
(2)轉(zhuǎn)向操作的輕便性和行駛穩(wěn)定性提高。低速時(shí),轉(zhuǎn)彎半徑小,轉(zhuǎn)向操作的機(jī)動(dòng)靈活性提高(如圖3所示)。
(3)超車(chē)時(shí),變換車(chē)道更容易,減小了汽車(chē)產(chǎn)生擺尾和側(cè)滑的可能性。抗側(cè)向干擾的穩(wěn)定性效果好。
5.2 電控電動(dòng)式4WS與電控液壓式4WS系統(tǒng)對(duì)比分析
電控電動(dòng)式4WS系統(tǒng)與電控液壓式4WS系統(tǒng)相比,也具有顯著的優(yōu)勢(shì):
①采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,改善了瞬態(tài)轉(zhuǎn)向靈敏度,有效地降低了電控液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向滯后特性。
②步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比,在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,無(wú)累積誤差,隨動(dòng)性好,轉(zhuǎn)向控制精度高,回正性好。
③系統(tǒng)剛性大,有較高的慣性力矩,抗外界干擾的能力強(qiáng)。結(jié)構(gòu)緊湊,體積小,質(zhì)量輕,裝配布置方便。
④步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由蓄電池供電,發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力消耗。沒(méi)有液壓系統(tǒng)裝置,系統(tǒng)的調(diào)整和檢測(cè)方便,裝配自動(dòng)化程度高,能縮短系統(tǒng)產(chǎn)品的生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)周期。
6.電控電動(dòng)式4WS系統(tǒng)的技術(shù)展望目前在成型的4WS汽車(chē)中主要采用電控液壓式4WS系統(tǒng)。雖然電控電動(dòng)式4WS系統(tǒng)發(fā)展較晚,相應(yīng)的技術(shù)還不夠成熟,存在動(dòng)力小、ECU復(fù)雜、成本高等不足之處,但隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、電機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用,電控電動(dòng)式4WS系統(tǒng)在技術(shù)上將不斷完善,在轉(zhuǎn)向控制性能、系統(tǒng)布置、節(jié)能等方面也將越來(lái)越顯示其優(yōu)越性,其應(yīng)用前景廣闊,必將取代電控液壓式4WS系統(tǒng),并成為4WS系統(tǒng)發(fā)展的主流。它的發(fā)展趨勢(shì)有以下幾點(diǎn):
(1)針對(duì)4WS系統(tǒng),進(jìn)一步開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)高性能、高精度、高靈敏度的傳感器,以便于正確地檢測(cè)汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)。
(2)將先進(jìn)的控制理論與控制方法應(yīng)用于4WS控制器的研究中,提高轉(zhuǎn)向控制性能。
(3)改進(jìn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制技術(shù),消除步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)存在的振蕩、失步、振動(dòng)、噪聲等不足。
(4)研究、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理、布置方便的后輪轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)后輪的正確轉(zhuǎn)向。
(5)進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng),減小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的體積,控制生產(chǎn)成本。
(6)把4WS技術(shù)與其它主動(dòng)安全技術(shù)(如4WD、ABS、ASR、ASC、DYC等)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)汽車(chē)主動(dòng)底盤(pán)技術(shù)的綜合控制,這是主動(dòng)控制4WS系統(tǒng)研究的長(zhǎng)期目標(biāo)。