汽車轉向系統的研究與發展

駕駛員通過轉向系統控制車輛的運動方向。轉向系統設計的質量直接影響車輛的安全性和行駛的穩定性。汽車轉向系統的發展主要經歷了以下幾個階段:機械轉向系統、液壓動力轉向系統、電控液壓動力轉向系統、電動助力轉向系統、四輪轉向系統、主動前輪轉向系統、線控轉向系統。由于車輛是一個高耦合度復雜系統,單獨研究某一個或者某兩個系統,并不能使整個系統的綜合性能達到最優,因此,隨著汽車主動安全系統的不斷推出,與其他系統之間的集成控制就成為轉向系統的主要發展方向。1轉向系統1.1轉向盤的轉速比機械轉向系統結構簡單,性能可靠,但是轉向力全部來自駕駛員的手力,因此,轉向盤操縱比較沉重。為了解決汽車轉向“輕”與“靈”的矛盾,可以增大轉向器的角傳動比。增加角傳動比雖然可以減小轉向盤上的手力,但是同時也造成汽車對轉向操縱的反應減慢;為此人們將轉向器設計成變速比,在轉向盤小轉角時以“靈”為主,在轉向盤大轉角時以“輕”為主。但是由于“靈”的范圍只在轉向盤中間位置附近,僅對高速行駛有意義,并且傳動比不能隨車速變化,所以不能從根本上解決“輕”與“靈”的矛盾。1.2助力特性分析液壓動力轉向系統(HydraulicPowerSteeringSystem,HPS)是在傳統機械轉向系統的基礎上,增加轉向控制閥、動力缸、油泵、儲油罐和進回油罐管路等液壓動力裝置組成。轉向控制閥根據轉向盤轉動方向和力矩大小控制助力油缸的油壓大小,從而控制助力大小,如圖1所示。雖然液壓動力轉向系統可提供轉向助力,使轉向較為輕便,但存在很多缺點:如油泵由發動機驅動,即使在不轉向時,油泵也一直運轉,增加了能量消耗;液壓油泄露污染環境;助力特性與控制閥結構有關,系統一旦定型,助力特性便不能改變;助力與車速無關,不能協調轉向輕便性和路感之間的矛盾;低溫助力性能不好。隨著人們對汽車經濟性、環保性、安全性的日益重視,為了克服液壓動力轉向系統的不足,人們在液壓動力轉向系統的基礎上,增加了電子控制單元和執行元件,將車速信號引入到系統中,開發了車速感應型電控液壓動力轉向系統(ElectroHydraulicPowerSteeringSystem,EHPS),如圖2所示?？刂茊卧鶕囁傩盘柛淖冸娨恨D換裝置的助力特性,達到在低速或急轉彎行駛時助力較大,以滿足轉向輕便性的要求;高速時助力較小,以滿足路感和操縱穩定性的要求。雖然電控液壓動力轉向系統實現了車速感應型助力,但由于仍然采用液壓系統,液壓系統本身的缺點仍然難以克服,同時由于在液壓系統的基礎上增加了傳感器和控制單元,使系統成本增加。1.4不同助力方式的分析電動助力轉向系統(ElectricPowerSteeringSystem,EPS)是在機械轉向系統的基礎上,用電池作能源,電動機為動力裝置,直接依靠電動機提供輔助轉矩的動力轉向系統。整個系統由轉矩傳感器、車速傳感器、控制器、助力電動機及減速機構等組成。根據電動機助力位置的不同,EPS系統可分為:轉向管柱助力式、齒輪助力式、齒條助力式3種,如圖3所示。駕駛員轉動轉向盤時,控制器根據轉向盤轉矩的大小進行助力控制,轉向盤轉矩越大,助力電動機提供的助力轉矩也越大,提高汽車的轉向輕便性;同時,控制器根據車速的高低來控制路感,車速低時提供較大的助力,車速高時提供較小的助力,增強駕駛員的路感。與液壓動力轉向系統和電控液壓動力轉向系統相比,電動助力轉向系統具有以下優點:1)可獲得優化的助力特性,轉向輕便,路感好,提高了操縱穩定性;2)助力特性通過軟件設置和修改,可以快速與車型匹配;3)當汽車不轉向時,電動機不工作;轉向時,電動機才工作,提供助力力矩,實現真正的“按需功能”,減少能量消耗。4)結構緊湊,便于模塊化安裝;5)對環境無污染;6)低溫工作性能好。作為新一代的轉向系統,電動助力轉向系統具有廣闊的發展前途。1.5車輛的運動軌跡與姿態,可以提高汽車操縱穩定性四輪轉向系統(4WS)是指車輛在轉向的過程中,后輪直接參與對車輛質心側偏角及側向運動的控制,這樣不僅可以減少轉向力產生的滯后,而且還可以獨立地控制車輛的運動軌跡與姿態,使車輛的方向角與航向角重合,所以能有效地提高車輛的側向穩定性和操縱靈活性。低速時,在后輪上附加一個與前輪轉角相反的轉角,進行逆相位轉向,以減小車輛的轉彎半徑,提高汽車的機動靈活性;高速時,前、后輪進行同相位轉向,可以極大地改善橫擺角速度和側向加速度的瞬態響應指標,提高汽車的操縱穩定性。如圖4所示,β1、β2為前、后輪側偏角。1.6雙麻黃汽車轉向系統在傳統的轉向系統中,轉向傳動比是固定的,在低速時,駕駛員要花很大的力氣轉動轉向盤,轉向不靈敏;高速時,轉向靈敏性會增加,但是穩定性和安全性隨之下降,這就構成了無法避免的矛盾。德國寶馬公司和ZF公司聯合開發的主動前輪轉向系統(ActiveFrontSteering,簡稱AFS)很好地解決了上述矛盾。寶馬的AFS系統本質是一套可變傳動比的轉向系統,它保留了傳統轉向系統的機械構件,其最大特點就是在轉向盤和齒輪齒條轉向機之間的轉向柱上集成了一套雙行星齒輪機構,如圖5所示。AFS系統能在駕駛員通過轉向盤施加給前輪的轉向角的基礎上,通過雙行星齒輪機構給前輪疊加一個額外的轉向角。這個齒輪組包括兩個輸入軸和一個固定在轉向柱上的輸出軸,其中一個驅動軸連接在轉向盤上,另一個驅動軸由一個電動機通過一個自鎖式渦輪蝸桿機構驅動行星架轉動。輸出軸輸出的轉向角度就是由轉向盤轉角與電動機驅動的行星架轉向角度疊加得到,也就是汽車的實際轉向角度。低速時,電動機驅動的行星架轉動方向與轉向盤轉動方向相同,疊加后增加了實際的轉向角度,可以減少轉向力的需求,提高了汽車的轉向靈敏性;高速時,電動機驅動的行星架轉動方向與轉向盤轉動方向相反,疊加后減少了實際的轉向角度,汽車的轉向變得更為間接,提高了汽車的穩定性和安全性。主動前輪轉向系統最大的特點,就是根據汽車行駛速度,自動調節汽車轉向傳動比,從而增加或減小前輪的轉向角度。汽車低速行駛時,減小轉向傳動比,使轉向更加直接、快速;汽車高速行駛時,增大轉向傳動比,提高汽車的穩定性。除了可變傳動比設計外,主動前輪轉向系統還具有穩定性控制功能,主要通過橫擺角速度控制來實現。在危險工況下,AFS系統通過獨立于駕駛員的轉向干預來穩定車輛,通過主動改變駕駛員給定的轉向盤轉角使車輛響應盡可能與理想的車輛響應特性相一致,從而提高汽車的主動安全性。主動前輪轉向作為一項主動安全技術具有很大的潛在市場需求,但由于增加了一套行星齒輪機構,因此成本較高,目前主要應用于高檔轎車。1.7車輪轉向總成控制線控轉向(Steer-by-WireSystem,SBW)是更新一代的汽車電子轉向系統,線控轉向系統取消了轉向盤與轉向輪之間的機械連接,其結構如圖6所示。線控轉向系統主要由3個模塊組成:轉向盤總成、控制器和前輪轉向總成。轉向盤總成包括轉向盤、較短的轉向柱、轉向盤轉角傳感器、路感電動機等,路感電動機向駕駛員反饋路感,轉向盤轉角傳感器提供駕駛員的轉向意圖,控制器根據此信號向前輪轉向總成提供目標前輪轉角。前輪轉向總成包括齒條位移傳感器、轉向電動機等,轉向電動機驅動轉向輪,跟蹤目標前輪轉角,實現主動轉向;齒條位移傳感器測量前輪的運動狀態,以進行前輪轉角的反饋控制,并為路感反饋提供參考信號,將車輛運動狀況反饋給駕駛員。線控轉向系統有如下優點:1)取消了轉向盤與轉向輪之間的機械連接,消除了撞車事故中轉向柱引起傷害駕駛員的可能性,且不必設置轉向防傷裝置;2)由于取消了機械連接,地面不平和轉向輪的不平衡造成的沖擊不會傳到轉向盤,從而減輕了駕駛員的疲勞;3)消除了轉向干涉問題,為實現多功能全方位的自動控制,以及汽車動態控制系統和汽車平順性控制系統的集成提供了先決條件;4)轉向回正力矩能夠通過軟件依據駕駛員的要求進行調整;5)由于轉向盤與轉向輪之間沒有機械連接,使線控轉向系統在汽車上的布置更加靈活,轉向盤的位置可以方便地布置在需要的位置;6)轉向盤與轉向輪之間沒有機械連接,增大了駕駛員腿部活動空間,使駕駛員出入更加方便。線控轉向系統的缺點是:由于轉向盤和轉向車輪之間沒有機械連接,當電控系統出現故障時,車輛將無法保證轉向,處于失控狀態;而且線控轉向系統本身的成本較高,很難在家用轎車上普及。但是隨著電控技術的發展,電子元器件性能的不斷提升,而成本不斷的下降,以及線控轉向系統本身的優點,決定了它將具有更加廣闊的應用前景。2懸架系統的動態特性車輛的操縱穩定性不僅可以通過轉向來影響,而且可以通過縱向運動的控制產生的直接橫擺力矩來影響,同時,它還與車輛的懸架系統特性有著密切的關系。隨著汽車主動安全系統的不斷推出,轉向系統與各系統間的集成控制就成為未來發展的必然趨勢。2.1主動轉向控制研究文獻針對汽車轉向制動工況提出了一種主動前輪轉向和防抱死制動系統的協調控制方法,分別設計了轉向控制器和制動系統控制器,在分層協調控制思想的基礎上建立了上層協調控制器,對兩個系統進行協調控制,控制結構如圖7所示。圖中,γ為橫擺角速度;ay為側向加速度;λ為滑移率;p為ABS制動管路壓力。研究結果表明,對主動前輪轉向和防抱死制動系統進行協調控制,能夠改善車輛的操縱穩定性和制動性能。文獻通過對汽車在兩側路面附著系數相差較大的對開路面的制動狀況進行理論分析,提出利用主動轉向技術控制汽車緊急制動時的穩定性,使汽車在制動偏駛后能通過轉向控制快速恢復到正確的行駛車道。研究結果表明,通過主動轉向控制,能減少汽車制動時的失穩狀況,提高了汽車的行駛安全性。文獻分別建立了基于滑模變結構控制的主動前輪轉向和滑移率門限控制的防抱死制動系統控制模型,并將兩種控制系統進行集成。研究結果表明,在分離路面緊急制動工況下,通過對AFS與ABS進行集成控制,能進一步提高ABS的制動效能,在保持車輛制動穩定性的同時,縮短了制動距離。文獻利用基于不對稱的主動前輪轉向和車輛動力學模型,通過主動前輪轉向的干預控制,提高了制動過程中車輛的穩定性,同時還減少了制動距離。文獻對AFS與ESP協調控制進行研究,設計了基于滑模變結構的AFS控制策略和直接橫擺力矩加變滑移率聯合控制的ESP控制策略,提出了協調控制的一般原則,并給出了協調控制策略,其協調控制結構如圖8所示。圖中,qMz為ESP、AFS分配權重系數。文獻對主動前輪轉向和橫擺力矩集成控制加以研究,提出兩者集成控制的策略:首先劃分AFS和ESP的有效作用域,然后基于經驗規則對穩定橫擺力矩進行具體分配,優先采用主動轉向干預,一旦主動轉向不能產生所需的穩定橫擺力矩,則改用ESP干預,或者采用ESP和AFS聯合干預。文獻提出了一種基于DYC和AFS相結合的車輛橫向穩定性控制方法,利用前饋補償和模糊控制產生橫擺力矩和附加的前輪轉角,通過控制制動力的分配以及對轉向角的修正,來提高車輛轉向時的橫向穩定性,同時能有效地減輕駕駛員的操縱負擔。2.2集中系統集成文獻利用模糊理論針對AFS和懸架系統進行集成控制研究,在集成時懸架的主要目標為側傾控制,同時輔助改善輪胎側向力。合肥工業大學的陳無畏等人對汽車電動助力轉向(EPS)與主動懸架系統(ASS)的相互影響和協調關系進行分析,建立了EPS和ASS集成的車輛模型,采用多變量自適應控制策略,對兩者的集成系統進行研究。研究表明,集成控制能避免各子系統在單獨控制時所產生的相互干擾,使整車動力學性能得到較大改善。江蘇大學的陳龍等人在分析汽車轉向時轉向系統與懸架對車輛綜合性能影響的基礎上,應用模糊邏輯控制理論,設計了EPS與ASS集成控制器,有效地消除了汽車轉向時轉向效應對主動懸架作動器作用力的影響,以及車身姿態對助力大小的影響,在實現轉向操縱輕便的同時,又提高了轉彎時汽車的行駛平順性、操縱穩定性和安全性。文獻采用分層協調控制對AFS和ASS系統進行研究,分別設計了AFS控制器和ASS控制器,并設計了上層協調控制器及協調規則,較好地提高了汽車轉向時的行駛平順性和操縱穩定性。圖9為豐田公司提出的一種主動轉向和主動懸架集成控制結構。系統由前輪轉向控制單元和阻尼力控制單元組成,分為常規模式和運動模式,由開關來進行選擇。運動模式中,轉向傳動比更小,減振器的阻尼力大于常規模式。兩種模式下,具有相同的轉向力感覺。2.3汽車集成控制的發展JoostzuurbierIr將主動制動、主動轉向和主動懸架系統集成起來進行控制,增加了汽車的操縱穩