汽车转向试验台

汽车转向试验台（共9篇）

汽车转向试验台 篇1

近两年时有媒体曝光汽车断轴事件、汽车方向失控等问题, 这些问题引发了重大事故, 使得驾乘人员心存忧虑, 有些车型受其影响也销路不畅。经深入研究发现, 断轴事件均是由于拉杆球头发生断裂破坏, 造成车辆前轮失控, 方向难以控制。汽车发展至今, 转向传动系统生产制造技术已相当成熟, 为什么会有此类事件发生?根据本单位多年的转向拉杆接头总成的检验工作经验, 结合相关标准的研究, 发现转向拉杆总成质量的评判依据, 还存在标准滞后、系统性不强、方法不统一等缺陷, 往往造成评价不到位, 不合格品流入市场。

一、产品结构和关键质量点

转向拉杆是汽车转向系统中传递力和运动的重要部件, 有转向直拉杆和转向横拉杆之分, 但结构原理相似, 既要能传递大的推拉载荷, 又能实现灵活的空间运动, 同时具有良好的抗冲击性和可靠性。拉杆接头主要由球头销、球头座、防尘罩等组成, 球头销座内包括支撑弹簧和后盖板等, 其结构如图1 所示。拉杆接头的运动形式有:球头销绕轴线旋转, 球头销相对拉杆的前后左右摆动。拉杆接头受到的载荷为来自拉杆轴线的推拉力以及旋转力矩和摆动力矩。

由于空间运动的特点, 转向拉杆连接只能采用球形铰链结构, 势必导致拉杆接头是整个系统最薄弱环节, 拉杆接头的质量, 也就基本代表了转向拉杆总成的质量, 其质量特点应是:具有足够的强度、刚度、耐磨性和工作可靠性。

二、标准的研究

现行有效的国家标准、行业标准, 对转向拉杆规定了技术要求、试验方法和适用范围。这些标准为转向拉杆的质量控制, 提供了丰富的依据, 具体见表1。

从表1 可看出, 标准主要从强度 (抗拉试验、抗压试验) 、刚度 (最大轴向位移) 、球销运动功能 (旋转力矩、摆动力矩) 和可靠性 (疲劳耐久试验) 4 个方面来考核汽车转向拉杆的质量。这里非常恰当合理的从转向拉杆的质量特点提出了评判要求, 如果企业严格的执行标准, 转向拉杆的质量应该可以得到保障。

三、优化试验方案

1.提高评判标准的全面性

实际检验工作中, 因各标准适用范围不同, 常常碰到某一型号产品一些检验项目不考核。从表1 也可看出, 3 个标准各自成文, 其适用范围、检验项目互不关联。如QC/T 648-2000 《汽车转向拉杆总成性能要求及试验方法》, 只适用于轻型汽车和轿车转向拉杆总成, 检验项目只包括拉压试验, 而球销的旋转力矩、摆动力矩和最大轴向位移量没有要求;QC/T 650-2000 《汽车转向拉杆球头销性能要求及试验方法》, 检验项目只有球销的弯曲疲劳试验;QC/T 304—1999《汽车转向拉杆接头总成台架试验方法》, 没有具体的技术条件。如能将3 个标准的检验项目、适用范围相互兼顾, 提高标准适用性、覆盖面, 可更客观全面的对产品质量进行评判。

2.让疲劳试验更科学、合理

拉压疲劳试验是可靠性的考核重点, 疲劳试验3 要素为试验载荷、加载频率和加载波形。标准规定了试验载荷:前轴载荷的1/2 或1/4;加载频率:15~60 次/min;加载波形未规定。观察发现载荷和频率的范围较宽, 在实际检验过程中, 常常因此出现检验结果不确定。

若选择拉压载荷均为1/2 前轴载荷, 载荷过大, 结果不合格, 而选择拉力载荷1/2 前轴载荷、压力载荷1/4 前轴载荷, 检验合格。

若选择频率60 次/min, 瞬间能量大, 冲击性强, 球头温度上升快, 产品易出现不合格, 而选用频率15 次/min, 检验易合格。

另外加载波形也会给试验结果带来不确定性, 明显锯齿波比正弦波破坏性大。

车型不同, 其结构、载重、行驶状态等各不相同, 同时转向系统受到来自车轮的反作用力也各不相同。随着当前计算机技术的发展, 如能将频谱分析技术运用到转向系统负载研究中, 可使疲劳试验更科学, 更合理。比如, 利用频谱仪采集不同车型在不同行驶状态下转向拉杆受载数据, 进行统计分析, 制定出标准的不同工况下的频率量能等级, 试验室里, 根据车辆使用环境的严酷度, 选择不同的量能等级, 通过伺服系统以随机加载的方式进行加载试验。

3.统一结构, 规范安装, 恢复GB/T 13604—1992 《汽车转向球接头尺寸》标准

检验过程中还出现球头销杆部断裂现象。销杆应该说不是最薄弱环节, 分析原因, 问题出在球头销装配不当。球头销轴与销孔连接是锥面配合, 若锥面配合接触面积过小, 易造成应力集中, 将销轴剪断。销孔位于转向节内, 与球头销不是同一厂家生产, 易造成销与销孔配合不当的现象, 综合考虑, 球头销应统一结构, 规范安装。标准GB/T 13604—1992《汽车转向球接头尺寸》规定:“为保证锥面的配合良好, 锥孔d1 的精度规定为H8, 锥面配合面积不得小于60%”, 再看标准时效:已作废, 无替代标准。所以有必要将该标准完善恢复。

4.润滑、防尘和耐腐蚀等性能的提高

转向拉杆属汽车底盘件, 工作条件恶劣, 常常受到泥浆、灰尘、雨水等损害, 球头销内充满润滑脂, 如失去润滑, 立刻会加大磨损。遮挡球头销的橡胶防尘罩, 看似微不足道的小零件, 一旦破裂, 球头销很快失去润滑, 快速锈蚀, 磨损失效。球销座内的底座盖板也起到密封和防尘的作用, 由于厚度很薄, 若防腐措施不力, 很容易锈蚀形成孔洞, 失去密封作用。总之, 防尘罩的耐老化性以及耐腐蚀性都是转向拉杆总成质量不可或缺的一部分。

四、结束语

本文提出的汽车转向拉杆接头总成试验优化方案是在拉杆球头发生断裂破坏的现状和分析拉杆球头结构和关键质量点的基础上, 结合现有标准的不规范和实际试验的不合理, 从提高评判标准、使疲劳试验更合理、统一结构和规范安装、提高润滑、防尘和耐腐蚀性能等4 个方面提出的试验优化方案。该试验优化方案能够对汽车转向拉杆接头总成的性能做出全面客观的评价, 为企业的产品研发和试验验证提供了合理的依据。

参考文献

[1]全国汽车标准化技术委员会.QC/T 648-2000汽车转向拉杆总成性能要求及试验方法[S].北京:中国计划出版社, 2000.

[2]全国汽车标准化技术委员会.QC/T 650-2000汽车转向拉杆球头销性能要求及试验方法[S].北京:中国计划出版社, 2000.

[3]全国汽车标准化技术委员会.QC/T 304—1999汽车转向拉杆接头总成台架试验方法[S]北京:中国计划出版社, 2000.

[4]陈家瑞.汽车构造[M].北京:机械工业出版社, 2011.

[5]周斌, 韩少军, 李召富.汽车转向拉杆接头总成试验台的开发[J].汽车科技, 2009, 01:61-63.

汽车转向系统测试技术与规范 篇2

摘 要：作为汽车安全行驶的重要保障，汽车转向系统在汽车生产中具有十分重要的作用。开展汽车转向系统缺陷工程分析的基础性工作，就是研究汽车专向系统测试技术和规范的工作。本文对汽车转向系统液压助力装置和机械结构部件的测试方法和技术进行了分析和介绍，希望能够对缺陷工程分析实验工作具有一定的借鉴作用。

关键词：转向系统；测试技术；测试规范

有大量的机械结构部件存在于汽车的转向系统中，这些转向系统在汽车的行驶中具有十分重要的作用。从驾驶员端到转向车轮末端都存在着转向系统，一般来说，汽车的转向系统一共包括以下几种相关的机械结构部件，也就是汽车转向传动机构、汽车转向器以及汽车转向操纵机构等。本文对这些机械结构部件以及转向系统液压助力装置测试技术和方法，进行了分析和介绍。

1 机械结构部件在汽车转向系统中测试技术研究

1.1 测试汽车转向操纵机构的技术分析

在驾驶员和转向器之间的汽车的转向操纵机构主要是发挥了连接的作用，其属于包括转向器到转向盘之间全部零部件在内的总称，一般来说，现在汽车转向操纵机构的主要作用就是向转向器传递驾驶员转动转向盘的操作力。其中的转向盘主要由轮辋、轮辐以及轮缘等组成，利用汽车轮毂之间的内花键转向盘换就能够发挥出连接转向管柱的作用。

①目前在我国一般都是选择QC/T 563-1999试验方法对转向盘进行试验，主要的试验项目包括以下几种：也就是老化试验、摩擦试验、表面硬度、受力变形、热性能以及外观等。

②现在我国主要采用QC/T 649-2000试验方法来试验汽车的转向传动轴总成，汽车的转向传动轴的试验项目在我国一般来说主要包括以下几个方面：扭转疲劳寿命试验、静扭强度试验、滑动花键的滑动启动力试验、转动力矩试验以及总成间隙试验等[1]。

③现在我国主要采用QC/T 647-2000试验方法来试验汽车的转向万向节总成，汽车的转向万向节总成试验项目在我国一般来说主要包括以下几个方面：轴承的压出力试验、万向节与轴的拔拉力试验、转动方向间隙试验、摆动力矩试验、最大工作角试验等。

1.2 测试转向器的技术

在转向传动机构和操纵机构中转向器起到了连接的作用，现在常见的汽车转向器包括蜗杆曲柄指销式转向器、循环球式转向器、齿轮齿条式转向器等。

现在我国主要采用QC/T 29096-92试验方法对非动力转向器总成进行试验，非动力转向器总成试验的主要方法包括疲劳寿命试验、强度试验以及性能试验等；采用QC/T 529-2000试验方法对液压助力转向器总成进行试验，液压助力转向器总成试验主要包括可靠性试验和性能试验等[2]。

1.3 测试转向传动机构的技术研究

汽车的转向传动机构的发挥的最为关键的供能就是向汽车转向轮传递转向器输出的力，这样就能够利用汽车两侧转向轮偏转的方式确保驾驶的汽车能够顺利的完成转向操作。现在我国主要采用QC/T 648-2000试验标准对转向传动机构进行试验，转向传动机构的主要方法包括转向拉杆球头销的试验、转向拉杆接头总成的试验以及转向拉杆总成的试验等。

2 测试电动助力转向系统传感器、控制器以及助力电机的规范

2.1 测试助力电机的规范研究

目前我国的汽车助力电机性能试验主要包括耐电压、绝缘电阻、噪声、机械特性、电动机最高工作电压以及电动机性能参数等。其中可靠性试验一般来说主要包括振动可靠性试验、耐久性试验等。环境试验一般来说主要包括防尘防水试验、盐雾试验、温度湿度循环试验、温度冲击试验等。

2.2 测试EPS控制器的规范

控制器的试验项目在电动助力转向系统中也被划分为可靠性试验、环境试验以及性能试验等。其中的可靠性试验主要包括振动试验、逆驱动试验以及磨损试验等，环境试验同样包括电磁兼容试验、防尘防水试验、盐雾试验、温度湿度循环试验等[3]。

2.3 测试EPS转矩传感器的规范研究

汽车的传感器的试验项目在电动助力转向系统中也同样包括可靠性试验、环境试验以及性能试验等。其中的EPS转矩传感器可靠性试验一般来说主要包括EPS转矩传感器老化试验、EPS转矩传感器耐久试验、EPS转矩传感器短路输出试验、EPS转矩传感器过压保护、EPS转矩传感器跌落试验、EPS转矩传感器冲击试验、EPS转矩传感器振动试验等。环境试验同样为电磁兼容试验、防尘防水试验、盐雾试验、温度湿度循环试验、温度冲击试验等。性能试验主要包括引出线抗拉强度、绝缘性能、信号对称度、独立线性度等。

3 测试转向系统的技术与规范研究

现在我国的测试转向系统的技术与规范标准很多都具有推荐性标准和汽车行业标准的性质，尤其是现在并没有建立比较完善的电动助力转向的标准。所以在汽车行业中上述的这些测试规范和技术具有十分有限的影响，而且在指导汽车行业的时候也具有十分有限的作用，特别是很难有效的支撑汽车召回主管部门的汽车缺陷工程分析试验工作和缺陷调查工作。

4 结语

本文对于汽车转向系统相关的测试规范和技术的标准进行了系统的总结。通过分析我国汽车转向系统召回案例，我们能够清楚的了解到这些被召回的汽车的电子助力装置，液压助力装置以及机械机构部件等均存在着一定程度的问题，因此需要采用召回的方式加以消除。电液助力转向系统和电子助力转向系统是汽车转向系统在未来进行研发的重点方向，因此可能会出现越来越多的关于电子助力装置和液压动力装置的召回。所以召回主管部门必须要对电子助力装置和液压动力装置测试规范和技术予以更多的关注。

参考文献：

[1]张卫亮，肖凌云，刘亚辉.汽车转向系统缺陷风险评估准则与汽车召回案例[J].汽车安全与节能学报，2013（04）.

[2]陈秋红，张向娟.汽车转向系统可靠性优化过程研究与仿真[J].计算机仿真，2014（03）.

汽车转向试验台 篇3

在汽车转向试验台中, 许多地方都需要精确的以速度、位置或者是力矩模式进行控制, 这就要求我们所选用的驱动元件必须能够达到上述要求;而伺服电机便是我们最佳的选择。比如, 在汽车电动助力转向管柱性能测试中的输入驱动与输出加载, 利用伺服电机的闭环控制特性, 可以很方便的实现对旋转速度、旋转扭矩和旋转角度的精确控制;利用工业计算机运动控制技术、自动控制技术及检测与传感器技术, 实现程序化、工业自动化控制。利用其控制的便捷性及控制的准确性, 能够实现变频电机或者是液压马达所不能实现的精确的运动控制。因此伺服电机在汽车转向系统的检测中能够更加精确的达到模拟驾驶员手打方向盘的实际过程。以在汽车电动助力转向管柱性能检测中的试验应用为例, 管柱输入部分以设定转速驱动, 旋转设定角度, 输出施加设定扭矩;通过对输入扭矩的实时监测, 评判输入扭矩的大小及波动, 从而判断电动助力转向管柱的综合性能。如图1所示。

2 工业控制系统硬件的组成

工业控制系统包括工业计算机, 开关量输入输板卡、模拟量输入输出板卡, 运动控制卡, 全数字伺服驱动单元 (伺服驱动器) ;机械部分包括角度编码器, 伺服电机, 联轴器和减速机等。其控制原理, 如图2所示。

工业计算机通过专用工业控制软件对开关量输入输出板卡、模拟量输入输出板卡、运动控制卡进行读写操作, 向伺服控制器发出位移、速度、加速度等命令, 从而实现对伺服电机定速旋转、定角度旋转或者定扭矩加载的功能。工业计算机通过开关量选择伺服控制模式为速度模式、位置模式或转矩模式运行, 运动控制卡根据工业计算机的命令产生脉冲序列, 脉冲个数受工业计算机控制。伺服电机为闭环反馈系统, 减速齿轮组由电机驱动, 输出端带动角度编码器作为位置检测, 角度编码器把转角坐标转换为比例电压反馈给控制线路板, 控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较, 产生纠正脉冲, 并驱动电机正向或反向转动, 使齿轮组的输出位置与期望值相符, 令纠正脉冲趋于为0, 从而达到使伺服电机精确定位的目的。

3 电气控制部分

伺服控制器接线包括电源输入端子、伺服电机输出端子、编码器信号连接插头、指令脉冲及输入输出信号端子等。工业计算机驱动外部开关量输出板卡, 伺服使能打开;通过伺服模式控制, 选择伺服控制模式;通过控制运动控制板卡发送脉冲信号, 驱动伺服电机旋转。编码器接口的编码器电源输出接到伺服电机所带的编码器上, 角度编码器串行信号接到运动控制器。角度编码器作为交流伺服电机系统的速度及位置传感器, 较高的响应速度, 较低的温度漂移, 较大的共模抑制比和较强的抗干扰能力是混合式光电编码器信号处理电路的基本要求。其基本接线图如图3所示。

伺服控制器电路设计过程中应充分考虑输入电源隔离、信号线屏蔽等问题。

4 伺服驱动系统

汽车转向试验台中输入驱动扭矩最大为50N.m, 转速最大为100r/min。能够以设定的速度、位置等模式进行工作;还可以对旋转过程的扭矩及角度进行采集。伺服驱动系统如下图所示, 主要由伺服电机、行星齿轮减速机、扭矩传感器、角度传感器、弹性联轴器等组成。可精确的以速度、位置、扭矩等模式运行, 并可根据自身扭矩传感器、角度传感器进行闭环控制, 集驱动、检测于一体。可广泛应用于需要实现高精度的传动定位的领域。如图4所示。

4.1 计算电机转速

伺服驱动系统动力源由伺服电机连接减速机实现, 所以伺服驱动系统的最大转速等于伺服电机额定转速除以减速机减速比, 系统额定输出扭矩等于伺服电机额定输出扭矩乘以减速机减速比, 所以选择伺服电机功率并配备合适减速比的减速机, 是得到系统要求的转速及扭矩的关键。

4.2 计算电机扭矩

我们要求输入驱动扭矩最大为50N.m, 而输入扭矩等于伺服电机额定输出扭矩乘以减速比。

所以我们选用额定输入扭矩接近2.5N.m的伺服电机。

4结论

随着人们对汽车零部件检测要求的提高, 一般的电机和液压马达传动已不能实现精密的运动控制。通过工业控制系统对伺服电机精确的闭环控制特性, 可以将伺服电机定转速、定位置和定扭矩的的控制特性更广泛的应用到汽车转向零部件的性能测试中。

摘要：随着汽车行业的飞速发展, 我国转向行业已形成一定规模, 逐渐达到较高水平并向经济规模型、科技创新型方向迈进;随之配套的我国汽车转向试验设备的水平也在飞速发展。汽车转向试验台在对汽车转向系统模拟试验的过程中需要稳定的旋转输入或者扭矩加载, 伺服电机以其稳定性好、精度高、快速响应性好等优点, 成为了汽车转向试验台的首选。

关键词：伺服电机应用,工业电气控制,汽车转向试验台

参考文献

[1]周建鹏, 黄虎, 严运兵.现代汽车性能检测技术[M].上海:上海科学技术出版社, 2009.

[2]黄岩.汽车检测技术的发展趋势[J].汽车维修与保养, 2004 (04) .

[3]薛迎成, 何坚强.工控机及组态控制技术原理与应用[M].北京:中国电力出版社, 2007 (03) .

汽车转向试验台 篇4

关键词：汽车；电动助力转向系统；EPS控制技术

中图分类号：TP271 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）27-0014-02

1 引 言

随着汽车性能的提升制造工艺以及汽车控制的要求也越来越高，不仅希望低速行驶时转向轻便，而且高速时必须有良好的操纵稳定性。传统的液压动力转向系统、机械转向系统不能同时达到上述两个要求，通过采用现代控制技术和电子技术的电动助力转向系统很好的解决了这一矛盾。同时EPS系统是汽车的安全性能得到提升，耗能少、有利于环保。电动助力转向代表着转向系统的发展趋势，有着良好的应用前景。

2 电动助力转向系统的概述

2.1 电动助力转向系统的工作原理

电动助力转向机构由机械转向器与电动助力部分相结合构成。电动助力部分包括电动机、电池、传感器和控制器（ECU）及线束，有的还有减速机构和电磁离合器等。电动助力转向机构的工作原理如下：

当驾驶员对转向盘施力并转动转向盘时，位于转向盘下方与转向轴连接的转矩传感器将经扭杆弹簧连接在一起的上、下转向轴的相对转动角位移信号转变为电信号传至控制器，在同一时刻车速信号也传至控制器。通过对上述两种信号的分析，控制器对电动机的转向和助力转矩的大小进行调整。并且通过D/A转换器将控制器输出的数字信号转换为模拟信息，之后通过电流控制电路对信号进行处理。来自微机的电流命令值同与电动机电流的实际值之间存在的一个差值，电流控制电路能够检测到这个差值信号，同时将此信号送往电动机驱动电路，该电路驱动电动机，并向电动机提供控制电流，完成助力转向作用[1]。

2.2 电动助力转向系统的分类

EPS系统依据电动机布置位置的不同可分为转向轴助力式、小齿轮助力式、齿条助力式三个基本类型。分别如图1、图2和图3所示。

3 EPS的控制技术

3.1 EPS常见的几种控制策略

EPS控制系统主要是对助力电机的控制，同时对系统输入与输出的参量也需要进行考虑，常用的系统输入：路面干扰、侧向力、方向盘传感器噪声、方向盘力矩大小、回正力矩及机械部件的非线性摩擦等。系统输出：电机转角、转向器位移、方向盘转角、电机助力力矩等参量。此外，汽车在转向的过程中，车身的横摆角速度与侧倾角等参数会因为车身方向的改变而改变，因此还需综合考虑EPS与悬架的集成化控制策略[4]。

EPS系统的控制要求最重要的就是在原地或低速时转向轻便，高速时稳定性好，且灵敏度高，反应时间短等特点，尽可能的实现实时控制。根据控制内容的不同，控制算法可分为：

①助力控制、回正控制、阻尼控制。除此之外，由于实际系统中存在摩擦和惯性作用，因此还需要进行补偿控制。

助力控制的特点是根据车速和方向盘力矩大小确定助力矩，使转向轻便，利用电机转矩和电机电流成比例的特性，通过对反馈电流与电机目标电流的闭环控制输出信号给动力回路，电动机受到反馈信号后产生合适的助力。助力控制主要是协助驾驶员进行转向，汽车在高速行驶时，可通过阻尼控制适当增加转向阻力，避免汽车在高速行驶途中发生“飘移”，在低速行驶时增加汽车转向的灵活性，避免出现“打死”情况。

②回正控制是改善转向系统转向后的回正性能，尤其是原地及低速时转向。根据汽车不同的行驶工况，对转向系统进行同正控制，当汽车需要进行同正控制时，EPS根据方向盘转角信号和车速信号，计算出车辆的侧向加速度，再产生与侧向加速度相对应的同正力矩。控制作用一般是这样的：当汽车行驶速度较低时，同正过程中使电动机电流迅速减少，电动机产生的驱动力矩也减小，转向轮迅速同正；当汽车高速行驶时，转向轮稍稍改变方向就会使汽车改变较大的方向，为了使转向幅度减小，电机电流逐渐减少，车轮在转向过程中显得更为平稳。

③阻尼控制的特点是可抑制电机的超调，使高速行驶稳定性得以改善，防止汽车“发飘”，利用电动机旋转产生的反电动势形成阻碍电机继续旋转的阻尼转矩。在低速行驶时，控制内容以助力控制和回正控制为主，在高速行驶时，以阻尼控制为主。

④补偿控制。实际应用中由于摩擦和惯性的存在，若对数学模型的控制进行理想化处理，不能得到良好的模拟效果。EPS中应用的电动机，对于大功率的电动机，汽车在行驶途中所产生的摩擦力矩和转动惯量会随着功率的增加而增加。会对车轮的回正造成一定的影响，转向相对较为困难。这时，若在系统控制中加入摩擦补偿与惯量补偿，可较好地解决此问题[5]。

3.2 EPS的控制方式

要实现上述EPS控制策略必须应用相关的控制方式常见的控制方式有以下5种：PID控制、最优二次型控制、鲁棒性控制、模糊控制、人工神经网络控制。

3.2.1 PID控制

PID控制又称偏差控制，是根据系统的误差（偏差），利用数学方法和公式来计算出控制偏差量。PID控制器有很多优势比如结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便。PID控制器现已成为工业控制的主要技术之一。

3.2.2 最优二次型控制

最优二次型控制采用线性系统二次性能指标高斯分布法（LQG法）来实现线性系统的最优控制。最优二次型控制法使用最小的控制能量使得系统误差最小化，通过数学建模可得出状态现行反馈的最优控制规律，不仅容易构成闭环最优系统，而且能够达到工程实际问题中对线性系统性能指标的要求。

3.2.3 鲁棒性控制

鲁棒性控制不像其他控制理论，在设计EPS控制策略时设计指标的可行性太依赖所建立的EPS系统数学模型和精确程度。在实际中采用鲁棒控制技术可使设计简单、易于实现，且可充分利用最优控制理论的成果，不需在线辨识，是一种新的控制理论，目前已成为现代控制理论中最重要的分支和前沿技术。

3.2.4 模糊控制

模糊控制也称为Fuzzy控制。模糊控制器是一种语言控制器，能更近似地反映人的控制行为，它不依赖系统的精确数学模型，并不需要对系统参数变化有很明显的反应效果，具有很强的鲁棒性和控制稳定性。模糊控制的控制算法可直接通过语音进行控制，非常简捷，很适合汽车这一类快速动态系统。对于汽车转向系统而言，由于地面附着系数、车速、轮胎状况、转向系统摩擦和间隙等因素的影响，要提出一个在各种运行工况下都能满意工作的电动机助力控制策略是非常困难的。

3.2.5 人工神经网络控制

人工神经网络是基于人脑和自然神经网络的基本特性，将这种特性抽象化和模拟化。人工神经网络的技术基础主要还是依赖于对大脑的生理研究成果，模拟大脑的某些相应的机理和机制来实现一些特定的功能。

4 结 语

本文从EPS的基本原理、控制策略以及控制方式三个方面对EPS的控制技术作了简要分析。EPS的关键问题助力控制，同时回正控制和阻尼控制是EPS系统性能优越性的体现，补偿控制是主要体现在提升EPS控制精度方面。

对于EPS的控制方式，通过比较分析比例控制、比例加微分控制、最优二次型控制、鲁棒性控制、模糊控制和人工神经网络控制的优缺点，每种方法优劣，其中PID控制方式使用性更强。要想更好的应用EPS控制技术，必须对上述控制方式和控制策略进行合理应用。

参考文献：

[1] 苑林.汽车电动转向系统的研究[D].长春：吉林大学，2007.

[2] 晋兵营，宁广庆，施国标.汽车电动助力转向系统发展综述[J].拖拉机 与农用运输车，2010，37（ 1） ： 1-5.

[3] 任夏楠，邓兆祥.汽车FPS助力特性设计方法研究[J].机械科学与技术， 2011，33（8）：1225-1232.

[4] 邵丽青.电动助力转向系统（ EPS） 的应用现状及发展趋势[J].汽车与 配件，2011（36）：19-21.

汽车转向系及其检测 篇5

随着世界各先进工业国家经济的不断发展, 城市运输车辆大幅度增加。我国2000年的汽车保有量达到了2000万辆, 2006年达5000万辆, 2007年达8000万辆。然而随之而来的交通事故与车辆技术的关键部位——转向系统有着密不可分的联系。这些关键部位如出现故障常常会造成行车事故。在汽车行驶中, 转向运动是最基本的运动, 我们通过方向盘来操纵和控制汽车的行驶方向, 从而实现行驶意图。在现代汽车上, 转向系统是必不可少的最基本的系统之一, 也是决定汽车主动安全性的关键总成, 如何检测汽车的转向特性, 保持汽车具备较好的操纵性能, 始终是汽车检测技术当中的一个重要课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天, 汽车转向系的检测技术显得尤为重要。

汽车转向系

汽车上用来改变或恢复其行驶方向的专设机构称为汽车转向系统。

1. 转向系统的基本组成装配

我们主要是通过转向盘和汽车实现交流, 除了驾驶室裸露的一部分转向管柱外, 在仪表盘下面, 一直延伸到汽车前桥, 还有转向系统的主要执行机构:

(1) 转向操纵机构主要由转向盘、转向轴、转向管柱等组成。

(2) 转向器将转向盘的转动变为转向摇臂的摆动或齿条轴的直线往复运动, 并对转向操纵力进行放大的机构。转向器一般固定在汽车车架或车身上, 转向操纵力通过转向器后一般还会改变传动方向。

(3) 转向传动机构将转向器输出的力和运动传给车轮 (转向节) , 并使左右车轮按一定关系进行偏转的机构。

2. 转向系统的类型及工作原理

按转向动力源的不同, 转向系统可分为机械转向系统和动力转向系统两大类。

(1) 机械转向系统以驾驶员的体力 (手力) 作为转向能源的转向系统, 其中所有传力件都是机械的。图1是一种机械式转向系统。

1.转向节2.转向节臂3.转向横拉杆4.转向减振器5.机械转向器6.安全转向轴7.转向盘8.转向轮

(2) 动力转向系统兼用驾驶员体力和发动机 (或电动机) 的动力为转向动力的转向系统, 它是在机械转向系统的基础上加设一套转向加力装置而形成的。图2为一种液压式动力转向系统示意图。

1.转向节臂2.转向横拉杆3.转向摇臂4.整体式转向器5.转向直拉杆6.转向减振器7.转向油罐8.转向油泵9.转向油管10.转向中间轴11.转向轴12.方向盘

3.对转向系统的要求

(1) 要求工作可靠, 操纵轻便。

(2) 转向机构还应能减小地面传到转向盘上的冲击, 并保持适当的“路感”。

(3) 当汽车发生碰撞时, 转向装置应能减轻或避免对驾驶员的伤害。

转向系故障分析

1.机械转向系故障分析

(1) 转向沉重产生原因转向器主、从动轴轴承装配过紧;转向器啮合传动副啮合过紧或润滑不当;横、纵拉杆球头销装配过紧或接头处缺油;转向节主销与衬套配合过紧或缺油;转向盘轴或套管弯曲, 相互摩擦或卡住, 转向器传动轴十字轴承咬死;转向装置和前轮定位特别是前束调整不当或前轮胎气压不足, 前桥或车架弯曲变形。

(2) 单边转向不足的产生原因转向垂臂在转向垂臂轴上位置装配不当或直拉杆弯曲变形;有一边前轮转向角限位螺钉过长;前钢板弹簧骑马螺栓松动或中心螺栓折断。

2. 动力转向系的常见故障

动力转向系实际上是在机械转向器上加装一套液压助力器。转向系的故障前已叙述, 这里动力转向系的故障往往是指液压传动部分的泄漏、渗进空气、液压泵工作不良、操纵失效等引起的转向沉重、跑偏和噪声。

(1) 转向沉重动力转向的汽车如突然感到转向沉重甚至转不动, 应从下列原因检查:油箱油量不足、滤油器堵塞、油路中有空气、液压泵磨损导致内部泄漏严重、驱动皮带打滑、安全阀泄漏、弹簧太软、液压缸或分配阀密封圈损坏、各油管接头泄漏等。

(2) 直线行驶发飘、跑偏或左右转向轻重不均这种故障首先检查油液是否脏污, 油液脏污会使滑阀运动受到阻滞或左右移动时阻力不一致。其次是分配阀回位弹簧太软, 难以克服阻力回位所致。当调整螺母调整不当时, 也会使滑阀与阀体台肩的缝隙不一致, 或者动力缸两腔压力差过大。

(3) 动力转向系统出现噪声动力转向系统经常会出现工作噪声, 此故障往往是液压系统油路缺油或渗入空气过多造成液压泵工作时走空穴而产生噪声。当液压泵机件损坏时, 也会产生不正常摩擦声和撞击声。

汽车转向系检测

转向系是汽车底盘的主要组成部分之一, 其技术状况主要是指转向盘的转向力和自由转动量, 其好坏直接影响汽车操作稳定性和高速行驶的安全性。也就是开车时转向盘是否打摆、自由转动量是否太大和高速行驶时是否跑偏等现象。利用仪器设备对这两个参数进行检测, 从而确切地判断转向系的技术状况是否合格。现在, 大部分汽车安全检测站将此项工作的检测移至外观工位, 只凭外观检验员的经验进行检测, 并且不检测转向盘的转向力, 带有一定的盲目性, 建议应向仪器设备方面检测过渡。而汽车综合性检测站在检测线上普遍使用转向参数测量仪, 并对这两个指标进行检测。

1.转向盘转向力的检测

如果一辆车的转向盘使用起来比较轻便, 能够明显减少驾驶员的疲劳程度, 那么, 转向盘的转向轻便性如何进行评价呢?我们可用作用在转向盘上外缘的最大切向力即转向力来表示。使用转向参数测量仪可检测其相应的技术状况。

转向参数测量仪如图3所示。其基本组成有操纵盘、主机箱、联接和定位杆四部分。此转向参数测量仪适用于汽车、拖拉机、工程机械及其他轮式车辆的转向性能试验。可以测量方向盘的自由转角、原地转向力、方向盘转矩、转角等值, 具有联网功能, 可与主控计算机和其他检测设备一起构成智能化检测线。整机电路设计采用单片机以及A/D转换集成电路作为测试数据处理单元, 高亮度数码管作为测试数据显示器件, 具有测试数据精确、显示直观、性能稳定等特点。在测试中自动存储本次测试过程中的转矩和转角的最大值以及当时相应的转角值和转矩值。用户也可以在测试过程中将当前的测试值实时地存储起来。

通常, 将转向参数测量仪安装在转向盘上面, 并对准转向盘的中心, 使操作盘固定在转向盘上, 同时操纵盘又固定在底板上, 通过底板上的力矩传感器与联接相连。主机箱也固定在底板上, 内有微机和打印机等。此外, 定位杆的主要作用是从底板下伸出, 经磁力座吸附在驾驶室内的仪表盘上, 主要起零点定位作用。

其工作原理比较简单, 当转动操纵盘时, 一方面带动汽车转向, 另一方面力矩传感器将转向力矩转变成电信号, 而定位杆内的光电装置将转角的变化也转变成电信号, 这两种模似电信号通过放大滤波电路和模数转换器送入到微机, 即可测得转向力、转向盘转角和转向盘自由转动量的大小。

一般的检测方法有三种, 即原地转向力试验、低速大转角转向力试验和弯道转向力试验。不过, 在综检站通常采用原地转向力试验的方法来检测其转向力。

2. 转向盘自由转动量的检测

当汽车保持直线行驶位置不动时, 可以向左或向右轻轻转动转向盘时, 发现汽车的转向轮并没有动, 我们把转向盘的这个游动角度称为自由转动量, 也就是说在转动转向盘时的自由量。在用转向参数测量仪检测时, 先定好零点, 然后从中间位置向左转动到车轮似动非动时, 记下测量值;再回到中间位置, 然后向右转动到车轮似动非动时, 记下测量值。取两次测量结果的最大值作为其自由转动量, 并与国家标准G B7258—1997《机动车过行安全技术条件》中的有关规定进行对比, 从而判断其是否合格。

国家标准G B7258—1997《机动车运行安全技术条件》中的有关转向力的要求如下:机动车在平坦、硬实、干燥和清洁的水泥或沥青道路上行驶, 以10km/h的速度在5s之内沿螺旋线从直线行驶过渡到直径为24m的圆周行驶, 施加于转向盘外缘的最大切向力不得大于245N。

转向盘自由转动量对最大自由转动量从中间位置向左或向右转角根据情况有所不同:

(1) 最大设计车速不小于100k m/h的机动车10°。

(2) 最大设计车速小于100k m/h的机动车 (三轮农用运输车除外) 15°。

(3) 三轮农用运输车22.5°。在安检线上, 一般只凭外观检验员的经验进行检测, 通常的方法是:右手握住转向盘的中间位置, 向左或向右转动转向盘, 从而判断其自由转动量的大小。

当自由转动量超过规定值时, 一定要引起注意, 最好进行修理, 查出隐患, 消除故障, 确保行车安全。

结论

汽车转向试验台 篇6

市场上测试汽车转向器的试验台较少、控制精度较低、对真实路面的模拟还远远不够,体现在控制算法不能满足试验台的要求。目前国内外没有较为完整的PID控制算法的试验台,本文根据现有试验台出现的各种干扰和因素,设计有针对性的改进算法。工业控制器中大多数采用的是经典PID控制算法,不能满足试验台的要求。本文重点是针对加载曲线出现的给定值频繁升降、静差较大、多噪声信号等特性,提出了采用粒子群优化参数的复合PID控制算法。

1汽车转向器疲劳试验台组成

汽车转向器疲劳试验台的硬件结构由负载电机、 联轴器、传感器、汽车转向器、主动电机以及控制器组成,如图1所示。

负载电机通过联轴器1和传感器1相连,传感器1可以测出实际负载值反馈回控制器。传感器1通过联轴器2连接汽车转向器的一轴端。主动电机模拟人力方向盘,通过联轴器4连接传感器2,传感器2把真实主动力矩反馈回控制器。传感器2通过联轴器3连接汽车转向器的另一轴端。

2试验台整体模型

试验台的建模考虑到同步电机数学模型、扭矩传感器数学模型、SVPWM驱动数学模型、被动加载系统简化模型、联轴器数学模型以及助力电机数学模型, 总体的试验台传动图如图2所示。

3控制器中的复合算法

复复合合PID控控制制器器如如图图3所示,图中各参数如表1所示。

首先采用工程 整定方法 粗略地给 定PID参数Kp、Ki和Kd,再利用粒子群算法寻优得到最优PID参数。微分先行适用于给定值频繁升降的场所,避免了系统振荡,改善了系统的动态性能。图3中微分先行 D 为对其进行离散化:

其中:γ为参数,γ<1;Ts为采样时间;Td为微分时间常数;y(k)和y(k-1)为当次和 下一次反 馈前值; ud(k)和ud(k-1)为当次和下一次的微分输出。

积分环节会造成积分误差的积累,引入积分分离就是在误差过大时取消积分作用,当误差在允许范围内则启动积分,这样就可以消除大部分静差,提高控制精度。对积分环节进行离散化,则有:

其中:uPI(k)和uPI(k-1)为当次和下一次的比例积分拉氏反变换;kp为比例系数;e(k)和e(k-1)为当次和下一次的误差;Ti为积分时间常数;β为积分项的开关系数(当|e(k)|≤ε时,β=1;当|e(k)|>ε时,β=0;ε 为阀值)。

噪声对采集曲线的影响比较大,本文采用低通滤波器过滤有干扰的高频信号,通过改变滤波器参数τ来改变滤波的频率。图3中滤波器对应为滤波系数),对其离散化:

其中:yf(k)和yf(k-1)为当次和下一次经滤波后的反馈值。

4粒子群算法的设计

粒子群算法中每组PID参数变化率和参数的更新公式为:

其中:w为惯性因子;Vin(k)和Vin(k+1)分别为当代粒子移动速度和后一代粒子移动速度;c1和c2为学习因子;r1和r2为介于[0,1]之间的随机数;Xin(k)和Xin(k+1)分别为当 代粒子位 置、后一代粒 子位置; Pin(k)为粒子个体极值;Pgn(k)为粒子全局极值。

以上加速常数c1和c2分别用于控制粒子指向自身或邻域最佳位置的运动。相关文献建议φ=c1+c2≤ 4.0,通常取c1=0.3,c2=1.2。n为随机PID参数组数,n=50,本文计算中取惯性因子w=0.9。

5仿真结果

(1)当输入为带有高频干扰的方波信号时,分别得出经典PID和复合PID算法的仿真结果,如图4所示。

(2)把实验曲线加载到系统中的仿真结果如图5所示。

6结论

粒子群算法优化PID参数的特点是参数少、原理简单、收敛速度较快等特点。通过粒子群优化算法结合各类PID算法(微分先行PID控制算法、积分分离PID控制算法)和算法加载滤波器构成的复合算法,应用各类算法的优点,对疲劳试验台进行跟踪和仿真,与经典PID算法进行比较表明:复合算法可明显提高控制过程的精确度,加快了控制响应。

摘要：转向器试验台的加载曲线一般具有给定值频繁升降、静差较大、多噪声信号等特性。针对加载曲线的这些特征采用微分先行PID算法、积分分离PID算法和加载滤波器构成的复合算法来克服和改进以上出现的问题。采用粒子群优化算法(PSO)对PID参数优化,在线调整PID的参数,经带有复合算法优化算子的PID算法计算,获得控制量以控制转向器试验台向着用户加载的曲线运行。通过仿真证明控制效果良好、降低了系统的超调、提高了动态性能和稳态精度,达到了较高的工程应用价值。

汽车转向系统的发展 篇7

汽车转向系统的控制部分近年来发展迅速, 1954年, 凯迪拉克汽车公司首次把液压助力转向应用于汽车上。经过几十年的技术革新后, 又出现了电控液压助力转向系统。1988年, 日本铃木汽车公司首先在其小型轿车Cervo上装备了电控电动助力转向系统 (EPS) 。近几年, 市场上又出现了一些新技术——四轮转向系统及线控转向系统等, 它们主要应用在一些比较高级或新型轿车上。由于技术与价格方面的原因, 这两种转向系统目前还没有得到广泛应用。

一、机械控制液压助力转向系统

1. 系统结构和工作原理

机械控制液压助力转向系统是在机械转向系统的基础上加装一套液压动力辅助装置组成的, 如图1所示。转向油泵安装在发动机上, 由曲轴通过皮带驱动并向外输出液压油。转向油罐由进、出油管接头通过油管分别与转向油泵和转向控制阀相连, 转向控制阀用以改变油路。机械转向器和油缸体形成左、右两个工作腔, 它们分别通过油道与转向控制阀连接。

当汽车直线行驶时, 转向控制阀使转向油泵泵出来的工作液直接进入油罐, 转向油泵处于卸荷状态, 动力转向器不起助力作用。当汽车需要转向时, 驾驶员转动方向盘, 转向控制阀使转向油泵泵出来的工作液向左或右推动活塞, 通过传动机构使左、右前轮向左或右偏转, 从而实现汽车的转向行驶。

2. 系统工作特点

液压助力转向器的工作压力可高达10MPa以上, 其部件尺寸很小。液压系统工作时无噪声, 工作滞后时间短, 而且能吸收来自不平路面的冲击。因此, 液压助力转向器已在各类各级汽车上获得广泛应用, 目前别克系列轿车均采用液压助力转向系统。

二、电子控制液压助力转向系统

电子控制液压助力转向系也靠液压力帮助驾驶员转向, 但其液压泵 (齿轮泵) 是通过电动机驱动的, 与发动机在机械上毫无关系, 其助力效果只与方向盘速度和车辆的行驶速度有关。

1. 系统结构和工作原理

电子控制助力转向系统主要由动力转向器、转向助力传感器、单向阀、车速传感器、转向控制灯、发动机传感器、动力转向ECU、电动液压泵、限压阀、储油罐组成。动力转向ECU接收各传感器传来的信号 (包括方向盘转角变量、车速和发动机转速等) , 据此控制电动机的转速, 改变液压泵的供油量, 从而调整动力转向器中油压和辅助转向力的大小。方向盘转角增量越大或车速越低, 电动机转速越高, 液压泵的供油量也越大。

2. 系统工作特点

根据动力转向ECU提供的供油特性, 在车辆低速行驶时, 系统的助力作用较大, 驾驶员操纵轻便灵活;在车辆高速行驶时, 系统的助力作用减弱, 驾驶员的操纵力增大, 具有明显的路感, 既保证转向操纵的舒适性和灵活性, 又提高了高速行驶的稳定性和安全感。上海大众波罗、欧宝ASTRA轿车和丰田花冠轿车等很多中档车型都是采用这种动力转向系统。

由于利用电动机驱动液压泵进行转向助力, 因此电子控制液压助力转向系统也被称为“混合式”动力转向系统。因为液压泵的供油量主要是由方向盘转角变化量和车速决定的, 其共有特性更符合转向系统对助力作用的实际要求, 因此节省能量, 并能够获得更加理想的转向助力特性。但是, 它在不转向时仍然存在能量损失, 而且液压系统的固有缺陷仍然存在, 电动机直接助力转向系统则更好地解决了这些问题。

1-方向盘2-转向轴3-转向中间轴4-转向油管5-转向油泵6-转向油罐7-转向节臂8-转向横拉杆9-转向摇臂10-整体式转向器 (包括转向控制阀、液压油缸、机械转向器) 11-转向直拉杆12-转向减振器

三、电子控制电动助力转向系统

电子控制电动助力转向系统 (EPS, Electric Power Steering) 最先在日本获得实际应用。1988年, 日本铃木汽车公司开发出一种全新的电子控制电动助力转向系统, 并首先装备在其Cervo小型轿车上, 随后又配备在Alto微型轿车上。此后, 电动助力转向技术得到迅速发展, 其应用范围从微型轿车、小型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的其它汽车公司, 如大发、三菱、本田, 以及美国的Delphi公司、英国的Lucas公司、德国的ZF公司, 也都研制出了各自的EPS。

1. 系统结构和工作原理

电动助力转向系统是电子技术在汽车上的应用, 也是中、小型乘用车动力转向系统的发展方向, 它将会逐渐取代液压助力转向系统。图2为一汽-大众迈腾轿车的电动助力转向系统构成。

当汽车进行转向时, 转向传感器会“感觉”到方向盘的力矩和拟转动的方向, 这些信号会通过数据总线发送给电子控制单元, 电子控制单元会根据转动力矩、拟转动的方向等数据信号, 向电动机控制器发出动作指令, 电动机会根据具体的需要输出相应大小的转动力矩, 从而产生助力转向。在汽车不转向时, 该系统不工作, 处于“休眠” (Standby) 状态等待调用。

2. 系统工作特点

(1) EPS能在各种行驶工况下提供最佳助力, 减小由路面不平所引起的对转向系统的扰动, 改善汽车的转向特性, 减轻汽车低速行驶时的转向操纵力, 提高汽车高速行驶时的转向稳定性, 进而提高汽车的主动安全性。此外, 可以通过设置不同的转向助力特性来满足不同使用对象的需要。

(2) EPS只有在转向时电动机才提供助力 (不像HPS, 即使在不转向时油泵也一直运转) , 因而能减少燃料消耗。由于直接由电动机提供助力, 电动机由蓄电池供电, 因此EPS能否提供助力与发动机是否起动无关, 即使在发动机熄火或出现故障时, EPS也能提供助力。

(3) EPS取消了油泵、皮带、皮带轮、液压软管、液压油及密封件等, 其零件数目比液压助力转向系统大大减少, 因而其质量更轻、结构更紧凑, 在安装位置的选择方面也更加容易, 并且能降低噪声。EPS不存在渗油问题, 消除了液压助力系统的液压油泄漏问题, 可大大降低保修成本, 并减少了对环境的污染。

四、四轮转向系统

四轮转向系统 (4WS, Four Wheel Steering) 在20世纪80年代中期开始发展, 其主要作用是提高汽车高速行驶或在侧向风力作用时的操纵稳定性, 改善汽车低速行驶时的操纵轻便性, 以及减小在停车场驻车时的转弯半径。本田Prelude轿车、马自达602轿车以及GM Blazer XT-1概念车都曾应用了四轮转向技术。四轮转向系统除了传统的以前轮为转向轮外, 后面的两个车轮也是转向轮, 所以称为四轮转向系统。

1. 系统结构和工作原理

四轮转向系统有4个主要部件, 即前轮定位传感器、可转向的整体准双曲面后轴、电动机驱动的执行器以及1个控制单元。当按动按钮选定四轮转向 (4WS或4WS挂车) 模式时, 四轮转向系统处于激活状态。

四轮转向系统配备了2个传感器, 其中1个传感器安装在转向柱上, 用以检测方向盘的转向角度;另1个传感器安装在变速器上, 用于提供车速信号。来自这2个传感器的信号都能及时地传递至ECU。

ECU是一个包含2个具有10MHz运行速度及128K内存的微处理器的集成单体, 每只微处理器根据转向及车速传感器的输入信息进行独立运算, 并同时启动系统自检功能, 以确定系统自身功能是否正常。ECU通过比较2个微处理器的计算数据来确定转向系统是否正在正确执行。如果一切正常, 那么ECU将启动后轴转向驱动电机。

在此过程中, 微处理器以0.004s/次的频率持续不断地反复进行转向角度的计算和转向系统故障自检, 一旦四轮转向系统出现异常或传感器出现错误时, 后轴转向执行电机立即自动驱动后轴回正, 同时系统由4WS模式切换至2WS (传统的两前轮转向) 的安全转向模式。即便在转向过程中ECU出现灾难性故障, 后轴转向齿条机构内部的回位弹簧也能够使后轴慢慢回复至中立位置, 并同时使后轴转向电机关闭, 以阻止后轮的转向动作。

根据车速的不同, 系统转向后轴具有三种转向动作, 即异相、中相和同相。车辆低速行驶时, 后轮转弯方向与前轮相反, 这就是异相。车辆中速行驶时, 后轮正直, 即保持中相。车辆高速行驶时, 后轮与前轮转弯方向相同, 即为同相。车辆低速行驶时, 异相拖曳操纵, 尾部跟随车辆的真实轨迹, 比两轮转向更紧密, 这使得在城市交通中的驾驶更容易。在倒车上船板或野营带拖车停车时, 四轮转向系统将使操纵更加容易。在倒拖车时, 异相极大地改进了拖车对转向动作的反应, 更容易使车辆就位。

2. 系统工作特点

四轮转向技术极大地提高了SUV、MPV、大型皮卡和卡车的操纵性及舒适性。

首先, 缩小了车辆低速转向时的转弯半径。在低速转向时, 车辆因前、后轮的反向转向, 能够缩小转弯半径达20%。四轮转向技术使大型车辆具有如同小型车辆的操纵性及泊车敏捷性。

其次, 明显改善了车辆高速行驶的稳定性。当车辆在高速行驶中转向时, 四轮转向系统通过后轮与前轮的同向转向, 有效地降低和消除了车辆侧滑事故的发生几率, 明显改善了车辆的高速行驶稳定性及安全性, 进而缓解了驾驶者在各种路况下 (尤其是风雨天气) 高速驾车的疲劳程度。

第三, 提高了车辆的挂车能力。通过转向后轴对挂车的转向牵引, 四轮转向系统极大地提高了车辆挂车行驶的操纵性、稳定性及安全性。

五、线控转向系统

线控转向系统 (SBW, Steering By Wire) 的研究可以追溯到20世纪60年代末期, 当时德国的Kasselmann等试图将方向盘与转向车轮之间通过导线连接, 但由于当时电子技术和控制技术的制约, 一直无法在实车上实现。到了1990年左右, 世界上各大汽车厂商、研发机构先后开始对SBW进行深入研究。目前, 在一些汽车公司的概念车型上已经安装了SBW系统, 预示着未来汽车的一个发展方向。

1. 系统结构和工作原理

线控转向系统是更新一代的汽车转向系统。线控转向系统与上述各类转向系统的根本区别, 就是取消了方向盘与转向轮之间的机械连接。线控转向系统由方向盘模块、转向执行模块和主控制器ECU等3个主要部分及自动防故障系统、电源等辅助模块组成。

该系统有2个电动机, 即路感电动机和驱动电动机。路感电动机安装在转向柱上, 控制器根据汽车转向工况控制路感电动机产生合适的转矩, 向驾驶员提供模拟路面信息。驱动电动机安装在齿条上, 汽车的转向阻力完全由驱动电动机来克服, 方向盘只是作为转向系统的一个转角信号输入装置。

2. 系统工作特点

线控转向系统能够提高汽车的被动安全性, 有利于汽车设计制造, 并能大大提高汽车的乘坐舒适性。但是, 由于方向盘与转向柱之间无机械连接, 驾驶员的“路感”比较差, 而且电子器件的可靠性难以保证。目前, 线控转向系统仍处于研究阶段, 只配备在一些概念汽车上。

汽车电控助力转向系统 篇8

汽车在行驶过程中,需要按照驾驶员的意志经常改变其行驶方向,驾驶员通过一套专设的机构使汽车转向桥上的车轮相对于汽车纵轴线偏转一定的角度,在汽车直线行驶过程中,转向轮也往往会受到路面侧向干扰力的作用,自动偏转而改变行驶方向,这套用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构,称为汽车转向系统。汽车动力转向系统是兼用驾驶员体力和发动机(或电动机)的动力作为转向能源的转向系统,在正常情况下,汽车转向所需要的能量只有一小部分由驾驶员提供,而大部分能量由发动机(或电动机)通过转向加力装置提供,但是在转向加力装置失效时,一般还应当由驾驶员独立承担汽车转向任务。因此动力转向系统是在机械转向系统的基础上加设一套转向加力装置形成的。

2 电控助力转向系统

电控助力转向系统是一种新型的汽车转向系统,具有以往任何助力转向系统所不具备的助力效果和车速感应能力,基本结构类型有EPS(Electric Power Steering)和EHPS(Electric Hydraulic Power Steering System)两种类型[1]。在操纵汽车转向时,控制单元根据扭矩传感器采集的扭矩信号、车速传感器采集的车速信号和一定助力特性规律,控制电动机电流的幅值和方向或者电液泵提供的液压力,从而形成适当的转向助力,电动机输出的扭矩或者电液泵提供的液压力由减速机构放大,通过万向节、转向机构中传送装置把输出扭矩传送到齿条,从而向转向提供助力扭矩。

3 电液助力转向系统EHPS

EHPS是在液压助力转向系统HPS(Hydraulic Power Steering)的基础上发展而来的,通用汽车公司于1953年首次使用了HPS系统,HPS系统给汽车的驾驶控制性能带来了巨大的变化:驾驶室变得宽敞,座椅布置也更舒适;HPS系统不仅降低了转向操纵力,也使转向系统更为灵敏。这一技术的进一步发展,使得动力转向系统在体积、功率消耗和价格等方面都取得了很大的进步。20世纪80年代后期,又出现了变减速比的HPS系统,随即变减速比的HPS系统几乎成为发达国家所销售的轿车的标准设备[2]。图1所示为HPS系统。

在接下来的数年内,动力转向系统的技术革新差不多都是基于液压转向系统,比较有代表性的是变流量泵液压动力转向系统(Variable Displacement Power Steering Pump)和电动液压助力转向(Electric Hydraulic Power Steering,简称EHPS)系统。变流量泵助力转向系统在汽车处于比较高的行驶速度或者不需要转向的情况下,泵的流量会相应减少,从而有利于减少不必要的功耗。EHPS系统采用电动机驱动转向泵,由于电机的转速可调、可以即时关闭,所以也能够起到降低功率消耗的功效。图2和图3分别为EHPS系统的工作原理和结构原理图。

整套电动液压式动力转向系统主要由机械装置(转向伺服阀、电液油泵及其管路)和电气装置(控制器、传感器、电磁阀等)两部分组成。控制器根据转向角速度和来自CAN总线的车辆行驶速度发出信号驱动齿轮泵,通过控制齿轮泵的泵油量来达到控制助力转向传动装置的目的。

转向泵和内燃发动机独立,电液转向泵的转速根据需求特殊设定并受控于车速和转向角速度两个参数。相比HPS耗油量占整车耗油量的3%的情况,EHPS系统节能>75%,其中待机控制模式下耗油量2.0%,停止和前进控制模式下耗油量1.0%。

EHPS系统虽然对于HPS系统作了革新措施,但是并没有根除液压动力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面的缺陷。同时存在着液压油的渗漏,零部件增加后管路设计复杂,不便于安装维修和检测,同时成本也有大幅增加。

4 电动助力转向系统EPS

电动助力转向系统是在传统机械转向机构基础上,增加信号传感器装置、电子控制装置和转向助力机构等构成的。电动助力转向系统的功能着眼点是使用电力驱动执行机构实现在不同的驾驶条件下为驾驶人员提供适宜的辅助力。

EPS系统主要由扭矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元(ECU)等组成[3]。通过传感器探测司机在转向操作时方向盘产生的扭矩或转角的大小和方向,并将所需信息转化成数字信号输入ECU,ECU对这些信号进行运算后得到与行驶工况相适应的力矩,并发出指令驱动电动机工作,电动机的输出转矩通过传动装置的作用而助力。

目前EPS系统按照电动机布置位置的不同主要分为以下3种结构类型。

4.1 转向轴助力式C-EPS

转向助力式EPS的电动机固定在转向柱一侧,通过减速机构与转向轴相连,直接驱动转向轴转向[4]。其转矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构组成一体,安装在转向柱上。其特点是结构紧凑,所测取的转矩信号与控制直流电机助力的响应性较好。这种类型一般在轿车上使用。图4所示为C-EPS系统结构原理。

C-EPS系统的优点是结构小巧、价格较低、工作环境好、不需要耐热耐水性能;缺点是电机输出力矩的波动容易传递到方向盘上,如果电动机安装位置离驾驶员很近,必须考虑对电动机的噪声进行抑制。

4.2 齿轮助力式P-EPS

齿轮助力式EPS系统的电动机和减速机构与小齿轮相连,直接驱动齿轮转向。齿轮助力式转向系统的转矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构仍为一体,只要整体安装在转向齿轮处,直接给齿轮助力,可获得较大的转向力[5]。该类型可使各部件布置更方便,但当转向盘与转向器之间装有万向传动装置时,转矩信号的取得与助力车轮部分不在同一直线上,其助力控制特性难以保证准确。P-EPS系统的结构原理如图5所示。

与C-EPS相比,P-EPS系统优点是具有可以提供较大的转向力,可以在现有的机械转向器上直接设计,而不用更改转向轴结构,多用于中型车;缺点是在助力控制特性方面比较复杂。

4.3 齿条助力式R-EPS

齿条助力式EPS系统的电动机和减速机构安装在齿条处,直接驱动齿条提供助力,其中扭矩传感器单独地安装在小齿轮处,电动机与转向助力机构一起安装在小齿轮另一端的齿条处,用以给齿条助力。R-EPS的结构原理如图6所示。

该类型又根据减速传动机构的不同可分为两种类型:一种是电动机做成中空的,齿条从中穿过,电动机提供的辅助力经一对斜齿轮和螺杆螺母传动副以及与螺母制成一体的铰接块传给齿条。这种结构是第一代电动助力转向系统,由于电动机位于齿条壳体内,结构复杂、价格比较高、维修也相当困难。另一种是电动机与齿条的壳体相互独立。电动机动力经另一小齿轮传给齿条,由于易于制造和维修,成本较低,已经取代了第一代产品。因此,齿条由一个独立的齿轮驱动,可给系统较大的助力,主要用于重型汽车。

R-EPS的优点是结构紧凑,不受安装位置的限制,可以提供较大的助力力矩,电机的力矩波动不易传递到方向盘上;缺点是该类型结构复杂、价格昂贵、工作环境差、密封要求性好、电动机的输出力矩比较大,某个零部件出现故障,必须拆下整个转向齿条部件,维修不便,而且对于原有的转向机构有较大改变。

4.4 双齿轮式DP-EPS

这种结构类型的EPS是方向盘轴通过齿轮直接和齿条相连,电机通过减速器经过另外的齿轮与齿条咬合[6]。双齿轮式DP-EPS的结构原理如图7所示。

相比HPS、EHPS、EPS这三种类型结构,这种结构类型更加简洁,整个系统由电动机、离合器(包括左、右两个)、转矩传感器和控制单元三部分构成。转矩约束装置保护驱动部件免受路面冲击,动力传输装置由左、右两个离合器组成,且每次转向只有一个工作。转矩传感器和控制单元将方向盘的转向和力矩转换为电信号,经放大后驱动电动机。方向盘的旋转方向分别对应着左、右离合器,在离合器的作用下,不论方向盘转向如何,电动机只朝着一个方向旋转。整个系统非常简单,效率非常高。

这种结构的EPS系统应用于重型车具有特殊的优势,由于技术和成本多方面的原因,目前仅有少量的研发样品,还没有大规模应用的报道。

由于EPS和EHPS系统的关键零部件有不少通用性,因此接下来以EPS系统的关键零部件为对象进行分析。

5 EPS系统关键零部件及性能分析

根据不同汽车转向系统的结构形式和总体布置,EPS系统各部件的配置与结构必须与汽车的设计相适应,常见的系统配置有以下几种形式。

(1)扭矩传感器与传动齿轮是分开的,电动机和减速机构合为一体,安装在传动齿轮相对的齿条箱上,电动机的驱动力直接传给齿条轴,控制件安装在司机助手侧的仪表盘背板上。

(2)扭矩传感器、电动机和减速机构制成一个整体,安装在转向柱上,电磁离合器装在电动机的输出端旁,控制件装在司机座位下。

(3)扭矩传感器、电动机、减速机与离合器仍是制成一个整体,用以驱动传动轴,控制元件装在助手坐席处的机罩上。

5.1 扭矩传感器

扭矩传感器的功能是测量驾驶员作用在方向盘上的力矩大小和方向盘转角的大小和方向。扭矩传感器分接触式和非接触式两种[7]。

接触式扭矩传感器有摇臂式、双行星齿轮式和扭杆式。接触式扭矩传感器成本较低,但受温度与磨损影响易发生漂移,使用寿命较低,需要对制造精度和扭杆刚度进行折中,难以实现绝对转角和角速度的测量。摇臂式扭矩传感器是通过一个小齿轮轴产生的反作用力推动摇臂,根据摇臂的摆动量来监测转向扭矩;双行星齿轮扭矩传感器通过一对行星齿轮运动的位移量来监测转向扭矩,同时这对行星齿轮兼起减速和增扭作用;扭杆式扭矩传感器通过输入轴和输出轴与扭杆之间的相对变化量来监测转向扭矩。图8所示为扭杆式扭矩传感器的结构原理。

非接触式扭矩传感器有光电式和磁电式。非接触式的测量精度高、抗干扰能力强、刚度相对较高、易实现绝对转角和角速度的测量,但成本较高。

由于EPS的助力力矩控制主要取决于扭矩信号和车速信号,因此对扭矩传感器要求高。扭矩传感器类型的选取应根据EPS的性能要求进行综合考虑。

5.2 车速传感器

车速传感器用于检测车轮转速的大小,并把车轮的运动状态转变为电信号送入电子控制单元[8]。通常采用的车速传感器是一种霍尔式转速传感器,它由霍尔开关集成传感器和磁性转盘组成,其工作原理与结构如图9所示。

考虑到整车集成度以及降低成本,在实际应用中,不单独设置车速传感器,而是取自于ABS系统所采集的车速信号,并通过CAN总线方式与EPS系统进行通讯。

5.3 电动机

电动机的功能是根据电子控制单元的指令输出适宜的辅助力矩,是EPS的动力源。电动机的性能直接影响EPS系统的性能,电动机型式的选择不仅要考虑助力机构的减速比、前轴载荷、蓄电池电压,而且还必须考虑其噪声和振动对驾驶员的影响、转动惯量对EPS系统响应的影响。

1.输入轴2.磁性转盘3.小磁铁4.霍尔传感器

电动机是电动助力转向系统的关键部件之一,担负着系统控制指令执行功能。伺服电动机的选择直接关系到系统的调节品质和控制效果。

根据电动机在助力转向系统中的作用和特点,系统对它的性能提出了下列要求:

(1)尽可能高的响应频率,亦即尽可能减小转子的转动惯量,增大转矩-惯量比;

(2)良好的低速平稳性;

(3)尽可能宽的调速范围;

(4)机械特性的硬度的数值尽可能大;

(5)换向器和电刷间的接触火花尽可能小,以减小伺服噪声;

(6)过载能力强。

考虑到汽车电控系统的电源、控制特性、效率、转矩脉动、制造成本等方面的因素,所设计的系统电机考虑采用永磁无刷直流电机,参考表1。

5.4 减速机构

减速机构的作用是降低电动机的输出轴的转速,从而将电动机输出轴的输出转矩放大后作用于转向输出轴。减速机构主要有两种形式:双行星齿轮减速机构和蜗轮蜗杆减速机构。

双行星齿轮减速机构采用了双行星齿轮和传动齿轮驱动组合式。因为是多级减速,可提供较大的助力扭矩。为了降低噪声和提高使用寿命,减速机构部分采用树脂材料齿轮。双行星齿轮减速机构因为可提供较大的助力,通常用在小齿轮助力式和齿条助力式系统。

蜗轮蜗杆减速机构简单,体积小,噪声低,成本较双行星齿轮减速机构低。其提供的助力虽不及蜗轮蜗杆减速机构,但已能满足轿车的助力要求,因此,蜗轮蜗杆减速机构通常用在转向柱助力式的轿车转向系统中。

在实际应用中,为了降低EPS系统噪声和提高其使用寿命,减速机构采用树脂材料齿轮。

5.5 电磁离合器

电磁离合器安装在电动机和减速机构之间,作用是使电动机和减速机构快速的结合和分离,即当低速转向时,电子控制单元输出控制信号使离合器吸合,从而将电动机的输出扭矩通过离合器传递到减速机构上。而当车速超过预置车速时,电子控制单元输出控制信号使离合器断开,离合器失去励磁电流而分离。此外,电动机出现故障时,离合器分离,使电动机和减速机构脱开,转向系统便从电动助力方式切换为机械转向方式,保证了系统的安全。

对电磁离合器的性能不仅要求其满足稳定可靠地结合和分离,较好地实现扭矩的传递,还要有较高的响应速度。EPS系统中多采用单片式电磁离合器,当电流通过滑环进入电磁离合器线圈时,主动轮产生电磁吸力,带花键的压板被吸引与主动轮压紧,于是电动机的动力经过轴、主动轮、压板、花键、从动轴传递给执行机构。

5.6 电子控制单元ECU

电子控制单元(ECU)是EPS系统的控制核心,由微电脑、A/D变换器、I/O装置等组成。其功能是根据扭矩传感器信号和车速传感器信号进行逻辑分析与计算后发出指令,控制电动机和离合器的动作,从而实现EPS系统的助力转向特性。此外,ECU还有安全保护和自我诊断功能,ECU通过采集电动机的电流,发电机电压,发动机工况等信号判断系统工作状态是否正常,一旦系统工作异常,助力将自动取消,同时ECU将进行故障诊断分析。图10所示为助力转向系统ECU的组成结构框图。

EPS系统的电子控制单元包括控制系统硬件和控制算法,在设计电子控制单元时要考虑两方面:一是控制系统应有强抗干扰能力,以适应汽车多变的行驶环境;二是控制算法应快速正确,满足实时控制的要求,并能有效地实现理想的助力规律与特性。

6 EPS系统的数学模型

由于系统是多变量、强耦合的非线性系统,同时系统存在未建模动态以及外部的干扰和参数的变化等未知因素,因此建立适合于实际控制的EPS数学模型是控制设计的基础。根据物理模型,可得到EPS系统的三自由度动态数学模型。根据牛顿运动定理,简化该非线性系统的转向轴、齿条轴、电机的线性运动方程如下所示[10]:

式中:Td为转向盘转矩;x、m和b分别为齿条的位移量、质量和阻尼系数;θs、Js、Ks、bs分别为转向轴的旋转角、转动惯量、刚性系数、阻尼系数;rs为齿轮半径;θm、Jm、Km、bm分别为电机的旋转角、转动惯量、刚性系数及阻尼系数;G为电机至齿轮轴的减速比;FTR为轮胎转向阻力及回正力矩等作用于齿条上的转向阻力[11]。

式(1)为转向轴的动态方程。其中θs为转向盘转过的角度,为齿轮转过的角度,为转向传感器的输出,表现为测量到的转向盘转矩信号,Td为转向盘的转矩。式(2)为齿条轴的动态方程。其中分别为转向轴力与助力电机经减速机构后引起的齿条位移,式(3)为电机的动态方程。其中为电机的输出转矩,Tm为电机的给定电磁转矩。值的大小决定于电机的给定电流大小。

7 EPS的故障保护功能

EPS系统对安全性能要求很高,系统在实际运行中不可避免的会出现一些问题,这些问题可能直接导致事故的发生。因此设计时需要建立故障保护模块,使驾驶员能够第一时间了解所出现的故障以便及时排除。在进行系统设计时需要考虑的故障保护因素有以下几点。

(1)机械设计的强度、精度。机械传动机构如齿轮齿条机构的输入/输出轴,丝杠和转向机构,必须保证高强度以及精密配合。

(2)电子器件的额定值以及使用寿命。如MOSFET管的功率和电机必须按标准选择以保证高安全性。同时考虑车内的恶劣工作环境,要求其有足够的使用寿命。

(3)误操作处理能力。如果发生对EPS系统误操作,控制系统必须考虑到足够自控性能。

(4)信号故障。保障采集信号的正确性,即使采集不到信号,系统也应有能够避免事故发生的设计。

(5)EPS失效时的手动操作。当EPS系统失效时,应立即由电动转向转换为手动转向操作。

(6)故障显示。任何一部分出现故障时,显示屏应能将对应故障代码显示出来。

引起系统故障的因素主要有以下几个:

(1)电源(即车载电池)的电压,如果电压低于指定值,就无法得到所需的电机转矩Tm;

(2)电机电枢电流,如果电枢电流过大,则会烧毁ECU中的电子器件;

(3)方向盘转矩转角等信号。

8 总结

电控助力转向系统作为一项高新技术产品,是近年来国内外汽车界研究开发的热点。它涉及到汽车力学、轮胎力学、电机控制技术、电力电子技术、传感器技术、计算机技术和现代控制理论等诸多技术领域,因此对它的研究将是一项长期而艰巨的任务。

摘要：介绍了汽车电控助力转向系统的基本情况和主要的特点,分析论述了该系统目前的国内外研究状况,并且讨论了该系统的数学模型和错误诊断方式。

关键词：电控助力,控制策略,转向系统

参考文献

[1]刘晓.汽车电动助力转向系统特性及其优化研究[J].载运工具运用工程,2005(04):26-32.

[2]赵燕,周斌.汽车转向系统的技术发展趋势[J].汽车研究与开发,2003(02):37-42.

[3]冯樱,肖生发.汽车电子控制式电动助力转向系统的发展[J].湖北汽车工业学院学报,2001(03):27-34.

[4]吴修仪.北京第五届国际汽车展览会上的电动转向系统[J].汽车与配件,1998(06):65-70.

[5]于建成.汽车电动助力转向系统的研究与开发[J].电力电子与电力传动,2005(03):45-51.

[6]张云安.汽车电动助力转向系统控制技术的研究[J].电力电子与电力传动,2005(03):54-60.

[7]林逸,施国标.汽车电动助力转向技术的发展现状与趋势[J].吉林大学学报,2001(05):57-64.

[8]陈红琳.汽车电动助力转向系统的研究与开发[J].机械电子工程,2003(04):66-73.

[9]姚胜华.电动助力转向系统的研制[J].动力机械及工程,2004(06):34-42.

[10]卓敏.EPS控制系统的研究与开发[D].南京:东南大学,2003.

SBW——汽车转向技术的未来 篇9

1. SBW的组成和工作原理

1) SBW的组成

SBW由方向盘总成、主控制器 (ECU) 和转向执行总成三个主要部分以及自动防故障系统、电源系统等辅助系统组成, 如图1所示。

方向盘总成包括方向盘、方向盘转角传感器、方向盘力矩传感器、方向盘回正力矩电机和机械传动装置, 其主要功能是将驾驶员的转向意图 (通过测量方向盘转角) 转换成数字信号并传递给主控制器, 同时接收主控制器传送来的控制信号, 产生方向盘回正力矩, 以提供给驾驶员相应的“路感”信息。

主控制器对采集的信号进行分析处理, 判别汽车的运动状态, 向方向盘回正力矩电机和转向执行电机发送命令, 控制两个电机协调工作, 保证各种工况下都具有理想的车辆响应, 减轻驾驶员对汽车转向特性随车速变化而进行补偿的任务。主控制器还可以对驾驶员的操作指令进行识别, 判定在当前状态下驾驶员的转向操作是否合理, 当汽车处于非稳定状态或驾驶员发出错误指令时, SBW将自动进行稳定控制, 或将驾驶员错误的转向操作屏蔽, 以合理的方式自动驾驶车辆, 使汽车尽快恢复到稳定状态。

转向执行总成包括前轮转角传感器、转向执行电机、转向电机控制器和前轮转向组件等。转向执行总成的功能是接收主控制器的命令, 通过转向电机控制器、转向执行电机来控制转向车轮转动, 实现驾驶员的转向意图。同时, 由前轮转角传感器将测得的前轮转角信号反馈给主控制器。

2) SBW的工作原理

当驾驶员转动方向盘时, 方向盘转角传感器和方向盘力矩传感器将测量到的方向盘转角和转矩转变成电信号输入到ECU, ECU根据前轮转角算法计算得到参考前轮转角, 控制转向执行电机的旋转方向、转矩大小和旋转的角度, 通过机械转向装置控制转向轮的转向位置, 以实现该参考前轮转角。同时, ECU由车速传感器和前轮转角传感器的信号, 根据方向盘回正力矩算法得到方向盘回正力矩, 以此来控制方向盘回正力矩电机的旋转方向, 使汽车沿着驾驶员期望的轨迹行驶, 实现汽车转向的主动控制。

2. SBW的性能特点

SBW是线控驱动 (X-By-Wire, 也称作柔性控制系统) 的一种, 是从应用于飞机驾驶控制上的Fly-ByWire发展而来的。SBW通过通讯网络连接各部件的控制系统, 在方向盘和转向轮之间不再采用机械连接, 彻底摆脱了传统转向系统固有的限制, 能够实现主动转向控制, 具有比EPS更好的操纵稳定性。

1) 操纵稳定性能好

首先, SBW解决了传统汽车无法解决的汽车在转向过程中转向力与转向响应时间之间的矛盾, 使得转向系统和方向盘同步工作, 控制更加灵敏。

其次, SBW由软件设定传动比, 具有可变传动比的特点, 克服了传统汽车固定的转向角传动比带来的车辆转向特性随行驶姿态的不同而发生变化的缺点。在低速行驶时, 转向比率低, 可以减少转弯或停车时方向盘转动的角度, 减轻转向操纵力;在高速行驶时, 转向比率变大, 可获得更好的直线行驶条件, 使车辆的转向稳定性得以提高。

第三, 由于方向盘和转向车轮之间无机械连接, 驾驶员的“路感”通过模拟生成, 可以从信号中提出最能反映汽车实际行驶状态和路面状况的信息作为方向盘回正力矩的控制变量, 使方向盘仅向驾驶员提供有用的信息, 从而为驾驶员提供更为真实的“路感”, 汽车的操纵性得以增强。

最后, SBW可以综合考虑车辆弯道行驶和车身横向稳定性控制, 车辆的操纵稳定性和安全性得以进一步提高。

2) 提高了被动安全性

采用SBW可以去掉方向盘、转向柱等机械结构, 改用操纵杆控制车辆, 使驾驶室有更大的空间来布置被动安全部件, 增强对驾驶员的保护。即使仍然保留方向盘, 由于SBW取消了转向柱, 使得转向系统的强度降低, 从而避免了在撞车事故中转向柱对驾驶员的伤害。

另外, ECU能根据汽车的行驶状态判断驾驶员的操作是否合理并做出相应的调整, 当汽车处于极限工况时, 能够自动对汽车进行稳定控制。

3) 舒适性得到提高

SBW由蓄电池向电机供电, 能否助力与发动机是否起动无关, 即使在发动机熄火或出现故障时, SBW也能提供助力。由于消除了机械结构连接, 地面的不平和转向轮的不平衡不会传递到转向轴上, 从而减轻了驾驶员的疲劳程度。

另外, 由于去掉了方向盘、转向柱等机械结构, 驾驶员腿部的活动空间增大, 出入车厢更加方便。

4) 有利于环境保护

SBW仅仅在需要转向时电机才有功率输出, 因而能减少燃料消耗。同时, 由于省去了传递效率极低的皮带传动, 结构更加紧凑, 并能降低噪声、减少废气排放。在SBW中取消了液压助力装置, 从而避免了因液压油泄漏和液压油管、油封等废弃物对环境造成的污染。

5) 有利于整合底盘技术, 降低开发成本

目前, 底盘电子控制技术在现代车辆上得到了广泛的应用, 其中有很多技术都需要控制车辆的横向稳定性, 因此有待于进一步整合。

SBW能消除转向干涉问题, 有利于综合利用主动悬架、ASR或ESP等系统的传感器, 实现数据共享, 为实现多功能、全方位的自动控制, 为汽车动态控制系统和汽车平顺性控制系统的系统集成提供了条件。

对于前轮驱动的轿车, 采用SBW后, 由于去掉了方向盘、转向柱等刚性机械连接结构, 给发动机舱节省了空间, 方便了底盘总布置的设计, 可以降低开发成本。

另外, 由于转向回正力矩能够通过软件进行调整, 因此, SBW通过修改部分参数就可以应用于其它车型, 缩短了新车型的设计、开发周期。

3. 有待解决的问题

SBW最为显著的特点是驾驶员的转向操作与车轮转向实施之间是通过ECU进行协调处理的, 系统的设计必须满足以下要求:合理的转向控制策略, 能正确执行驾驶员的转向意图;系统稳定可靠, 具有较高的容错性;符合人们当前的驾驶习惯, 准确地向驾驶员反馈车辆的行驶状态信息。因此, SBW涉及到的关键技术包括传感器技术、总线技术、可靠性技术等几个方面, 其应用推广还存在一些有待解决的问题。

1) 可靠性的问题

在法规日益完善的今天, SBW发展过程中最大的困扰是可靠性的问题。由于在SBW中方向盘与转向车轮之间没有直接的机械连接, 完全依靠电子和电器元件来工作, 一旦电控系统出现故障, 车辆将处于失控的状态。目前, 电子部件还没有达到机械部件那样的可靠程度, 电子产品能否经受住各种行驶工况下温度、湿度以及耐久性的考验, 一直是人们所关心的问题, 这也是SBW急需解决的、最突出的问题。为了解决这个问题, 国外一些汽车公司采用了系统冗余和容错技术, 但现在还无法在可靠性与成本之间取得一个很好的平衡。

目前, 欧盟的70/311/EEC标准和中国的GB 17675-1999标准均要求驾驶员与转向车轮之间必须有机械连接, 不允许采用全动力转向机构, 这主要是因为考虑到可靠性和安全性的因素。

但是, 随着技术的不断进步, SBW的可靠性和安全性将会不断提高, 现在国际上这种限制性的规定也将逐渐修订。当SBW的可靠性和安全性能够达到普通动力转向系统的水平时, 其产业化也就指日可待了。据奔驰公司估计, 装备SBW的汽车要在2010年前后才能被允许在道路上行驶。

2) 动力电源的问题

动力电源承担着SBW系统中ECU和4个电机 (由于采用冗余设计, 所以方向盘回正力矩电机和转向执行电机各有2个) 及其它用电器的供电任务, 2个方向盘回正力矩电机的功率大约为50～80W, 2个转向执行电机的功率大约为500～800W, 电源的负荷相当重。因此, 要保证整个系统稳定工作, 动力电源的性能至关重要。目前, 由于蓄电池电压和功率等因素的影响, SBW只能使用24V或36V电源, 难以提供较大的转向功率。

为了满足现代汽车电气系统负荷日益增长的需要, 42V供电系统应运而生。42V电源的采用降低了负载电流, 提高了电子元件的集成度, 减小了线束直径, 电机的质量减轻了20%, 这些优点对SBW系统的开发具有决定性的影响, 必将大大推动SBW系统电机及相关部件的发展。

3) 传感器精度和成本的问题

在SBW系统中, 需要多个转向传感器参与工作 (如角位移传感器、转矩传感器、车速传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器等) , 因此传感器的精度决定了整个SBW系统的性能和可靠性。

此外, 价格昂贵也是SBW难以推广的一个重要原因。为了达到较高的容错效果, 就需要备份冗余硬件, 并且还要增加提供转向信息的传感器, 这些都使得SBW的成本居高不下。

随着各种车用传感器, 如非接触扭矩传感器、转角传感器、横摆角速度传感器等, 精度的不断提高, 随着电子芯片和电子元器件成本的降低, 预计在未来的几年内, 将会在精度和价格方面满足各种电控系统的要求, 这将使得SBW的成本在不久的将来达到消费者能接受的水平。