汽車線控轉向系統發展概況與典型布置形式

陳于思、黃錫金

1 線控轉向系統發展

線控轉向概念起源于20世紀50年代，美國天合（TRW）公司最早提出用控制信號代替轉向盤和轉向輪之間的機械連接，之后德國Kasselmann和Keranen設計了早期的線控轉向模型[1]。受制于電子控制技術，直到20世紀90年代，線控轉向才有較大進展，美國、日本以及歐洲一些國家在線控轉向的研發與推廣比較活躍，一些采用線控轉向系統的概念車陸續展出。比如1990年奔馳推出的“F400 Carving”、2000年寶馬推出的“BMW-Z22”、2002年通用推出的“HY-WIRE”、意大利博通公司設計的“FILO”、雪鐵龍越野車推出的“C-Crosser”、戴姆勒-克萊斯勒推出的“R129”以及2003年日本豐田推出的“Lexus-HPX”等。

2007年，日本捷太格特（JTEGT）公司和精工公司也分別展出了各自的線控轉向系統[2]。2013年德國公司Paravan-Industry與寶馬公司合作設計了一款搭載線控轉向系統的賽車[3]，該款車的轉向盤總成可自由地在駕駛艙左右兩側移動。同年，英菲尼迪的“Q50”成為第一款應用線控轉向技術的量產車型[4]。該線控轉向系統由路感反饋總成、轉向執行機構和3個電控單元組成，其中雙轉向電機的電控單元互相實現備份，可保證系統的冗余性能；轉向柱與轉向機間的離合器能夠在線控轉向系統出現故障時自動接合，保障緊急工況下依然可實現對車輛轉向的操縱。

2017年，美國耐世特公司開發了由“靜默轉向盤系統”和“隨需轉向系統”組成的線控轉向系統[5]。該系統可隨需轉向，在自動駕駛時轉向盤可以保持靜止，而且轉向盤可收縮至儀表盤上，從而提供更大的車內空間。

2 線控轉向系統組成

線控轉向系統最顯著的特征為去掉了傳統轉向系統中從轉向盤到轉向執行器之間的機械連接，由路感反饋總成、轉向執行總成、控制器以及相關傳感器組成。

路感反饋總成主要包括轉向盤、路感電機、減速器和矩轉角傳感器，功能是驅動路感電機實現控制器給出的反饋力矩指令，對駕駛員施加合適的路感[6]。

轉向執行總成主要由轉向電機、轉向器和轉向拉桿等部件組成，轉向電機一般為永磁同步直流電機，轉向器多為齒輪齒條結構或者循環球式結構。該部分工作原理為驅動轉向電機快速、準確地執行控制器給出的轉向角指令，實現車輛轉向的功能[7]。

線控轉向控制器功能上包括路感反饋控制策略和線控轉向執行控制策略。其中，路感反饋控制策略根據駕駛意圖、車輛狀況與路況，過濾不必要的振動，實時輸出路感反饋力矩指令。線控轉向執行控制策略，依據車輛運動控制準則，提供良好的操縱穩定性，實時輸出車輪轉向角指令。考慮到可靠性，保證車輛在任何工況下均不失去轉向能力，線控轉向執行控制的冗余防錯功能至關重要。

3 線控轉向系統的典型布置方式與比較

按照轉向電機的數量、布置位置與控制方式不同，目前線控轉向系統的典型布置方式可分為5類，分別為單電機前輪轉向、雙電機前輪轉向、雙電機獨立前輪轉向、后輪線控轉向和四輪獨立轉向。

3.1 單電機前輪轉向

該布置方式與傳統的電機助力轉向相近，對底盤構造改動較小，易于布置。當匹配轉向功率需求大的重載車型時，轉向電機可布置在齒條處或采用滾珠絲杠、齒輪減速器增大扭矩。但單電機不具有故障冗余性，且由于單電機驅動，電機功率較高。

3.2 雙電機前輪轉向

該布置方式采用2個電機共同實現前輪轉向，第一款上市的英菲尼迪“Q50”即采用這種方式。雙電機功能上可以互為冗余，但是轉向器結構、冗余控制算法較復雜，且增加了零部件成本。

3.3 雙電機前輪獨立轉向

該布置方式采用2個電機分別獨立控制左、右前輪，進一步提高了前輪轉向系統的設計自由度。斯坦福大學開發的樣車“P1”即為這種方式，其左右車輪無機械連接，占用空間小。該方式在單電機出現故障時無法冗余備份，導致轉向功能缺失，而且雙電機協調控制的復雜度較高。

3.4 線控后輪轉向

該布置方式一般作為前輪轉向的補充，例如ZF公司開發的主動后輪轉向系統（Active Kinematics Control，簡稱AKC），可在前輪轉向的基礎上對后輪左右進行最大3°的轉向，進一步實現轉向系統的高速穩定性和低速靈活性。不過采用該布置，系統零部件數量與成本增加，控制自由度增加，控制策略的復雜度也增大。

3.5 四輪獨立轉向

該布置方式是轉向系統中自由度最多的形式，4個車輪都為轉向輪，可全方位自由設計轉向特性，實現側向和零轉彎半徑行駛。吉林大學開發的“UFEV”等即為這種方式。該方式與底盤集成控制協同的潛力最大，但是零部件數量多，且四電機轉向協同控制算法更加復雜。

[1]宗長富,李剛,鄭宏宇等. 線控汽車底盤控制技術研究進展及展望[J].中國公路學報,2013,26(2):160-176.

[2]日本精工試制出最新線控轉向系統,使用兩個馬達提高汽車主動安全性能[EB/OL].http://www.ca800.com/news/d_1nrusj6oao4g4.html.

[3]Steer-by-wire application in a professional Racecar made by Paravan [EB/OL].https://www.youtube.com/watch?v=8Pf82qT5RaU.

[4]齊偉. 英菲尼迪線控主動轉向系統(DAS)淺探[J].汽車維修,2014(8):11-13.

[5]耐世特:展示最新自動駕駛應用[J].汽車與配件,2017(14).

[6]Yih P. Steer-by-wire: Implications for vehicle handling and safety[D].Stanford University,2005.

[7]王祥.汽車線控轉向系統雙向控制及變傳動比特性研究[D].吉林大學,2013.