汽车转向系统的研究与发展

汽车转向系统的研究与发展

驾驶员通过转向系统控制车辆的运动方向。转向系统设计的质量直接影响车辆的安全性和行驶的稳定性。汽车转向系统的发展主要经历了以下几个阶段:机械转向系统、液压动力转向系统、电控液压动力转向系统、电动助力转向系统、四轮转向系统、主动前轮转向系统、线控转向系统。由于车辆是一个高耦合度复杂系统,单独研究某一个或者某两个系统,并不能使整个系统的综合性能达到最优,因此,随着汽车主动安全系统的不断推出,与其他系统之间的集成控制就成为转向系统的主要发展方向。1转向系统1.1转向盘的转速比机械转向系统结构简单,性能可靠,但是转向力全部来自驾驶员的手力,因此,转向盘操纵比较沉重。为了解决汽车转向“轻”与“灵”的矛盾,可以增大转向器的角传动比。增加角传动比虽然可以减小转向盘上的手力,但是同时也造成汽车对转向操纵的反应减慢;为此人们将转向器设计成变速比,在转向盘小转角时以“灵”为主,在转向盘大转角时以“轻”为主。但是由于“灵”的范围只在转向盘中间位置附近,仅对高速行驶有意义,并且传动比不能随车速变化,所以不能从根本上解决“轻”与“灵”的矛盾。1.2助力特性分析液压动力转向系统(HydraulicPowerSteeringSystem,HPS)是在传统机械转向系统的基础上,增加转向控制阀、动力缸、油泵、储油罐和进回油罐管路等液压动力装置组成。转向控制阀根据转向盘转动方向和力矩大小控制助力油缸的油压大小,从而控制助力大小,如图1所示。虽然液压动力转向系统可提供转向助力,使转向较为轻便,但存在很多缺点:如油泵由发动机驱动,即使在不转向时,油泵也一直运转,增加了能量消耗;液压油泄露污染环境;助力特性与控制阀结构有关,系统一旦定型,助力特性便不能改变;助力与车速无关,不能协调转向轻便性和路感之间的矛盾;低温助力性能不好。随着人们对汽车经济性、环保性、安全性的日益重视,为了克服液压动力转向系统的不足,人们在液压动力转向系统的基础上,增加了电子控制单元和执行元件,将车速信号引入到系统中,开发了车速感应型电控液压动力转向系统(ElectroHydraulicPowerSteeringSystem,EHPS),如图2所示。控制单元根据车速信号改变电液转换装置的助力特性,达到在低速或急转弯行驶时助力较大,以满足转向轻便性的要求;高速时助力较小,以满足路感和操纵稳定性的要求。虽然电控液压动力转向系统实现了车速感应型助力,但由于仍然采用液压系统,液压系统本身的缺点仍然难以克服,同时由于在液压系统的基础上增加了传感器和控制单元,使系统成本增加。1.4不同助力方式的分析电动助力转向系统(ElectricPowerSteeringSystem,EPS)是在机械转向系统的基础上,用电池作能源,电动机为动力装置,直接依靠电动机提供辅助转矩的动力转向系统。整个系统由转矩传感器、车速传感器、控制器、助力电动机及减速机构等组成。根据电动机助力位置的不同,EPS系统可分为:转向管柱助力式、齿轮助力式、齿条助力式3种,如图3所示。驾驶员转动转向盘时,控制器根据转向盘转矩的大小进行助力控制,转向盘转矩越大,助力电动机提供的助力转矩也越大,提高汽车的转向轻便性;同时,控制器根据车速的高低来控制路感,车速低时提供较大的助力,车速高时提供较小的助力,增强驾驶员的路感。与液压动力转向系统和电控液压动力转向系统相比,电动助力转向系统具有以下优点:1)可获得优化的助力特性,转向轻便,路感好,提高了操纵稳定性;2)助力特性通过软件设置和修改,可以快速与车型匹配;3)当汽车不转向时,电动机不工作;转向时,电动机才工作,提供助力力矩,实现真正的“按需功能”,减少能量消耗。4)结构紧凑,便于模块化安装;5)对环境无污染;6)低温工作性能好。作为新一代的转向系统,电动助力转向系统具有广阔的发展前途。1.5车辆的运动轨迹与姿态,可以提高汽车操纵稳定性四轮转向系统(4WS)是指车辆在转向的过程中,后轮直接参与对车辆质心侧偏角及侧向运动的控制,这样不仅可以减少转向力产生的滞后,而且还可以独立地控制车辆的运动轨迹与姿态,使车辆的方向角与航向角重合,所以能有效地提高车辆的侧向稳定性和操纵灵活性。低速时,在后轮上附加一个与前轮转角相反的转角,进行逆相位转向,以减小车辆的转弯半径,提高汽车的机动灵活性;高速时,前、后轮进行同相位转向,可以极大地改善横摆角速度和侧向加速度的瞬态响应指标,提高汽车的操纵稳定性。如图4所示,β1、β2为前、后轮侧偏角。1.6双麻黄汽车转向系统在传统的转向系统中,转向传动比是固定的,在低速时,驾驶员要花很大的力气转动转向盘,转向不灵敏;高速时,转向灵敏性会增加,但是稳定性和安全性随之下降,这就构成了无法避免的矛盾。德国宝马公司和ZF公司联合开发的主动前轮转向系统(ActiveFrontSteering,简称AFS)很好地解决了上述矛盾。宝马的AFS系统本质是一套可变传动比的转向系统,它保留了传统转向系统的机械构件,其最大特点就是在转向盘和齿轮齿条转向机之间的转向柱上集成了一套双行星齿轮机构,如图5所示。AFS系统能在驾驶员通过转向盘施加给前轮的转向角的基础上,通过双行星齿轮机构给前轮叠加一个额外的转向角。这个齿轮组包括两个输入轴和一个固定在转向柱上的输出轴,其中一个驱动轴连接在转向盘上,另一个驱动轴由一个电动机通过一个自锁式涡轮蜗杆机构驱动行星架转动。输出轴输出的转向角度就是由转向盘转角与电动机驱动的行星架转向角度叠加得到,也就是汽车的实际转向角度。低速时,电动机驱动的行星架转动方向与转向盘转动方向相同,叠加后增加了实际的转向角度,可以减少转向力的需求,提高了汽车的转向灵敏性;高速时,电动机驱动的行星架转动方向与转向盘转动方向相反,叠加后减少了实际的转向角度,汽车的转向变得更为间接,提高了汽车的稳定性和安全性。主动前轮转向系统最大的特点,就是根据汽车行驶速度,自动调节汽车转向传动比,从而增加或减小前轮的转向角度。汽车低速行驶时,减小转向传动比,使转向更加直接、快速;汽车高速行驶时,增大转向传动比,提高汽车的稳定性。除了可变传动比设计外,主动前轮转向系统还具有稳定性控制功能,主要通过横摆角速度控制来实现。在危险工况下,AFS系统通过独立于驾驶员的转向干预来稳定车辆,通过主动改变驾驶员给定的转向盘转角使车辆响应尽可能与理想的车辆响应特性相一致,从而提高汽车的主动安全性。主动前轮转向作为一项主动安全技术具有很大的潜在市场需求,但由于增加了一套行星齿轮机构,因此成本较高,目前主要应用于高档轿车。1.7车轮转向总成控制线控转向(Steer-by-WireSystem,SBW)是更新一代的汽车电子转向系统,线控转向系统取消了转向盘与转向轮之间的机械连接,其结构如图6所示。线控转向系统主要由3个模块组成:转向盘总成、控制器和前轮转向总成。转向盘总成包括转向盘、较短的转向柱、转向盘转角传感器、路感电动机等,路感电动机向驾驶员反馈路感,转向盘转角传感器提供驾驶员的转向意图,控制器根据此信号向前轮转向总成提供目标前轮转角。前轮转向总成包括齿条位移传感器、转向电动机等,转向电动机驱动转向轮,跟踪目标前轮转角,实现主动转向;齿条位移传感器测量前轮的运动状态,以进行前轮转角的反馈控制,并为路感反馈提供参考信号,将车辆运动状况反馈给驾驶员。线控转向系统有如下优点:1)取消了转向盘与转向轮之间的机械连接,消除了撞车事故中转向柱引起伤害驾驶员的可能性,且不必设置转向防伤装置;2)由于取消了机械连接,地面不平和转向轮的不平衡造成的冲击不会传到转向盘,从而减轻了驾驶员的疲劳;3)消除了转向干涉问题,为实现多功能全方位的自动控制,以及汽车动态控制系统和汽车平顺性控制系统的集成提供了先决条件;4)转向回正力矩能够通过软件依据驾驶员的要求进行调整;5)由于转向盘与转向轮之间没有机械连接,使线控转向系统在汽车上的布置更加灵活,转向盘的位置可以方便地布置在需要的位置;6)转向盘与转向轮之间没有机械连接,增大了驾驶员腿部活动空间,使驾驶员出入更加方便。线控转向系统的缺点是:由于转向盘和转向车轮之间没有机械连接,当电控系统出现故障时,车辆将无法保证转向,处于失控状态;而且线控转向系统本身的成本较高,很难在家用轿车上普及。但是随着电控技术的发展,电子元器件性能的不断提升,而成本不断的下降,以及线控转向系统本身的优点,决定了它将具有更加广阔的应用前景。2悬架系统的动态特性车辆的操纵稳定性不仅可以通过转向来影响,而且可以通过纵向运动的控制产生的直接横摆力矩来影响,同时,它还与车辆的悬架系统特性有着密切的关系。随着汽车主动安全系统的不断推出,转向系统与各系统间的集成控制就成为未来发展的必然趋势。2.1主动转向控制研究文献针对汽车转向制动工况提出了一种主动前轮转向和防抱死制动系统的协调控制方法,分别设计了转向控制器和制动系统控制器,在分层协调控制思想的基础上建立了上层协调控制器,对两个系统进行协调控制,控制结构如图7所示。图中,γ为横摆角速度;ay为侧向加速度;λ为滑移率;p为ABS制动管路压力。研究结果表明,对主动前轮转向和防抱死制动系统进行协调控制,能够改善车辆的操纵稳定性和制动性能。文献通过对汽车在两侧路面附着系数相差较大的对开路面的制动状况进行理论分析,提出利用主动转向技术控制汽车紧急制动时的稳定性,使汽车在制动偏驶后能通过转向控制快速恢复到正确的行驶车道。研究结果表明,通过主动转向控制,能减少汽车制动时的失稳状况,提高了汽车的行驶安全性。文献分别建立了基于滑模变结构控制的主动前轮转向和滑移率门限控制的防抱死制动系统控制模型,并将两种控制系统进行集成。研究结果表明,在分离路面紧急制动工况下,通过对AFS与ABS进行集成控制,能进一步提高ABS的制动效能,在保持车辆制动稳定性的同时,缩短了制动距离。文献利用基于不对称的主动前轮转向和车辆动力学模型,通过主动前轮转向的干预控制,提高了制动过程中车辆的稳定性,同时还减少了制动距离。文献对AFS与ESP协调控制进行研究,设计了基于滑模变结构的AFS控制策略和直接横摆力矩加变滑移率联合控制的ESP控制策略,提出了协调控制的一般原则,并给出了协调控制策略,其协调控制结构如图8所示。图中,qMz为ESP、AFS分配权重系数。文献对主动前轮转向和横摆力矩集成控制加以研究,提出两者集成控制的策略:首先划分AFS和ESP的有效作用域,然后基于经验规则对稳定横摆力矩进行具体分配,优先采用主动转向干预,一旦主动转向不能产生所需的稳定横摆力矩,则改用ESP干预,或者采用ESP和AFS联合干预。文献提出了一种基于DYC和AFS相结合的车辆横向稳定性控制方法,利用前馈补偿和模糊控制产生横摆力矩和附加的前轮转角,通过控制制动力的分配以及对转向角的修正,来提高车辆转向时的横向稳定性,同时能有效地减轻驾驶员的操纵负担。2.2集中系统集成文献利用模糊理论针对AFS和悬架系统进行集成控制研究,在集成时悬架的主要目标为侧倾控制,同时辅助改善轮胎侧向力。合肥工业大学的陈无畏等人对汽车电动助力转向(EPS)与主动悬架系统(ASS)的相互影响和协调关系进行分析,建立了EPS和ASS集成的车辆模型,采用多变量自适应控制策略,对两者的集成系统进行研究。研究表明,集成控制能避免各子系统在单独控制时所产生的相互干扰,使整车动力学性能得到较大改善。江苏大学的陈龙等人在分析汽车转向时转向系统与悬架对车辆综合性能影响的基础上,应用模糊逻辑控制理论,设计了EPS与ASS集成控制器,有效地消除了汽车转向时转向效应对主动悬架作动器作用力的影响,以及车身姿态对助力大小的影响,在实现转向操纵轻便的同时,又提高了转弯时汽车的行驶平顺性、操纵稳定性和安全性。文献采用分层协调控制对AFS和ASS系统进行研究,分别设计了AFS控制器和ASS控制器,并设计了上层协调控制器及协调规则,较好地提高了汽车转向时的行驶平顺性和操纵稳定性。图9为丰田公司提出的一种主动转向和主动悬架集成控制结构。系统由前轮转向控制单元和阻尼力控制单元组成,分为常规模式和运动模式,由开关来进行选择。运动模式中,转向传动比更小,减振器的阻尼力大于常规模式。两种模式下,具有相同的转向力感觉。2.3汽车集成控制的发展JoostzuurbierIr将主动制动、主动转向和主动悬架系统集成起来进行控制,增加了汽车的操纵稳