四輪轉向汽車(chē)電子控制技術(shù)

1.前言

隨著(zhù)現代道路交通系統和現代汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，人們對汽車(chē)的轉向操縱性能和行駛穩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)--四輪轉向技術(shù)。于二十世紀80年代中期開(kāi)始在汽車(chē)上得到應用，并伴隨著(zhù)現代汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展而不斷發(fā)展。汽車(chē)的四輪轉向（Four-wheel steering-4WS）是指汽車(chē)在轉向時(shí)。后輪可相對于車(chē)身主動(dòng)轉向，使汽車(chē)的四個(gè)車(chē)輪都能起轉向作用。以改善汽車(chē)的轉向機動(dòng)性、操縱穩定性和行駛安全性。

隨著(zhù)對4WS這一領(lǐng)域研究的不斷進(jìn)展，出現了多種不同結構形式、不同控制方案的實(shí)用4WS系統。按照控制和驅動(dòng)后輪轉向機構的方式不同，4WS系統可分為機械式、液壓式、電控機械式、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。

2.電控電動(dòng)式4WS系統的發(fā)展概況

從20世紀初，日本政府頒發(fā)第1個(gè)關(guān)于四輪轉向的專(zhuān)利證書(shū)開(kāi)始，對于汽車(chē)四輪轉向技術(shù)的研究一直伴隨著(zhù)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展而進(jìn)行著(zhù)。1985年，日本的NISSAN在客車(chē)上應用了世界上第1例實(shí)用的4WS系統，開(kāi)始了現代4WS系統的研究與開(kāi)發(fā)。在技術(shù)相對成熟的4WS汽車(chē)中，大多數采用電控液壓式4WS系統，主要用于前輪采用液壓動(dòng)力轉向的4WS汽車(chē)中，這種4WS系統具有工作壓力大、工作平穩可靠等優(yōu)點(diǎn)。但由于液壓動(dòng)力系統在結構、系統布置、密封性、能耗、效率等方面的不足，尤其是在轉向過(guò)程中存在著(zhù)響應滯后的固有缺陷，使得電控液壓式4WS系統在適應現代4WS汽車(chē)的轉向靈敏性、準確性方面受到了束縛，不能滿(mǎn)足汽車(chē)高速行駛穩定性的要求。1988年3月，日本鈴木公司開(kāi)發(fā)出電控電動(dòng)式助力轉向系統（EPS），首次裝備在CERVO車(chē)上，有效地克服了液壓動(dòng)力轉向系統的缺點(diǎn)。在EPS技術(shù)的基礎上，電控電動(dòng)式4WS系統應運而生。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。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。電控電動(dòng)式4WS系統結構簡(jiǎn)單、布置容易、控制效果好。

隨著(zhù)電子技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機技術(shù)在汽車(chē)中的廣泛應用，電控電動(dòng)式4WS將是4WS汽車(chē)的發(fā)展趨勢。

3.電控四輪轉向系統的基本組成和工作原理

3.1 電控四輪轉向系統的基本組成

電控電動(dòng)式4WS系統是指采用電子控制、電機助力的4WS系統，前、后輪轉向系統之間沒(méi)有任何機械連接、油管連接裝置，結構上相互獨立。如圖1所示。



典型電控電動(dòng)式4WS系統主要由前輪轉向機構、傳感器、電控單元（ECU）、步進(jìn)電動(dòng)機。減速器和后輪轉向機構等組成。本文介紹的電控電動(dòng)式4WS系統前輪仍采用傳統的轉向系統，后輪采用電子控制、電機驅動(dòng)的轉向系統。

3.2 電控四輪轉向系統的工作原理

轉向時(shí)，傳感器將前輪轉向的信號和汽車(chē)運動(dòng)的信號送入ECU,ECU進(jìn)行分析計算，向步進(jìn)電動(dòng)機輸出驅動(dòng)信號，步進(jìn)電動(dòng)機動(dòng)作，通過(guò)后輪轉向機構控制驅動(dòng)后輪偏轉。同時(shí)ECU進(jìn)行實(shí)時(shí)監視汽車(chē)狀況，計算目標轉向角與后輪實(shí)際轉向角之間的差值，來(lái)實(shí)時(shí)調整后輪的轉角。這樣可以根據汽車(chē)的實(shí)際運動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現汽車(chē)的四輪轉向。

系統可設有兩種轉向模式，既可進(jìn)入4WS狀態(tài)，也可保持傳統的2WS狀態(tài)，駕駛員可通過(guò)駕駛室內的轉向模式開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇。當4WS汽車(chē)在行駛過(guò)程中電子控制系統出現故障時(shí)，后輪自動(dòng)回到中間位置，汽車(chē)自動(dòng)進(jìn)入前輪轉向狀態(tài)，保證汽車(chē)像普通前輪轉向汽車(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，故障情況被存儲在ECU中，以便于維修時(shí)檢碼。

上述的電控電動(dòng)式4WS系統后輪轉向裝置屬車(chē)速感應型，其工作特點(diǎn)是后輪偏轉的方向和轉角大小主要受車(chē)速高低的控制，同時(shí)也響應前輪轉角、橫擺角速度的變化。ECU根據設定的控制策略，通過(guò)程序控制，實(shí)現汽車(chē)的四輪轉向。在低速行駛或者方向盤(pán)轉角較大時(shí)，前、后輪實(shí)現逆相位轉向，且后輪偏轉角度隨前輪轉角增大而在一定范圍內增大。這種轉向方式可改善汽車(chē)低速時(shí)的操縱輕便性，減小汽車(chē)的轉彎半徑，提高汽車(chē)的機動(dòng)靈活性。在中、高速行駛或方向盤(pán)轉角較小時(shí)，前、后輪實(shí)現同相位轉向。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)側偏的傾向，提高汽車(chē)高速行駛的操縱穩定性。

4.4WS系統電控部分的組成

4.1 傳感器

傳感器的功用是檢測汽車(chē)轉向時(shí)的有關(guān)運動(dòng)物理量，并轉換成電信號，輸入到ECU中，供ECU進(jìn)行分析計算。

4.1.1 前、后輪轉角傳感器

前、后輪轉角傳感器分別安裝在前、后輪轉向機構靠近車(chē)輪的一側，采用非接觸型霍爾元件傳感器，用來(lái)檢測前、后車(chē)輪的瞬時(shí)偏轉角。

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)速度檢測出來(lái)，以脈沖信號的形式輸出，送入四輪轉向系統ECU,同時(shí)將電信號輸入到自動(dòng)變速器ECU.