四轮转向汽车电子控制技术

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      介绍了电控电动式四轮转向(4WS)系统的基本组成结构工作原理,对四轮转向系统的转向电机、整车驱动电机,以及传感器的选取做了较详细的介绍分析。在研究现有4WS电控技术的基础上,提出了在助力转向条件下前、后轮分别由电机驱动,同时由电控单元(ECU)监测控制的四轮转向技术。对未来四轮转向电控技术和展趋势做了进一步的分析展望。

1.前言

随着现代道路交通系统和现代汽车技术的发展,人们对汽车的转向操纵性能和行驶稳定性的要求日益提高。作为改善汽车操纵性能最有效的一种主动底盘控制技术--四轮转向技术。于二十世纪80年代中期开始在汽车上得到应用,并伴随着现代汽车工业的发展而不断发展。汽车的四轮转向(Four-wheel steering-4WS)是指汽车在转向时。后轮可相对于车身主动转向,使汽车的四个车轮都能起转向作用。以改善汽车的转向机动性、操纵稳定性和行驶安全性。

随着对4WS这一领域研究的不断进展,出现了多种不同结构形式、不同控制方案的实用4WS系统。按照控制和驱动后轮转向机构的方式不同,4WS系统可分为机械式、液压式、电控机械式、电控液压式和电控电动式等几种类型。本文介绍的是电控电动式4WS系统。

2.电控电动式4WS系统的发展概况

从20世纪初,日本政府颁发第1个关于四轮转向的专利证书开始,对于汽车四轮转向技术的研究一直伴随着汽车工业的发展而进行着。1985年,日本的NISSAN在客车上应用了世界上第1例实用的4WS系统,开始了现代4WS系统的研究与开发。在技术相对成熟的4WS汽车中,大多数采用电控液压式4WS系统,主要用于前轮采用液压动力转向的4WS汽车中,这种4WS系统具有工作压力大、工作平稳可靠等优点。但由于液压动力系统在结构、系统布置、密封性、能耗、效率等方面的不足,尤其是在转向过程中存在着响应滞后的固有缺陷,使得电控液压式4WS系统在适应现代4WS汽车的转向灵敏性、准确性方面受到了束缚,不能满足汽车高速行驶稳定性的要求。1988年3月,日本铃木公司开发出电控电动式助力转向系统(EPS),首次装备在CERVO车上,有效地克服了液压动力转向系统的缺点。在EPS技术的基础上,电控电动式4WS系统应运而生。1992年,在日本本田序曲的汽车上采用了电控电动式4WS系统。1993年,在日产全新的LAUREL车系上也开始采用电控电动式的4WS系统。电控电动式4WS系统结构简单、布置容易、控制效果好。

随着电子技术的飞速发展,计算机技术在汽车中的广泛应用,电控电动式4WS将是4WS汽车的发展趋势。

3.电控四轮转向系统的基本组成和工作原理

3.1 电控四轮转向系统的基本组成

电控电动式4WS系统是指采用电子控制、电机助力的4WS系统,前、后轮转向系统之间没有任何机械连接、油管连接装置,结构上相互独立。如图1所示。



典型电控电动式4WS系统主要由前轮转向机构、传感器、电控单元(ECU)、步进电动机。减速器和后轮转向机构等组成。本文介绍的电控电动式4WS系统前轮仍采用传统的转向系统,后轮采用电子控制、电机驱动的转向系统。

3.2 电控四轮转向系统的工作原理

转向时,传感器将前轮转向的信号和汽车运动的信号送入ECU,ECU进行分析计算,向步进电动机输出驱动信号,步进电动机动作,通过后轮转向机构控制驱动后轮偏转。同时ECU进行实时监视汽车状况,计算目标转向角与后轮实际转向角之间的差值,来实时调整后轮的转角。这样可以根据汽车的实际运动状态,实现汽车的四轮转向。

系统可设有两种转向模式,既可进入4WS状态,也可保持传统的2WS状态,驾驶员可通过驾驶室内的转向模式开关进行选择。当4WS汽车在行驶过程中电子控制系统出现故障时,后轮自动回到中间位置,汽车自动进入前轮转向状态,保证汽车像普通前轮转向汽车一样安全地行驶。同时仪表板上的4WS指示灯亮,警告驾驶员,故障情况被存储在ECU中,以便于维修时检码。

上述的电控电动式4WS系统后轮转向装置属车速感应型,其工作特点是后轮偏转的方向和转角大小主要受车速高低的控制,同时也响应前轮转角、横摆角速度的变化。ECU根据设定的控制策略,通过程序控制,实现汽车的四轮转向。在低速行驶或者方向盘转角较大时,前、后轮实现逆相位转向,且后轮偏转角度随前轮转角增大而在一定范围内增大。这种转向方式可改善汽车低速时的操纵轻便性,减小汽车的转弯半径,提高汽车的机动灵活性。在中、高速行驶或方向盘转角较小时,前、后轮实现同相位转向。使汽车车身的横摆角速度大大减小,可减小汽车车身发生动态侧偏的倾向,提高汽车高速行驶的操纵稳定性。

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