線控轉(zhuǎn)向技術(shù)在國內(nèi)外汽車領(lǐng)域的應(yīng)用簡介

孟永剛， 羅來軍， 羅毅， 王軍， 李永晨

(聯(lián)創(chuàng)汽車電子有限公司，上海 201206)

線控轉(zhuǎn)向技術(shù)在國內(nèi)外汽車領(lǐng)域的應(yīng)用簡介

孟永剛， 羅來軍， 羅毅， 王軍， 李永晨

(聯(lián)創(chuàng)汽車電子有限公司，上海 201206)

隨著新能源汽車和無人駕駛汽車的研究推廣，一種新型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)——線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)運而生。該系統(tǒng)取消了轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間的機械連接，解決了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的種種弊端。介紹線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本組成及其工作原理，對比線控轉(zhuǎn)向相對于電動助力轉(zhuǎn)向的優(yōu)勢，總結(jié)線控轉(zhuǎn)向在國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀，分析線控轉(zhuǎn)向在我國的專利申請情況，并展望線控轉(zhuǎn)向良好的應(yīng)用前景及其發(fā)展趨勢。

線控轉(zhuǎn)向技術(shù)；發(fā)展現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

0 引言

汽車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[1]大致經(jīng)歷了機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Hydraulic Power Steering，HPS)、電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electro Hydraulic Power Steering，EHPS)、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering，EPS)[2]的一個發(fā)展過程，目前EPS在我國已經(jīng)進入批量生產(chǎn)階段并裝配在各類汽車上，且國內(nèi)外可以提供量產(chǎn)EPS的企業(yè)也很多，如ZF、TRW、JTEKT、DIAS、東華等。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，未來汽車將主要有4個發(fā)展趨勢，即上汽集團所說的“新四化”——智能化、共享化、電動化和網(wǎng)聯(lián)化。其中的智能駕駛或自動駕駛最近這幾年在汽車行業(yè)如火如荼地開展起來。而在無人駕駛的應(yīng)用中，除了相應(yīng)的輔助傳感器研發(fā)外，相應(yīng)的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也得到了更進一步的轉(zhuǎn)變和升級?？紤]EPS受限于安裝空間、力傳遞特性、角傳遞特性等諸多因素不能自由設(shè)計和實現(xiàn)，一種新型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)——線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Steering-By-WireSystem，SBW)應(yīng)運而生。該系統(tǒng)取消了轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間的機械連接，完全由電信號實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的信息傳遞和控制。為最小化駕駛員工作負荷，同時保持好的駕駛感覺，轉(zhuǎn)向系的特性可根據(jù)駕駛?cè)蝿?wù)、駕駛員需要和喜好、車輛固有特性、道路環(huán)境和交通條件主動而恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整[3-7]。SBW系統(tǒng)具有路感好、反應(yīng)速度快、整車安裝方便、節(jié)省空間、安全性高、擴展性好等諸多優(yōu)點，后文會做詳細介紹。SBW給汽車轉(zhuǎn)向特性的設(shè)計帶來無限的空間，是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重大革新。

1 工作原理

結(jié)合圖1、圖2對SBW的基本原理作一個介紹。SBW主要由3個部分組成，即轉(zhuǎn)向盤總成(包含轉(zhuǎn)向盤、回正力矩電機及相應(yīng)傳感器等)，轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成(包含前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機及相應(yīng)傳感器等)和電子控制單元(包含主控單元和故障處理單元)。

圖1 SBW系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 SBW工作原理

當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)矩傳感器和轉(zhuǎn)向角傳感器將測量到的駕駛員轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變成電信號[8]發(fā)送給主控單元，然后主控單元通過相應(yīng)傳感器采集車速、橫擺角速度、車身加速度等信號，并結(jié)合相應(yīng)控制策略做出分析判斷進而去控制轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成實現(xiàn)合理轉(zhuǎn)向，同時轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成將車輪角速度傳感器采集到的信息反饋給主控單元，主控單元再結(jié)合車況送出相應(yīng)力矩指令給轉(zhuǎn)向盤總成中的回正力矩電機，進而給駕駛員提供相對應(yīng)的路感感受。故障處理單元是SBW中的重要模塊，它包括一系列的監(jiān)控和實施算法[9]，可實現(xiàn)對主控單元的監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)主控單元有錯誤信息或狀態(tài)，故障處理單元會根據(jù)故障形式和故障等級做出相應(yīng)的處理，確保駕駛員發(fā)現(xiàn)故障并可將車輛行駛到安全地帶。

2 產(chǎn)品優(yōu)勢

對于SBW來說，它繼承了EPS的諸多優(yōu)點，如它像EPS一樣可以對轉(zhuǎn)向過程中的每個環(huán)節(jié)(轉(zhuǎn)向、回正、中間位置)進行精確控制，從而提高汽車轉(zhuǎn)向助力性能[10]。下述SBW具有的優(yōu)點[11-15]是相較EPS而提出的，至于EPS的諸多優(yōu)點這里不再一一贅述。

2.1 改善駕駛員的“路感”

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向盤控制與前輪控制解耦，系統(tǒng)可以較好地過濾路面各種顛簸；在回正力矩控制方面，可以從信號中提取最能反映汽車實際行駛狀態(tài)和路面狀態(tài)的信息，作為轉(zhuǎn)向盤回正力矩的控制變量，從而使車輛即使在崎嶇的道路行駛時，也不會讓駕駛員感覺轉(zhuǎn)向盤發(fā)抖、震顫，實現(xiàn)優(yōu)化的、個性化的路感。

2.2 反應(yīng)速度快

車輛轉(zhuǎn)向時，由于無傳統(tǒng)機械連接，在前輪轉(zhuǎn)向控制方面可以實現(xiàn)傳動比的任意設(shè)置[16-17]。主控單元接收指令后，根據(jù)行車路況、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動力度、速度等進行綜合計算后立刻實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向指令可以毫無遲滯地傳遞到車輪上，讓駕駛員體驗到真正的車隨心動和隨速助力。

2.3 整車安裝方便

SBW采用柔性連接，使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在車上布置更加靈活，轉(zhuǎn)向盤可方便布置在需要的位置。如耐世特的靜默方向盤TM系統(tǒng)搭載“完全可收縮式”轉(zhuǎn)向管柱，在自動駕駛模式下可自動收縮至儀表板內(nèi)，從而增加可用空間并提升駕駛艙舒適度，使駕駛員可以從事其他活動。

2.4 安全性高

SBW去除了轉(zhuǎn)向柱等機械連接，因此在車輛碰撞時完全避免了管柱侵入對駕駛員的傷害，同時當(dāng)把轉(zhuǎn)向盤總成收縮或移至他處后，極大地保證了安全氣囊的有效打開，從而極大地加強對駕駛員的安全保護。

2.5 便于擴展

SBW還可以根據(jù)車輛未來的發(fā)展趨勢實現(xiàn)更高級的功能需求，如車道保持支持——當(dāng)位于車輛上的傳感器或攝像頭發(fā)現(xiàn)車輛偏離車道時，SBW會根據(jù)車道情況自動輸入轉(zhuǎn)向信號，幫助車輛回到正確的行駛軌跡上來；自動泊車支持——自動泊車系統(tǒng)通過環(huán)境感知傳感器檢測實際的泊車環(huán)境，探測獲取有效的泊車車位信息，通過SBW的支持，實現(xiàn)對車輛運動軌跡的精確控制，最終實現(xiàn)自動泊車入位功能。還有如主動轉(zhuǎn)向支持、智能駕駛支持等。

3 國內(nèi)外現(xiàn)狀

3.1 國外狀況

歐美企業(yè)研究線控轉(zhuǎn)向技術(shù)較早。20世紀(jì)50年代，TRW和德國Kasselmann等對SBW系統(tǒng)的概念做出了大膽的設(shè)想，將方向盤與轉(zhuǎn)向車輪之間用控制信號代替原有的機械連接[18-20]。2000年9月，奔馳與ZF在法蘭克福車展上展示了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。2017年Nexteer推出隨需轉(zhuǎn)向TM及靜默方向盤TM系統(tǒng)，這兩項技術(shù)均采用了耐世特線控轉(zhuǎn)向技術(shù)，前者可實現(xiàn)駕駛員人為控制和自動駕駛控制之間更安全、更直覺的切換，后者能夠修正車輛自動轉(zhuǎn)向過程中方向盤的顫動和回正帶來的干擾，從而顯著降低操作疲勞，確保車輛安全平穩(wěn)的行駛。最近，ThyssenKrupp計劃在常州興建世界最大的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)生產(chǎn)基地，其線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也在開發(fā)中。

日本的Nissan于2013年在英菲尼迪Q50上首次搭載了DAS(Direct Adaptive Steering)，參見圖3，但2014年即因安全原因宣布召回。

圖3 英菲尼迪SBW架構(gòu)

世界排名第一的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)供應(yīng)商JTEKT投入了大量資源重點研發(fā)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，他們認(rèn)為為了實現(xiàn)自動駕駛汽車，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一定會取代如今的電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這無法避免。而世界排名第三的電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)供應(yīng)商NSK對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)則持反對意見，他們認(rèn)為線控轉(zhuǎn)向技術(shù)過于昂貴，如今的電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)完全可以滿足自動駕駛汽車的需求。

3.2 國內(nèi)狀況

主要有一些大學(xué)和科研機構(gòu)做預(yù)研，如吉林大學(xué)、上海交通大學(xué)、同濟大學(xué)、北京理工大學(xué)、青島科技大學(xué)、江蘇大學(xué)、武漢科技大學(xué)等[17，21-22]。這些高校主要側(cè)重于模型的搭建、算法的處理和仿真模擬等，有一些高校和機構(gòu)做出了功能件或概念車。如在2004年上海國際工業(yè)博覽會上，同濟大學(xué)展示了“春暉三號”概念車(見圖4(a))，其中一大亮點就是采用了線控轉(zhuǎn)向技術(shù)。在2010年北京國際車展上，長安集團也展示了采用線控操縱的Green-i概念車(見圖4(b))。這些高校和機構(gòu)在控制策略，應(yīng)用軟件方面如隨速助力、主動回正、阻尼控制、齒條末端保護等方面有一定的嘗試，但性能參差不齊，距離真正的實際應(yīng)用還有很長的路要走，而整車廠及零部件企業(yè)對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究報道則很少，說明國內(nèi)企業(yè)對線控轉(zhuǎn)向方面還缺乏認(rèn)識或前瞻性考慮。

圖4 春暉三號和Green-i概念車

4 專利統(tǒng)計

通過分析近20年來關(guān)于SBW方面的專利在我國的申請情況，可以對SBW的發(fā)展?fàn)顩r也有一個大致了解。圖5為不同國家/地區(qū)申請人在我國申請的關(guān)于SBW專利數(shù)量趨勢圖，可以看到SBW方面的專利申請量是逐年呈現(xiàn)上升趨勢的，其技術(shù)生長率持續(xù)增長說明該技術(shù)處于生長階段，且日本、美國、德國企業(yè)在中國申請線控轉(zhuǎn)向?qū)＠恐鹉暝龆?，說明已看好此技術(shù)在中國的未來前景。

圖5 不同國家/地區(qū)申請人在我國申請的關(guān)于SBW專利數(shù)量趨勢圖

下面對申請人分布情況也作一個分析。參見圖6，可以看到中國申請的線控專利主要還是在大學(xué)和科研院所，申請人分布很集中，國內(nèi)企業(yè)研發(fā)線控轉(zhuǎn)線技術(shù)的并不多，其他在中國申請線控轉(zhuǎn)向?qū)＠闹饕菄馄髽I(yè)，如NTN、NISSAN、JTEKT、DELPHI、ZF、BOSCH、TRW等，這些企業(yè)是線控轉(zhuǎn)向行業(yè)的主要競爭對手。

圖6 申請人分布情況

通過統(tǒng)計申請專利的技術(shù)分布來看，專利主要集中在B62D5/04使用伺服電動機與轉(zhuǎn)向器連接或構(gòu)成轉(zhuǎn)向器的零件這方面，其次是B62D6/00 根據(jù)所檢測和響應(yīng)行駛條件自動控制轉(zhuǎn)向的裝置。

5 發(fā)展前景

目前隨著EPS在我國汽車上的逐漸普及及智能駕駛相關(guān)技術(shù)的研發(fā)不斷投入，未來性能更優(yōu)越的SBW開發(fā)與使用也成了必然，并將會成為未來智能技術(shù)中舉足輕重的一個重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在SBW還有很多關(guān)鍵難點亟待解決。比如安全性方面，由于電子部件還沒有達到機械部件那樣的可靠程度，如何保證在電子部件出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)仍能實現(xiàn)基本的轉(zhuǎn)向功能，這在實際應(yīng)用中十分重要[23]。再比如成本方面，例如，由于對電子部件可靠性的擔(dān)憂，目前的有些SBW為了解決安全問題還保留了機械部件如離合器來進行安全防護，該離合器將SBW分為上、下兩個部分，在正常轉(zhuǎn)向時離合器是分開的，一旦檢測到某些故障，離合器會將上、下兩部分連接成傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)，以確保駕駛員仍能操縱轉(zhuǎn)向，這種為了滿足安全需求的冗余設(shè)計造成了成本的增加，也是阻礙SBW市場化的一個主要因素。雖然有這些難點擺在面前，還需要深入研究和大量的驗證，但相信隨著技術(shù)的發(fā)展，比如電子元件和芯片成本降低、可靠性和處理能力大大提高，這就為未來更多的消費者提供了低成本的便利[24-25]。一旦突破這些瓶頸，SBW一定會得到井噴式的發(fā)展與使用。文中第2節(jié)也提到了，SBW會在諸多場合提供支持，這符合汽車將在“新四化”方向上發(fā)展的大勢，因此SBW在未來將會有良好的商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化的市場前景，將是提升自主品牌技術(shù)含量的一次機遇與挑戰(zhàn)，是打破國外技術(shù)壟斷的一個新的突破點。

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ApplicationofSteer-by-WireTechnologyinAutomobileFieldatDomesticandAbroad

MENG Yonggang,LUO Laijun,LUO Yi, WANG Jun,LI Yongchen

(DIAS Automotive Electronic Systems Co., Ltd.,Shanghai 201206,China)

With the study and popularization of new energy vehicles and driverless vehicles, a new type of power steering system the steer-by-wire (SBW) comes into being.In the system,the mechanical connection between the steering wheel and the steering wheel is eliminated, then all the flaws of traditional steering systems are solved.The basic components and working principle of the SBW were introduced.Compared with electric power steering system,the advantages of the SBW were illustrated. The current development situations of the SBW at domestic and abroad were summarized.The patent application situation of the SBW in China was analyzed. The application prospect and development trend of the SBW were prospected.

Steer-by-wire technology;Current development situations; Development tendency

U463.2

A

1674-1986(2017)11-075-05

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.11.019

2017-06-27

孟永剛，男，本科，主要從事電動助力轉(zhuǎn)向、線控轉(zhuǎn)向方面的開發(fā)工作。E-mail:mengyonggang@dias.com.cn。