四輪轉(zhuǎn)向汽車電子控制技術(shù)
1.前言
隨著現(xiàn)代道路交通系統(tǒng)和現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展,人們對汽車的轉(zhuǎn)向操縱性能和行駛穩(wěn)定性的要求日益提高。作為改善汽車操縱性能最有效的一種主動底盤控制技術(shù)--四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)。于二十世紀80年代中期開始在汽車上得到應用,并伴隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展而不斷發(fā)展。汽車的四輪轉(zhuǎn)向(Four-wheel steering-4WS)是指汽車在轉(zhuǎn)向時。后輪可相對于車身主動轉(zhuǎn)向,使汽車的四個車輪都能起轉(zhuǎn)向作用。以改善汽車的轉(zhuǎn)向機動性、操縱穩(wěn)定性和行駛安全性。
隨著對4WS這一領(lǐng)域研究的不斷進展,出現(xiàn)了多種不同結(jié)構(gòu)形式、不同控制方案的實用4WS系統(tǒng)。按照控制和驅(qū)動后輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)的方式不同,4WS系統(tǒng)可分為機械式、液壓式、電控機械式、電控液壓式和電控電動式等幾種類型。本文介紹的是電控電動式4WS系統(tǒng)。
2.電控電動式4WS系統(tǒng)的發(fā)展概況
從20世紀初,日本政府頒發(fā)第1個關(guān)于四輪轉(zhuǎn)向的專利證書開始,對于汽車四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究一直伴隨著汽車工業(yè)的發(fā)展而進行著。1985年,日本的NISSAN在客車上應用了世界上第1例實用的4WS系統(tǒng),開始了現(xiàn)代4WS系統(tǒng)的研究與開發(fā)。在技術(shù)相對成熟的4WS汽車中,大多數(shù)采用電控液壓式4WS系統(tǒng),主要用于前輪采用液壓動力轉(zhuǎn)向的4WS汽車中,這種4WS系統(tǒng)具有工作壓力大、工作平穩(wěn)可靠等優(yōu)點。但由于液壓動力系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)布置、密封性、能耗、效率等方面的不足,尤其是在轉(zhuǎn)向過程中存在著響應滯后的固有缺陷,使得電控液壓式4WS系統(tǒng)在適應現(xiàn)代4WS汽車的轉(zhuǎn)向靈敏性、準確性方面受到了束縛,不能滿足汽車高速行駛穩(wěn)定性的要求。1988年3月,日本鈴木公司開發(fā)出電控電動式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS),首次裝備在CERVO車上,有效地克服了液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的缺點。在EPS技術(shù)的基礎(chǔ)上,電控電動式4WS系統(tǒng)應運而生。1992年,在日本本田序曲的汽車上采用了電控電動式4WS系統(tǒng)。1993年,在日產(chǎn)全新的LAUREL車系上也開始采用電控電動式的4WS系統(tǒng)。電控電動式4WS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、布置容易、控制效果好。
隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,計算機技術(shù)在汽車中的廣泛應用,電控電動式4WS將是4WS汽車的發(fā)展趨勢。
3.電控四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本組成和工作原理
3.1 電控四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本組成
電控電動式4WS系統(tǒng)是指采用電子控制、電機助力的4WS系統(tǒng),前、后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之間沒有任何機械連接、油管連接裝置,結(jié)構(gòu)上相互獨立。如圖1所示。
典型電控電動式4WS系統(tǒng)主要由前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)、傳感器、電控單元(ECU)、步進電動機。減速器和后輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)等組成。本文介紹的電控電動式4WS系統(tǒng)前輪仍采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng),后輪采用電子控制、電機驅(qū)動的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
3.2 電控四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理
轉(zhuǎn)向時,傳感器將前輪轉(zhuǎn)向的信號和汽車運動的信號送入ECU,ECU進行分析計算,向步進電動機輸出驅(qū)動信號,步進電動機動作,通過后輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)控制驅(qū)動后輪偏轉(zhuǎn)。同時ECU進行實時監(jiān)視汽車狀況,計算目標轉(zhuǎn)向角與后輪實際轉(zhuǎn)向角之間的差值,來實時調(diào)整后輪的轉(zhuǎn)角。這樣可以根據(jù)汽車的實際運動狀態(tài),實現(xiàn)汽車的四輪轉(zhuǎn)向。
系統(tǒng)可設(shè)有兩種轉(zhuǎn)向模式,既可進入4WS狀態(tài),也可保持傳統(tǒng)的2WS狀態(tài),駕駛員可通過駕駛室內(nèi)的轉(zhuǎn)向模式開關(guān)進行選擇。當4WS汽車在行駛過程中電子控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,后輪自動回到中間位置,汽車自動進入前輪轉(zhuǎn)向狀態(tài),保證汽車像普通前輪轉(zhuǎn)向汽車一樣安全地行駛。同時儀表板上的4WS指示燈亮,警告駕駛員,故障情況被存儲在ECU中,以便于維修時檢碼。
上述的電控電動式4WS系統(tǒng)后輪轉(zhuǎn)向裝置屬車速感應型,其工作特點是后輪偏轉(zhuǎn)的方向和轉(zhuǎn)角大小主要受車速高低的控制,同時也響應前輪轉(zhuǎn)角、橫擺角速度的變化。ECU根據(jù)設(shè)定的控制策略,通過程序控制,實現(xiàn)汽車的四輪轉(zhuǎn)向。在低速行駛或者方向盤轉(zhuǎn)角較大時,前、后輪實現(xiàn)逆相位轉(zhuǎn)向,且后輪偏轉(zhuǎn)角度隨前輪轉(zhuǎn)角增大而在一定范圍內(nèi)增大。這種轉(zhuǎn)向方式可改善汽車低速時的操縱輕便性,減小汽車的轉(zhuǎn)彎半徑,提高汽車的機動靈活性。在中、高速行駛或方向盤轉(zhuǎn)角較小時,前、后輪實現(xiàn)同相位轉(zhuǎn)向。使汽車車身的橫擺角速度大大減小,可減小汽車車身發(fā)生動態(tài)側(cè)偏的傾向,提高汽車高速行駛的操縱穩(wěn)定性。
4.4WS系統(tǒng)電控部分的組成
4.1 傳感器
傳感器的功用是檢測汽車轉(zhuǎn)向時的有關(guān)運動物理量,并轉(zhuǎn)換成電信號,輸入到ECU中,供ECU進行分析計算。
4.1.1 前、后輪轉(zhuǎn)角傳感器
前、后輪轉(zhuǎn)角傳感器分別安裝在前、后輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)靠近車輪的一側(cè),采用非接觸型霍爾元件傳感器,用來檢測前、后車輪的瞬時偏轉(zhuǎn)角。
4.1.2 車速傳感器
車速傳感器安裝在車速里程表的轉(zhuǎn)子附近,采用光電式車速傳感器,將汽車前進速度檢測出來,以脈沖信號的形式輸出,送入四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ECU,同時將電信號輸入到自動變速器ECU.
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