汽车线控转向系统发展概况与典型布置形式

陈于思、黄锡金

1 线控转向系统发展

线控转向概念起源于20世纪50年代，美国天合（TRW）公司最早提出用控制信号代替转向盘和转向轮之间的机械连接，之后德国Kasselmann和Keranen设计了早期的线控转向模型[1]。受制于电子控制技术，直到20世纪90年代，线控转向才有较大进展，美国、日本以及欧洲一些国家在线控转向的研发与推广比较活跃，一些采用线控转向系统的概念车陆续展出。比如1990年奔驰推出的“F400 Carving”、2000年宝马推出的“BMW-Z22”、2002年通用推出的“HY-WIRE”、意大利博通公司设计的“FILO”、雪铁龙越野车推出的“C-Crosser”、戴姆勒-克莱斯勒推出的“R129”以及2003年日本丰田推出的“Lexus-HPX”等。

2007年，日本捷太格特（JTEGT）公司和精工公司也分别展出了各自的线控转向系统[2]。2013年德国公司Paravan-Industry与宝马公司合作设计了一款搭载线控转向系统的赛车[3]，该款车的转向盘总成可自由地在驾驶舱左右两侧移动。同年，英菲尼迪的“Q50”成为第一款应用线控转向技术的量产车型[4]。该线控转向系统由路感反馈总成、转向执行机构和3个电控单元组成，其中双转向电机的电控单元互相实现备份，可保证系统的冗余性能；转向柱与转向机间的离合器能够在线控转向系统出现故障时自动接合，保障紧急工况下依然可实现对车辆转向的操纵。

2017年，美国耐世特公司开发了由“静默转向盘系统”和“随需转向系统”组成的线控转向系统[5]。该系统可随需转向，在自动驾驶时转向盘可以保持静止，而且转向盘可收缩至仪表盘上，从而提供更大的车内空间。

2 线控转向系统组成

线控转向系统最显著的特征为去掉了传统转向系统中从转向盘到转向执行器之间的机械连接，由路感反馈总成、转向执行总成、控制器以及相关传感器组成。

路感反馈总成主要包括转向盘、路感电机、减速器和矩转角传感器，功能是驱动路感电机实现控制器给出的反馈力矩指令，对驾驶员施加合适的路感[6]。

转向执行总成主要由转向电机、转向器和转向拉杆等部件组成，转向电机一般为永磁同步直流电机，转向器多为齿轮齿条结构或者循环球式结构。该部分工作原理为驱动转向电机快速、准确地执行控制器给出的转向角指令，实现车辆转向的功能[7]。

线控转向控制器功能上包括路感反馈控制策略和线控转向执行控制策略。其中，路感反馈控制策略根据驾驶意图、车辆状况与路况，过滤不必要的振动，实时输出路感反馈力矩指令。线控转向执行控制策略，依据车辆运动控制准则，提供良好的操纵稳定性，实时输出车轮转向角指令。考虑到可靠性，保证车辆在任何工况下均不失去转向能力，线控转向执行控制的冗余防错功能至关重要。

3 线控转向系统的典型布置方式与比较

按照转向电机的数量、布置位置与控制方式不同，目前线控转向系统的典型布置方式可分为5类，分别为单电机前轮转向、双电机前轮转向、双电机独立前轮转向、后轮线控转向和四轮独立转向。

3.1 单电机前轮转向

该布置方式与传统的电机助力转向相近，对底盘构造改动较小，易于布置。当匹配转向功率需求大的重载车型时，转向电机可布置在齿条处或采用滚珠丝杠、齿轮减速器增大扭矩。但单电机不具有故障冗余性，且由于单电机驱动，电机功率较高。

3.2 双电机前轮转向

该布置方式采用2个电机共同实现前轮转向，第一款上市的英菲尼迪“Q50”即采用这种方式。双电机功能上可以互为冗余，但是转向器结构、冗余控制算法较复杂，且增加了零部件成本。

3.3 双电机前轮独立转向

该布置方式采用2个电机分别独立控制左、右前轮，进一步提高了前轮转向系统的设计自由度。斯坦福大学开发的样车“P1”即为这种方式，其左右车轮无机械连接，占用空间小。该方式在单电机出现故障时无法冗余备份，导致转向功能缺失，而且双电机协调控制的复杂度较高。

3.4 线控后轮转向

该布置方式一般作为前轮转向的补充，例如ZF公司开发的主动后轮转向系统（Active Kinematics Control，简称AKC），可在前轮转向的基础上对后轮左右进行最大3°的转向，进一步实现转向系统的高速稳定性和低速灵活性。不过采用该布置，系统零部件数量与成本增加，控制自由度增加，控制策略的复杂度也增大。

3.5 四轮独立转向

该布置方式是转向系统中自由度最多的形式，4个车轮都为转向轮，可全方位自由设计转向特性，实现侧向和零转弯半径行驶。吉林大学开发的“UFEV”等即为这种方式。该方式与底盘集成控制协同的潜力最大，但是零部件数量多，且四电机转向协同控制算法更加复杂。

[1]宗长富,李刚,郑宏宇等. 线控汽车底盘控制技术研究进展及展望[J].中国公路学报,2013,26(2):160-176.

[2]日本精工试制出最新线控转向系统,使用两个马达提高汽车主动安全性能[EB/OL].http://www.ca800.com/news/d_1nrusj6oao4g4.html.

[3]Steer-by-wire application in a professional Racecar made by Paravan [EB/OL].https://www.youtube.com/watch?v=8Pf82qT5RaU.

[4]齐伟. 英菲尼迪线控主动转向系统(DAS)浅探[J].汽车维修,2014(8):11-13.

[5]耐世特:展示最新自动驾驶应用[J].汽车与配件,2017(14).

[6]Yih P. Steer-by-wire: Implications for vehicle handling and safety[D].Stanford University,2005.

[7]王祥.汽车线控转向系统双向控制及变传动比特性研究[D].吉林大学,2013.