汽车线控转向系统的结构分析

包括转向盘、较短的转向柱、转向盘力矩转角传感 器、路感电机等。转向盘总成实现两个基本功能， 一 是利用转向盘力矩转角传感器测量转向盘力矩和转 向盘转角， 以反映驾驶员的转向意图， 控制器根据此 信号经过主动转向控制策略决策得到目标前轮转 角， 向前轮转向总成提供转向电机控制电压信号， 使 前轮跟踪目标前轮转角。二是通过路感电机向驾驶 员反馈路感。控制路感电机的电流， 即可实现路感电 机的力矩控制。路感电机可采用直流电机、感应电
前言
线控转向系统（ Ｓｔｅｅｒ－ ｂｙ－ Ｗｉｒｅ） 是一种全新的转 向系， 由于取消了转向盘与转向轮之间的机械连接， 因而在结构和性能上独具很多优势。国外很多概念 车采用了线控转向技术， 如通用汽车公司的 Ｃｈｅｖｙ Ｓｅｑｕｅｌ （ ２００５ 年） 、马自达概念车流雅 Ｒｙｕｇａ（ ２００７ 年 ） 、 梅 塞 德 斯 奔 驰 Ｆ４００ Ｃａｒｖｉｎｇ 超 级 概 念 跑 车 （ ２００７ 年） 、丰田 Ｆｉｎｅ－ Ｎ（ ２００７ 年） 等。
日本精工试制出了双连杆臂式线控转向系统， 利用两个转向电机的旋转力矩直接驱动前轮转向拉
图 ７ 线控独立转向机构
杆， 并在第 ４０ 届东京 车 展 （ ２００７ 年 １０ 月 ２７ 日～１１ 月 １１ 日） 上进行了展出。多传感轮毂可检测来自路 面的三个方向负荷， 即使路面状况发生变化， 也可将 轮胎舵角控制到最佳状态， 从而使车辆驶向驾驶员 希望的方向。原来的线控转向系统大多沿用普通齿 条驱动型 ＥＰＳ（ 电动助力方向） 的驱动机构等。而此 双连杆臂式线控转向系统利用相对于马达旋转轴呈 直角伸出的转向臂分别操纵， 可省掉左右轮齿条和 小齿轮， 因此大幅简化机构、提高空间效率。
２． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｓｔｅｅｒ－ ｂｙ－ ｗｉｒｅ ｉｓ ａ ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂｅｃａｕｓｅ ｉｔ ｅｌｉｍｉｎａｔｅｓ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｌｉｎｋ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｗｈｅｅｌ ａｎｄ ｓｔｅｅｒｅｄ ｗｈｅｅｌ ａｎｄ ａｄｏｐｔｓ ｒｏａｄ ｆｅｅｌ ｍｏｔｏｒ ｔｏ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｒｏａｄ ｆｅｅｌ ａｎｄ ａｄｏｐｔｓ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｗｈｅｅｌ ｔｏ ｓｔｅｅｒ． Ｗｈｏｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｈｕｍａｎ－ ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ－ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｗｈｅｅｌ ａｎｄ ｊｏｙｓｔｉｃｋ， ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｒｅ ａｎａｌｉｚｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｈｅｌｐ ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｔｅｅｒ－ ｂｙ－ ｗｉｒｅ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ Ｗｏｒ ｄｓ： Ｓｔｅｅｒ－ ｂｙ－ Ｗｉｒｅ （ ＳＢＷ） ； ｈｕｍａｎ－ ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ； ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
通 用 的 线 传 操 控 燃 料 电 池 车 概 念 车 Ｈｙ－ ｗｉｒｅ （ ２００２ 年） 上安装了 ＳＫＦ 为其设计的线控转向系统。
图 ４ 丰田 Ｆｉｎｅ － Ｎ 的转向盘
图 ２ 通用 Ｓｅｑｕｅｌ 的转向盘 图 ３ Ｓ ＫＦ 设计的线控转向系统的操纵杆
图 ５ 奔驰 Ｆ２００ 概念车的操纵杆
摘要： 线控转向系统对传统转向系做了根本性的变革： 转向盘与转向轮之间取消了机械连接， 而采用路感电机反馈 路感， 采用转向电机实现汽车转向。分析了线控转向系统的总体结构和功能、人机界面—转向盘和操纵杆、转向机构 的形式等。可以为线控转向系统的设计提供借鉴。
关键词： 线控转向； 人机界面； 转向机构
图 ３ 可见， 传统汽车上的转向柱与方向盘被一个彩 色的小屏幕和两个手柄代替。加速时， 司机只需转动 手柄； 减速时则只需摁位于同一手柄上的刹车制动 器； 而转向时， 只需上下滑动手柄即可。图 ４ 为丰田 Ｆｉｎｅ－ Ｎ 的转向盘， 转向盘的体积大大减小。图 ５ 为 奔驰 Ｆ２００ 概念车的操纵杆。
２００８ 年第 ４ 期 （２总００第８ 年２０第１ 期４ ）期
农业装备与车辆工程 ＡＧＲＩＣＵＬＴＵＲＡＬ ＥＱ农Ｕ业ＩＰ装ＭＥ备Ｎ与Ｔ 车＆ 辆ＶＥ工Ｈ程ＩＣＬＥ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｎｏ．４ ２００８ （ Ｔｏｔａｌｌｙ ２０１）
汽车线控转向系统的结构分析
于蕾艳 １， 林逸 ２， 施国标 ２
（ １．中国石油大学（ 华东） 机电工程学院， 山东 东营 ２５７０６１； ２．北京理工大学机械与车辆工程学院， 北京 １０００８１）
转向电机
转向拉杆
传感器 图 ６ 两转向轮共用一个转向电机的前轮线控转向
为了确保线控独立转向轮的精确转向不受双横 臂悬架位置姿态的影响， 可利用万向节传动原理的 双 横 臂 悬 架 ２ 转 向 机 构 （ 图 ７） ， 并 在 ＡＤＡＭＳ 下 建 立三维参数化虚拟样机模型， 进行优化设计、运动仿 真和试制。结果表明： 这种转向机构具有结构紧凑、 转向角范围大的优点， 适用于线控全轮独立转向电 动汽车。
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２００８ 年第 ４ 期
农业装备与车辆工程
操纵杆齿轮必须精确地解读细微的移动。在另 一方面， 转向轴齿轮则必须对车， 带 来很大好处：
（ １） 改进了人机工程学和驾驶室的设计布局 驾驶员不必再将一双手放在转向盘上， 双脚禁 锢于踏板上， 他们只需抓住操纵杆就行了。驾驶员 的 座 位 布 置 可 使 ９０％以 上 的 驾 驶 员 对 仪 表 和 道 路 有较好视野。仪表和控制器等也有了更灵活的布置 空间。 （ ２） 增强了被动安全性 没有了转向盘、转向管柱、踏板等这些在发生碰 撞时会闯入乘员空间的部件， 驾驶员安全缓冲空间 也更大。
收稿日期： ２００８－ ０１－ ０２ 项目名称： 奥运用纯电动客车整车优化及制造， 编号： Ｄ０３０５００２０４０１１１ 作 者 简 介 ： 于蕾艳（ １９８０－ ） ， 女， 中国石油大学（ 华东） 机电工程学院机 械设计系博士， 讲师， 研究方向： 汽车线控转向技术、石油特种车辆。
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图 １ 线控转向系统的结构
２ 人机界面— ——转向盘和操纵杆
传统转向系的转向盘为圆形， 驾驶员转动转向 盘时， 转向力矩通过机械杆件传递到转向轮， 克服转 向阻力矩而实现转向。而线控转向系统中转向盘作 为人机界面， 只是起获取驾驶员转向意图和向驾驶 员反馈路面信息的作用， 可采用圆形（ 图 ２） ， 也可采 用非圆形， 甚至采用操纵杆（ ｐｌａｙ ｓｔｉｃｋ） 的形式， 驾驶 汽车就像玩游戏一样轻松。
如果 ｎ＞ｅｒｒ， 且 ｊｕｄｇｅ 返回 ｔｒｕｅ， 则进入第⑤步； 如 果 ｎ＜ｅｒｒ， 或 ｊｕｄｇｅ 返 回 ｆａｌｓｅ， 则 让 滑 动 窗 口 继续向右滑动， 并重复第④步。 ⑤以滑动窗口的当前位置为中心， 向上和向下 各滑动 ５ 行， 每两行的间距为 ｓｔｅｐ。在每一个滑动位 置， 统计窗口中像素的灰度值从 ０ 到 １ 和从 １ 到 ０ 变化的次数 ｎ， 并且给判断矩阵 ｊｕｄｇｅ 中的元素赋 值， 其中每一个元素的值等于滑动窗口中对应元素 的灰度值。 如果 ｎ＞ｅｒｒ， 且 ｊｕｄｇｅ 返回 ｔｒｕｅ， 则记录下当前滑 动窗口的左端在原图像中的位置， 此位置即为车牌 的左边界。退出整个程序。 如果 ｎ＜ｅｒｒ， 或 ｊｕｄｇｅ 返回 ｆａｌｓｅ， 则让滑动窗口回 到图像的中间位置继续向右滑动， 并返回到第④步。 ⑥ 如果滑动窗口滑动到图像的右端， 仍未找到 车牌的左边界， 则减小 ｓｔｅｐ 的值， 并返回到第④步。 其中， ｅｒｒ 为 ０， １ 突变次数的阈值， 考虑到室外车牌 字符可能被污染， 字符可能发生断裂的情形， 通过反 复实验， 得到最佳阈值为 ２０， 使该算法在实现车牌 准确定位的同时具有较好的鲁棒性。 我们引入判断矩阵里面的 ０ 和 １ 有规律分布的 区域是否在矩阵的左端或右端， 这里的规律分布是 指 ０ 到 １ 和 １ 到 ０ 突变的次数大于一定的阈值， 并 且 ０ 和 １ 之间的距离不大于一定的阈值， 这样就避 免将噪声也包括在车牌中， 保证了车牌定位的精确
于蕾艳 等： 汽车线控转向系统的结构分析
２００８ 年 ４ 月
机、永磁同步电机等。前轮转向总成（ 也称方向控制 总成） 与小齿轮助力式 ＥＰＳ（ 电机和减速装置装在小 齿轮一侧） 类似， 它包括齿条位移传感器、转向电机 等。前轮转向总成也实现两个基本功能： 控制转向 电机驱动转向轮， 跟踪目标前轮转角， 实现主动转 向； 齿条位移传感器测量前轮的运动状态， 以进行前 轮转角的反馈控制， 并为路感反馈提供参考信号， 将 车辆运动状况反馈给驾驶员。车况传感器包括车速 传感器， 另外根据不同路感控制策略和主动转向控 制策略的需要， 还可以安装横摆角速度传感器、侧向 加速度传感器等。转向电机实现转角伺服控制， 可 选择步进电机。
３ 转向机构
车辆采用线控转向的方式包括： 前轮线控转向 （ 图 ６） 、前轮机械转向而后轮线控转向、四轮线控独 立转向等。如日本丰田汽车率先推出了线控四轮独 立 转 向 、由 四 个 轮 毂 电 机 独 立 驱 动 的 燃 料 电 池 概 念 车 Ｆｉｎｅ Ｘ。线控全轮独立转向电动汽车的最大优势 在于： 通过计算机控制， 车辆可具备绕任一点旋转， 或沿任一方向平移等功能。这样， 即使在极狭小的 地方也能进出自如。
操纵杆可以实现转向、加速、制动等。向左 ／右转 向时， 驾驶员只需向左 ／向右推操纵杆， 施加一个横 向力。操纵杆的偏转程度向驾驶员提供转向轮的实 际位置信息。加速时， 向前推操纵杆， 加速快慢与施 加的推力成正比。制动时， 向后拉操纵杆， 制动强度 与施加的拉力成正比。
２００６ 年， 由帝斯曼工程塑料公司出品的高性能 材料 Ｓｔａｎｙｌ ４６ 聚酰胺（ ＰＡ４６） 树脂制成的超精齿轮 在欧洲市场推出。该齿轮有助于采用新型操纵杆的 线控系统轻易解读驾驶员的转向动作， 并将其转换 为对车辆的操控。手臂肌肉疾病患者也可以通过操 纵杆独立驾驶。在伯恩大学设计组与齿轮制造商 Ｍｉｋｒｏｎ 塑 料 技 术 公 司 的 密 切 合 作 下 ， Ｓｔａｎｙｌ 制 成 的 齿轮在操纵杆和转向轴中都起到了十分重要的作 用。这两项应用体现了齿轮从灵敏度到坚韧性的全 能表现， 而这正是得益于 Ｓｔａｎｙｌ 齿轮的尺寸稳定性、 低摩擦性以及吸收震动与噪音的能力。