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浅析汽车线控技术
作者: 周宏湖 来源: 轿车情报杂志 日期: 2006年第12期

    随着汽车电子技术的不断发展和汽车系统的集成化,人们可以不需要传统的机械结构来传递控制信号,而是通过电子手段来驾驶汽车。这一电子手段就是线控技术(X-By-Wire)。“By-Wire”可理解为电子线控,“X”则代表传统汽车中各个系统。例如,线控转向(Steering- By-Wire)、线控制动(Brake- By-Wire)等。

    线控技术是从应用于飞机驾驶控制上的Fly- By-Wire发展而来的。该技术利用传感器将驾驶员输入的信号传递到中央处理器,通过中央处理器的控制逻辑发送信号给相应的执行机构完成驾驶员的相关操作。这样可取代传统的机械结构,实现对汽车各种运动的控制。线控技术为汽车引入了一场新的技术革命。

线控技术在汽车上的应用

    线控技术必将在汽车上得到普遍应用。笨重、精确度低的机械系统将被精确、敏感的电子传感器和执行元件所替代。汽车传统的操纵机构、操纵方式和执行机构必将会发生根本性的变革。

线控油门(Throttle- By-Wire)系统

    线控油门系统主要由油门踏板、踏板位移传感器、电控单元(ECU)、数据总线、伺服电动机和油门执行机构组成。踏板位移传感器随时监测踏板位置,当监测到油门踏板高度位置发生变化时,会瞬间将此信息发送至电控单元,电控单元对该信息和其他系统传来的数据信息进行运算处理后,将控制信号传送至伺服电机继电器,由伺服电机驱动油门执行机构实行油门控制。

    优点:

1. 控制敏感、精确,发动机能根据汽车的各种行驶信息,精确地调节空燃比,改善发动机的燃烧状况,提高动力性和经济性。还可与油压、温度和废气在循环电子信号结合,减少废气排放。

2. 减少了机械组合零部件,相应地减轻机械结构的重量,降低了机械零件的维修几率。

 \装备线控技术的丰田Fine-S

线控转向(Steering-By-Wire)系统

    线控转向系统(SBW)主要由转向盘模块、转向执行模块和电控单元(ECU)组成。在SBW系统中,驾驶员通过转向盘上的传感器,将转向信号传递给电控单元,电控单元对采集信号进行分析处理后,将控制信号传递至转向电机,从而控制转向电机输出转向所需扭矩,带动车轮转向,实现驾驶员的转向意图。同时,转向轮上的传感器将车轮转向角转向加速度反馈给电控单元,由电控单元向转向盘回正力矩电机发送信号,产生转向盘回正力矩,以提供驾驶员相应的力感信息。

    优点:

1. 提高了整车设计的自由度,便于操纵系统的布置。

2. 转向效率高,响应快,控制灵敏。

3. 消除转向干涉,为实现自动控制以及汽车动态控制系统和汽车平顺性控制系统的集成提供先决条件。

4. 可实现传动比的任意设置,从而改善汽车操纵性。

5. 由于取消了机械转向柱,有利于提高汽车碰撞安全性和整车主动安全性。

 \线控油门及转向系统示意图

线控制动(Brake-By-Wire)系统

    线控制动系统由制动踏板模块、车轮及制动执行机构、传感器和电控单元(ECU)等主要部分组成。驾驶员进行制动操作时,踏板行程传感器探测驾驶员的制动意图,把这一信息传递给电控单元,电控单元汇集轮速传感器、转向角传感器等各种信息,根据车辆行驶状态计算出每个车轮的最大制动力,在发指令给制动执行器对各个车轮实施制动。同时,控制系统也接受其他电控系统(ABS、ESP等)传感器的信号,从而保证最佳的减速制动和车辆的行驶稳定性。

    优点:

1. 制动响应时间短,提高了制动性能。同时,线控制动能优化ABS和ESP的功能。

2. 结构简单,系统制动、装配、测试快捷。采用模块化结构,减少了机械制动部件,更利于车厢布置,提高了被动安全性。减少制动液的使用,维护简便,利于环保。

3. 增加汽车的塞车辅助制动和起步辅助功能。塞车时,驾驶员只需控制油门踏板,系统会自动施加一定的制动力以减速停车。当车辆在斜坡起动时,迅速踏一下制动踏板,然后踩油门踏板,松开驻车制动,车辆就会平稳起步。

线控悬架(Suspension-By-Wire)系统

    线控悬架系统主要由模块式选择开关、传感器、电控单元、可调阻尼减振器、高度控制阀和弹性元件等部件组成。该系统将车速、车辆振动加速度、转向轮角速度、车身距路面高度、路面条件、车辆动态状况等参数通过传感器传递给电控单元,电控单元综合处理后发出指令,调节减振器阻尼系数,控制弹性元件的刚度和车身高度。

    优点:

1.由于刚度可调,可有效地抑制转向时车辆侧倾,以及制动时前部点头和加速时后部下沉等车身姿态变化,提高舒适性和行驶平顺性。

2.汽车负载变化时,能自动维持车身高度不变。

3.碰到障碍物时,能瞬时抬高车轮,越过障碍,提高通过性。

4.使车轮与地面保持良好接触,提高附着力。

线控技术的发展现状

    与传统汽车系统相比线控技术具有结构简单,效率高,控制灵敏,连接柔性,容易与以电机为能源的动力系统相匹配,节约能源等优点。同时,采用线控技术的车辆给设计者带来更大的空间,更易实现集成控制,因此成为当今各大汽车厂商竞逐开发的目标。

    宝马汽车公司在2000年巴黎车展上展示的Z22概念车,应用了线控转向和线控制动技术。

    戴—克也开发出线控驱动概念车R129,它取消了转向盘,加速踏板和制动踏板,采用操纵杆控制。

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    在2001年日内瓦车展上亮相的Bertone(意大利著名汽车设计公司)Filo概念车第一次公开展示了瑞典SKF公司的线控研究成果,它采用了“Drive-By-Wire” (X-Drive)电子线控操纵系统,使用操纵杆进行转向操作,并采用42V供电系统。此后,SKF和Bertone基于绅宝95平台又联合开发了Novanta线控驾驶概念车,该车彻底摒弃了转向盘,加速踏板和制动踏板机械操控方式,而采用完整的线控技术。SKF为Novanta开发了线控转向,线控变速和线控油门等系统,其线控制动系统则由SKF和Bermbo公司共同开发。

    在2002年法兰克福车展上通用汽车公司展示了在“自主魔力”(Autonomy)基础上开发的Hy-Wire燃料电池概念车。该车融合了“自主魔力”各主要创新技术,应用由瑞典SKF公司开发的X-Drive电子线控操纵系统。由于没脚踏板和转向盘,驾驶员可通过一个被称为“X驱动系统”的操作引导系统进行驾驶。

    通用还在2005年底特律北美车展上推出了Sequel采用线控技术的燃料电池车,它是Hy—Wire基础上开发的车款,也是从概念车迈向实用化的车型。

    2003年北美车展上丰田也展示了采用“线控驱动”的Fine—S燃料电池概念车,该车于Hy—Wire有异曲同工之妙,不同之处在于它采用4轮驱动。

    目前,线控技术在量产车上具有代表性的应用有宝马新7系列的线控换档、奔驰E级车,SL和迈巴赫的SBC线控制动,以及捷豹S—type线控油门等。

线控技术的相关技术要求

    线控技术有的已经在汽车上得到应用,由的正处于开发试验阶段,要得到广泛的应用,较多相关技术还要取得突破。

D42V电源技术

    随着电控装置和线控技术的应用,汽车上的电子元件也变得越来越多,对电量的需求越来越大。传统的14V电源已经无法满足车上的电气系统的需求,甚至会阻碍线控技术的发展。

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    今后将采用集成起动机—发电机的42V供电系统。42V电气系统的实施不但可以减少电器装置本身的体积,质量的损耗,而且有利于控制装置的小型化,提高集成度。还可提高燃油经济性,降低废气排放。

容错控制技术

    在线控汽车中,机械系统只是执行机构,电子系统则独立成为一个控制、传递系统。这样电子系统一旦出现问题将会直接影响到汽车的安全性。为了提高汽车的可靠性和安全性,汽车线控系统必须采用容错控制,即当有些部件出现故障时,它们在系统中的功能可以用系统中的其它部件完全或部分替代,使系统能继续保持规定的性能或不丧失最基本的功能。

    汽车容错控制系统由测量模块、故障容错分析模块、执行模块和故障容错与处理模块组成。其容错内容包括ECU容错;模块预测代替失效传感器的输出;重构控制策略代替失效执行机构;出现故障,如不能保证系统安全运行就关闭系统等。

汽车网络

    X—By—Wire是未来汽车的发展方向,由于整个设计涉及动力、制动、转向、悬架等关键功能。对汽车网络也提出了不同要求。它要求网络实时性好,可靠性高,而且一些线控部分要求实现功能冗余,以保证在出现一定故障时仍可实现这个装置的基本功能。这就要求用于线控的网络数据传输速度快,时间特性好和可靠性高。

    目前,主要有时间触发网络协议TTP和高速容错网络FIeXRay有供选择。TTP原先应用航空产品,具有非常可靠和容错特性,但其节点成本高。FIeXRay可满足可靠性和传输速度两方面要求,现在得到众多著名汽车厂商如通用,大众,宝马,丰田,日产和本田的支持,使之有可能成为事实的标准。

    线控技术的最终发展目标是汽车的集成化控制,它将汽车的动力、转向、变速、制动和悬架等系统相互结合,相互作用,共享某些传感器的数据,更好地发挥各个系统的作用,以获得最佳的整车性能,提高汽车的操纵性,稳定性,安全性和智能化,最终实现无人驾驶。

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(转载请注明来源: 汽车制动网/chebrake.com 责任编辑:elizabeth)

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