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线控汽车技术的研究进展 0 线控技术及线控汽车 安全、舒适、节能、环保是汽车开发的方向和永恒主题。电子、智能化、电动汽车和可再生原材料可实现安全、舒适、节能和环保的有效措施和手段。线程控制技术可以为汽车的电子、智能化、电动化和可再生原材料的形成提供强有力的技术支持。随着汽车电子技术的不断发展,线控技术将逐渐在汽车上得到普遍应用,笨重的机械/液压系统将被精确的电子传感器和电执行元件所代替,传统汽车的操纵执行机构将发生根本性变化。目前汽车上几乎所有操纵控制都可以采用线控技术,线控技术及线控汽车的研究已经成为各国研究的热点。线控技术(X-by-wire)源于飞机的控制系统,其将飞行员的操纵命令转化成电信号通过控制器控制飞机飞行。线控汽车采用同样的控制方式,可利用传感器感知驾驶人的驾驶意图,并将其通过导线输送给控制器,控制器控制执行机构工作,实现汽车的转向、制动、驱动等功能,从而取代传统汽车靠机械或液压来传递操纵信号的控制方式。 线控系统通过控制器、电线、信号线和电机等电气部件对汽车进行操纵,一旦电能不足或者电气部件出现故障,整个线控系统将失去控制,出现严重安全隐患。而且汽车行驶环境复杂,引起线控系统出现不安全的因素较多,因此满足汽车行驶安全是线控技术在汽车上应用面临的一个重要挑战。目前在解决线控系统安全和稳定性方面还需要进一步提高技术水平。出于安全法规的限制,线控转向、线控机械制动等与整车安全性紧密相关的线控技术还无法应用于实车,线控油门、线控换挡、线控悬架及线控液压制动等已广泛应用于各种汽车上。 线控汽车由于能够提高人-车闭环系统正常工况下运动动力学特性和紧急工况下主动安全性而具有很大的发展潜力,其取代传统机械或液压系统已逐渐被汽车工业所接受。本文中从线控汽车各国发展现状、汽车线控系统原理与控制、线控汽车底盘集成控制分析、线控汽车发展关键技术及展望等方面进行论述。 1 车内线控转向车内车辆 线控汽车研究方面国外起步较早。20世纪五六十年代,美国天合TRW等转向系统供应商和德国Kasselmann等就试图将转向盘与转向车轮之间用控制信号代替原有的机械连接,这就是早期的线控转向系统原型。德国奔驰公司于1990年开始了前轮线控转向系统的深入研究,并将其开发的线控转向系统安装于F400Carving的概念车上。该车在转向、制动、悬架及车身控制方面均采用了线控技术。德国克莱斯勒(Daimler-Chrysler)公司开发出了电子驱动概念车R129,该车取消了转向盘、加速踏板和制动踏板,完全采用操纵杆控制,实现了线控驱动(Drive-by-wire)技术。德国宝马汽车公司开发出了BMW Z22概念车,应用了线控转向(Steer-by-wire)和线控制动(Brake-by-wire)技术及线控换挡技术。2001年第71届日内瓦国际汽车展览会上,意大利Berstone汽车设计及开发公司展示了新型概念车FILO。该车采用了Drive-by-wire技术,所有的驾驶动作都通过信号传递,使用操纵杆进行转向操作,并采用了必威体育精装版的42V供电系统。2003年日本丰田公司在纽约国际车展上展出了Lexus HPX概念车,该车采用了Steer-by-wire转向系统,在仪表盘上集成了各种控制功能。2005年美国通用汽车公司推出了氢燃料驱动-线传操纵的Hywire概念车和Sequel概念车,转向、制动和其他一些系统均采用线控技术。美国斯坦福大学的动态设计实验室开发了“P1”线控转向电动汽车,该车具有2套独立的前轮线控转向系统,冗余设计的前轮转向系统为该车的安全提供了保障。2010年丰田公司又推出了FT-EVⅡ概念车,该车采用线控技术,通过操控杆实现加速、制动、转向等全部功能。日本日产公司在2006年和2008年先后推出了PI-VO概念车和EA2概念车,其转向系统和制动系统均采用了线控技术。除此之外,法国雪铁龙、韩国现代和起亚也相继推出了采用线控技术的概念车。 中国企业对线控汽车的研究起步相对较晚,与国外差距较大,而中国各高校对线控系统的研究相对较早,主要以理论为主[7,8,9,10,11,12,13]。2004年同济大学在上海国际工业博览会上展示了配备线控转向系统的四轮独立驱动微型电动车春晖三号(图1)。2009年吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室在企业资助下,开发了线控转向试验车。2010年第25届世界电动车展览会上,吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室还展出基于轮毂电机的全线控电动概念车(图2)。 2 悬架系统的控制 理论上汽车的所有系统均可设计成线控系统,如与驾驶人操纵相关的转向系统、制动系统、动力驱动系统、离合器和换挡系统等,以及影响乘员舒适性的悬架系统。而一些机构简单操纵如车窗、雨刷等已经实现了线控技术。本文重点总结分析与汽车底盘性能相关的线控系统,包