來源：汽車設(shè)計(jì)

1.引言

汽車自誕生以來對(duì)行駛穩(wěn)定性以及汽車操控性操控性能要求的不斷提高，正是驅(qū)動(dòng)著汽車工業(yè)不斷發(fā)展的直接動(dòng)力。隨著以集成電路為基礎(chǔ)的汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展成熟以期消費(fèi)者需求的日漸旺盛，四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)作為一種主動(dòng)底盤控制技術(shù)開始得到廣泛的應(yīng)用，四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的應(yīng)用可以對(duì)車輛操縱性能以及轉(zhuǎn)向性能產(chǎn)生直接、有效的作用。四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)誕生三十多年以來，被應(yīng)用于眾多車型上并經(jīng)受了多年的運(yùn)行檢驗(yàn)，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展進(jìn)步。

4WS是汽車四輪轉(zhuǎn)向的縮寫，應(yīng)用4WS技術(shù)的汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)，汽車后輪也會(huì)產(chǎn)生現(xiàn)對(duì)于車身的轉(zhuǎn)向，該后輪轉(zhuǎn)向是主動(dòng)的，這樣汽車的四個(gè)輪子都參與到了汽車的轉(zhuǎn)向過程并起到轉(zhuǎn)向作用。這樣不僅降低了汽車的轉(zhuǎn)向半徑，也相應(yīng)的提升了車輛的行駛穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)型以及操縱穩(wěn)定性。后輪主動(dòng)參與車輛轉(zhuǎn)向是4WS與傳統(tǒng)2WS的顯著區(qū)別，根據(jù)轉(zhuǎn)向時(shí)后輪與前輪轉(zhuǎn)向的不同分為同相位轉(zhuǎn)向以及逆相位轉(zhuǎn)向，同相位轉(zhuǎn)向是指后輪與前輪轉(zhuǎn)向方向相同，而逆相位轉(zhuǎn)向則是指后輪與前輪轉(zhuǎn)向相反。這兩種不同的轉(zhuǎn)向方式給四輪轉(zhuǎn)向汽車的行駛品質(zhì)的提升具有促進(jìn)作用，在車輛高速行駛時(shí)，同相位轉(zhuǎn)向幫助車輛提升操縱的穩(wěn)定性，而在車輛低速行駛時(shí)則采用逆相位形式，幫助汽車轉(zhuǎn)向減少轉(zhuǎn)彎半徑，提升車輛的行駛靈活性。在車輛四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展過程中發(fā)展出了多種不同的四輪轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)方案，按照車輛結(jié)構(gòu)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同可以分為：電子控制電動(dòng)式、機(jī)械+電子控制式、液壓控制液壓工作式、電子控制液壓工作式等。

2.四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

現(xiàn)階段的汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)4WS得到了廣泛的應(yīng)用，4WS系統(tǒng)最初是由尼桑公司研究并應(yīng)用于車輛生產(chǎn)之中的，經(jīng)過了三十多年的發(fā)展，4WS系統(tǒng)以其優(yōu)秀的四輪控制性能得到了廣泛的歡迎，也幫助車企在車輛研發(fā)領(lǐng)域積累了深厚的技術(shù)基礎(chǔ)，助力車企開發(fā)出更加適應(yīng)市場(chǎng)和更高經(jīng)濟(jì)效益的車型。

2.1.4WS 系統(tǒng)的組成

隨著二十世紀(jì)末以來在信息技術(shù)、集成電路、微電子領(lǐng)域的技術(shù)突破，以這些技術(shù)為基礎(chǔ)的汽車電子控制技術(shù)也逐步發(fā)展成熟，4WS系統(tǒng)的發(fā)展成熟也正是基于汽車電子控制技術(shù)的進(jìn)步，4WS系統(tǒng)中對(duì)于車輛四輪的控制以及前后輪的轉(zhuǎn)向分配使用到了電子控制技術(shù)以及電機(jī)助力技術(shù)。由于在車輛四輪轉(zhuǎn)向過程中，車輛的前輪和后輪在不同的速度之下的轉(zhuǎn)向方式存在差別，因此在四輪轉(zhuǎn)向控制之中應(yīng)用4WS結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立，且在車輛前后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中不存在機(jī)械連接，因此可以確保轉(zhuǎn)向性能可以在系統(tǒng)正常運(yùn)行的狀態(tài)下保持高水平。

車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、ECU、減速器、電動(dòng)機(jī)、傳感器等部分共同構(gòu)成4WS系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛四輪轉(zhuǎn)向的有效控制。在車輛后輪參與轉(zhuǎn)向的過程中電子控制技術(shù)深度介入，幫助車輛后輪執(zhí)行正確的轉(zhuǎn)向工作，滿足車輛的正常行駛以及提升車輛的轉(zhuǎn)向性能。

2.2電子控制 4WS 系統(tǒng)的工作原理

ECU即電子控制單元，常被形象的稱為“行車電腦”，ECU是車輛電子控制系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行分析計(jì)算并向相應(yīng)部件輸出控制信號(hào)的單元，在4WS系統(tǒng)中ECU也承擔(dān)UI車輛運(yùn)動(dòng)信號(hào)的分析和運(yùn)算，在車輛進(jìn)行四輪轉(zhuǎn)向時(shí)，位于車輛前輪的傳感器將車輛前輪的轉(zhuǎn)向信號(hào)以及車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)傳入ECU，經(jīng)過ECU對(duì)該型號(hào)的處理、分析、運(yùn)算，產(chǎn)生輸送向步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作作用于車輛的后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，通過這個(gè)途徑控制后輪的轉(zhuǎn)向。ECU在此過程中仍然對(duì)車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行全程、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，對(duì)車輛后輪轉(zhuǎn)向角與目標(biāo)轉(zhuǎn)向角之間的差值進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)后輪的轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整。這樣的實(shí)時(shí)調(diào)整與車輛的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相契合，實(shí)現(xiàn)汽車的四輪轉(zhuǎn)向。

電子控制4WS系統(tǒng)設(shè)定有兩種轉(zhuǎn)向模式可供駕駛員選擇，駕駛員可以通過轉(zhuǎn)向模式開關(guān)選擇傳統(tǒng)的2WS模式也可以保持4WS狀態(tài)繼續(xù)行駛，設(shè)置這兩種轉(zhuǎn)向模式不僅是為駕駛員根據(jù)實(shí)際路況提供更多地選擇，也是當(dāng)4WS系統(tǒng)出現(xiàn)故障無法正常執(zhí)行四輪轉(zhuǎn)向時(shí)保留傳統(tǒng)的前輪轉(zhuǎn)向設(shè)置，保證車輛運(yùn)行的安全性，確保駕乘人員的人身安全。當(dāng)4WS系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，駕駛室儀表臺(tái)上出現(xiàn)4WS故障指示燈，提醒駕駛員4WS系統(tǒng)出現(xiàn)故障，車輛四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，檢測(cè)車輛運(yùn)行狀態(tài)的ECU實(shí)時(shí)記錄故障信息，方便技術(shù)人員在故障檢測(cè)維修時(shí)進(jìn)行檢碼。

上述的可以實(shí)現(xiàn)車輛前后輪同相位以及逆相位轉(zhuǎn)向的4WS系統(tǒng)屬于電子電動(dòng)式四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的后輪轉(zhuǎn)向裝置是受車輛車速的控制，即車輛后輪的偏轉(zhuǎn)角度以及方向是根據(jù)車速的大小而改變的，同時(shí)后輪偏轉(zhuǎn)角和方向的變化也是對(duì)前輪轉(zhuǎn)角和橫擺角速度變化的響應(yīng)。在ECU中設(shè)定了車輛在不同速度下的四輪轉(zhuǎn)向控制策略，再車輛高速或者低速狀態(tài)下根據(jù)程序控制前后輪的轉(zhuǎn)向。當(dāng)ECU接收到傳感器發(fā)送來的車輛中高速行駛狀態(tài)的信號(hào)亦或是方向盤的小角度轉(zhuǎn)動(dòng)的信號(hào)時(shí)，ECU根據(jù)控制策略程序控制車輛前后輪進(jìn)行同相位轉(zhuǎn)向，減小車輛的橫擺角速度，降低車輛車身的動(dòng)態(tài)側(cè)偏，幫助車輛在高速行駛時(shí)保持操縱的穩(wěn)定性。當(dāng)ECU接收到傳感器發(fā)送來的低速行駛狀態(tài)或者是方向盤的大角度轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)時(shí)，ECU則采用低速運(yùn)行時(shí)的控制策略，程序控制前后輪實(shí)現(xiàn)逆相位轉(zhuǎn)向，車輛前輪轉(zhuǎn)角增大的同時(shí)增大后輪的偏轉(zhuǎn)角度，幫助車輛駕駛員輕松操縱低速車輛進(jìn)行轉(zhuǎn)向，并且降低車輛低速狀態(tài)下的轉(zhuǎn)彎半徑，提升車輛的靈活性。

3.基于汽車電子控制技術(shù)的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分析

3.1結(jié)構(gòu)框架

在汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中對(duì)于系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，從系統(tǒng)整體的角度出發(fā)開展設(shè)計(jì)工作，在統(tǒng)攬全局的基礎(chǔ)上分析系統(tǒng)的局部細(xì)節(jié)，確保汽輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電子控制功能可以有效地發(fā)揮作用。在4WS系統(tǒng)中承擔(dān)車輛狀態(tài)感知的傳感器以及對(duì)車輛運(yùn)行信息進(jìn)行分析計(jì)算的ECU是關(guān)系到電子控制系統(tǒng)功能發(fā)揮的重點(diǎn)，這就需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中選用質(zhì)量可靠、性能過硬的單片機(jī)，并且在車輛儀表臺(tái)中設(shè)置合理、醒目的故障提示燈，保證在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)給駕駛員以清晰的提醒，避免在出現(xiàn)系統(tǒng)故障時(shí)駕駛員在不知情的狀態(tài)下進(jìn)行不當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向操作。

4WS系統(tǒng)整合了4WS轉(zhuǎn)向模式以及傳統(tǒng)的2WS轉(zhuǎn)向模式，這兩種模式之間的兼容需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)予以深度考慮，確保這兩種轉(zhuǎn)向模式可以根據(jù)路況順利切換，或者在4WS模式出現(xiàn)故障無法正常運(yùn)行時(shí)2WS模式能夠接管車輛的轉(zhuǎn)向工作，保證車輛運(yùn)行的安全性。因此，系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性是4WS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，而選用一個(gè)高性能、高質(zhì)量的控制核心又是此設(shè)計(jì)重點(diǎn)的關(guān)鍵。控制核心的高性能可以對(duì)獲取的信號(hào)進(jìn)行高效的處理，是系統(tǒng)性能保持在高水平，并且可以穩(wěn)定發(fā)揮控制作用。

3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1微處理器設(shè)計(jì)

在四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各個(gè)組成部分中，微處理器是其中的重點(diǎn)部分，微處理器的高性能對(duì)于4WS系統(tǒng)功能的發(fā)揮具有至關(guān)重要的作用。微處理器是ECU的核心部門，由于ECU是對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析計(jì)算并產(chǎn)生控制的部件，因此微處理器在其中所承擔(dān)的正是對(duì)ECU接收到的信號(hào)的處理工作，由于汽車的組成部分眾多且運(yùn)行狀態(tài)復(fù)雜，繁多的信號(hào)使得微處理器的信號(hào)處理工作量很大。信號(hào)處理的質(zhì)量和效率是4WS系統(tǒng)工作有效性的直接保證，因此微處理器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就在于高性能微處理器的選用和程序設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中為進(jìn)一步確保信號(hào)傳輸?shù)挠行?，可以采用A/D或者D/A轉(zhuǎn)換模式。

3.2.2電路設(shè)計(jì)

信號(hào)的調(diào)理是電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，信號(hào)調(diào)理的有效性能夠保證電路符合系統(tǒng)信息處理的需求。再以ECU設(shè)計(jì)為重點(diǎn)的4WS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，輸入信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)關(guān)乎到ECU設(shè)計(jì)的成敗，輸入信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)中構(gòu)成電路低通濾波器的時(shí)外圍阻容原件和運(yùn)算放大器。在電路設(shè)計(jì)中合理運(yùn)用電極管實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的過載保護(hù)，確保電路運(yùn)行的穩(wěn)定性，利用電極管的過載保護(hù)可以在元器件因電壓或電流過大損壞并對(duì)電路產(chǎn)生破壞時(shí)，可以較為方便的解決問題修復(fù)電路。電路與其他系統(tǒng)之間的聯(lián)系也是電路設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)，微處理器的選用與電路設(shè)計(jì)之間的的關(guān)系是其中需要關(guān)注的重點(diǎn)，對(duì)這一關(guān)系的全面考慮和合理設(shè)計(jì)對(duì)于ECU與CPU之間聯(lián)動(dòng)作用的發(fā)揮具有積極意義。

3.2.3抗干擾設(shè)計(jì)

4WS系統(tǒng)整體的電子元件眾多且車輛運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)復(fù)雜，系統(tǒng)工作時(shí)會(huì)受到元件之間或者外部環(huán)境中的電磁輻射以及車輛電源系統(tǒng)的波動(dòng)的影響，造成信號(hào)傳輸混亂，影響系統(tǒng)的正常信號(hào)處理工作，導(dǎo)致程序失控，車輛運(yùn)行發(fā)生危險(xiǎn)。因此，抗干擾設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可忽視的一項(xiàng)工作內(nèi)容。多級(jí)濾波技術(shù)可以應(yīng)用于抗干擾設(shè)計(jì)中，以多級(jí)濾波技術(shù)可以降低電磁輻射的影響并抵消電源波動(dòng)產(chǎn)生的干擾，保證信息的處理秩序的穩(wěn)定，從而更好的確保程序運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

4.4WS 系統(tǒng)電控部分的組成

4.1.傳感器

傳感器在4WS系統(tǒng)中主要是檢測(cè)車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)傳輸給ECU，ECU根據(jù)接收到的電信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析和運(yùn)算，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)。

4.1.1前后輪轉(zhuǎn)角傳感器

在車輛前輪和后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)靠近車輪的部位安裝車輛前后輪轉(zhuǎn)角傳感器，前后輪轉(zhuǎn)角傳感器不接觸車輪，屬于非接觸式霍爾元件傳感器。前后輪轉(zhuǎn)角傳感器的作用為實(shí)時(shí)檢測(cè)車輛前后輪的瞬時(shí)偏轉(zhuǎn)角。

4.1.2車速傳感器

車速傳感器使用的是光電式傳感器，其安裝位置位于車速表轉(zhuǎn)系附近，用于檢測(cè)車輛的行駛速度，將檢測(cè)到的車速信息以脈沖信號(hào)的形式傳輸給四輪轉(zhuǎn)向ECU，將同樣的信息以電信號(hào)的形式輸入至自動(dòng)變速器ECU。

4.1.3車身橫擺角速度傳感器

在汽車質(zhì)心處的車身上安裝車身橫擺角速度傳感器，該傳感器的主要工作內(nèi)容為在車輛轉(zhuǎn)向是檢測(cè)車身發(fā)生橫擺的角速度，將檢測(cè)出的車身橫擺角速度以電信號(hào)的形式輸出給ECU，在經(jīng)過ECU的分析和運(yùn)算之后輸出相應(yīng)的控制型號(hào)，實(shí)現(xiàn)在車輛轉(zhuǎn)向時(shí)實(shí)時(shí)控制車身的橫擺穩(wěn)定性。

4.2.電控單元

電控單元即ECU，ECU是車輛電子控制系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行分析計(jì)算并向相應(yīng)部件輸出控制信號(hào)的單元，在4WS系統(tǒng)中ECU也承擔(dān)UI車輛運(yùn)動(dòng)信號(hào)的分析和運(yùn)算。輸出相應(yīng)的控制信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作。

4.3.步進(jìn)電機(jī)

選用步進(jìn)電機(jī)作為數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)成正比，隨動(dòng)性好；動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力強(qiáng)易于實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)、變速、起停；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐用；抗干擾能力強(qiáng)等。后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)受步進(jìn)電機(jī)的控制在接受到ECU的控制指令后輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩，控制后輪的轉(zhuǎn)向，步進(jìn)電機(jī)是四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中后輪驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件。

4.4.后輪轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

后輪轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)車型的不同結(jié)構(gòu)形式有所差別，可以使用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)形式，也可以根據(jù)特定車型的懸掛和轉(zhuǎn)向需求進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)。

5.結(jié)語

綜上所述，在電控四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行深入分析和了解的基礎(chǔ)上，在車輛的設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)過程中結(jié)合實(shí)際和當(dāng)下電子技術(shù)的前沿發(fā)展成果以及新材料的積極運(yùn)用，電控四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一定會(huì)有更加廣闊的應(yīng)用前景。通過對(duì)電子控制四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究和發(fā)展更好的服務(wù)于汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展和消費(fèi)者，在不斷的技術(shù)創(chuàng)新中推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展平穩(wěn)、健康、長(zhǎng)遠(yuǎn)。

審核編輯：湯梓紅