黃先寶，金玉閔

淺談智能駕駛對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展影響

黃先寶，金玉閔

（博世華域轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司南京分公司，江蘇 南京 210000）

隨著汽車及零部件行業(yè)的飛速發(fā)展，助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)也得到了飛速發(fā)展和更新?lián)Q代，從最初的機(jī)械助力轉(zhuǎn)向，到液壓助力轉(zhuǎn)向，再到電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。尤其是隨著當(dāng)前汽車行業(yè)智能駕駛和車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的高級(jí)功能開(kāi)發(fā)和技術(shù)進(jìn)一步提速，通過(guò)冗余設(shè)計(jì)從而來(lái)支持整車自動(dòng)駕駛技術(shù)。

智能駕駛；車聯(lián)網(wǎng)；助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；冗余設(shè)計(jì)

1 引言

當(dāng)前隨著電子信息科技的進(jìn)步，新型電子技術(shù)在汽車行業(yè)上的應(yīng)用突飛猛進(jìn)。以數(shù)字化、信息化、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、5G技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)為特征的新一輪科技革命正在興起，也正在給傳統(tǒng)的汽車行業(yè)帶來(lái)巨大的變革，汽車及零部件新技術(shù)的發(fā)展剛好成為應(yīng)用這些新技術(shù)的重要載體。隨著純電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展，智能汽車、車聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)也將迎來(lái)快速發(fā)展和應(yīng)用，成為當(dāng)前汽車行業(yè)和市場(chǎng)激烈角逐的重要引擎。車聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為智能駕駛技術(shù)的戰(zhàn)略性發(fā)展問(wèn)題，挑戰(zhàn)與機(jī)遇共存。同時(shí)，國(guó)家工信部、交通運(yùn)輸部、發(fā)改委等全面支持汽車行業(yè)與多個(gè)產(chǎn)業(yè)的網(wǎng)聯(lián)化、智能化協(xié)同發(fā)展。

而助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車結(jié)構(gòu)中重要的“安全件”，其技術(shù)的發(fā)展直接影響著汽車智能駕駛技術(shù)的發(fā)展。對(duì)于汽車而言，需要接收駕駛?cè)说闹噶?，并按照駕駛?cè)诵枰能壽E運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)成為最核心的零部件之一。它是汽車實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向需求的直接部件，將直接影響和制約著智能駕駛技術(shù)的發(fā)展。

2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

在近20年，國(guó)內(nèi)汽車技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，其中助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展也是日新月異。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最初的結(jié)構(gòu)形式是機(jī)械式轉(zhuǎn)向器，在轉(zhuǎn)向操作過(guò)程中靠人力來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向，全部是機(jī)械機(jī)構(gòu)，沒(méi)有外力的助力。這種轉(zhuǎn)向器路況對(duì)操作的影響比較大，操作起來(lái)比較費(fèi)力，并且沒(méi)有那么精準(zhǔn)。

隨后出現(xiàn)了助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，應(yīng)用最廣泛的是液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其組成有液壓泵、油壺、油管、液壓流體控制的方向機(jī)等。由于液壓泵需要裝配在發(fā)動(dòng)機(jī)上來(lái)獲取液壓動(dòng)力源，伴隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，一直需要消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的能量。并且液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)管路的清潔度要求比較要，在實(shí)際使用中存在效率低以及漏油的缺點(diǎn)，并且需要定期更換液壓油。液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車行業(yè)中存在了很長(zhǎng)一段時(shí)間，自2013年以后在國(guó)內(nèi)乘用車領(lǐng)域已經(jīng)逐步被電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所替代，但是目前在商用車領(lǐng)域中還主要使用的是液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。目前，乘用車領(lǐng)域中轉(zhuǎn)向器主要是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由電子控制單元（ECU）、電機(jī)、扭矩或角度傳感器、齒輪齒條等主要機(jī)械件組成。由于其不需要直接消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的能量，在傳感器收到轉(zhuǎn)向的指令后，反饋給ECU，通過(guò)ECU來(lái)控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于靠電控單元來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，其能耗相比液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有非常明顯優(yōu)勢(shì)，并且同整車具有相同的設(shè)計(jì)壽命，不需要保養(yǎng)和維護(hù)，因此發(fā)展非常迅速。

3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)目前主要有四種結(jié)構(gòu)形式，即管柱式助力轉(zhuǎn)向機(jī)（EPSc），單小齒輪式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)（EPSp），雙齒輪式助力轉(zhuǎn)向機(jī)（EPSdp）、軸平行式助力轉(zhuǎn)向機(jī)（EPSapa）。

管柱式助力轉(zhuǎn)向機(jī)（EPSc），其助力單元（電機(jī)motor和電控系統(tǒng)ECU）安裝在管柱上，駕駛員操控方向盤時(shí)，助力轉(zhuǎn)向扭矩通過(guò)管柱、中間軸傳遞到純機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)。由于這種力矩傳遞方式，轉(zhuǎn)向管柱和中間軸受力較大，因此助力大小受到限制。同時(shí)由于其Motor和ECU隨管柱安裝在駕駛艙，產(chǎn)生的噪音對(duì)駕駛員較為敏感，目前這種管柱式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要大量應(yīng)用于低端車型（見(jiàn)圖1）。

圖1 管柱式助力轉(zhuǎn)向機(jī)（EPSc）

單小齒輪式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（EPSp），是將扭矩傳感器和助力機(jī)構(gòu)安裝在小齒輪上，通過(guò)蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)，將電機(jī)輸出力矩并作用在小齒輪上。這種結(jié)構(gòu)的助力不需要管柱部件來(lái)傳遞，因而電機(jī)可以提供更大的助力，主要應(yīng)用于中級(jí)轎車上（圖2）。

雙齒輪式轉(zhuǎn)向機(jī)（EPSdp），Motor和ECU安裝在轉(zhuǎn)向機(jī)上，齒條兩端各有一個(gè)齒輪軸。電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)一個(gè)齒輪軸來(lái)帶動(dòng)齒條移動(dòng)，然后齒條再驅(qū)動(dòng)另外一個(gè)齒輪軸，將助力傳遞給管柱和方向盤。這種結(jié)構(gòu)形式電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)齒輪齒條，能夠承載更大的助力，目前市場(chǎng)上中檔車型主要采用了這種結(jié)構(gòu)形式（圖3）。

圖2 管柱式助力轉(zhuǎn)向機(jī)（EPSp）

平行軸式轉(zhuǎn)向機(jī)（EPSapa），就是滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)形式，在其內(nèi)部有循環(huán)球結(jié)構(gòu)。齒條的一側(cè)是通過(guò)皮帶傳動(dòng)方式，電機(jī)安裝在方向機(jī)上，與齒條平行。電機(jī)通過(guò)皮帶傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)循環(huán)球，從而來(lái)驅(qū)動(dòng)齒條移動(dòng)。然后齒條再驅(qū)動(dòng)另一側(cè)的齒輪軸，將力矩轉(zhuǎn)遞給管柱和方向盤。這種結(jié)構(gòu)能夠提供更大的助力，齒條力能夠達(dá)到14KN或更大[1]，并且通過(guò)循環(huán)球式的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向機(jī)噪音較小，目前主要應(yīng)用于豪華轎車和較大型的商務(wù)車領(lǐng)域（圖4）。

圖3 雙齒輪式轉(zhuǎn)向機(jī)（EPSdp）

圖4 平行軸式轉(zhuǎn)向機(jī)（EPSapa）

4 智能駕駛對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響

目前迅速崛起的智能駕駛技術(shù)、車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，成為各個(gè)汽車廠商爭(zhēng)相推出的新技術(shù)，從而來(lái)占領(lǐng)市場(chǎng)制高點(diǎn)。近幾年，自動(dòng)駕駛技術(shù)被越來(lái)越多的車企所重視，隨著特斯拉自動(dòng)駕駛技術(shù)在市場(chǎng)的推出，并且在國(guó)內(nèi)獨(dú)資建廠，極大地促進(jìn)著國(guó)內(nèi)汽車企業(yè)新技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用步伐，國(guó)內(nèi)眾多車企也正在加速進(jìn)行研發(fā)，力求在新一輪的競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。

表1 美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)SAE智能輔助駕駛等級(jí)劃分

依據(jù)美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)SAE劃分的標(biāo)準(zhǔn)，智能輔助駕駛分為5個(gè)等級(jí)，從低到高依次為L(zhǎng)1-L5[2]（見(jiàn)表1）。要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，系統(tǒng)至少需要滿足L3及以上的安全級(jí)別，其電控系統(tǒng)失效比例是10 fit，和飛機(jī)的失效率相當(dāng)。在這樣的條件下，電控系統(tǒng)需要進(jìn)行“冗余”設(shè)計(jì)。最簡(jiǎn)單的做法就是需要轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)兩套系統(tǒng)，當(dāng)一套系統(tǒng)失效以后，立即切換到備用系統(tǒng)。

在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，“冗余”設(shè)計(jì)就要求電控系統(tǒng)為雙系統(tǒng)，即電機(jī)、電控系統(tǒng)ECU、傳感器等以雙系統(tǒng)的形式實(shí)現(xiàn)。對(duì)于電機(jī)，一套系統(tǒng)為三相電機(jī)，“冗余”設(shè)計(jì)需要雙三相電機(jī)或4個(gè)三向電機(jī)，采用6相或者12相。雙三相電機(jī)構(gòu)成半冗余，達(dá)到L2級(jí)別。如果要達(dá)到L3級(jí)別及以上，需要采用12相電機(jī)。而對(duì)于扭矩傳感器，要滿足L3級(jí)別的冗余設(shè)計(jì)，需提升扭矩信號(hào)的可靠性，則需要至少3路扭矩信號(hào)，通常采用獨(dú)立的雙2路信號(hào)的扭矩傳感器。而電子控制單元ECU也需要進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，需要設(shè)計(jì)兩套芯片系統(tǒng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著當(dāng)前汽車及零部件行業(yè)新技術(shù)的高速發(fā)展和國(guó)家對(duì)車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持，各汽車廠商都對(duì)智能駕駛技術(shù)的研發(fā)進(jìn)行了大量地投入。智能駕駛的發(fā)展，也極大地促進(jìn)了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)向智能化、自動(dòng)化加快轉(zhuǎn)型發(fā)展。隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的智能化程度逐步提高，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電控策略在環(huán)境適應(yīng)性、智能駕駛可靠性、安全性等面臨新的挑戰(zhàn)[3]。如何在復(fù)雜的路況環(huán)境下實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛，實(shí)現(xiàn)在極端工況下的失效模式識(shí)別及其冗余容錯(cuò)控制等，成為未來(lái)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的重要研究方向。

[1] 左建令.汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類及應(yīng)用特點(diǎn)[J].上海汽車.2009.12:25-27.

[2] 段徐平,鄭虎.自動(dòng)駕駛中的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[J].汽車電器.2018年第6期:28-31.

[3] 陳俐,李雄,程小宣,羅來(lái)軍,喻凡.汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究進(jìn)展綜述[J].汽車技術(shù).2018年第4期:23-34.

Intelligent Driving Effect on the Development of Steering System

Huang Xianbao, Jin Yumin

( Bosch HUAYU Steering Systems Co., Ltd., Nanjing Branch, Jiangsu Nanjing 210000 )

With the rapid development of automobile and the parts industry, power steering systems technology has also obtained the rapid development and upgrading. The power steering system developed from the initial mechanical power steering, then the hydraulic power steering, and later on to the electric power steering system. Especially with the development of auto industry, intelligent car driving and networking, the advanced functions of the electric power steering system development is speed up, and through the redundancy design to support the vehicle automated driving technology.

Intelligent driving; Car networking; Power steering system; Redundancy design

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.010

U463.4

A

1671-7988(2021)02-28-03

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黃先寶（1982-），男，就職于博世華域轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司南京分公司。