基于转向灵敏性的线控转向系统可变传动比研究

韩萌郑尧

黄河交通学院河南焦作454150

摘要：通过线控转向系统的可变传动比研究，能够改善汽车的转向灵敏性，提高汽车的转向稳定性，能够给驾驶人员的安全及操作稳定一定的保障。为了研究可变的传动比对于转向灵敏性的影响，通过计算分析其与转向灵敏性二者之间的关系，从而改变了传统的转向系统传动比恒定的缺点，有效防止方向盘转向过敏，保障驾驶人员驾驭时的转向安全。

关键词：线控转向；转向传动比；可变传动比；转向灵敏性

1．引言

随着社会现代化的发展，当今社会汽车产量的不断增加，人们的安全意识也随之增高，因此社会对于汽车的安全性、舒适性及稳定性的要求也越来越高。在此当中，汽车的转向系统是影响汽车转向灵敏性、驾驭舒适性和操作安全性的重要因素。

传动的转向系统，车方向盘与车前轮之间是通过机械连接，选用一成不变的转向传动比，驾驶人员输入的指令经常是以相同的办法传达的,在车辆低速行驶与高速行驶的两种不同工况中，其转向的不灵活而引起的安全问题，早已不足以满足人们对于驾驶安全舒适稳定的高要求。而线控转向系统，则是在取缔了两者之间的机械连接，占据的空间比之传统的转向系统小，并且车方向盘与车前轮之间是通过总线进行控制信号从而完成信号传输。能够防止方向盘转向过敏，有效改善汽车的操纵稳定性、驾驭时的安全性以及方向盘的转向灵敏性。

在海外，1990的德国奔驰公司开始研讨了汽车线控转向系统，并由此研发出F400Carving。而后的2000年，宝马公司在巴黎车展上推出了采用线控转向系统技术的Z22，而Z22更是把车方向盘的转动范围缩小到160°，一度减轻了驾驶人员驾驭的包袱，有效提高了驾驭的可靠性。

在海内，线控转向系统的研究开始较晚。可以实现线控转向系统转向随动的模糊PID混合控制器[1]就是由武汉理工大学设计而出。吉林大学则是在稳定性算法、转向盘回正力矩及可变传动比等方面的研究上还仅仅只是处于刚起步的阶段。

2．线控转向系统的可变传动比

2．1可变传动比的原理特性

所谓的可变传动比，则是依据汽车在不同速度与在不同的转向角度来调整汽车转向器的传动比。譬如，当所驾驶车辆开始处于静止停车状态时，行驶车速较低或其转向角度较大，这时候需要提供的转向器传动比偏小；反之，则需要大的转向传动比。通过行车车速与转向角度的不同来改变汽车转向器的转向传动比，是提高行车安全，也是提高汽车驾驭转向稳定性的方法。

通过对可变传动比进行计算分析，改变传统转向系统中传动比恒定的缺点，是可变传动比的最基本的控制过程。根据转向角的传感器信号与汽车车速信号，通过两个信号计算出转向执行器的两个角度之和—总成转动角度与驾驶员转动方向盘所转动的角度，这一步骤需要由ECU来控制，之后再由此来控制车前轮的转向角。因为这样，车辆的转向传动比可依据车辆行车车速与转向角度的不同来改变，并由此实现车辆行驶速度由低至高范围内良好的转向灵敏度与其驾驭时的安全性。

2．2可变传动比对车辆转向灵敏度的影响

车辆的转向灵敏度，可以由车辆的方向盘行程与滑阀行程之比S来表示，即

D是方向盘直径；Φ是方向盘转角；δ是滑阀行程。由此公式可见，当方向盘直径与滑阀行程数值一定时，方向盘转角只是简单的取决于其比值。

汽车转向灵敏度对于车辆的操控稳定性万分重要，并且它是衡量车辆操纵性能的主要指标。而车辆线控转向系统的转向传动比是可变的，我们可以通过对可变传动比的计算分析其与转向灵敏性二者之间的关系，以改善车辆的转向灵敏度，并由此缩减车辆的反应延缓滞留的时间。当汽车的转向特性表现出力不从心时，就会诱使驾驶人员输入的方向盘转角所产生的汽车侧向力不能够平衡汽车的转向离心力，则是因为转向灵敏度太小，此时就需要驾驶人员冷静输入更多的方向盘转角以产生更大的侧向力平衡离心力，并借此实现车辆轨迹的正确跟踪；反之，如若汽车转向灵敏度较大，汽车转向则会发生过度转向甚至导致车辆甩尾现象的发生，这时，驾驶人员将难以控制车辆，很容易操作不当发生意外。而车辆的转向灵敏度值则需要在0.9—1.4g/100°间。

可变传动比可以通过调整转向器，以达到最适合当前行驶车速的位置，发挥其最大的作用。线控转向系统的可变传动比研究，能够改善汽车的转向灵敏性，提高汽车的转向稳定性，并且使驾驭操作轻便，能够给驾驶员的安全及操作稳定一定的保障，使驾驶人员操作轻便，降低驾驶人员驾驭的难度与包袱，并降低意外事件发生的概率，并有效防止方向盘转向过敏，保障驾驶人员驾驭的转向安全。

3．可变传动比计算分析

理想传动比的定义为为保证车辆的转向特性不变并且车辆具有不错的操作稳定性的转向系统转向比[2]。而理想传动比下，不同车速下行驶着的汽车,车辆转向系统的反映都是不变的，很是稳定，就是为确保转向盘转角与汽车路径行驶角是相呼应的，这将会缩减驾驶人员因车辆特殊性能的变动而做出的抵偿，降低驾驭的难度，减轻驾驶员身上的包袱。为了保证汽车转向特性不变。可以选取转向灵敏度、期望横摆角速度增益、侧向加速度增益等作为计算理想传动比的评价指标。以期望横摆角速度增益为例：期望横摆角速度本是表征汽车转向的特殊性能的一个关键指标。其定义为横摆角速度相对于方向盘转角的比[2]，即

而转向系传动比为i，可得

假定期望横摆角速度增益G为常量K，则

但汽车行驶时会有不同的车速及不同的方向盘转角，在不同情况下，期望横摆角速度增益不应是同一常量，而只是在一定的范围内对应变化，只有这样，才能使其在不同工况下的早从稳定性在最佳效果，这时再进一步得到的传动比即为可变传动比。并且为了使车辆方向盘的的操纵趋于稳定，对于技术普通的驾驶人员来说，期望横摆角速度增益的取值在0.12-0.371/s之间，技术娴熟的驾驶人员则在0.21-0.411/s之间。

在此，若期望横摆角速度增益较小，车辆对于方向盘的掌控将会过于迟钝，导致车辆转向滞后；反之，若横摆角速度增益值较大，则会使方向盘响应过快，导致车辆转向的不稳定。因此，通过遗传算法优化期望横摆角速度增益是必要的。利用遗传算法优化期望横摆角速度增益，使其适应不同车速、不同的方向盘转角下的工况，遗传算法的优化目标是车辆转向系统操纵稳定性闭环总方法最小[3][4]，优化得到的参数便是期望横摆角速度增益。

4．结论

本文研究了基于转向灵敏性的线控转向系统的可变传动比研究策略，通过线控转向系统的可变传动比计算研究，改变了普通转向系统传动比恒定的缺点，实现车速从低速到高速范围内良好的转向操作灵活性和车辆稳定性。首先从线控转向系统的背景入手，分析线控转向系统的可变传动比的重要性，并了解到可变传动比研究的必要性。其次分析可变传动比转向系统的控制过程，通过线控转向系统可变传动比计算，分析可变的传动比对于转向灵敏度的影响，为传动比研究提供指导。以汽车操纵稳定性闭环方差最小为目标，利用遗传算法优化期望横摆角速度增益，最终得知可变的传动比能够有效地提高汽车低速转向灵敏性和高速转向稳定性，改善汽车路径跟踪能力，降低驾驶人员驾驭的难度与包袱，并降低意外事件发生的概率，有效防止方向盘转向过敏，保障驾驶人员的转向安全。

参考文献:

[1]刘永，汽车线控转向系统的研究[D].武汉理工大学，2005.

[2]郑宏宇，宗长福，田承伟等，基于理想传动比的汽车线控转向控制算法[J].吉林大学学报（工学院），2007，37（6）；1229—1235.

[3]郭孔辉.汽车操纵动力学[M].长春；吉林科学技术出版社，1991.

[4]施国标，赵万忠，王成玲等.线控转向传动比控制对车辆操纵稳定性的影响[J].北京理工大学学报，2008，28（3）；207-211.