航空工業與汽車工業有著千絲萬縷的聯系,現代汽車所使用的流線形車身、渦輪增壓技術、車載平視顯示器、環抱式駕駛艙等設計都來源于航空領域。如今,源自第三代戰機的電傳操縱系統也通過技術轉化被應用在了汽車上,這就是線傳控制轉向系統。
電動助力轉向系統結構示意圖
首先簡單介紹下飛機操縱系統的發展過程。在數字式電傳操縱系統出現之前,飛機的操控系統經歷了由早期的拉線式控制系統——機械式控制系統——液壓式控制系統的發展過程。但不管是最早的拉線式控制還是二代戰機廣泛使用的液壓式控制系統,都對飛行員的臂力提出了很高的要求。隨著飛機尺寸和重量的增加,各氣動舵面作動所需的操縱力也越來越大,而飛行員的臂力又是有限的,再加上機械式/液壓式控制系統需要占據很大的機內空間且冗重,在這種背景下,新的飛行控制系統呼之欲出。
采用機械式控制系統的水上飛機
1972年,NASA(美國國家航空航天局)對一架F—8戰斗機進行了改裝:NASA用電子管線代替了傳統的機械回路,在電傳操控系統中,飛行員操作操縱桿產生的不是具體的力矩,而是經過機載計算機轉換后的電子信號,電子信號經過電子管線傳遞至各氣動舵面的執行機構,作動舵面,從而完成對飛機的控制。
試飛中的電傳飛控系統(FBW)驗證機
與傳統的機械式/液壓式控制系統相比,數字式電傳控制系統具有占據空間小、可靠性高、重量輕、操縱省力等諸多優點,因而廣泛被以F—16和蘇—27為代表的第三代戰斗機所采用。數字式電傳控制系統在軍用飛機上成功運用后,又被推廣到了民用飛機市場,空客A320、達索“獵鷹”7X和波音777是較早應用數字式電傳控制系統的民用客機。
NASA F—8數字式電傳操控驗證機電子管線特寫
和平視顯示器的移植過程類似,電傳控制系統也經歷了從軍用飛機—民用飛機—汽車的過程。盡管電傳控制系統早在上世紀80年代就已經被應用在飛行器上,但它在汽車領域投入實用卻是在2013年。在2013年1月的北美車展上,英菲迪尼展出了一款Q50豪華轎車,這款轎車最大的亮點就是采用了線傳控制轉向系統(Steering By Wire System,簡稱SBW),線傳控制轉向系統的原理和電傳飛控相似,二者都是用電子管線和電動執行機構取代了機械機構,將駕駛員的駕駛意圖通過計算機轉化為電子信號,電子信號經過電子管線傳遞至轉向機構,完成轉向操作。
英菲尼迪Q50線傳控制轉向系統組成
典型的線控轉向系統由方向盤總成、電控單元和轉向執行機構這三大部分組成,負責感知駕駛員駕駛意圖的轉角傳感器和轉矩傳感器被集成在方向盤總成中。為了提高系統的可靠性,電控單元通常設置有3組及以上,各組互為備份,當某一組電控單元發生故障時,備份的電控單元會立即接手,防止故障發生。線控轉向系統與現有的電子助力轉向系統(EPS)相比,最大的不同就是省去了轉向柱這一機械結構。
英菲尼迪Q50駕駛室前部空間特寫
省去轉向柱之后,轉向系統的結構可以大大簡化,原有的剛性連接機械部件被電子管線所取代,不僅節約了駕駛艙的空間,還可以極大減輕轉向系統的重量,提高汽車的燃油經濟性。此外,由于傳統的剛性連接機構被取代,駕駛員將不再感受到路面顛簸所帶來的方向盤振動,汽車發生正面碰撞事故時駕駛員也不會受到轉向柱的傷害,而節省出來的空間可以布置腿部安全氣囊,從而極大地提高汽車的安全性能。
2016年北美車展展出的英菲尼迪Q50,搭載了第二代SBW
在2016年的北美車展上,英菲尼迪展出了采用第二代線傳控制轉向系統的2016款英菲尼迪Q50轎車。與第一代線傳控制轉向系統相比,第二代SBW優化了轉向反饋和轉向回正力矩邏輯,進一步優化了轉向的精準性和操控性,可以提供與傳統的機械轉向機構相近的操控體驗。在越來越強調汽車安全性和舒適性的未來,線傳控制轉向系統無疑將取代現有的轉向系統,成為汽車轉向系統的發展方向。