汽车转向系统的现状及未来发展

作者:捷太格特(JTEKT) 松冈浩史 文章来源:AI《汽车制造业》 发布时间:2017-03-28
分享到
本文在回顾转向器发展历史的基础上,针对今后ADAS 的发展预想及其对转向器性能的要求,实现这些性能所需要的系统,以及安全性设计的考虑进行了阐述。捷太格特作为转向器行业的领跑者,针对今后不断发展的ADAS 以及自动驾驶,有义务不断钻研、开发新技术,并将其尽快实现产业化,投入应用。

现在的汽车,已经实现了对车辆周边及车辆行驶状况的高水平、高精度监测,减轻碰撞伤害的紧急制动系统所代表的主动安全也逐渐扩大应用并发展。另一方面,捷太格特(JTEKT)1988 年开发并量产的世界上首台电动助力转向器(EPS,Electric Power Steering)也得到普及,目前已有半数以上的乘用车搭载了EPS。此外,在搭载了EPS 的车辆上,自动泊车系统、车道偏离预警系统(LDW)、车道保持辅助系统(LKA)等应用EPS 操控自由度的驾驶辅助系统也得以普及。今后这些驾驶辅助技术将会得到进一步提升,从而发展成为高级驾驶辅助系统(ADAS)以及自动驾驶系统。为实现这些,转向器的功能、性能就必须得以进一步的提升。

转向系统的发展史
       20 世纪60 年代,液压助力转向系统(HPS,Hydraulic Power Steering)的应用降低了转动转向盘(Steering Wheel)所需的操控力,减轻了驾驶员的负担。此外,通过不同车速下对助力的控制,既降低了停车时转向盘操控力,同时也提升了高速行驶时的稳定性以及操控感。1988 年,捷太格特首次开发了EPS 应用以来,对车辆的油耗降低做出了巨大的贡献。

2001 年,HPS 仍占据大半市场,但随着近年来大型车辆也不断切换为EPS,2010 年以后EPS 的生产台数急剧增加。与此同时,不同EPS 的搭载比率也发生了变化。小型车上搭载的管柱式电动助力转向器(C-EPS)一直占据主流位置,但是在车辆下部齿条上添加助力系统的齿条助力式EPS(DP-EPS、RPEPS)也有增加的趋向。随着今后油耗限值的加强、高级驾驶辅助技术的普及,以及ADAS 的应用,EPS 将会得到进一步的发展。

图1 是捷太格特转向器产品的发展史。作为转向器行业的领跑者,捷太格特不仅进一步完善产品线以满足客户的不同需求,还努力开发新型转向器产品。今后,捷太格特将以开发新型转向系统及相关技术作为公司使命,以满足不断发展的汽车技术。

ADAS 及转向系统的发展

1. ADAS 的市场动向

近年来,随着计算机处理能力的快速发展,以及车载雷达、摄像头等识别感应装置的性能提高与成本降低,自动紧急制动、LDW/LKA 等以提高车辆全性能为目的的驾驶辅助系统在类别和数量上都急剧增加。因为有助于大幅度减少交通事故和死亡人数,所以阶段性导入这些辅助系统,并使其成为N-CAP 的评估对象等标准化工作也在日益推进。毫无疑问,今后其普及率将会得到进一步提升。

随着ADAS 的进一步发展,系统控制完全替代驾驶员的“自动驾驶系统”的应用可行性将会大幅度提升。

对于推进自动驾驶系统,日、美、欧等发达国家在时间表上虽然多少存在一些差异,但在功能提升、适用道路扩展等方面几乎齐头并进(见图2)。这不仅是汽车本身的变化,而且通过社会认知度的提升,法律法规的修改等,对人们的生活方式想必也会带来强烈的冲击。

2. 对转向系统的要求

随着ADAS 以及自动驾驶系统的进一步发展,对于转向系统性能的要求也会有相应的变化。图3 所示是各种驾驶辅助系统的功能,自动化水平以及对转向系统要求的关系图。LDW、LKA、TJA(Traffic Jam Assist,堵车辅助系统)是相对成熟的系统,很多整车厂都已有量产实绩或近期准备投入应用。但这些系统仍服从于驾驶员的操作,一旦转向系统发生紧急状况,驾驶员的操控优先度必须超越系统本身。预计2020 年左右投入应用的“系统主权型”自动驾驶系统,在发生紧急状况需要转向操控时,驾驶员取得操控权限前有必要维持系统的功能。此外,相较于驾驶员的判断,能够更进一步对安全进行判断的高级辅助系统一旦得以应用,对于驾驶员的操控、干涉能够自行控制的线控转向(SBW,Steer By Wire)就极有可能成为一种非常有效的转向手段,并成为流。

安全性能的保障

1. 功能安全的对应

近年来,汽车上所搭载的电子/ 电气系统性能不断提升,复杂化程度日益增加,搭载数量也显著增多。同时,我们要求这些
电子系统能够准确无误地运行、工作,以确保汽车的安全行驶。因此国际标准IEC61508 所规定的功能安全的基本考量被导入汽车产业,并于2011 年发布了汽车功能安全国际标准ISO26262。根据该标准的规定,电子控制单元发生的故障、错误依据其危险性、频率以及可回避性进行了等级划分(ASIL 设定,AutomotiveSafety Integrity Levels),针对不同等级的安全对策和功能的追踪性也被编入V 字开发模型中,应用于企业的产品开发。

2. EPS 的安全性保障和应

用于ADAS 的基本思考针对目前的EPS,以下两种故障模式被划分为ASIL-D 这个级别,是诸多级别中故障最严重的级别:(1)转向器的暴走(驾驶没有操控的情况下,车辆系统并没有给出自动泊车等指示,可转向盘却会自动旋转);(2)转向器的锁止(转向盘转不动)。针对这些故障模式,首先应该开发、设计和制造各环节,按照功能安全的要求,不断改善品质、选择故障率低的电子产品等,使故障发生率降低到功能安全标准要求达到的水平。其次,包含上述故障,在系统发生异常情况之时,双核计算机的监视功能和故障保护功能将停止系统的工作,使其不能进一步扩大危险性。但是,由于近年来车辆日趋大型化(车重增加),EPS 的助力也相应增大,所以在系统发生故障时,系统停止工作不再被允许。

另外,针对ADAS 和自动驾驶系统,ADAS/ 自动驾驶功能、支持这些功能的EPS/SBW 的系统停止被划分为ASIL-D,发生故障时也极有可能要求其维持基本的功能性。为此,捷太格特致力于功能系统不容易停止或者最终不会停止的EPS 产品开发,并取得了一定的成绩(见图4)。

结语

十年前,提到自动驾驶系统,还是很遥远的事情,可现在自动驾驶越来越走进我们的视野,汽车和汽车社会正处在大变革的前夜。车辆技术课题以及发生事故时的权责所在等法律层面问题尚待解决,但考虑到自动驾驶所带来的汽车驾驶便捷、安全性能的飞跃,各国产学研各方面的努力都是有目共睹的,都在为梦想的实现不遗余力。

 

收藏
赞一下
0