浅析机械式主动前轮转向系统

-1-机械式主动前轮转向系统的原理及应用机械设计制造及其自动化4班摘要主动前轮转向技术（ActiveFrontSteeringSystem，简称AFS）在方向盘和齿轮齿条转向器之间的转向柱上加入了一套双行星齿轮机构，用来给前轮提供叠加转角，从而实现可变传动比的功能。与电动助力转向系统(EPS)相比，其技术核心就是车辆在低速行驶时转向更轻便、灵活；高速时，通过附加一个前轮转角来提高操纵稳定性。以宝马轿车上选装的主动转向系统为例，详细介绍了该系统的组成、双行星齿轮机构的结构及工作模式，以及该系统可变传动比、稳定车辆等功能的实现原理和系统安全性设计。指出通过与其他动力学控制系统一起实现底盘一体化集成控制将是主动转向技术未来的发展方向。关键词：主动前轮转向可变转向传动比双行星齿轮系统一、前言转汽车转向系统足汽车的一个重要组成部分，其功用是保证汽车按驾驶员的意志而进行转向行驶。转向系统的好坏直接影响汽车的操纵稳定性，对于保证汽车的安全行驶、减少交通事故、保护驾驶员的人身安全以及改善驾驶员的工作条件起着十分重要的作用。现代车辆转向系统发展至今大致可以划分为5个阶段,即液压伺服转向、电子伺服转向、电动助力转向（EPS）、主动转向和线控转向（SBW）。图1显示了这5种转向系统与其它电控系统的集成度和功能范围。电子伺服转向相对于传统液压伺服转向最大的优点在于,通过引入传感器技术使转向助力大小可以根据车速变化,而EPS系统在此基础上还具有主动阻尼功能和回正功能。-2-在传统齿轮齿条转向系统中,转向盘到前轮的转向传动比是固定的。转向系定传动比设计的缺陷主要表现为:低速或停车工况下驾驶员需要大角度地转动转向盘,而高速时又不能满足方向稳定性要求。同时满足转向系统在低速时的灵活性要求与高速时的稳定性要求,是当今车辆转向系统设计的核心问题之一。德国宝马公司和ZF公司联合开发的主动前轮转向系统（AFS）完美地解决了上述问题,并已装备于部分宝马3系列和5系列轿车上。该系统能够实现独立于驾驶员的转向干预,从而达到主动改变前轮转向角的目的。该系统具有可变传动比设计：在低速状态下传动比较小，使转向更加直接，以减少转向盘的转动圈数，提高车辆的灵活性和操控性；在高速行驶时转向传动比较人，提高车辆的稳定性和安全性。除了可变传动比设计外，通过转向干预来实观对车辆的稳定性控制是该系统最人的特点。主动前轮转向技术（AFS）在方向盘和齿轮齿条转向器之间的转向柱上加入了一套双行星齿轮机构，用来给前轮提供叠加转角，从而实现可变传动比的功能。它为车辆行驶灵敏性、舒适性和安全性设定了新标准，代表了转向技术发展的趋势。前轮主动转向技术的核心在于通过对前轮施加一个不依赖驾驶员转向盘输入的附加转角来提高车辆的操纵性、稳定性和轨迹保持性能。根据附加转角叠加方式的不同,又可分为机械式和电子式。机械式的代表就是宝马主动转向系统,通过行星齿轮机械结构增加一个输入自由度从而实现附加转向；电子式的代表就是线控转向技术,综合驾驶员转向角输入和当时的车辆状态来决定转向电机的输出电流,最终驱动前轮转动。线控转向和机械式主动转向系统最大的区别体现在当系统发生故障时,机械式主动转向系统仍能通过转向盘与车轮间的机械连接确保其转向性能,而线控转向必须通过系统主要零件的冗余设计来保证车辆的安全性。此外,由于机械式主动转向系统中保留了完整的机械转向结构,在转向过程中可以获得真实的路感,这一点是线控转向所不具备的。因此,从转向系统安全性和路感的角度出发,机械式主动转向是当前转向系统发展的一个重要方向。线控转向技术由于受到法规的约束,可靠性和安全性是阻碍其投入实际应用的最关键因素。二、系统的组成及其工作原理-3-2.1系统的组成下面以宝马的AFS系统为例，介绍机械式主动转向系统的结构和工作原理。该系统主要由三大子系统组成：液压助力齿轮齿条动力转向系统、变传动比执行系统和电控系统。系统原理图如图2所示。该系统除传统的转向机械构件外，主要包括两大核心部件：一是一套双行星齿轮机构，通过叠加转向实现变传动比功能；二是Servtronic液力伺服转向系统，用于实现转向助力功能。在驾驶过程中，驾驶员输入的力矩和转角共同传递图2宝马主动转向系统原理图给扭杆，其中的力矩输入由液力伺服机构根据车速和转向角度进行助力控制，而角输入则通过由伺服电机驱动的双行星齿轮机构与控制器输出的附加转角进行角叠加，经过叠加后的总转向角才是传递给齿轮齿条转向机构的最终转角。其中，控制器输出的转角是根据各个传感器的信号，包括车轮转速、转向角度、偏转率、横向加速度经综合计算得到的。由于宝马主动转向系统不仅能够对转向力矩进行调节，而且还可以对转向角度进行调整，因而可以使转向输入与当前的车速达到最佳匹配。2.2双行星齿轮机构图3为双行星齿轮机构的简图。输入轴与方向盘连接，另一端与前太阳轮连接，前太阳轮、前行星轮、行星架、齿圈形成了行星齿轮传动；后太阳轮、后行星轮、行星架、齿圈也形成了行星齿轮传动（两个行星齿轮都为NGW型，即行星-4-轮与内齿圈内啮合，太阳轮与行星轮外啮合）两个行星齿轮传动机构共用一个行星架进行力传递，传动比也相同，前齿圈被固定，输出轴的一端与后太阳轮连接，另一端与转向器连接。蜗杆由电机驱动，蜗杆与后齿圈外圈的涡轮啮合。图3双行星机构简图1、输入轴2、前太阳轮3、前行星轮4、前齿圈5、行星轮6、蜗杆7、后齿圈8、后行星轮9、后太阳轮10、输出轴宝马主动转向系统的双行星齿轮机构如图4所示。这套机构包括左右两副行星齿轮机构,共用一个行星架进行动力传递。左侧的主动太阳轮与转向盘相连,将转向盘上输入的转向角经由行星架传递给右侧的行星齿轮副。而右侧的行星齿轮副具有两个转向输入自由度,一个是行星架传递的转向盘转角,另一个是由伺服电机通过一个自锁式蜗轮蜗杆驱动的齿圈输入,即所谓的叠加转角输入。右侧的太阳轮作为输出轴,其输出的转向角度是由转向盘转向角度与伺服电机驱动的转向角度叠加得到。低速时,伺服电机驱动的行星架转动方向与转向盘转向相同,叠加后增加了实际的转向角度；高速时,伺服电机驱动的行星架转动方向与转向盘转向相反,叠加后减少了实际的转向角度,转向过程会变得更为间接,提高了汽车的稳定性和安全性。图4宝马主动转向系统双行星轮机构-5-2.3主动前轮转向系统的工作原理（1）伺服电机不工作：即蜗轮固定不动，方向盘转角通过前太阳轮，前行星齿轮，行星架，后行星齿轮，后太阳轮输出。此时伺服电机输入电流为零，保证涡轮不动，此行星轮系传动比为1：1。（2）方向盘不动：即前太阳轮固定，此时可由伺服电机通过蜗轮，后齿圈，行星轮，后太阳轮传递出动力。这可使伺服电机主动的对前轮进行调节，对车辆的不稳定进行自动的补偿，提高车辆的稳定性。（3）通常情况：方向盘与伺服电机同时工作，此时输出的转角是由电机与方向盘的叠加转角，伺服电机可根据驾驶条件自动的进行车辆转向传动比的调节，从而增加或减小转向角度。伺服电机的主动控制是由车辆的各种传感器如：车速传感器、方向盘转角、横向加速传感器等给出的信号，经过ECU计算出所要叠加转向的角度，给伺服电机不同大小的电流来实现的。由此，可使前轮转向角根据驾驶员的意图和不同工况而发生连续的变化，达到提高车辆轻便性和驾驶稳定性的目的。三、主动前轮转向系统的功能及特点3.1功能主动前轮转向系统的主要功能可有图5表示，主要包括驾驶员辅助功能以及稳定车辆功能。图5主动前轮转向系统的功能主动转向系统功能驾驶员辅助功能可变传动比功能转向灵活性功能车辆稳定性控制功能横摆角速度控制横摆力矩补偿-6-3.2特点3.2.1优点（1）主动转向系统最大的特点，就是依据驾驶条件，自动调节车辆转向传动比，从而增加或减小前轮的转向角度。在低速时，电动机的作用与驾驶者转动转向盘的方向一致，转向传动比减小，可以减少驾驶者对转向力的需求。在高速时，电动机的运转方向与驾驶者转动转向盘方向相反，减少了前轮的转向角度，转向传动比增大，从而提高了转向稳定性；（2）危险工况下,该系统通过独立于驾驶员的转向干预来稳定车辆,通过主动改变驾驶员给定的转向盘转角使得车辆响应尽可能与理想的车辆响应特性相一致；（3）而主动转向系统根据制动压力等信号计算出所需补偿的横摆力矩并通过调整相应的前轮转向角来实现方向调节。在这一过程中,驾驶员无需对转向盘进行修正,减轻了驾驶员的工作负担,保持了制动时的方向稳定性,减小制动距离,与传统ABS/ESP相比可使制动距离最多减少15%；（4）与ESP等通过制动干预来稳定车辆的方式相比,AFS的转向干预具有以下优点:首先转向干预不易为驾驶员察觉,对乘坐舒适性几乎没有影响,而制动干预不仅会产生较大的制动减速度,而且制动时发出的噪声也会影响乘坐舒适性；其次,转向干预比制动干预更加迅速,因为转向控制是通过伺服电机来完成的,而制动干预必须建立油压,而这需要一定的时间；此外转向干预相比制动干预对车速的改变较小,在危险工况下通过转向干预实现稳定的车辆具有更高的通过速度,从而降低了和对面来车由于避让不及发生碰撞的可能性。3.2.2缺点受到原理限制,主动转向的稳定性功能只适用于过多转向的工况。该工况下,通过叠加转向减小前轮转向角能够减小前轴侧向力,从而使得转向过多的趋势有所减缓；相反,在不足转向工况下,受到轮胎非线性的限制,侧向力达到饱和状态,通过增大前轮转向角的方式是很难改变车辆不足转向的趋势的。此外,受到转向机构机械布置的限制,前轮转向角的改变量是有限的,也就是说转向干预稳定车辆的能力弱于制动干预,在某些极限工况下必须依赖ESP制动干预才能实现稳定-7-车辆的目的。四、现状与展望4.1现状在主动前轮转向系统研究方面国内起步的比较晚，但主动前轮转向系统的控制技术诈随着主动前轮转向技术的发展受到重视。相比EPS和SBW，无论足从转向操纵稳定性还是安全性，主动转向系统都是当前和今后发展的一个主要趋势。近些年国内科研单位和众多学者对主动转向系统和主动转向控制的研究也不少。主动前轮转向作为一项主动安全技术具有很大的潜在市场需求,但由于增加了一套行星齿轮机构,因此成本较高,目前主要应用于高档轿车。4.2展望车辆的操纵稳定性不仅可以通过转向来影响,而且可以通过纵向运动的控制产生的直接横摆力矩来影响,同时,它还与车辆的悬架系统特性有着密切的关系。随着汽车主动安全系统的不断推出,转向系统与各系统间的集成控制就成为未来发展的必然趋势。JoostzuurbierIr将主动制动、主动转向和主动悬架系统集成起来进行控制,增加了汽车的操纵稳定性和安全性。Bosch公司研究的车辆动力学管理系统,在车辆动力学控制系统(vehicledynamicscontrol)基础上增加了转向和悬架系统,通过控制策略将所需的横摆力矩分配到制动、转向和悬架系统中。为了实现更广泛的集成控制,汽车业界成立了AUTOSAR(AutomotiveOpenSystemArchitecture),主要是规范汽车电子产品、软件等的互通性,使汽车各系统和控制软件具有开放性和标准化接口,使各系统功能领域之间的阻碍和干扰最小化。随着控制技术的发展,汽车集成控制涵盖的范围将更广泛。五、结束语宝马主动转向系统通过一组双行星齿轮机构实现了独立于驾驶员的转向叠加功能，完美地解决了低速时转向灵活轻便，高速时保持方向稳定性的矛盾，并在此-8-基础上通过转向干预来防止极限工况下车辆过多转向的趋势，进一步提高了车辆稳定性。同时，该系统能方便地与其他动力学控制系统进行集成控制，为今后汽车底盘一体化控制奠定了良好的基础。参考文献[1].吉林大学，王望予汽车设计机械工业出版社,2000年；[2].高晓杰,余卓平,张立军,蒋励机械式前轮主动转向系统的原理与应用,2007；[3].王红岩，秦大同，周云山等汽车无级变速传动系统综合控制的研究机械工业学报，2000，2；[4].黄学锋金属带式无级变速器电液控制系统的研究:[吉林大学硕士学位论文].吉林大学汽车工程学院,2003，5；[5].孙宣峰赵景波前轮主动转向系统设计《拖拉机与农用运输车》2008年06期。[6]赵伟,魏朗,周志立,等.