主动转向的形式和工作原理20090302

主动转向的形式和工作原理编制：王福桂2009.03.02►前言：现代汽车转向发展历程►1、主动前轮转向系统（ActiveFrontSteering）概述：►2、主动转向系统组成及核心部件结构►3、主动转向机构解析►4、主动转向系统工作原理►5、系统安全性设计►6、主动转向系统功能►7、结束语前言：现代汽车转向发展历程现代车辆转向系统发展至今大致可以划分为5个阶段:液压伺服转向电子伺服转向电动助力转向（EPS）主动转向(AFS)线控转向（SBW）这5种转向系统的集成度和功能范围依次递增，其中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而变化；而EPS系统在此基础上还具有主动阻尼功能和主动回正功能。1、主动前轮转向系统（ActiveFrontSteering）概述：主动转向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：传统的转向系统不论车速快慢，都采用18：1的固定传动比率，这表示方向盘转向18度，车轮转动1度。而宝马主动式转向系统的比率则在一定的范围内，从静止状态的10：1到高速时的20：1。也就是说，当方向盘转动半圈(180度)时，车速若低，车轮就转动18度，车速若高，则车轮只转动不足9度。因此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大，降低高速下的转向灵敏度，提高车辆的稳定性和安全性。2、主动转向系统组成及核心部件结构1动态稳定控制传感器5储液罐2转向管柱6转向机3主动转向控制单元7动力转向泵4主动转向执行单元8转向系统冷却器图1-1宝马主动转向系统保留了传统转向系统中的机械构件，包括方向盘、转向柱、齿轮齿条转向机以及转向横拉杆等。其最大特点就是在转向盘和齿轮齿条转向机之间的转向柱上集成了一套双行星齿轮机构，用于向转向轮提供叠加转向角。图1-2除传统的转向机械构件外，宝马主动转向系统主要包括两大核心部件：1）1套双行星齿轮机构，通过叠加转向角实现变传动比功能。2）Servtronic电子伺服转向系统，用于实现转向助力功能。3、主动转向机构解析图1-3图1-4图1-54、主动转向系统工作原理图1-6主动式转向系统的控制组件与引擎的电子零件、动态稳定控制系统(DSC)和两只偏航率传感器相联相通。依据这些系统提供的信息，它以平均每秒100次的运算速度，提供最实时、最理想的转向角度。系统通过测量转向角度，可以掌握驾驶者的意图。动态稳定控制系统依据车轮转动的圈数可以计算出车速，而偏航率传感器则可随时监控车辆垂直轴的稳定性。这套机构包括两副行星齿轮机构，共用一个行星架进行动力传递。主动太阳轮2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行星齿轮副3。而行星齿轮副6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。太阳轮11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，也就是汽车的实际转向角度。低速时，伺服电机驱动的行星架转动方向与转向盘转动相同，叠加后增加了实际的转向角度，可以减少转向力的需求。高速时，伺服电机驱动的行星架转动方向与转向盘转动相反，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。该齿轮机构工作时具有如下3种驱动方式：a.伺服电机即涡轮固定不动时，转向盘转角通过主动太阳轮将动力传递给双行星齿轮机构中间的行星架，再由从动太阳轮输出。与此同时，前轴上的地面反力也通过相同的途径为驾驶员提供转向路感，这也是在不装备主动转向系统的车辆上驾驶员对于前轮转向的操纵过程。b.转向盘不动，即主动太阳轮固定时，可由伺服电机驱动涡轮通过行星齿轮机构将动力传递给从动太阳轮。c.在通常情况下，主动太阳轮和伺服电机是共同工作的，车轮转角是驾驶员转向角和伺服电机调节转向角的叠加。该布置方式的优点：（1）保留了原来从转向盘到转向轮的机械连接,在电机发生故障时仍能保证转向安全性。（2）与传统转向系统相比,仅在转向管柱上加入双行星齿轮机构,而原有齿轮齿条转向器的摩擦及刚度条件不变,对驾驶员来说有利于保持原有的操纵感觉，由双行星齿轮机构产生的作用反力矩,可通过改变原有的助力控制进行补偿。（3）双行星齿轮机构运行于低速条件,有利于减少噪声。（4）双行星齿轮机构与转向管柱、转向小齿轮集成在一起,使结构更加紧凑。（5）变传动比设计与常规转向系统的显著差别在于，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，使其与当前的车速达到完美匹配。其中的总转角δG等于驾驶员转向盘转角和伺服电机转角之和。式中，iD为转向系统总传动比；δs为转向盘转角；iM为蜗轮、蜗杆传动比；δM为电机调整角。为了保证系统实时安全可靠,对系统的安全性设计是极其必要的,其过程如下:首先对传感器信号（如车轮转速）进行滤波处理,然后根据一定的预估算法计算出某一状态变量的参考值（如横摆角速度、小齿轮转角）,接着将由传感器直接测得的状态变量实际值与参考值进行比较,得到一偏差。当偏差在一定的门限范围内时,认为传感器工作良好,可以采用该信号；当偏差过大时,则必有某一传感器信号为错误信号,需结合其他信号进行故障诊断。蜗杆端部有一圆锥齿轮,如图1-3所示（7）,而电磁锁止装置中装有预紧弹簧,在正常状态下AFS的ECU给电磁锁止装置供电,保证圆锥齿轮和电磁锁止装置分离良好；当伺服电机发生故障时,ECU停止供电,预紧弹簧将把电磁锁止装置的端部压入圆锥齿轮的某两齿间,使得电机不再转动,此时整个转向系统如同一般的定传动比系统进行工作。5、系统安全性设计（一）驾驶员辅助功能驾驶员辅助功能主要包括可变转向传动比和转向灵活性功能。转向灵活性指的是车辆对驾驶员输入的跟随性能,可以通过在控制过程中加入诸如微分等环节，改善转向系统的动态特性,尽可能减小横摆角速度和侧向加速度相对于转向盘转角输入的相位滞后,从而达到转向灵活的目的。式（1）给出了小齿轮转角、转向盘转角和电机转角的关系,δM为电机转角,δG为小齿轮转角,δS为转向盘转角,iM为电机头部处蜗轮蜗杆的传动比,iD为连接转向盘的行星齿轮机构的传动比；式（2）中的FSG为小齿轮转角δG和前轮转角δF的非线性函数关系；式（3）给出了方向盘转角δS和前轮转角δF的关系,iv为整个转向系统传动比。为了满足转向系统低速轻便、高速稳定的要求,在设计时可事先根据理想的转向动态响应特性求出传动比、转向盘转角和车速的关系,并做成表格存储于ECU中。在实际行驶过程中,ECU根据当前车速和转向盘转角获得当前所需的传动比,再根据转向盘转角、小齿轮转角和齿条位移、前轮转角的非线性函数关系推得所需的电机转角,最后驱动电机转过相应的角度,计算公式如式（4）所示。其中υx表示车辆的纵向车速。6、主动转向系统功能（二）转向灵活功能在转向盘转角低频输入的条件下（如f=0.3Hz），横摆角速度和侧向加速度对于前轮转向角的响应可以简化为一阶滞后环节，即：研究表明，Tr+Ty标志着车辆系统的响应速度，当Tr和Ty均上升时，系统的响应变慢；Tr和Ty标志转向时的稳态感觉，随着该时间常数差的增加，稳态的感觉下降。这说明驾驶员转向角输入与横摆角速度、侧向加速度间的相位滞后能极大地影响人-车闭环系统的响应特性。通过加入诸如PD比例-微分控制等环节来补偿相位滞后以改善人-车闭环响应特性，可提高车辆的转向灵活性。（三）车辆稳定性控制功能除了可变传动比设计外，稳定性控制功能是宝马主动转向系统最大的特点。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。图5为采用了模型跟踪的控制策略。首先通过线性两自由度参考模型并根据当前驾驶员转向角及车速计算得到期望的横摆角速度，但期望横摆角速度最大值又受到路面附着系数μ和车速V的限制，其最大值为：类似于横摆角速度控制功能，宝马主动转向系统还提供了横摆力矩补偿功能，以提高在分离系数路面上车辆的制动稳定性。在该工况下，由于左、右轮上不等制动力会产生绕车辆质心的横摆力矩，使得车辆发生制动跑偏现象。传统的ESP电子稳定程序通过调节4个车轮上的制动力来使得左、右车轮的制动力尽量相等，但以减小制动减速度、增大制动距离为代价。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，减小了制动距离。通过这一技术的应用，与传统ABS/ESP相比，可使制动距离最多减少15%。7、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与高速时保持方向稳定性的矛盾，并在此基础上通过转向干预来防止极限工况下车辆转向过多的趋势，进一步提高了车辆的稳定性。同时，该系统能方便地与其它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。谢谢！