1、主動轉向的形式和工作原理,編制 ：王福桂2009.03.02,前言：現代汽車轉向發(fā)展歷程1、主動前輪轉向系統(tǒng)（Active Front Steering）概述：2、主動轉向系統(tǒng)組成及核心部件結構3、主動轉向機構解析4、主動轉向系統(tǒng)工作原理5、系統(tǒng)安全性設計6、主動轉向系統(tǒng)功能7、結束語,前言：現代汽車轉向發(fā)展歷程,現代車輛轉向系統(tǒng)發(fā)展至今大致可以劃分為5個階段:液壓伺服轉向電子伺服轉向電動助力轉向（EPS）主動轉

2、向(AFS)線控轉向（SBW）這5種轉向系統(tǒng)的集成度和功能范圍依次遞增，其中電子伺服轉向相對于傳統(tǒng)液壓伺服轉向最大的優(yōu)點在于，通過引入傳感器技術，使轉向助力大小可以根據車速而變化；而EPS系統(tǒng)在此基礎上還具有主動阻尼功能和主動回正功能。,,1、主動前輪轉向系統(tǒng) （Active Front Steering） 概述：,,主動轉向系統(tǒng)能夠實現獨立于駕駛員的轉向干預，從而達到主動改變前輪轉向角的目的。該系統(tǒng)具有可變傳動比設計：傳

3、統(tǒng)的轉向系統(tǒng)不論車速快慢，都采用18：1的固定傳動比率，這表示方向盤轉向18度，車輪轉動1度。而寶馬主動式轉向系統(tǒng)的比率則在一定的范圍內，從靜止狀態(tài)的10：1到高速時的20：1。也就是說，當方向盤轉動半圈(180度)時，車速若低，車輪就轉動18度，車速若高，則車輪只轉動不足9度。因此在低速狀態(tài)下傳動比較小，使轉向更加直接，以減少轉向盤的轉動圈數，提高車輛的靈活性和操控性；在高速行駛時轉向傳動比較大，降低高速下的轉向靈敏度，提高車輛的穩(wěn)定

4、性和安全性。,,2、主動轉向系統(tǒng)組成及核心部件結構,圖1-1,寶馬主動轉向系統(tǒng)保留了傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)中的機械構件，包括方向盤、轉向柱、齒輪齒條轉向機以及轉向橫拉桿等。其最大特點就是在轉向盤和齒輪齒條轉向機之間的轉向柱上集成了一套雙行星齒輪機構，用于向轉向輪提供疊加轉向角。,圖1-2,除傳統(tǒng)的轉向機械構件外，寶馬主動轉向系統(tǒng)主要包括兩大核心部件：1）1套雙行星齒輪機構，通過疊加轉向角實現變傳動比功能。2）Servtron

5、ic電子伺服轉向系統(tǒng)，用于實現轉向助力功能。,3、主動轉向機構解析,圖1-3,圖1-4,圖1-5,,4、主動轉向系統(tǒng)工作原理,圖1-6,主動式轉向系統(tǒng)的控制組件與引擎的電子零件、動態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)(DSC)和兩只偏航率傳感器相聯相通。依據這些系統(tǒng)提供的信息，它以平均每秒100次的運算速度，提供最實時、最理想的轉向角度。系統(tǒng)通過測量轉向角度，可以掌握駕駛者的意圖。動態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)依據車輪轉動的圈數可以計算出車速，而偏航率傳感器則可隨時監(jiān)控車

6、輛垂直軸的穩(wěn)定性。,這套機構包括兩副行星齒輪機構，共用一個行星架進行動力傳遞。主動太陽輪2與轉向盤相連，將轉向盤上輸入的轉向角經由行星架傳遞給行星齒輪副3。而行星齒輪副6具有兩個轉向輸入自由度，一個是行星架傳遞的轉向盤轉角，另一個是由伺服電機通過一個自鎖式蝸輪蝸桿驅動的齒圈輸入，即所謂的疊加轉角輸入。太陽輪11作為輸出軸，其輸出的轉向角度是由轉向盤轉向角度與伺服電機驅動的轉向角度疊加得到，也就是汽車的實際轉向角度。低速時，伺服電機驅動的

7、行星架轉動方向與轉向盤轉動相同，疊加后增加了實際的轉向角度，可以減少轉向力的需求。高速時，伺服電機驅動的行星架轉動方向與轉向盤轉動相反，疊加后減少了實際的轉向角度，轉向過程會變得更為間接，提高了汽車的穩(wěn)定性和安全性。該齒輪機構工作時具有如下3種驅動方式：,a.伺服電機即渦輪固定不動時，轉向盤轉角通過主動太陽輪將動力傳遞給雙行星齒輪機構中間的行星架，再由從動太陽輪輸出。與此同時，前軸上的地面反力也通過相同的途徑為駕駛員提供轉向路感，這也是

8、在不裝備主動轉向系統(tǒng)的車輛上駕駛員對于前輪轉向的操縱過程。b.轉向盤不動，即主動太陽輪固定時，可由伺服電機驅動渦輪通過行星齒輪機構將動力傳遞給從動太陽輪。c.在通常情況下，主動太陽輪和伺服電機是共同工作的，車輪轉角是駕駛員轉向角和伺服電機調節(jié)轉向角的疊加。,該布置方式的優(yōu)點：（1）保留了原來從轉向盤到轉向輪的機械連接,在電機發(fā)生故障時仍能保證轉向安全性。（2）與傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)相比,僅在轉向管柱上加入雙行星齒輪機構,而原有齒輪齒條轉

9、向器的摩擦及剛度條件不變,對駕駛員來說有利于保持原有的操縱感覺，由雙行星齒輪機構產生的作用反力矩,可通過改變原有的助力控制進行補償。（3）雙行星齒輪機構運行于低速條件,有利于減少噪聲。（4）雙行星齒輪機構與轉向管柱、轉向小齒輪集成在一起,使結構更加緊湊。,（5）變傳動比設計 與常規(guī)轉向系統(tǒng)的顯著差別在于，寶馬主動轉向系統(tǒng)不僅能夠對轉向力矩進行調節(jié)，而且還可以對轉向角度進行調整，使其與當前的車速達到完美匹配。其中的總轉角δG等

10、于駕駛員轉向盤轉角和伺服電機轉角之和 。,式中，iD為轉向系統(tǒng)總傳動比；δs為轉向盤轉角；iM為蝸輪、蝸桿傳動比；δM為電機調整角。,,為了保證系統(tǒng)實時安全可靠,對系統(tǒng)的安全性設計是極其必要的,其過程如下:首先對傳感器信號（如車輪轉速）進行濾波處理,然后根據一定的預估算法計算出某一狀態(tài)變量的參考值（如橫擺角速度、小齒輪轉角）,接著將由傳感器直接測得的狀態(tài)變量實際值與參考值進行比較,得到一偏差。當偏差在一定的門限范圍內時,認為傳感

11、器工作良好,可以采用該信號；當偏差過大時,則必有某一傳感器信號為錯誤信號,需結合其他信號進行故障診斷。 蝸桿端部有一圓錐齒輪,如圖1-3所示（7）,而電磁鎖止裝置中裝有預緊彈簧,在正常狀態(tài)下AFS的ECU給電磁鎖止裝置供電,保證圓錐齒輪和電磁鎖止裝置分離良好；當伺服電機發(fā)生故障時,ECU停止供電,預緊彈簧將把電磁鎖止裝置的端部壓入圓錐齒輪的某兩齒間,使得電機不再轉動,此時整個轉向系統(tǒng)如同一般的定傳動比系統(tǒng)進行工作 。,5

12、、系統(tǒng)安全性設計,,（一）駕駛員輔助功能,駕駛員輔助功能主要包括可變轉向傳動比和轉向靈活性功能。轉向靈活性指的是車輛對駕駛員輸入的跟隨性能,可以通過在控制過程中加入諸如微分等環(huán)節(jié)，改善轉向系統(tǒng)的動態(tài)特性,盡可能減小橫擺角速度和側向加速度相對于轉向盤轉角輸入的相位滯后,從而達到轉向靈活的目的。,式（1）給出了小齒輪轉角、轉向盤轉角和電機轉角的關系,δM為電機轉角,δG為小齒輪轉角,δS為轉向盤轉角,iM為電機頭部處蝸輪蝸桿的傳動比,

13、iD為連接轉向盤的行星齒輪機構的傳動比；式（2）中的FSG為小齒輪轉角δG和前輪轉角δF的非線性函數關系；式（3）給出了方向盤轉角δS和前輪轉角δF的關系,iv為整個轉向系統(tǒng)傳動比。為了滿足轉向系統(tǒng)低速輕便、高速穩(wěn)定的要求,在設計時可事先根據理想的轉向動態(tài)響應特性求出傳動比、轉向盤轉角和車速的關系,并做成表格存儲于ECU中。在實際行駛過程中,ECU根據當前車速和轉向盤轉角獲得當前所需的傳動比,再根據轉向盤轉角、小齒輪轉角和齒條位移、前輪

14、轉角的非線性函數關系推得所需的電機轉角,最后驅動電機轉過相應的角度,計算公式如式（4）所示。其中υx表示車輛的縱向車速。,6、主動轉向系統(tǒng)功能,（二）轉向靈活功能,在轉向盤轉角低頻輸入的條件下（如f=0.3Hz），橫擺角速度和側向加速度對于前輪轉向角的響應可以簡化為一階滯后環(huán)節(jié)，即：,研究表明，Tr+Ty標志著車輛系統(tǒng)的響應速度，當Tr和Ty均上升時，系統(tǒng)的響應變慢；Tr和Ty標志轉向時的穩(wěn)態(tài)感覺，隨著該時間常數差的增加，穩(wěn)態(tài)的感覺下降

15、。這說明駕駛員轉向角輸入與橫擺角速度、側向加速度間的相位滯后能極大地影響人-車閉環(huán)系統(tǒng)的響應特性。通過加入諸如PD比例-微分控制等環(huán)節(jié)來補償相位滯后以改善人-車閉環(huán)響應特性，可提高車輛的轉向靈活性。,（三）車輛穩(wěn)定性控制功能,除了可變傳動比設計外，穩(wěn)定性控制功能是寶馬主動轉向系統(tǒng)最大的特點。危險工況下該系統(tǒng)通過獨立于駕駛員的轉向干預來穩(wěn)定車輛，通過主動改變駕駛員給定的轉向盤轉角使得車輛響應盡可能與理想的車輛響應特性相一致。圖5為采用了模

16、型跟蹤的控制策略。首先通過線性兩自由度參考模型并根據當前駕駛員轉向角及車速計算得到期望的橫擺角速度，但期望橫擺角速度最大值又受到路面附著系數μ和車速V的限制，其最大值為：,,類似于橫擺角速度控制功能，寶馬主動轉向系統(tǒng)還提供了橫擺力矩補償功能，以提高在分離系數路面上車輛的制動穩(wěn)定性。在該工況下，由于左、右輪上不等制動力會產生繞車輛質心的橫擺力矩，使得車輛發(fā)生制動跑偏現象。傳統(tǒng)的ESP電子穩(wěn)定程序通過調節(jié)4個車輪上的制動力來使得左、右車輪的

17、制動力盡量相等，但以減小制動減速度、增大制動距離為代價。而主動轉向系統(tǒng)根據制動壓力等信號計算出所需補償的橫擺力矩并通過調整相應的前輪轉向角來實現方向調節(jié)。在這一過程中駕駛員無需對轉向盤進行修正，減輕了駕駛員的工作負擔，保持了制動時的方向穩(wěn)定性，減小了制動距離。通過這一技術的應用，與傳統(tǒng)ABS/ESP相比，可使制動距離最多減少15%。,,7、結束語,寶馬主動轉向系統(tǒng)通過一組雙行星齒輪機構實現了獨立于駕駛員的轉向疊加功能，完美地解決了低速時