主動轉(zhuǎn)向的形式和工作原理20090302

1、主動轉(zhuǎn)向的形式和工作原理,編制 ：王福桂2009.03.02,前言：現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向發(fā)展歷程1、主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Active Front Steering）概述：2、主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成及核心部件結(jié)構(gòu)3、主動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)解析4、主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理5、系統(tǒng)安全性設(shè)計6、主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)功能7、結(jié)束語,前言：現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向發(fā)展歷程,現(xiàn)代車輛轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向電子伺服轉(zhuǎn)向電動助力轉(zhuǎn)向（EPS）主動轉(zhuǎn)

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

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

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

5、ic電子伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，用于實現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力功能。,3、主動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)解析,圖1-3,圖1-4,圖1-5,,4、主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理,圖1-6,主動式轉(zhuǎn)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(lián)相通。依據(jù)這些系統(tǒng)提供的信息，它以平均每秒100次的運(yùn)算速度，提供最實時、最理想的轉(zhuǎn)向角度。系統(tǒng)通過測量轉(zhuǎn)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(jù)車輪轉(zhuǎn)動的圈數(shù)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(jī)構(gòu)包括兩副行星齒輪機(jī)構(gòu)，共用一個行星架進(jìn)行動力傳遞。主動太陽輪2與轉(zhuǎn)向盤相連，將轉(zhuǎn)向盤上輸入的轉(zhuǎn)向角經(jīng)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(zhuǎn)向輸入自由度，一個是行星架傳遞的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，另一個是由伺服電機(jī)通過一個自鎖式蝸輪蝸桿驅(qū)動的齒圈輸入，即所謂的疊加轉(zhuǎn)角輸入。太陽輪11作為輸出軸，其輸出的轉(zhuǎn)向角度是由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向角度與伺服電機(jī)驅(qū)動的轉(zhuǎn)向角度疊加得到，也就是汽車的實際轉(zhuǎn)向角度。低速時，伺服電機(jī)驅(qū)動的

7、行星架轉(zhuǎn)動方向與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動相同，疊加后增加了實際的轉(zhuǎn)向角度，可以減少轉(zhuǎn)向力的需求。高速時，伺服電機(jī)驅(qū)動的行星架轉(zhuǎn)動方向與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動相反，疊加后減少了實際的轉(zhuǎn)向角度，轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)工作時具有如下3種驅(qū)動方式：,a.伺服電機(jī)即渦輪固定不動時，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角通過主動太陽輪將動力傳遞給雙行星齒輪機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)向路感，這也是

8、在不裝備主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛上駕駛員對于前輪轉(zhuǎn)向的操縱過程。b.轉(zhuǎn)向盤不動，即主動太陽輪固定時，可由伺服電機(jī)驅(qū)動渦輪通過行星齒輪機(jī)構(gòu)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(jī)是共同工作的，車輪轉(zhuǎn)角是駕駛員轉(zhuǎn)向角和伺服電機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向角的疊加。,該布置方式的優(yōu)點：（1）保留了原來從轉(zhuǎn)向盤到轉(zhuǎn)向輪的機(jī)械連接,在電機(jī)發(fā)生故障時仍能保證轉(zhuǎn)向安全性。（2）與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比,僅在轉(zhuǎn)向管柱上加入雙行星齒輪機(jī)構(gòu),而原有齒輪齒條轉(zhuǎn)

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(jī)構(gòu)產(chǎn)生的作用反力矩,可通過改變原有的助力控制進(jìn)行補(bǔ)償。（3）雙行星齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)行于低速條件,有利于減少噪聲。（4）雙行星齒輪機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向小齒輪集成在一起,使結(jié)構(gòu)更加緊湊。,（5）變傳動比設(shè)計 與常規(guī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的顯著差別在于，寶馬主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不僅能夠?qū)D(zhuǎn)向力矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且還可以對轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行調(diào)整，使其與當(dāng)前的車速達(dá)到完美匹配。其中的總轉(zhuǎn)角δG等

10、于駕駛員轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)角之和 。,式中，iD為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總傳動比；δs為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角；iM為蝸輪、蝸桿傳動比；δM為電機(jī)調(diào)整角。,,為了保證系統(tǒng)實時安全可靠,對系統(tǒng)的安全性設(shè)計是極其必要的,其過程如下:首先對傳感器信號（如車輪轉(zhuǎn)速）進(jìn)行濾波處理,然后根據(jù)一定的預(yù)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(zhuǎn)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(jìn)行比較,得到一偏差。當(dāng)偏差在一定的門限范圍內(nèi)時,認(rèn)為傳感

11、器工作良好,可以采用該信號；當(dāng)偏差過大時,則必有某一傳感器信號為錯誤信號,需結(jié)合其他信號進(jìn)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(yù)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(dāng)伺服電機(jī)發(fā)生故障時,ECU停止供電,預(yù)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(jī)不再轉(zhuǎn)動,此時整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如同一般的定傳動比系統(tǒng)進(jìn)行工作 。,5

12、、系統(tǒng)安全性設(shè)計,,（一）駕駛員輔助功能,駕駛員輔助功能主要包括可變轉(zhuǎn)向傳動比和轉(zhuǎn)向靈活性功能。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)的動態(tài)特性,盡可能減小橫擺角速度和側(cè)向加速度相對于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入的相位滯后,從而達(dá)到轉(zhuǎn)向靈活的目的。,式（1）給出了小齒輪轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和電機(jī)轉(zhuǎn)角的關(guān)系,δM為電機(jī)轉(zhuǎn)角,δG為小齒輪轉(zhuǎn)角,δS為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角,iM為電機(jī)頭部處蝸輪蝸桿的傳動比,

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

14、轉(zhuǎn)角的非線性函數(shù)關(guān)系推得所需的電機(jī)轉(zhuǎn)角,最后驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)過相應(yīng)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(zhuǎn)向系統(tǒng)功能,（二）轉(zhuǎn)向靈活功能,在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角低頻輸入的條件下（如f=0.3Hz），橫擺角速度和側(cè)向加速度對于前輪轉(zhuǎn)向角的響應(yīng)可以簡化為一階滯后環(huán)節(jié)，即：,研究表明，Tr+Ty標(biāo)志著車輛系統(tǒng)的響應(yīng)速度，當(dāng)Tr和Ty均上升時，系統(tǒng)的響應(yīng)變慢；Tr和Ty標(biāo)志轉(zhuǎn)向時的穩(wěn)態(tài)感覺，隨著該時間常數(shù)差的增加，穩(wěn)態(tài)的感覺下降

15、。這說明駕駛員轉(zhuǎn)向角輸入與橫擺角速度、側(cè)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(yīng)特性。通過加入諸如PD比例-微分控制等環(huán)節(jié)來補(bǔ)償相位滯后以改善人-車閉環(huán)響應(yīng)特性，可提高車輛的轉(zhuǎn)向靈活性。,（三）車輛穩(wěn)定性控制功能,除了可變傳動比設(shè)計外，穩(wěn)定性控制功能是寶馬主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大的特點。危險工況下該系統(tǒng)通過獨(dú)立于駕駛員的轉(zhuǎn)向干預(yù)來穩(wěn)定車輛，通過主動改變駕駛員給定的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角使得車輛響應(yīng)盡可能與理想的車輛響應(yīng)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(jù)當(dāng)前駕駛員轉(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)向系統(tǒng)還提供了橫擺力矩補(bǔ)償功能，以提高在分離系數(shù)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(chǎn)生繞車輛質(zhì)心的橫擺力矩，使得車輛發(fā)生制動跑偏現(xiàn)象。傳統(tǒng)的ESP電子穩(wěn)定程序通過調(diào)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(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)制動壓力等信號計算出所需補(bǔ)償?shù)臋M擺力矩并通過調(diào)整相應(yīng)的前輪轉(zhuǎn)向角來實現(xiàn)方向調(diào)節(jié)。在這一過程中駕駛員無需對轉(zhuǎn)向盤進(jìn)行修正，減輕了駕駛員的工作負(fù)擔(dān)，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(shù)的應(yīng)用，與傳統(tǒng)ABS/ESP相比，可使制動距離最多減少15%。,,7、結(jié)束語,寶馬主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過一組雙行星齒輪機(jī)構(gòu)實現(xiàn)了獨(dú)立于駕駛員的轉(zhuǎn)向疊加功能，完美地解決了低速時