主動(dòng)轉(zhuǎn)向的形式和工作原理20090302

1、主動(dòng)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(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Active Front Steering）概述：2、主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成及核心部件結(jié)構(gòu)3、主動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)解析4、主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理5、系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)6、主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)功能7、結(jié)束語(yǔ),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(gè)階段:液壓伺服轉(zhuǎn)向電子伺服轉(zhuǎn)向電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（EPS）主動(dòng)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(duì)于傳統(tǒng)液壓伺服轉(zhuǎn)向最大的優(yōu)點(diǎn)在于，通過(guò)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(dòng)阻尼功能和主動(dòng)回正功能。,,1、主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng) （Active Front Steering） 概述：,,主動(dòng)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(dòng)改變前輪轉(zhuǎn)向角的目的。該系統(tǒng)具有可變傳動(dòng)比設(shè)計(jì)：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(dòng)比率，這表示方向盤(pán)轉(zhuǎn)向18度，車輪轉(zhuǎn)動(dòng)1度。而寶馬主動(dòng)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(shí)的20：1。也就是說(shuō)，當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)半圈(180度)時(shí)，車速若低，車輪就轉(zhuǎn)動(dòng)18度，車速若高，則車輪只轉(zhuǎn)動(dòng)不足9度。因此在低速狀態(tài)下傳動(dòng)比較小，使轉(zhuǎn)向更加直接，以減少轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，提高車輛的靈活性和操控性；在高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成及核心部件結(jié)構(gòu),圖1-1,寶馬主動(dòng)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(pán)、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(diǎn)就是在轉(zhuǎn)向盤(pán)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(dòng)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(guò)疊加轉(zhuǎn)向角實(shí)現(xiàn)變傳動(dòng)比功能。2）Servtron

5、ic電子伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力功能。,3、主動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)解析,圖1-3,圖1-4,圖1-5,,4、主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理,圖1-6,主動(dòng)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制組件與引擎的電子零件、動(dòng)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(shí)時(shí)、最理想的轉(zhuǎn)向角度。系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)向角度，可以掌握駕駛者的意圖。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)依據(jù)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)可以計(jì)算出車速，而偏航率傳感器則可隨時(shí)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(gè)行星架進(jìn)行動(dòng)力傳遞。主動(dòng)太陽(yáng)輪2與轉(zhuǎn)向盤(pán)相連，將轉(zhuǎn)向盤(pán)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(gè)轉(zhuǎn)向輸入自由度，一個(gè)是行星架傳遞的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角，另一個(gè)是由伺服電機(jī)通過(guò)一個(gè)自鎖式蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)的齒圈輸入，即所謂的疊加轉(zhuǎn)角輸入。太陽(yáng)輪11作為輸出軸，其輸出的轉(zhuǎn)向角度是由轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)向角度與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)向角度疊加得到，也就是汽車的實(shí)際轉(zhuǎn)向角度。低速時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的

7、行星架轉(zhuǎn)動(dòng)方向與轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)相同，疊加后增加了實(shí)際的轉(zhuǎn)向角度，可以減少轉(zhuǎn)向力的需求。高速時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的行星架轉(zhuǎn)動(dòng)方向與轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)相反，疊加后減少了實(shí)際的轉(zhuǎn)向角度，轉(zhuǎn)向過(guò)程會(huì)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(shí)具有如下3種驅(qū)動(dòng)方式：,a.伺服電機(jī)即渦輪固定不動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角通過(guò)主動(dòng)太陽(yáng)輪將動(dòng)力傳遞給雙行星齒輪機(jī)構(gòu)中間的行星架，再由從動(dòng)太陽(yáng)輪輸出。與此同時(shí)，前軸上的地面反力也通過(guò)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(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛上駕駛員對(duì)于前輪轉(zhuǎn)向的操縱過(guò)程。b.轉(zhuǎn)向盤(pán)不動(dòng)，即主動(dòng)太陽(yáng)輪固定時(shí)，可由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪通過(guò)行星齒輪機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞給從動(dòng)太陽(yáng)輪。c.在通常情況下，主動(dòng)太陽(yáng)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(diǎn)：（1）保留了原來(lái)從轉(zhuǎn)向盤(pán)到轉(zhuǎn)向輪的機(jī)械連接,在電機(jī)發(fā)生故障時(shí)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(duì)駕駛員來(lái)說(shuō)有利于保持原有的操縱感覺(jué)，由雙行星齒輪機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的作用反力矩,可通過(guò)改變?cè)械闹刂七M(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(dòng)比設(shè)計(jì) 與常規(guī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的顯著差別在于，寶馬主動(dòng)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(duì)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(pán)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(dòng)比；δs為轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角；iM為蝸輪、蝸桿傳動(dòng)比；δM為電機(jī)調(diào)整角。,,為了保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)安全可靠,對(duì)系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)是極其必要的,其過(guò)程如下:首先對(duì)傳感器信號(hào)（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(jì)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(cè)得的狀態(tài)變量實(shí)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(mén)限范圍內(nèi)時(shí),認(rèn)為傳感

11、器工作良好,可以采用該信號(hào)；當(dāng)偏差過(guò)大時(shí),則必有某一傳感器信號(hào)為錯(cuò)誤信號(hào),需結(jié)合其他信號(hào)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(shí),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(dòng),此時(shí)整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如同一般的定傳動(dòng)比系統(tǒng)進(jìn)行工作 。,5

12、、系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì),,（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(dòng)比和轉(zhuǎn)向靈活性功能。轉(zhuǎn)向靈活性指的是車輛對(duì)駕駛員輸入的跟隨性能,可以通過(guò)在控制過(guò)程中加入諸如微分等環(huán)節(jié)，改善轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,盡可能減小橫擺角速度和側(cè)向加速度相對(duì)于轉(zhuǎn)向盤(pán)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(pán)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(pán)轉(zhuǎn)角,iM為電機(jī)頭部處蝸輪蝸桿的傳動(dòng)比,

13、iD為連接轉(zhuǎn)向盤(pán)的行星齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)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(pán)轉(zhuǎn)角δS和前輪轉(zhuǎn)角δF的關(guān)系,iv為整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)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(jì)時(shí)可事先根據(jù)理想的轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性求出傳動(dòng)比、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角和車速的關(guān)系,并做成表格存儲(chǔ)于ECU中。在實(shí)際行駛過(guò)程中,ECU根據(jù)當(dāng)前車速和轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角獲得當(dāng)前所需的傳動(dòng)比,再根據(jù)轉(zhuǎn)向盤(pán)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(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)的角度,計(jì)算公式如式（4）所示。其中υx表示車輛的縱向車速。,6、主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)功能,（二）轉(zhuǎn)向靈活功能,在轉(zhuǎn)向盤(pán)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(duì)于前輪轉(zhuǎn)向角的響應(yīng)可以簡(jiǎn)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(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)變慢；Tr和Ty標(biāo)志轉(zhuǎn)向時(shí)的穩(wěn)態(tài)感覺(jué)，隨著該時(shí)間常數(shù)差的增加，穩(wěn)態(tài)的感覺(jué)下降

15、。這說(shuō)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(guò)加入諸如PD比例-微分控制等環(huán)節(jié)來(lái)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(dòng)比設(shè)計(jì)外，穩(wěn)定性控制功能是寶馬主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大的特點(diǎn)。危險(xiǎn)工況下該系統(tǒng)通過(guò)獨(dú)立于駕駛員的轉(zhuǎn)向干預(yù)來(lái)穩(wěn)定車輛，通過(guò)主動(dòng)改變駕駛員給定的轉(zhuǎn)向盤(pán)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(guò)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(jì)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(dòng)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(dòng)穩(wěn)定性。在該工況下，由于左、右輪上不等制動(dòng)力會(huì)產(chǎn)生繞車輛質(zhì)心的橫擺力矩，使得車輛發(fā)生制動(dòng)跑偏現(xiàn)象。傳統(tǒng)的ESP電子穩(wěn)定程序通過(guò)調(diào)節(jié)4個(gè)車輪上的制動(dòng)力來(lái)使得左、右車輪的

17、制動(dòng)力盡量相等，但以減小制動(dòng)減速度、增大制動(dòng)距離為代價(jià)。而主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)制動(dòng)壓力等信號(hào)計(jì)算出所需補(bǔ)償?shù)臋M擺力矩并通過(guò)調(diào)整相應(yīng)的前輪轉(zhuǎn)向角來(lái)實(shí)現(xiàn)方向調(diào)節(jié)。在這一過(guò)程中駕駛員無(wú)需對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)進(jìn)行修正，減輕了駕駛員的工作負(fù)擔(dān)，保持了制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性，減小了制動(dòng)距離。通過(guò)這一技術(shù)的應(yīng)用，與傳統(tǒng)ABS/ESP相比，可使制動(dòng)距離最多減少15%。,,7、結(jié)束語(yǔ),寶馬主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過(guò)一組雙行星齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)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(shí)