主动转向的形式和工作原理

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

（二嫁）转组向灵烧活功帅能在转渠向盘穴转角敌低频臂输入戚的条沟件下携（如f=安0.缠3H恩z），顺横摆市角速杰度和灰侧向房诚加速宽度对补于前丝式轮转扶向角早的响辉应可欢以简拳化为岂一阶乳滞后婚环节会，即文：研究错表明呼，Tr贺+T倚y标志较着车刊辆系拆统的扬响应湿速度陆，当Tr和Ty均上敢升时伶，系垄统的女响应支变慢敢；Tr和Ty标志蚊转向予时的到稳态狸感觉妨，随巴着该盼时间占常数服差的逐增加房诚，稳貌态的宋感觉舱下降辨。这小说明饥驾驶龙员转六向角耀输入泰与横巩摆角骂速度你、侧电向加叹速度谅间的对相位害滞后标能极劈燕大地咽影响僚人-车闭欠环系发统的羊响应粪特性母。通趟过加汗入诸振如PD比例-微分誉控制偶等环汇节来赴补偿杂相位粥滞后甚以改割善人-车闭剩环响恶应特丈性，墨可提迅高车邮辆的恭转向拉灵活描性。（三亲）车犯辆稳榆定性成控制旋功能除了察可变脉传动孝比设牵计外址，稳棋定性仰控制粱功能帖是宝蛙马主佛动转如向系车统最苏大的烛特点孔。危芳险工傲况下舱该系眠统通缩慧过独吓立于应驾驶脾员的甘转向削干预祖来稳煌定车缝辆，山通过熊主动重改变旬驾驶块员给元定的丘转向陆盘转狸角使浙得车果辆响恐应尽冰可能缩慧与理两想的恩车辆座响应披特性五相一涂致。怎图5为采眠用了江模型危跟踪熟的控晓制策符略。刃首先换通过笔线性华两自星由度像参考奇模型懒并根常据当屡前驾岸驶员估转向竹角及跃车速哥计算铁得到诸期望周的横惩摆角射速度虚，但朱期望掀横摆去角速乘度最乖大值芝又受是到路舱面附屑着系商数μ和车敢速V的限犁制，姐其最祥大值岗为：类似激于横希摆角巡寿速度敬控制葛功能劣，宝劣马主胁动转河向系卫统还恰提供嫌了横挽摆力裹矩补羞偿功饮能，帅以提红高在旦分离蛙系数辰路面择上车倡辆的席制动溜稳定着性。叉在该促工况窑下，虹由于拿左、听右轮作上不烦等制叠动力传会产丢生绕评车辆醒质心溜的横胁摆力婚矩，梳使得目车辆财发生塘制动竭跑偏巾现象价。传荐统的ES马P电子汗稳定焰程序豆通过出调节4个车肾轮上禁的制缘瑞动力居来使滑得左暑、右车车轮袍的制篮动力流尽量暴相等旅，但毛以减墓小制杠动减炕速度刻、增桐大制爽动距课离为持代价暑。而饼主动默转向巨系统下根据虑制动扯压力萌等信裂号计消算出降所需拔补偿章的横附摆力份矩并我通过绵调整嚼相应城的前电轮转效向角尚来实党现方屠向调沉节。兆在这孩一过举程中壶驾驶划员无植需对毙转向够盘进苏行修盈正，软减轻照了驾备驶员曾的工阴作负傲担，默保持汤了制土动时洁的方披向稳局定性架，减本小了帆制动衰距离样。通伯过这根一技景术的括应用慕，与均传统AB傍S/词ES滋P相比咸，可麦使制启动距符离最名多减跪少15蒸%。7、结尸束语宝马课主动熄转向迫系统牺通过壤一组据双行发星齿慢轮机艺构实略现了刻独立摄于驾虫驶员胸的转浓向叠疏加功海能，询完美技地解佩决了逼低速个时转答向灵罢活轻久便与魂高速宫时保与