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四川交通职业技术学院毕业论文 毕 业 论 文 宝马主动转向技术概述摘要：本文主要介绍了宝马主动转向系统的原理及组成、核心部件双行星齿轮机构及其工作模式、系统主要功能及其实现原理和一些常见的故障与. 关键字：主动转向核心 部件结构 工作原理 故障与诊断 目录1引言.2什么是主动转向系统及工作原理.3主动转向系统组成及核心部件的结构.4主动转向系统的功能. 4.1可变传动比功能. 4.2转向灵活性功能. 4.3横摆角速度控制和横摆力矩补偿. 4.4稳定性功能的扩展-地盘集成控制技术.5常见故障与检修6结束语.7参考资料. 1 前言现代车辆转向系统发展至今大致可以划分为5个阶段，即液压伺服转向、电子伺服转向、电动助力转向（EPS）、主动转向和线控转向（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。传统的转向系统有它自身的优点，如转向可靠、故障率低等，同时也存在一定的弊病，传统转向系统由于方向盘和转向车轮之间的机械连接而产生一些自身无法避免的缺陷：1.汽车的转向特性受驾驶员驾驶技术的影响严重；2.转向传动比基本是固定的，使汽车转向响应特性随车速、侧向加速度等变化而变化，驾驶员必须提前针对汽车转向特性幅值和相位的变化进行一定的操作补偿，从而控制汽车按其意愿行驶。这就变相地增加了驾驶员的操纵负担，使汽车转向行驶存在很大的不安全隐患。3.传统的转向系统中，方向盘转过多少度，前轮便成比例地转多少度。虽然汽车的转向传动比有大有小，但每辆车的转向传动比基本是固定的。在低速时，转向很费力，驾驶者要花更大的力气转动方向盘；在高速时，转向灵敏性会增加，而稳定性和安全性会顺之下降。这就构成了无法避免的矛盾。传统的转向系统通常是对两种极端情况进行妥协的结果。在传统转向系统中，转向盘到前轮的转向传动比是严格固定的。转向系定传动比设计的缺陷主要表现为：低速或停车工况下驾驶员需要大角度地转动转向盘，而高速时又不能满足低转向灵敏度的要求，否则车辆的稳定性和安全性会随之下降。因此，同时满足转向系统在低速时的灵活性要求与高速时的稳定性要求是当今车辆转向系统设计的核心问题之一。德国宝马公司和ZF公司联合开发的主动前轮转向系统（Active Front Steering）完美地解决了上述问题，并且该系统已装备于部分宝马3系列和5系列轿车上。该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：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，提高车辆的稳定性和安全性。除了可变传动比设计外，通过转向干预来实现对车辆的稳定性控制是该系统最大的特点。目前，作为一项新技术，主动转向系统把车辆的安全性、灵活性以及驾驶乐趣提高到了一个全新水平。具有变传动比功能的转向系统还有线控转向（Steer by wire）系统2它和主动转向一样能够将驾驶员的转向输入角和实际的车辆转角分离开来，在驾驶员转向角输入的基础上叠加一个附加转向角，用于优化车辆对驾驶员输入的响应或在紧急情况下提高车辆的稳定性。线控转向和主动转向系统最大的区别体现在当系统发生故障时，主动转向系统仍能通过转向盘与车轮间的机械连接确保其转向性能，而线控转向系统必须通过主要零件的冗余设计来保证车辆的安全性。此外，由于主动转向系统中保留了完整的转向系统，在转向过程中可以获得真实的路感，这一点是线控转向系统所不具备的。因此，从安全性和路感的角度而言，主动转向是当前转向系统发展的一个主要趋势。本文主要介绍了宝马主动转向系统的原理及组成、核心部件双行星齿轮机构及其工作模式、系统主要功能及其实现原理.2.什么是主动转向系统及其工作原理那么什么是主动式转向系统，它是怎么工作的呢？由BMW公司首创的AFS主动式转向系统，透过电子线传技术(by-line-wire)控制，在低速与中速行驶时，可以根据车速主动辅助方向盘的转向传动齿比，低速时小幅度转动方向盘，就能完成车轮的大幅转向，一般道路的U型回转或路边停车时都更轻松；相反的，在高速巡航时，方向盘转向幅度则会透过主动偏移控制功能来监控车辆的状态，配合DSC动态稳定控制系统，减少车辆过度偏移或不安定的状态，也可以减少驾驶人在紧急事故时的错误操作机会，增加了行车安全性，同时也提高了高速稳定性。根据车速变化而不断改变转向系统中主动齿轮与被动齿条的传动比。车辆在行驶时，主动转向系统能够在市区交通中确保最佳的驾乘舒适性，在车辆静止状态下，方向盘止点间的操作使常规转向系统的三圈多减少到了不足两圈。这意味着，驾驶者在日常驾驶中几乎不再需要交叉双手转动方向盘，因此可以更加方便地操作方向盘上的按钮。宝马创新的主动式转向系统，在转向盘和转向轮之间装有一个电子控制的机械调控器，其中的行星齿轮有两个输入轴和一个输出轴，一个输入轴连接到转向盘，另一个输入轴则由电动机通过一个自锁式涡轮蜗杆驱动机构控制，输出轴则与转向柱相连。最终从输出轴传出的整体转向角度是由驾驶者输入的转向盘角度叠加上电动马达附加的角度而成。此外，主动式转向系统的其他组成部件还包括判定当前驾驶条件和驾驶者指令的独立控制单元和多个传感器。另外，主动式转向系统始终通过车载网络与DSC(动态稳定控制)单元联网。主动转向系统最大的特点就是依据驾驶条件，自动调节车辆转向传动比，从而增加或减小前轮的转向角度。在低速时，电动机的作用与驾驶者转动转向盘的方向一致，转向传动比增大，可以减少驾驶者对转向力的需求。在高速时，电动机的运转方向与驾驶者转动转向盘方向相反，这减少了前轮的转向角度，转向传动比减小，转向稳定性提高。由于这套主动式转向系统能不断调校转向传动比，因此提高了转向的舒适性。例如，在驾驶装备了主动转向系统的宝马5进行穿桩测试时，原本玩命打轮的动作变得简单起来。一般车辆需要转动方向盘三圈才能把车轮从一个锁死位置打到另一端，而装备了主动转向系统的宝马5把这个操作过程减少到两圈。这对于驾驶者来说，在狭窄的停车位停车或者在市区急转弯时将省不少力。 3主动转向系统组成及核心部件结构 宝马主动转向系统保留了传统转向系统中的机械构件，包括转向盘、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。主动式转向系统核心要素是一套集成在转向柱上的行星齿轮组。这个齿轮组包括两个输入轴和一个固定在转向柱上的输出轴，其中一个驱动轴连接在方向盘上，另一个驱动轴由一个电动马达通过一个自锁式蜗轮蜗杆驱动行星架转动。输出轴输出的转向角度是由方向盘转向角度与电动马达驱动的行星架转向角度叠加得到，也就是汽车的实际转向角度。低速时，电动马达驱动的行星架转动方向与方向盘转动相同，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，电动马达驱动的行星架转动方向与方向盘转动相反，叠加后减少了实际的转向角度，汽车的反应会更加“迟钝”，提高了汽车的稳定性和安全性此外，主动式转向系统的其他组成部件还包括判定当前驾驶条件和驾驶者指令的独立控制单元和多个传感器。另外，主动式转向系统始终通过车载网络与DSC(动态稳定控制)单元联网。AFS主动式转向系统的主要特征：1.停车时会加大方向盘转向齿轮比，这意味着驾驶者无须将方向盘打到底就能完成轻松省力的停车动作；2.市区或一般乡间道路的驾驶状态下，AFS主动式转向系统拥有比一般转向系统更明快直接的手感，让车辆反应更敏捷；3.车速提高时，方向盘惯性会阻碍驾驶人不经意的方向盘转动动作，传递讯号不像低速时那么敏感，提高了驾驶安全性；4.当车辆处于激烈操驾的急转弯状态时，AFS会调低方向盘灵敏度以维持更为直觉化的转向手感，甚至在更急迫的状态下，AFS内部的调节器会早DSC一步强制介入，来维持车身稳定性；5.当两边刹车力道不平均时(例如处在两边摩擦力不等的状态下)，AFS主动式转向系统会自动提前增强稳定力道。主动转向系统最大的特点，就是依据驾驶条件，自动调节车辆转向传动比，从而增加或减小前轮的转向角度。在低速时，电动机的作用与驾驶者转动转向盘的方向一致，转向传动比增大，可以减少驾驶者对转向力的需求。在高速时，电动机的运转方向与驾驶者转动转向盘方向相反，这减少了前轮的转向角度，转向传动比减小，转向稳定性提高。宝马的主动式转向系统除了能够帮助驾驶员操纵方向，还可以对车辆的行驶轨迹进行修正。在极端情况下，当传感器检测到意外的转向不足或转向过度时，主动式转向系统会在驾驶者做出反应前自动调整前轮的转向角度，消除这种意外。主动转向系统能在紧急状况下提高道路安全性，使驾驶员能够更好地控制车辆主动式转向系统始终通过车载网络与DSC(动态稳定控制)单元联网，在驾驶装备主动式转向系统的宝马时，DSC不必像在其它车辆中那样干预驾驶。不同于DSC通过干预刹车过程而降低行车速度(虽然只是在有些情况下会有轻微影响)，主动式转向只通过修正转向角度，在不被察觉的情况下保证行驶的平稳性。因此，DSC只在主动式转向系统无法控制车辆时进行干预，这说明这两个系统是一个完美的组合，主动式转向系统在理想状态下对DSC进行补充，两者是配合使用的。 如图1所示，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：一是1套双行星齿轮机构，通过叠加转向实现变传动比功能，二是Servtronic电子伺服转向系统，用于实现转向助力功能。驾驶员的转向角输入包括力矩输入和角输入两部分，将共同传递给扭杆。其中的力矩输入由电子伺服机构根据车速和转向角度进行助力控制，而角输入则通过由伺服电机驱动的双行星齿轮机构进行转向角叠加，经过叠加后的总转向角才是传递给齿轮齿条转向机构的最终转角。与常规转向系统的显着差别在于，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G等于驾驶员转向盘转角和伺服电机转角之和，如公式（1）所示 式中，i-Drive为转向系统总传动比；S为转向盘转角，（）；iM为蜗轮、蜗杆传动比；M为电机调整角，（）。宝马主动转向系统的核心部件是1套集成在转向柱上的双行星齿轮机构，如图2所示。这套机构包括左右两副行星齿轮机构，共用一个行星架进行动力传递。左侧的主动太阳轮与转向盘相连，将转向盘上输入的转向角经由行星架传递给右侧的行星齿轮副。而右侧的行星齿轮副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。右侧的太阳轮作为输出轴，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。 4 主动转向系统的功能 主动转向系统的功能分类 如图3 所示。4.1可变传动比功能如果期望横摆角度速度太小，说明车辆的响应相对于转向盘输入过于迟缓；如果期望横摆角速度太大，则导致车辆反应过快。根据相关研究，具有理想转向特性的车辆必须满足以下条件：a.车辆等速转向时，期望横摆角速度必须保持为一定值；b.期望横摆角速度应随车速的增加而降低，且其值必须位于一定的合理范围内。对于普通驾驶员，该范围为0.120.37（）/s,对于熟练驾驶员为0.120.417（）/s。传统的定转向传动比机构显然无法满足上述要求，但宝马的主动转向系统通过叠加转向机构完全能够实现。该系统传动比在1020之间，低速情况下，通过双行星齿轮机构伺服电机的调整角和转向盘转角同向输入，使得系统的传动比较小，实际上是增大了驾驶员的转向角输入，从而获得较大的期望横摆角速度增益并使得转向轻便；在中、高速情况下，伺服电机的调整角和转向盘转角反向输入使得系统的传动比较大，实际上是减小驾驶员的转向角输入，减小期望横摆角速度增益，并逐步提高车辆的稳定性。车速与转向盘转角的关系 见图4 。方向盘和车轮间的转向速比从10:1到18:1连续变化。通常一般轿车的转向传动比是16：1和20：1之间。在低速时，例如50kmh时，你转动方向盘10度，前轮即可转动1度，而普通轿车需要转动16至18度才能让前轮转动1度。反之，在高速时，例如，当车速达到200kmh时，你转动方向盘20度才能让前轮转动1度，以增强其稳定性。不过出于安全考虑，当时速超过120公里后，速比就固定在最大值，不再变化。宝马通过一个革命性的设计，把鱼和熊掌都端到了我们面前， 这就是一套被宝马称为Active Steering的主动转向系统。从技术角度看，主动式转向通过在转向系统之间装有的一个电子控制调控器，改变转向比。在低速状态下，转向系统的转向比最大，随着速度的提高，传动系统的转向比也逐渐减小。打着发动机转动方向盘就发现和以往有所不同，把方向盘从左端打到右端只有1.8圈, 比传统的3圈是小多了。在停车入位中，原来要两把轮的量一把轮就够了，不单是比原来的宝马就是和其他轿车相比也轻松省事儿多了。低速时的转向品质是有了很大改善，高速度时会影响到宝马一贯的锐利风格吗？在高速驾驶中，转向的感觉又回到了传统宝马的风格，小转向比感觉非常直接，手总是在方向盘中最合适的位置上，转向非常精确。在模拟危机情况的紧急变线测试中，也感觉到和以往宝马的不同。车辆出现转向过度的情况后都是通过DSC或ESP干预刹车系统保持车辆的方向性和稳定性。主动式转向在一开始就会进行干预降低偏航情况的发生，很平顺和有效地稳定车辆， DSC只在主动式转向系统无法控制车辆时进行干预，这说明这两个系是一个完美的组合，主动式转向系统在理想状态下对DSC进行补充。这样即保持了稳定性，又提高了车辆的过弯速度，真是一个两全其美的结果。4.2 转向灵活性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。4.3 横摆角速度控制和横摆力矩补偿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%。4.4 稳定性功能的扩展底盘集成控制技术与ESP等通过制动干预来稳定车辆的方式相比，转向干预具有以下优点：首先，转向干预不易为驾驶员察觉，对乘坐舒适性几乎没有影响，而制动干预不仅会产生较大的制动减速度，而且制动时发出的噪声也会影响乘坐舒适性；其次，转向干预比制动干预更加迅速，因为转向控制是通过伺服电机来完成的，而制动干预必须建立油压，这需要一定的时间；此外，转向干预相比制动干预能获得更高的通过速度，从而降低在变道时由于避让不及、与对面来车发生碰撞的可能性。但转向干预的缺点也是显而易见的。受到原理限制，主动转向的稳定性功能只适用于转向过多的工况。该工况下通过叠加转向减小前轮转向角能够减小前轴侧向力，从而使得转向过多的趋势有所减缓；相反，在转向不足工况下，受到轮胎非线性的限制侧向力达到饱和状态，通过增大前轮转向角的方式是很难改变车辆转向不足的趋势的。此外，受到转向机构机械布置的限制，前轮转向角的改变量是有限的，也就是说转向干预稳定车辆的能力弱于制动干预，在某些极限工况下必须依赖ESP制动干预才能实现稳定车辆的目的。为了充分发挥主动转向系统和ESP电子稳定程序的优点，最大限度地提高车辆在极限工况下的稳定性，将两者功能融合在一起进行集成控制是最为有效的方法。由ContinentalTeves公司推出的第二代ESP系统充分体现了这一思想，该系统可以提高车辆稳定性、拓宽极限行驶区域、减小转向幅度、更少产生由于制动干预引起的急剧减速，从而使车辆行驶的安全性、舒适性以及驾驶乐趣得到大大提高。为了进一步提高车辆的动力学性能，还可以在此基础上继续引入诸如可调减振器、主动稳定性控制和可调弹簧等电子底盘控制系统。图6展示了这种车辆底盘集成控制系统的结构。在3系列车型上，这种创新在行驶稳定性功能方面表现得尤为充分，使主动式转向系统在日常行驶中发挥一项重要作用：当车辆在摩擦系数不均的路面上行驶时，如果驾驶者施加制动，转向系统的主动干涉作用能将偏转力抵消。在实际行驶中，这将使驾驶者能够更加平稳和安全地驾驶车辆到达物理极限，这就意味着，即使驾驶者充分利用3系列车型的出色灵活性，主动式转向系统仍能确保车辆处于安全范围内。在极端情况下，如果主动式转向系统的稳定功能不足以使车辆保持稳定，DSC动态稳定控制系统将立即介入。主动式转向系统消除车辆偏转的危险在全新BMW 3系列车型上，主动式转向系统与制动功能增强的DSC动态稳定控制系统首次结合，在摩擦系数不均的路面上，这两个系统相互协作，对转向状态进行主动干涉，使车辆保持稳定。例如，如果驾驶者施加制动后车辆一侧发生水滑现象，ABS功能模块将为前轮选择不同水平的制动力，从而使车辆产生反作用力以保持稳定。目前，这种所谓的偏转动量仍需要通过驾驶者的反向转向操作抵消，以便使车辆保持正确的行驶方向。而现在，与主动式转向系统相互结合之后，在上述情况下转向系统的主动干涉控制要比“普通”驾驶者的人工干涉更加迅速和精确。极佳的转向技术除了上述优化的稳定性功能之外，主动式转向系统还能确保更高水准的驾驶乐趣和行驶安全性。如果车辆出现转向过度趋势，主动式转向系统能够独立于驾驶者转向指令进行干涉，从而使车辆恢复稳定并保持正确行驶方向。这种转向作用可以减少DSC动态稳定控制系统对制动状态的此外，在DTC(DSC动态稳定控制系统的一个