动态转向系统.doc

武汉理工大学毕业设计（论文）1绪论1.1 研究的目的以及意义动态转向系统不仅可以调节转向力大小，同时还可根据驾驶情况对转向系统的转向比进行无级调节。在高速行驶状态下，间接转向比和高转向扭矩可保证卓越的驾驶舒适性和直线稳定性。相反，在蜿蜒道路及中低速行驶状态下（如调头或泊车入位），转向比会更加直接，以便实现更高的转向精度和轻松的转向操作。此外，奥迪动态转向系统还可与ESP电子稳定程序相配合，提供双重主动安全保护：奥迪动态转向系统的主动转向修正和ESP电子稳定程序的主动制动介入。当车辆高速紧急变道时，主动转向修正会立刻产生作用，根据不同的情况自动选择最佳转向角度、辅助力、纠正力和转向比，使轮胎一直保持足够安全的抓地力，主动转向修正反应时间仅为主动制动介入的三分之一，速度甚至要比富有经验的职业车手更为迅速，车辆通常无需制动便能平稳的转危为安。论文研究的理论价值在于：通过一系列的理论研究以及对比国外同行的先进技术，通过对动态转向系统的各种机制进行分析，为我国的相关领域提供借鉴。论文研究的现实意义在于：以为驾驶者提供更好的操控性与安全性并且能够根据不同的情况自动选择最佳转向辅助力和转向比，使轮胎一直保持足够安全的抓地力。操控更为轻便，使转向更为直接的驾驶体验的动态转向系统的理论和结构研究，为国内的相关行业提供借鉴，具有重大的意义。1.2 转向系统的发展历史与现状汽车的转向系统决定着汽车的主动安全性和并且是体现操控性的最直接的方面，如何设计汽车的转向特性，使汽车具有更好的安全性和操控性始终是各个汽车生产厂家和科研机构的重要研究课题。尤其是在如今汽车的保有量越来越多，汽车的速度越来越高，驾驶人员的水平参差不齐的今天，针对更多不同水平的驾驶人群和相当大的人群对于汽车的操纵性有着越来越高的要求并且也同时要求驾驶的舒适性，汽车的操纵设计显得尤为重要与迫切。最开始的时候汽车转向系统是机械系统，汽车的转向系统是由驾驶员操纵方向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮而实现的。装配机械式转向系统的汽车，在泊车和低速行驶时驾驶员的转向操纵负担过于沉重，20世纪40年代起，为了减轻驾驶员的体力负担，在机械转向系统基础上增加了液压转向系统（HPS），1953年通用汽车公司首次使用了液压助力转向系统，此后该技术迅速发展，使得动力转向系统在体积、功率消耗和价格等方面都取得了很大的进步。80年代后期，又出现了变减速比的液压动力转向系统。在接下来的数年内，动力转向系统的技术革新差不多都是基于液压转向系统，比较有代表性的是变流量泵液压动力转向系统（Variable Displacement Power Steering Pump）和电动液压助力转向（Electric Hydraulic Power Steering，简称EHPS）系统。变流量泵助力转向系统在汽车处于比较高的行驶速度或者不需要转向的情况下，泵的流量会相应地减少，从而有利于减少不必要的功耗。电动液压转向系统采用电动机驱动转向泵，由于电机的转速可调，可以即时关闭，所以也能够起到降低功耗的功效。液压助力转向系统使驾驶室变得宽敞，布置更方便，降低了转向操纵力，也使转向系统更为灵敏。由于该类转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力，目前在部分乘用车、大部分商用车特别是重型车辆上广泛应用。但是，液压助力转向系统无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性，因此在1983年日本Koyo公司推出了具备车速感应功能的电控液压助力转向系统。这种新型的转向系统可以随着车速的升高提供逐渐减小的转向助力，但是结构复杂、造价较高，而且无法克服液压系统自身所具有的许多缺点，是一种介于液压助力转向和电动助力转向之间的过渡产品。到了1988年，日本铃木公司首先在小型轿车Cervo上配备了Koyo公司研发的转向柱助力式电动助力转向系统；1990年，日本本田公司也在运动型轿车NSX上采用了自主研发的齿条助力式电动助力转向系统，从此揭开了电动助力转向在汽车上应用的历史。 相比传统液压动力转向系统，电动助力转向系统具有以下优点：（1）只在转向时电机才提供助力，可以显著降低燃油消耗传统的液压助力转向系统有发动机带动转向油泵，不管转向或者不转向都要消耗发动机部分动力。而电动助力转向系统只是在转向时才由电机提供助力，不转向时不消耗能量。因此，电动助力转向系统可以降低车辆的燃油消耗。与液压助力转向系统对比试验表明：在不转向时，电动助力转向可以降低燃油消耗2.5%；在转向时，可以降低5.5%。（2）转向助力大小可以通过软件调整，能够兼顾低速时的转向轻便性和高速时的操纵稳定性，回正性能好。 传统的液压助力转向系统所提供的转向助力大小不能随车速的提高而改变。这样就使得车辆虽然在低速时具有良好的转向轻便性，但是在高速行驶时转向盘太轻，产生转向“发飘”的现象，驾驶员缺少显著的“路感”，降低了高速行驶时的车辆稳定性和驾驶员的安全感。电动助力转向系统提供的助力大小可以通过软件方便的调整。在低速时，电动助力转向系统可以提供较大的转向助力，提供车辆的转向轻便性；随着车速的提高，电动助力转向系统提供的转向助力可以逐渐减小，转向时驾驶员所需提供的转向力将逐渐增大，这样驾驶员就感受到明显的“路感”，提高了车辆稳定性。电动助力转向系统还可以施加一定的附加回正力矩或阻尼力矩，使得低速时转向盘能够精确的回到中间位置，而且可以抑制高速回正过程中转向盘的振荡和超调，兼顾了车辆高、低速时的回正性能（3）结构紧凑，质量轻，生产线装配好，易于维护保养电动助力转向系统取消了液压转向油泵、油缸、液压管路、油罐等部件，而且电机及减速机构可以和转向柱、转向器做成一个整体，使得整个转向系统结构紧凑，质量轻，在生产线上的装配性好，节省装配时间，易于维护保养。（4）通过程序的设置，电动助力转向系统容易与不同车型匹配，可以缩短生产和开发的周期。由于电动助力转向系统具有上述多项优点，因此近年来获得了越来越广泛的应用。电动助力转向系统是在机械式转向系统的基础上，加装了电机及减速机构、转矩转角传感器、车速传感器和ECU电控单元而成。1.3 研究的主要内容首先对转向系统的性能评价指标做了描述，针对汽车转向系统的各个性能指标的期望做了一个说明和阐述，比如说转向器的效率、传动比的变化特性（包括传动系的角传动比和转向系的力传动比）、转向器传动副的传动间隙等等，针对本次论文所研究探讨的奥迪动态转向系统，还对电动助力转向系统机构机型一个分析说明：比如电动助力转向系统的组成与工作原理、电动助力转向的特点、电动助力转向机构布置方案（包括转向轴助力式、齿轮助力式和齿条助力式）、电动助力转向的助力特性（转向轻便型与路感、直线型助力特性和车速感应型助力特性）。其次将针对奥迪的动态转向系统进行一个系统的、全面的分析与探讨，分别从组成结构、工作过程、控制策略、工作原理以及与EPS系统的配合优势上进行阐述，并在此之前对汽车的转向系统作一个大致的介绍论述，并且在介绍奥迪的动态转向系统过程中插入了宝马汽车的主动转向系统介绍，对奥迪动态转向系统内部各组成要素之间的组成结构与工作时的链接关系进行剖析。最后，通过对奥迪动态转向系统的分析介绍和跟宝马主动转向系统的对比，提出本文的主要结论，同时从人才支撑体系、政府政策支撑体系、技术支撑体系和产学研支撑体系四个方面提出政策建议，以促进我国的相关行业的发展。2 汽车转向系统的理论分析2.1 转向系统概述汽车在行驶过程中，需按驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓汽车转向。就轮式汽车而言，实现汽车转向的方法是，驾驶员通过一套专设的机构，使汽车转向桥（一般是前桥）上的车轮（转向轮）相对于汽车纵轴线偏转一定角度。在汽车直线行驶时，往往转向轮也会受到路面侧向干扰力的作用，自动偏转而改变行驶方向。此时，驾驶员也可以利用这套机构使转向轮向相反方向偏转，从而使汽车恢复原来的行驶方向。这一套用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构，即称为汽车转向系统（俗称汽车转向系）。因此，汽车转向系的功用是，保证汽车能按驾驶员的意志而进行转向行驶。2.2 转向系统的主要性能参数2.2.1转向器的转动效率转向器的输出功率与输入功率之比称为转向器传动效率。在功率由转向轴输入，由转向摇臂输出的情况下求得的传动效率称为正效率，而传动方向与上述相反时求得的效率则称为逆效率。逆效率很高的转向器很容易将经转向传动机构传来的路面反力传到转向轴和转向盘上，故称为可逆式转向器。可逆式转向器有利于汽车转向结束后转向轮和转向盘自动回正，但也能将坏路面对车轮的冲击力传到转向盘，发生“打手”情况。逆效率很低的转向器称为不可逆式转向器。不平道路对转向轮的冲击载荷输入到这种转向器，即由其中各传动零件（主要是传动副）承受，而不会传到转向盘上。路面作用于转向轮上的回正力矩同样也不能传到转向盘。这就使得转向轮自动回正成为不可能。此外，道路的转向阻力矩也不能反馈到转向盘，使得驾驶员不能得到路面反馈信息（所谓丧失“路感”），无法据以调节转向力矩。通常，由转向盘至转向轮的效率即转向系的正效率的平均值为0.670.82；当向上述相反方向传递力时逆效率的平均值为0.580.63。转向操纵及传动机构的效率用于评价在这些机构中的摩擦损失，其中转向轮转向主销等的摩擦损失约为转向系总损失的40%50%，而拉杆球销的摩擦损失约为转向系总损失的10%15%。2.2.3 转向系的转动比变化特性（1）角传动比转向盘转角的增量与同侧转向节转角的相应增量之比，称为转向系的角传动比。转向盘转角的增量与转向摇臂轴转角的相应增量之比，称为转向器的角传动比。转向摇臂轴转角的增量与同侧转向节转角的相应增量之比，称为转向传动机构的角传动比。现代汽车转向传动机构的角传动比多在0.851.1之间，即近似为1。故研究转向系的角传动比时，为简化起见往往只研究转向器的角传动比及其变化规律即可。（2）力传动比转向传动机构的力传动比等于转向车轮的转向阻力矩与转向摇臂的力矩T之比值。与转向传动机构的结构布置型式及其杆件所处的转向位置有关。：当转向阻力矩一定时，增大力传动比，就能减小作用在转向盘上的切向力，使操纵轻便。（3）传动器角传动比的变化规律转向器的角传动比是一个重要参数，它影响着汽车的许多转向性能。由于增大转向器角传动比可以增大力传动比，因此转向器的角传动比不仅对转向灵敏性和稳定性有直接影响，而且也影响着汽车的操纵轻便性。考虑到1，可以看出：转向轮的转角与转向器的角传动比成反比。增大会使在同一转向盘转角下的转向轮转角变小，使转向操纵时间变长，汽车转向灵敏性降低。因此转向“轻便性”与“灵敏性”是产品设计中遇到的一对矛盾。采用可变角传动比的转向器可协调对“轻便性”和“灵敏性”的要求。而转向器角传动比的变化规律又因转向器的结构型式和参数的不同而异。转向器的角传动比随转向盘转角的变化特性有不变和可变之分。2.2.4 转向器的传动间隙特性转向器的传动间隙是指转向器传动副之间的间隙。该间隙随转向盘转角的改变而改变。通常将这种变化关系称为转向器的传动间隙特性。研究该传动间隙特性的意义在于它对汽车直线行驶时的稳定性和转向器的寿命都有直接影响。当转向盘处于中间位置即汽车作直线行驶时，如果转向器有传动间隙则将使转向轮在该间隙范围内偏离直线行驶位置而失去稳定性。为防止这种情况发生，要求当转向盘处于中间位置时转向器的传动副为无隙啮合。这一要求应在汽车使用的全部时间内得到保证。汽车多直行行驶，因此转向器传动副在中间部位的磨损量大于其两端。为了保证转向器传动副磨损最大的中间部位能通过调整来消除因磨损而形成的间隙，调整后当转动转向盘时又不致于使转向器传动副在其他啮合部位卡住。为此应使传动间隙从中间部位到两端逐渐增大，并在端部达到其最大值（旷量转角约为），以利于对间隙的调整及提高转向器的使用寿命。不同结构的转向器其传动间隙特性亦不同。3 奥迪动态转向系统3.1 汽车的转向系统汽车在行驶过程中，需按驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓汽车转向。就轮式汽车而言，实现汽车转向的方法是，驾驶员通过一套专设的机构，使汽车转向桥（一般是前桥）上的车轮（转向轮）相对于汽车纵轴线偏转一定角度。在汽车直线行驶时，往往转向轮也会受到路面侧向干扰力的作用，自动偏转而改变行驶方向。此时，驾驶员也可以利用这套机构使转向轮向相反方向偏转，从而使汽车恢复原来的行驶方向。这一套用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构，即称为汽车转向系统（俗称汽车转向系）。因此，汽车转向系的功用是，保证汽车能按驾驶员的意志而进行转向行驶。汽车转向系统分为两大类：机械转向系统和动力转向。完全靠驾驶员手力操纵的转向系统称为机械转向系统。借助动力来操纵的转向系统称为动力转向系统。动力转向系统又可分为液压动力转向系统和电动助力动力转向系统。3.1.1机械转向系统简介机械转向系以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的。机械转向系由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。 （1）转向操纵机构转向操纵机构由方向盘、转向轴、转向管柱等组成，它的作用是将驾驶员转动转向盘的操纵力传给转向器。（2）转向器转向器（也常称为转向机是完成由旋转运动到直线运动（或近似直线运动）的一组齿轮机构，同时也是转向系中的减速传动装置。 目前较常用的有齿轮齿条式、循环球曲柄指销式、蜗杆曲柄指销式、循环球-齿条齿扇式、蜗杆滚轮式等。我们主要介绍前几种。1） 齿轮齿条式转向器 齿轮齿条式转向器分两端输出式和中间（或单端）输出式两种。两端输出的齿轮齿条式转向器如图3-1所示，作为传动副主动件的转向齿轮轴11通过轴承12和13安装在转向器壳体5中，其上端通过花键与万向节叉10和转向轴连接。与转向齿轮啮合的转向齿条4水平布置，两端通过球头座3与转向横拉杆1相连。弹簧7通过压块9将齿条压靠在齿轮上，保证无间隙啮合。弹簧的预紧力可用调整螺塞6调整。当转动转向盘时，转向器齿轮11转动，使与之啮合的齿条4沿轴向移动，从而使左右横拉杆带动转向节左右转动，使转向车轮偏转，从而实现汽车转向。另一种是中间输出的齿轮齿条式转向器，其结构及工作原理与两端输出的齿轮齿条式转向器基本相同，不同之处在于它在转向齿条的中部用螺栓6与左右转向横拉杆7相连。在单端输出的齿轮齿条式转向器上，齿条的一端通过内外托架与转向横拉杆相连。1.万向节叉 2.转向齿轮轴 3.调整螺母 4.向心球轴承 5.滚针轴承 6.固定螺栓 7.转向横拉杆 8.转向器壳体 9.防尘套 10.转向齿条 11.调整螺塞 12.锁紧螺母 13.压紧弹簧 14.压块图 3-1 两端输出的齿轮齿条式转向器 2）循环球式转向器循环球式转向器是目前国内外应用最广泛的结构型式之一，一般有两级传动副，第一级是螺杆螺母传动副，第二级是齿条齿扇传动副。为了减少转向螺杆转向螺母之间的摩擦，二者的螺纹并不直接接触，其间装有多个钢球，以实现滚动摩擦。转向螺杆和螺母上都加工出断面轮廓为两段或三段不同心圆弧组成的近似半圆的螺旋槽。二者的螺旋槽能配合形成近似圆形断面的螺旋管状通道。螺母侧面有两对通孔，可将钢球从此孔塞入螺旋形通道内。转向螺母外有两根钢球导管，每根导管的两端分别插入螺母侧面的一对通孔中。导管内也装满了钢球。这样，两根导管和螺母内的螺旋管状通道组合成两条各自独立的封闭的钢球“流道”。转向螺杆转动时，通过钢球将力传给转向螺母，螺母即沿轴向移动。同时，在螺杆及螺母与钢球间的摩擦力偶作用下，所有钢球便在螺旋管状通道内滚动，形成球流。在转向器工作时，两列钢球只是在各自的封闭流道内循环，不会脱出。3）蜗杆曲柄指销式转向器蜗杆曲柄指销式转向器的传动副（以转向蜗杆为主动件，其从动件是装在摇臂轴曲柄端部的指销。转向蜗杆转动时，与之啮合的指销即绕摇臂轴轴线沿圆弧运动，并带动摇臂轴转动。（3）转向传动机构转向传动机构的功用是将转向器输出的力和运动传到转向桥两侧的转向节，使两侧转向轮偏转，且使二转向轮偏转角按一定关系变化，以保证汽车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能小。3.1.2动力转向系统使用机械转向装置可以实现汽车转向，当转向轴负荷较大时，仅靠驾驶员的体力作为转向能源则难以顺利转向。动力转向系统就是在机械转向系统的基础上加设一套转向加力装置而形成的。转向加力装置减轻了驾驶员操纵转向盘的作用力。转向能源来自驾驶员的体力和发动机（或电动机），其中发动机（或电动机）占主要部分，通过转向加力装置提供。正常情况下，驾驶员能轻松地控制转向。但在转向加力装置失效时，就回到机械转向系统状态，一般来说还能由驾驶员独立承担汽车转向任务。动力转向系统由于使转向操纵灵活、轻便，在设计汽车时对转向器结构形式的选择灵活性增大，能吸收路面对前轮产生的冲击等优点，因此已在各国的汽车制造中普遍采用。但是，具有固定放大倍率的动力转向系统的主要缺点是：如果所设计的固定放大倍率的动力转向系统是为了减小汽车在停车或低速行驶状态下转动转向盘的力，则当汽车以高速行驶时，这一固定放大倍率的动力转向系统会使转动转向盘的力显得太小，不利于对高速行驶的汽车进行方向控制；反之，如果所设计的固定放大倍率的动力转向系统是为了增加汽车在高速行驶时的转向力，则当汽车停驶或低速行驶时，转动转向盘就会显得非常吃力。电子控制技术在汽车动力转向系统的应用，使汽车的驾驶性能达到令人满意的程度。电子控制动力转向系统在低速行驶时可使转向轻便、灵活；当汽车在中高速区域转向时，又能保证提供最优的动力放大倍率和稳定的转向手感，从而提高了高速行驶的操纵稳定性。电子控制动力转向系统（简称EPS-Electronic Control Power Steering），根据动力源不同又可分为液压式电子控制动力转向系统（液压式EPS）和电动式电子控制动力转向系统（电动式EPS）。液压式EPS是在传统的液压动力转向系统的基础上增设了控制液体流量的电磁阀、车速传感器和电子控制单元等，电子控制单元根据检测到的车速信号，控制电磁阀，使转向动力放大倍率实现连续可调，从而满足高、低速时的转向助力要求。电动式EPS是利用直流电动机作为动力源，电子控制单元根据转向参数和车速等信号，控制电动机扭矩的大小和方向。电动机的扭矩由电磁离合器通过减速机构减速增扭后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向作用力。（1） 液压式动力转向系统液压式动力转向系统属于转向加力装置的部件是：转向液压泵、转向油管、转向油罐 以及位于整体式转向器 内部的转向控制阀及转向动力缸等。当驾驶员转动转向盘时，通过机械转向器使转向横拉杆移动，并带动转向节臂，使转向轮偏转，从而改变汽车的行驶方向。与此同时，转向器输入轴还带动转向器内部的转向控制阀转动，使转向动力缸产生液压作用力，帮助驾驶员转向操作。由于有转向加力装置的作用，驾驶员只需比采用机械转向系统时小得多的转向力矩，就能使转向轮偏转。液压动力转向系按系统内部的压力状态分，有常压式和常流式两种。第一种为常压式液压动力转向系。常压式液压动力转向系如图3-2所示。在汽车直线行驶，转向盘保持中立位置时，转向控制阀5经常处于关闭位置。转向油泵3输出的压力油充入储能器2。当储能器压力增长到规定值后，油泵即自动卸荷空转，从而储能器压力得以限制在该规定值以下。当转动转向盘时，机械转向器6即通过转向摇臂等杆件使转向控制阀转入开启位置。此时储能器中的压力油即流入转向动力缸4。动力缸输出的液压作用力，作用在转向传动机构上，以助机械转向器输出力之不足。转向盘一停止运动，转向控制阀便随之回复到关闭位置。于是，转向加力作用终止。由此可见，无论转向盘处于中立位置还是转向位置，也无论转向盘保持静止还是运动状态，该系统工作管路中总是保持高压。1.转向油罐 2.转向油泵 3.储能器 4.转向动力缸 5.转向控制阀 6.机械转向器图 3-2常压式液压动力转向系示意图第二种为常流式液压动力转向系。不转向时，转向控制阀6保持开启。转向动力缸8的活塞两边的工作腔，由于都与低压回油管路相通而不起作用。转向油泵. 输出的油液流入转向控制阀，又由此流回转向油罐1。因转向控制阀的节流阻力很小，故油泵输出压力也很低，油泵实际上处于空转状态。当驾驶员转动转向盘，通过机械转向器7使转向控制阀处于与某一转弯方向相应的工作位置时，转向动力缸的相应工作腔方与回油管路隔绝，转而与油泵输出管路相通，而动力缸的另一腔则仍然通回油管路。地面转向阻力经转向传动机构传到转向动力缸的推杆和活塞上，形成比转向控制阀节流阻力高得多的油泵输出管路阻力。于是转向油泵输出压力急剧升高，直到足以推动转向动力缸活塞为止。转向盘停止转动后，转向控制阀随即回复到中立位置，使动力缸停止工作。上述两种液压动力转向系相比较，常压式的优点在于有储能器积蓄液压能，可以使用流量较小的转向油泵，而且还可以在油泵不运转的情况下保持一定的转向加力能力，使汽车有可能续驶一定距离。常流式的优点则是结构简单，油泵寿命长，漏泄较少，消耗功率也较少。优缺点：能耗较高，尤其早低速转弯的时候，觉得方向比较沉，发动机也比较费力气。又由于液压泵的压力很大，也比较容易损害助力系统。 （2） 电动助力动力转向系统电动助力动力转向系统简称电动式EPS或EPS（Electronic Power Steering system）在机械转向机构的基础上，增加信号传感器、电子控制单元和转向助力机构。根据电动机驱动部位的不同，将电动助力转向系统分为三类：转向轴助力式（图3-3）、转向器小齿轮助力式（图3-4）和齿条助力式（图3-5）。1）转向轴助力式转向系统由扭矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构组成一体，安装在转向柱上。其特点是结构紧凑、所测取的扭矩信号与控制直流电机助力的响应性较好。这种类型一般在轿车上使用。图 3-3 转向助力式2）小齿轮助力式转向系统的扭矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构仍为一体，只是整体安装在转向小齿轮处，直接给小齿轮助力，可获得较大的转向力。该型式可使各部件布鼍更方便，但当转向盘与转向器之间装有万向传动装置时，扭矩信号的取得与助力车轮部分不在同一直线上，其助力控制特性难以保证准确。图3-4 转向器小齿轮助力式齿条助力式转向系统的扭矩传图3-2到3-5转向器小齿轮助力式感器单独地安装在小齿轮处，电动机与转向助力机构一起安装在小齿轮另一端的齿条处，用以给齿条助力。该类型又根据减速传动机构的不同可分为两种：一种是电动机做成中空的，齿条从中穿过，电动机动力经一对斜齿轮和螺杆螺母传动副以及与螺母制成一体的铰接块传给齿条。这种结构是第一代电动助力转向系统，由于电动机位于齿条壳体内，结构复杂、价格高、维修也很困难。另种是电动机与齿条的壳体相互独立，电动机动力经另一小齿轮传给齿条，由于易于制造和维修，成本低，已取代了第一代产品。因为齿条由一个独立的齿轮驱动，可给系统较大的助力，主要用于重型汽车。3）电动式EPS 是利用电动机作为助力源，根据车速和转向参数等因素，由电子控制单元完成助力控制，其原理可概括如下：当操纵转向盘时，装在转向盘轴上的转矩传感器不断地测出转向轴上的转矩信号，该信号与车速信号同时输入到电子控制单元。电控单元根据这些输入信号，确定助力转矩的大小和方向，即选定电动机的电流和转动方向，调整转向辅助动力的大小。电动机的转矩由电磁离合器通过减速机构减速增矩后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与汽车工况相适应的转向作用力。例如，福克斯的EHPAS电子液压系统由电脑根据发动机转速、车速以及方向盘转角等信号，驱动电子泵给转向系统提供助力。助力感觉非常的自然。因此很多人对福克斯方向的感觉相当不错，转向操控感觉可以说是随心所欲。有些车也号称采用电子助力，但是只是电机助力，没有液压辅助，容易产生噪音。助力效果也远不如福克斯这一类型的电子助力。图 3-5 齿条助力式优缺：能耗低，灵敏，电子单元控制，节省发动机功率，助力发挥比较理想。3.2 奥迪动态转向系统的功能3.2.1可变的传动比期望横摆角速度增益是评价转向系统性能的重要指标之一。定义为横摆角速度相对于转向盘转角的比值.如果期望横摆角速度太小，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：（1）车辆等速转向时，期望横摆角速度必须保持为一定值；（2）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。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如图3-6所示。图 3-6 车速与转向盘转向角的关系3.2.2转向灵活性功能在转向盘转角低频输入的条件下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。，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。3.3 奥迪动态转向系统的组成结构在传统汽车的转向系统中，转向盘有转向器是机械连接的，因此转向盘的转角与转向车轮的转角之间就存在着一个固定关系。通过转向机齿条和主动齿轮之间齿部的配合，就可以实现不同的传动比特性曲线了。但是，一辆车上只能有一种传动比。在选择合适的传动比时，为了能使得不同的有时甚至是矛盾的要求尽可能地得到满足，那么所选择的传动比实际上是综合考虑了各个方面的因素之后的一个折中方案，当调校驾驶性能的控制系统时，往往必须在各性能之间有所取舍，驾驶者通常很难同时兼顾舒适性与运动性。这些基本要求只有通过可变的传动比特性曲线才能完美地得到满足。这样的特性曲线能够根据车速和转向角来改变转向车轮的实际转动大小。奥迪公司研发的奥迪驾驶模式选项已应用于多款奥迪最新车型上（图3-7）。该系统可以协助驾驶者对发动机、自动变速器、转向系统进行调节，只需通过控制按钮，驾驶者就可以在所需要的“运动”、“自动”和“舒适”模式之间进行转换。而在这套系统之中，主要的组成部分就是奥迪的动态转向系统。奥迪动态转向系统综合了多项旨在提升驾乘乐趣和安全性的机械及电子系统领先科技。例如最早应用于航空动力传输技术的叠式齿轮、高度灵敏的传感器以及能够高速传输数据的数字网络系统。同时，随速助力转向系统的加入和与版本尸的紧密协作都让这套动力转向系统趋近完美。根据车速和转向盘的转角就可实现最佳转向传动比。无论是在驻车，在多弯道的乡间公路行车还是在高速公路上高速行车，动态转向系统都能提供最合适的转向传动比。另外，动态转向系统因其具有行驶动态稳定转向能力，所以还可以对ESP提供支持。因此，这种新型智能转向系统不仅能增加行驶和转向舒适性，还能明显提高主动的行车安全性。图 3-7 奥迪动态转向系统可以对发动机、自动变速器以及转向系统进行调节奥迪动态转向系统可根据车速改变转向比，因而避免了传统机械转向系统选定恒定转向比时需做出的妥协。汽车高速行驶时，间接的转向比使汽车操控更沉稳，并保持更好的直线行驶能力。反之，当汽车以低速或中速行驶在蜿蜒的路面上时，该系统将提供一个更直接的转向比以提高转向精准度和灵活性。泊车时，直接的转向比使泊车更加方便，随速助力转向系统可以大大节省转向力。奥迪动态转向系统的中心元件是一款最初应用于航空技术的可变转向比转向装置。该装置被运用于汽车中，与一个电动机相连接植入转向柱中，可以用来改变转向比。与其他厂商采用的系统不同，该款创新装置运行时完全没有机械间隙，摩擦损失也降到最小。 为了确定最优转向比，工程师们分析了汽车在三种不同特征车速范围内的转向表现，包括泊车、中低速行驶城镇中和越野时以及高速行驶图（图3-8）。图 3-8 转向比变化图表泊车时的目标是通过降低所需的转向角度使驾驶者操控起来更加便利。驾驶者应以最少的双手换位次数就能把转向盘从一侧转到另一侧。也就是说，在该速度范围内转向比必须极为直接。当驾驶者行驶在城镇或乡间道路上、转弯、甚至在山路上行驶时，应尽可能避免双手换位。对大多数驾驶者来说，这意味着转向盘仅需在小于左右的范围内转动。这也是一个普通驾驶者在接近操作极限的情况，如紧急避让时，进行方向调节所需的转向角度范围。这似乎意味着在中低速范围时也需要极为直接的转向比。但是，有利于泊车的极为直接的转向比在车速提高时往往会使汽车的反应过于灵敏。因此，动态转向系统应根据车速逐步提高转向比，才能实现上述目标。对于中高速和弯道较少的驾驶，所选择的转向比必须使驾驶者能够精准而沉稳地驾驶汽车。这就需要一个比低速时明显低的转向比。动态转向系统（图3-9）内集成了1个电动机械式驱动装置（同时也是执行元件），在系统出现严重故障时，这个电动机械式驱动装置可以被机械锁止，从而可防止转向失效。主动转向控制单元会计算出转向角应该增大还是减小，然后操纵一个电动机去驱动电动机械式驱动装置工作，车轮的转角是这个并行转向角和驾驶人在转向盘上施加的转角之和。并行转向角可以随转向盘转角的增加而增大，也可以随转向盘转角的增加而减小，并且在驾驶人未操纵转向盘时也可实现转向。图 3-9 奥迪动态转向系统结构图3.3.1主动转向控制单元安装于驾驶人的脚坑处的座椅横梁前，其功能可以分成两个：（1）基本功能：计算并行转角，以便实现可变传动比。一般是根据车速和驾驶人所施加的转角来确定。只要动态转向系统无故障，这个调节过程就一直进行。（2）辅助功能：与ESP控制单元协同工作。ESP控制单元计算出动态行驶时所期望的转向角校正值，并将这些校正值通过CAN总线送至主动控制单元，主动控制单元将相应的校正值加到计算出来的并行转角中，于是作用到车轮上的就是经过了校正的转向角。3.3.2执行元件转向角的校正是通过执行元件驱动转向器主动齿轮转动来实现的，这个执行元件由一个轴齿轮构成，这个轴齿轮由一个电动机来驱动。在装备了动态转向系统时，由电动机直接驱动的齿轮有个100齿，输出齿轮有102个齿。在动态转向系统上，与转向盘直接相连的转向轴也与转向主动齿轮相连，该连接是通过齿轮来实现的。如图3所示，杯形件与转向轴上部（它也直接与转向盘相连）通过花键实现无间隙连接。这个杯形件外形像是个盆，壁薄而有弹性，这个壁上装备有100个齿的外齿，与之配对使用的是一个齿圈，有102个内齿。这个齿圈与转向轴下部转向器主动齿轮刚性连接（图3-10）。 图 3-10 执行元件如图3-11所示，转向轴上部有一根空心轴，这根空心轴独立地在执行元件壳体内转动，由一个电动机直接驱动。为此，电动机的转子与空心轴的一端连接在一起。空心轴的另一端与滚动轴承的内圈连接在一起。这个内圈并不是一个精确的圆形，它给滚珠提供一个椭圆的轨道。如图3-12所示，轴承外圈是弹性钢圈，轴承内圈的外形为椭圆形，杯形件通过较小的过盈量配装在轴承的外圈上，杯形件的弹性壁也会跟随轴承的椭圆外形进行变形。由于是椭圆，所以杯形件的外齿并不是在整个圆周上都与齿圈的内齿相啮合的。如果电动机工作，空心轴就会被驱动，滚动轴承内圈就在转动。由于杯形件的齿数与齿圈齿数不相同，在啮合时，杯形件的1个齿就无法精确地与齿圈上的内齿啮合，于是就会在啮合的齿侧上作用一个力，从而让齿圈产生一个极小的转动。图 3-11 转向轴图 3-12 轴承3.3.3 动态转向锁为了能在动态转向系统失灵时保证转向系统回到原来的状态，可以通过机械方式将动态转向锁锁止。在正常工作状态下，只要发动机熄火，这个锁就是锁止的，当发动机起动后动态转向系统就会将动态转向锁打开，此时可以听到开锁时的一声“ 卡嗒”响。动态转向锁的锁止是通过一个电磁铁来完成的，这个电磁铁用螺栓拧在壳体上。在电动机驱动的空心轴上安装有一个锁圈（图3-13），其外侧有很多缺口。当电磁线圈不通电时，电磁铁的圆筒状推杆在弹簧弹力的作用下进入缺口中，从而实现锁止作用。如果主动转向控制单元激活了电磁线圈，那么推杆就在电磁力的作用下克服弹簧的弹力而向电磁线圈方向移动，离开缺口，松开了空心轴。图 3-13 动态转向锁的工作原理3.3.4 基准传感器电动机位置传感器和基准传感器共同安装在一个壳体内。转向盘每转一圈或者执行元件输出轴每转一圈，基准传感器就输出一个信号。这个信号用于计算转向器的中间位置及完成故障排除后的基本设定。齿圈外面的一个缺口（图3-14）就是基准传感器的缺口。图 3-14 基准传感器的缺口3.3.5 ESP传感器1与ESP传感器2装备有动态转向系统的车上使用2个ESP传感器，这2个传感器安装在驾驶人座椅下，其功能和结构是相同的。从外表看，这两个传感器的区别在于导线连接器不同。这两个传感器通过CAN总线与ESP控制单元及主动转向控制单元相连接。ESP控制单元使用这两个传感器信号来计算所需要的并行转向角，以便来稳定车辆。3.4 奥迪动态转向系统的工作过程以及控制策略奥迪动态转向系统应用了1971年lunar Rover登陆月球时所使用的叠式齿轮技术，具体到奥迪，整合于转向柱中的传动装置由一个配有位置感应器的电子交流电发动机、叠式齿轮和一个互锁设备构成，该互锁设备可以在无电源时防止电动机转动，从而在方向盘和汽车的转向系统之间重新建立直接联系。内联式齿轮的操作原理与行星齿轮传动系统如出一辙。电动机转动椭圆形的内转子（WG）以叠加角度数值。通过活动的薄壁球形轴承（FB）可以改变连接于转向杆输入端（方向盘端）的薄壁太阳轮（FS）的形状。在内转子的驱动椭圆的主轴上，太阳轮与连接于转向柱轴输出端（转向系统端）的环形齿轮或环面（CS）啮合。太阳轮和环面齿数量上的差别导致驱动椭圆转动时的叠合传动作用。（图3-15）图 3-15 内连轴传动装置的操作原理这样的效果就是在高速行驶状态下，方向盘的转动余量就会变大，稍稍打方向并不会改变车辆的行驶方向，再具体一点，如果要并线的话，你需要转动更大角度的方向盘，较大的间接转向比保证了卓越的驾驶舒适性和直线稳定性。而在低速状态下，这种情况刚好相反，例如在小区泊车时，方向盘的指向将变得更为直接，基本上属于指哪打哪。转向比更加直接，从而实现更高的转向精度和轻松的转向操作。动态转向系统的应用对助力系统也提出了更高要求。在确定液压转向助力系统原理时，奥迪对伺服泵和包括转向阀在内的随速助力转向系统都进行了最优化设计。增强了动力特性的转向系统对伺服泵的要求大大提高。为满足这些要求，根据车内安装的发动机，配备了可以进行体积流量调节的伺服泵，更笼统地说就是对整个转向系统进行了优化。转向需求低时（例如在高速公路上行驶时），体积流量降低以节约能源和燃料，但在中低速行驶时（如乡间道路），系统会极为迅速地做出调整以提高灵活性。伺服泵通过改变液压流容积调节体积流量从而对实际驾驶情况做出反应。在随速助力转向系统方面，专门与动态转向功能相匹配的转向阀进一步提高了所需的转向精准度，优化了系统对驾驶者的反馈，但不会对此类车型典型的转向优雅程度造成任何负面影响。这同时也归功于整合入动态转向系统的随速助力转向性能的协调设置。在整个奥迪驾驶选项系统中，同样取决于道路行驶速度的随速助力转向系统的这些特性根据转向比性能进行了调节，以此实现舒适与灵活性的最佳平衡。3.5 叠式传动装置的构造整合于转向柱中的传动装置由一个配有位置传感器的交流电机、叠式齿轮和一个互锁设备构成，该互锁设备可以在无电源时防止电动机转动，从而在转向盘和汽车的转向系统之间重新建立直接联系。内联式齿轮的操作原理与行星齿轮传动系统如出一辙。电动机转动椭圆形的内转子（WG）以叠加角度数值。通过活动的薄壁球形轴承（FB）可以改变连接于转向杆输入端（方向盘端）的薄壁太阳轮（FS）的形状。在内转子的驱动椭圆的主轴上，太阳轮与连接于转向柱轴输出端（转向系统端）的环形齿轮或环面（CS）啮合。太阳轮和环面齿数量上的差别导致驱动椭圆转动时的叠合传动作用。在确定液压转向系统原理时，工程师就考虑了对动态转向系统越来越多的需求，对伺服泵和包括转向阀在内的随速助力转向系统都进行了最优化设计。增强了动力特性的转向系统对伺服泵的要求大大提高。为满足这些要求，根据车内安装的发动机，配备了可以进行体积流量调节的伺服泵，更笼统地说就是对整个转向系统进行了优化。转向需求低时例如在高速公路上行驶时，体积流量降低以节约能源和燃料，但在中低速行驶时如乡间道路，系统会极为迅速地做出调整以提高灵活性。伺服泵通过改变液压流容积调节体积流量从而对实际驾驶情况做出反应。在随速助力转向系统方面，专门与动态转向功能相匹配的转向阀进一步提高了所需的转向精准度，优化了系统对驾驶者的反馈，但不会对此类车型典型的转向优雅程度造成任何负面影响。这同时也归功于整合入动态转向系统的随速助力转向性能的协调设置。在整个奥迪驾驶选项系统中，同样取决于道路行驶速度的随速助力转向系统的这些特性根据转向比性能进行了调节，以此实现舒适与灵活性的最佳平衡。3.6 随速助力转向系统动态转向系统的应用对助力系统也提出了更高要求。在确定液压转向助力系统原理时，奥迪对伺服泵和包括转向阀在内的随速助力转向系统都进行了最优化设计。增强了动力特性的转向系统对伺服泵的要求大大提高。为满足这些要求，根据车内安装的发动机，配备了可以进行体积流量调节的伺服泵，更笼统地说就是对整个转向系统进行了优化。转向需求低时例如在高速公路上行驶时，体积流量降低以节约能源和燃料，但在中低速行驶时如乡间道路，系统会极为迅速地做出调整以提高灵活性。伺服泵通过改变液压流容积调节体积流量从而对实际驾驶情况做出反应。在随速助力转向系统方面，专门与动态转向功能相匹配的转向阀进一步提高了所需的转向精准度，优化了系统对驾驶者的反馈，但不会对此类车型典型的转向优雅程度造成任何负面影响。这同时也归功于整合入动态转向系统的随速助力转向性能的协调设置。在整个奥迪驾驶选项系统中，同样取决于道路行驶速度的随速助力转向系统的这些特性根据转向比性能进行了调节，以此实现舒适与灵活性的最佳平衡。3.7 奥迪动态转向系统与ESP系统的配合优势在配备了动态转向系统的汽车上，ESP电子稳定系统在紧急情况下不仅仅通过某一或某几个车轮的制动来稳定汽车，还将调整前轮的转向比（图3-16）。这有两个优点，一是同时激活制动和转向系统可以提高汽车的总体稳定性，也就是说，主动安全性能将得到明显提高。在高速行驶时大于尤为如此，因为动态转向系统反应迅速的优势可以充分体现，没有制动系统产生液压所需的延迟。二是在非紧急情况下，调节性的制动干预可以部分或全部舍弃，从而汽车的稳定过程更和谐舒适，不会因此而减速。降低对制动干预的需求意味着车辆在抓地力较低的路面，如雪地上，也能保持同样的直线行驶方向，但明显比仅采用制动干预进行稳定的汽车更为敏捷。图 3-16 ESP电子稳定系统与动态转向系统的配合ESP电子稳定系统在汽车处于转向过度或转向不足，以及在抓地力水平不同的地面非均质路面上制动时会与动态转向系统协作并提供主动转向调节。若汽车转向过度，ESP电子稳定系统将适当反打转向盘以防止车尾偏离预定行驶轨迹。全新奥迪A4L中采用的经过进一步开发的ESP电子稳定系统控制单元完全整合了主动制动和主动转向。汽车转向过度时，第一步要计算稳定汽车所需的横摆力矩。第二步，一种复杂的权衡方法根据所侦测的不稳定程度，把所需的稳定力矩分配给制动和转向装置。若仅有轻微不稳定，优先选择转向系统，随着偏离角度增加也会更多使用制动装置。一种可能出现过度转向的情况是快速避让操作（图3-17）。当驾驶者转动转向盘将汽车开离原先车道时，作用在车身上的反向动力很容易使尾部失去抓地力而偏离，高速行驶时尤为明显。普通驾驶者往往对转向过度调节过晚，或根本不调节。因此，必须由来进行有力的制动。图3-17 转向过度时转向与制动干预若安装了动态转向系统，该系统会在驾驶者毫不觉察的情况下自动反转转向盘以稳定车身。这样就大大降低了转向力，而在很多情况下，由于动态转向系统的补偿作用，驾驶者根本不需要大幅度反打转向盘，而只需根据类似汽车平稳时所需的转向幅度进行控制。由于仅需在减少汽车侧滑时发挥作用，ESP电子稳定系统的制动干预大大减少。若出现转向不足，ESP电子稳定系统会将动态转向比重新设置为一个间接值，使驾驶者不会很快将转向盘打到极限，从而提高了汽车的灵活性。该功能是奥迪的一项最新开发成果，首次运用在配备了动态转向系统的A4L车型中。图3-18显示了转向不足功能的操作原理。在没有动态转向功能的汽车上，若转向角度太大，就会超过前轴的最大转向极限，因而即使前轮已经转动，汽车还是会偏离轨道。在配备了动态转向功能的汽车上，系统会侦测转向不足情况，并改变转向比以防止驾驶者过度转动转向盘。转向干预的程度不会被驾驶者察觉。由于不会影响到如噪声和延迟等伴随现象，采用转向干预比其它如减少发动机扭矩或制动干预等方式更不易被察觉，且稳定效果依然显著。若已进行转向干预，ESP电子稳定系统的发动机干预和制动干预程度就会降低，或完全没有必要。图 3-18 转向不足的操作原理非均质路面是指在汽车一侧抓地力高如柏油马路，而另一侧抓地力低如冰面的情况。例如冰面部分溶化或干燥的路面部分覆盖了潮湿的树叶就会出现这种情况。如果在这样的路面上制动，摩擦力大的一侧的制动力也大，汽车就会向该侧转动。要想回到直线车道，没有动态转向系统的