汽车主动前轮转向系统的工作原理和方案

汽车主动前轮转向系统的工作原理及方案汽车主动前轮转向系统的工作原理及方案崔海波工程技术学院 机制5班摘要: “主动转向”技术为汽车操纵和稳定性控制提供了更好的控制方法和性能，很好的解决了转向中轻便性和灵敏性的矛盾问题。本文通过对汽车主动前轮转向系统的简要概述和发展现状,对其结构和工作原理以及一些先进的方案进行了分析。关键词:主动前轮转向系统 可变传动比 发展现状 工作原理 结构方案1.前言转向系统是控制汽车行驶路线和方向的重要装置，其性能直接影响到汽车的操纵性能和稳定性能。在汽车转向系统的设计中,转向轻便性与转向灵敏性是一对矛盾。转向轻便性要求驾驶员对方向盘施加的转向力要小、方向盘的总转动圈数要少;而转向灵敏性则要求驾驶员转动方向盘达到目标角度所耗费的时间要短。显然对机械式转向系统来说,要想转向灵敏性好,就要减小转向系统传动比,但这必然导致转向力增大;反之,要想转向力小,就要增大转向传动比,这又将导致转向灵敏性下降。主动转向系统具有可变传动比的功能,它很好地解决了转向轻便性与转向灵敏性之间的矛盾。主动前轮转向通过电机根据车速和驾驶工况改变转向传动比。低、中速时，转向传动比较小，转向直接，以减少转向盘的转动圈数，提高转向的灵敏性和操纵性；高速时，转向传动比较大，提高车辆的稳定性和安全性。同时，系统中的机械连接使得驾驶员直接感受到真实的路面反馈信息。【1】因此，主动前轮转向为车辆行驶的灵敏性、舒适性和安全性设定了新标准，代表着转向技术的发展趋势。2主动前轮转向系统概述主动前轮转向系统（Active Front Steering，AFS）最早由德国 BWM 和 ZF两家公司联合开发完成，并装备于宝马 3 系和 5 系轿车上。图为主动前轮转向系统基本结构。主动前轮转向系统能够在最大程度执行驾驶员意愿的前提下，对整车施加一个可独立于驾驶员的转向干预，可以实现整车的主动安全性和操纵稳定性的结合。主动前轮转向系统可在一定范围内实现变传动比控制，使汽车在低车速行驶时转向传动比较小，以减少转向盘的转动圈数，提高汽车的机动性和灵活性；而在高车速时转向传动比较大，以降低转向灵敏性，提高汽车的稳定性和安全性。主动前轮转向实际上是介于传统的助力转向和线控转向之间的一种转向系统。【2】它在传统的助力转向系统的结构基础上实现转向，同时又具有线传系统的优点，可以主动对车辆进行控制。主动前轮转向系统可以实现变传动比和稳定性控制。图.主动前轮转向系统2.1 可变传动比在汽车工业中，传动比定义为方向盘转角与前轮转角的比值。对于传统车辆，该值为一常数。观察普通汽车低速下的转向行为可以发现，降低传动比可以减少方向盘至左右极限位置的圈数。因此对于驾驶员而言，在停车或大角度转弯时，可以提高操作上的轻便性。然而对于处于高速行驶状态下的车辆，较低的传动比使转向过于灵敏，稳定性和安全性就会下降。转向传动比是影响驾驶感受的关键因素。为了克服传统车辆存在的上述缺陷，人们发明了一系列变传动比主动前轮转向装置。【3】这类装置可以根据行驶状况增加或减小汽车前轮的转向角度，即低速时提供小传动比以提高车辆灵活性及操作轻便型，高速状态下提供较大传动比增加行车稳定性。其大致分为两类：1.机械式(又可分为固定式与可调式)2.线传式。2.2 稳定性控制稳定性是指汽车受到外界扰动(路面扰动或者阵风扰动)回到原来的运动状态的能力。主动前轮转向系统从转向一开始就会判断转向后出现的情况，通过调节助转角电机自动修正转向角度，及时干预以降低偏离行驶路线的概率。对于不可预料的侧向运动，主动前轮转向可以通过有效的利用轮胎特性，抵御阵风(尤其是离开隧道时的侧向风)、不对称制动和低摩擦系数路面所产生的横摆及侧倾干扰，自动产生补偿力矩帮助驾驶员，提高车辆的稳定性。【4】3.主动前轮转向系统国内外的研究及发展现状当前，国内外对主动前轮转向系统的研究比较深入，已有大量相关文献发表。主动前轮转向系统最早由德国宝马汽车公司和 ZF 公司联合开发，并将其应用于部分宝马3系列和5系列轿车，图为宝马主动前轮转向系统实物图。之后，日本丰田汽车公司也开发了可装备于实际车辆的主动前轮转向系统。Kim J. W.等人在论文Development of an active front steering (AFS) system with QFT 中，在分析主动前轮转向系统的工作原理的基础上，建立了基于定量反馈理论的主动前轮转向系统控制模型，并基于 Matlab 和 Adams/Car 建立联合仿真模型验证了其有效性。Yasuo S.等人在论文 Improvement in driver-vehicle system performance by varying steering gain with vehicle speed and steering angle :VGS (variable gear-ratio steering system)中，建立了驾驶员模型、转向系统模型和传动比调节装置的模型，并根据驾驶员的操纵经验和路上试车测试结果得出理想传动比。Wolfgang R.等人在论文Active front steering (Part 1): mathematical modeling and parameter estimation和论文Active front steering (Part 2): safety and functionality中，建立了主动前轮转向系统执行器的数学模型，并验证了模型的有效性【5】。Maniha N.等人在论文Sliding mode control of active car steering with various boundary laver thickness and disturbance中，将滑模变结构控制应用于主动前轮转向系统，并设计了滑模变结构控制器，其输入为横摆角速度的理想值与实际值之间的差值，输出为主动前轮转向系统附加的转向角【6】。在国内方面，同济大学高晓杰等人在论文机械式前轮主动转向系统的原理与应用中，以宝马轿车上选装的主动转向系统为例，详细介绍了该系统的组成、双行星齿轮机构的结构及工作模式，以及该系统可变传动比、稳定车辆等功能的实现原理和系统安全性设计，并指出主动前轮转向与其他动力学控制系统一起实现底盘一体化集成控制的可能性【7】。武汉理工大学的黄炳华等人在论文汽车主动转向系统的特性研究中，分析了主动转向系统的主要特性，并对其控制策略进行了探讨【8】。南京航空航天大学的赵万忠等人在论文力与位移耦合控制的主动转向系统协同优化中，在对主动前轮转向系统的动力学分析和工作原理分析的基础上，建立了主动前轮转向系统的各个子系统的模型，并提出了主动前轮转向系统的三个性能指标及量化公式【9】。同济大学的余卓平等人在论文主动前轮转向对车辆操纵稳定性能的影响中，研究主动前轮转向对车辆操纵稳定性能的影响，提出了主动前轮转向控制系统的目标及结构【10】。南京航空航天大学的魏建伟等人在论文基于人-车-路闭环系统的变传动比控制规律研究了转向盘转角对汽车转向性能的影响，提出了改进的变传动比控制策略 目前，对主动前轮转向系统的研究主要集中在动力学建模和理想传动比控制规律方面，对变传动比控制规律的研究还很少，尚处于定性的认识阶段，且变传动比的推理及控制策略还少有提及。此外，对主动前轮转向稳定性控制的研究文献还较少，有限的几篇文献主要研究横摆角速度控制，对附加转角的控制还鲜有报道。然而，变传动比控制和干预稳定性控制是主动前轮转向的核心问题，是决定主动前轮转向系统性能好坏的关键因素。因此，有必要在理想传动比控制规律基础上，探索变传动比控制和主动转向稳定性控制策略，为主动前轮转向系统的设计开发提供理论基础。4.主动前轮转向系统结构及工作原理分析主动前轮转向系统的出现符合汽车技术的发展趋势。AFS根据附加转角叠加方式的不同,又可分为机械式AFS和电子式AFS。下面主要介绍汽车机械式主动前轮转向系统的构成及原理。4.1 整体结构以宝马主动转向为例,主动前轮转向系统除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之外,它的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和电子伺服转向系统,用于向转向轮提供叠加转向角,通过叠加转向实现变传动比功能。驾驶员的转向输入包括力矩输入和角输入两部分,将共同传递给到扭杆。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著差别在于,主动前轮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。4.2 新型主动前轮转向系统结构所谓的新型主动前轮转向系统，在电动助力转向系统机械机构的基础上，将转向轴截断后在中间增加行星齿轮机构，行星齿轮外圈与电机通过涡轮蜗杆机构相连接。该电机用来增加或者减少驾驶员施加在转向轮上的转角，同时原电动助力转向系统中的电机对转向系统提供助力，对转向过程中的转向力矩进行调节。因此，该主动前轮转向系统主要包括两部分：转向轴式电动助力转向机构，行星齿轮的主动转向机构。4.2.1 转向轴式助力转向机构 转向轴式电动助力转向系统的电机固定在转向管柱上，通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴，实现转向助力。助力电机产生的动力协助驾车者进行转向，系统由转矩传感器、电动机、蜗轮蜗杆减速机构、电磁离合器、机械转向器等组成。4.2.2 行星齿轮的主动前轮转向机构 助转角机构由电机、蜗轮蜗杆机构和一套双排行星齿轮系机构组成。行星架将两套行星齿轮连接在一起，齿圈通过自锁式蜗轮蜗杆驱动机构与助转角电机相连。行星齿轮机构的输入轴与转向管柱上端相连，合成的运动由输出轴输出，输出轴与转向管柱下端相连。 根据车速和转向盘转角，电机提供相应的辅助转角，并利用行星齿轮机构的运动合成共同作用到下端的转向管柱上，最终输出的转向角是由转向盘角度和电机角度叠加而成。当转向盘转角确定，而电机的转角改变时，合成后得到的前轮转角也随之改变，因此可通过独立地调整电机来获得不同的转向系统传动比，从而转向灵敏性可调。整个主动前轮转向系统包括传感器，主动转向叠加机构(包括电机及行星齿轮机构)，控制器(ECU)，电动助力转向系统机械结构等。4.3 工作原理以一种机械式的叠加主动前轮转向系统为研究对象,其原理如图所示。AFS的执行机构由电动机、蜗轮蜗杆机构和行星齿轮机构等组成,一般串联在转向盘和转向器之间。具体工作原理是车辆行驶的状况由传感器测得,控制器根据传感器的车速、质心横摆角速度,方向盘转角等信号,按照预先编制的控制逻辑,设定转角变化量的目标值,并通过执行器将变化量叠加到前轮转向角上,实现总的前轮转角,由此,可使转向盘转角和前轮转向角的传动比,根据汽车的运动状况发生连续的变化,从而对汽车的舒适性、转向工作强度、操纵稳定性和直线行驶性进行最佳优化。也就是说主动前轮转向系统能够根据车辆的运行状态和驾驶员的意图,通过对前轮转向角进行适当修正达到提高车辆轻便性和行驶稳定性的目的。主动前轮转向系统原理图5.先进主动前轮转向系统方案分析5.1 宝马双行星齿轮变传动比机构宝马公司推出的主动转向系统由液压助力转向部分和双行星变传动比机构组成。其中变传动比机械装置如图所示。基本构成包括：助转角电机，蜗轮蜗杆和由两个行星排构成的双自由度行星齿轮组。方向盘与输入轴 4 连接构成 1 个自由度控制，助转角电机 3 驱动蜗杆 1，蜗轮 2，内齿圈 11 构成另一个自由度控制。当电机制动时，可以操纵方向盘实现转向动作，由输入轴 4 到输出轴 12 按传动比等于 1 输出。当方向盘不动时，也可以控制电机转动实现主动转向操纵。当方向盘和电机同时转动时可以实现转向的复合操纵，实现变传动比操纵和稳定性控制。【11】宝马公司AFS系统的基本方法是通过一个机械传动装置将电机动力控制和人对方向盘的控制复合在一起，实现两个控制的叠加。当电机驱动装置出现故障时，仍可以正常进行人工操纵，解决了主动转向的安全性问题。主动转向的机械传动装置安装在前车厢内，由于前车厢内布置十分拥挤，转向装置容易与其它零部件发生干涉，因此要求该装置设计具有最小的体积。由于传动装置有多个齿轮传动，存在轮齿侧隙，会影响输出轴的转动定位精度。5.2新型双行星齿轮变传动比机构基于上述问题，现今出现了一种新型主动转向变传动比传动装置。该主动转向传动装置包括了一个机械传动装置和一个动力驱动装置，采用机械连接，安全性高，且主动转向输出是由动力驱动装置驱动内齿圈经行星架输出，是减速传动，蜗轮蜗杆机构驱动力矩小，从而可以减小机构的尺寸。通过对比分析，本新型传动装置体积明显缩小，传动效率提高，转动定位精度改善，制造成本下降。该变传动比机构是一套集成在转向柱上的双行星齿轮机构，位于方向盘和齿轮齿条式转向器之间，包括了一个机械传动装置和一个动力驱动装置(如图 2-4 所示)。动力驱动装置由助转角电机、蜗杆和蜗轮组成，蜗杆 1 与蜗轮 2 啮合并由电机驱动。蜗杆 1 与蜗轮 2 位于壳体内。机械传动装置的一端通过输入轴 4 与方向盘连接，另一端通过输出轴 13 与转向器连接。蜗轮 2 与内齿圈 11 固接在一起。机械传动装置由两组并列的 NGW型行星齿轮传动机构组成；由太阳轮 6、行星齿轮 7、内齿圈 8 组成行星排；由太阳轮 9、行星齿轮 10、内齿圈 11 组成行星排；两个行星排的传动比是相同的，太阳轮 6、9 是固定在一起的，为两个行星排共用。这里的行星排是指行星传动齿轮组，行星排通过行星架 5 与输入轴 4 连接；行星排通过行星架 12 与输出轴 13 连接。输入轴 4 的一端与方向盘连接，另一端与行星架 5 固接在一起；输出轴 13 的一端与行星架 12 固接在一起，另一端连接转向器。内齿圈 8 与行星齿轮 7 啮合，行星齿轮 7 与太阳轮 6 啮合；太阳轮 9 还与行星齿轮 10 啮合，行星齿轮 10 与内齿圈 11 啮合。内齿圈 8 是固定的，内齿圈 11 与蜗轮 2 固接在一起，电机可以驱动内齿圈 11 旋转。为了结构简化，实际实施中可将主动转向传动装置与转向器集成在一起；太阳轮、行星齿轮之一、内齿圈之一、行星齿轮之二、内齿圈之二的齿轮可以采用斜齿轮以便减小噪声；太阳轮可以是浮动的，也可以支撑在行星架之一和行星架之二两个行星架上；主动转向传动装置的两组 NGW 行星齿轮传动的传动比可以是不同的，以便与转向器匹配符合最佳转向性能的要求。6.总结本文简单的介绍了汽车主动前轮转向系统概念，发展现状，分析了其结构和工作原理，并且对先进的主动前轮转向系统进行探究。虽然汽车前轮转向系统技术还不是太成熟，还存在许多地方有待改进，但我相信在科学技术不断日益发展的时代大背景下，汽车技术会更加成熟，汽车的舒适性和安全性会不断提高，汽车工业也会更加繁荣昌盛。参考文献：【1】 张红党.汽车主动前轮转向系统的特性研究D.江苏: 江苏大学, 2009【2】 原健钟.汽车主动转向系统研究D广州华南理