主动转向系统的组成及其工作原理

1、 课程：汽车新技术 课程论文题名：自动转向系统的组成及其工 作原理 作 者： 南京理工大学紫金学院 20212021 年 1212 月 自动转向系统的组成及其工作原理 摘要：主要介绍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 关键词：宝马；主动转向；双行星；齿轮机构 The composition and working principle of automatic steering system Xiang Da , Wang Jun JieXiang Da , Wang Jun Jie Abstract:. Mainly introduce

2、s the principle and composition of BMWs active steering system Core parts dual planetary gear mechanism system main function and its realization principle and its working mode Keyword: BMW; Active Steering ;Double-planet; Gear 引言 自从汽车创造以来， 驾驶转向的传动装置通常都是固定的。 换句话说，不管是在市区窄小 的街道缓行或是高速公路上奔驰， 方向盘与前轮的转向角度比

3、始终一成不变。 因而这也是工 程师们面临的一个比拟困难的选择： 如果采用直接转向，驾驶者在过急弯时就不需要大幅转 动方向盘，但是在高速行驶时， 方向盘细微的动作都将会影响到行驶稳定性；反过来说，转 向系统越是间接，车辆在高速公路上的行驶稳定性就越高，但是必须牺牲过弯时的操控性。 所以，传统的转向系统都必须在平安性与舒适性之间做出权衡。 传统的转向系统不管车速快慢，都采用 18: 118: 1 的固定传动比率，这表示方向盘转向 1818 度， 车轮转动 1 1 度。而宝马主动式转向系统的比率那么在一定的范围内， 从静止?态的 10: 110: 1 到高速 时的 20: 120: 1。也就是说，当

4、方向盘转动半圈 180180 度时，车速假设低，车轮就转动 1818 度，车速假设 高，那么车轮只转动缺乏 9 9 度。由此汽车主动转向技术开始正式应用于中高档车辆。也解决了 平安与舒适的兼容问题。 但问题也在这种技术不断开展的过程中出现了，汽车在曲线行驶或者紧急转向过程中 ，由 于离心力的作用使得汽车前、后轮到达轮胎与路面之间附着极限的先后顺序有可能不同 ，因 此汽车失去侧向稳定性时可能表现出不同的运动状态。 严重时后轴的侧滑将发生激转和甩尾 的危险工况。而前轴的侧滑将失去转向能力以及失去路径跟踪的能力， 从而出现各种危险工 况。因此汽车能否实现平安转向保持侧向稳定性是非常重要的， 同时也是

5、能否防止弯道事故 发生的有效手段。在这种大的前提需求下， 我们对主动转向技术在汽车侧向稳定性控制中的 应用展开研究。 1主动转向系统 1.11.1 组成 宝马主动转向系统保存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 1.21.2 核心部件结构及其原理 如图 1 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：一是一 套双行星 齿轮机构，通过叠加转向实现变传动比功能，二是 ServtronicServtronic 电子伺服

6、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局部， 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， 而角输入那么通过 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异在于， 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， 使其与当前的车速到达完美匹配。 其 中的总转角 8 8 G G 等于驾驶员转向盘转角和伺服电机转角之和，如公式 1 1所示。 式中，iDiD 为转向系统总传动比； 8 8 S S 为转向盘转角；

7、iM%iM%为蜗轮、蜗杆传动比； SMSM 为 电机调整角。 宝马主动转向系统的核心部件是一套集成在转向柱上的双行星齿轮机构，如图 2 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

8、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 和平安性。 lil 2 6 26 2 乜 * 14 14 泰犍以为卬* 坨杂*5*5 梅 r e e 1.31.3 齿轮机构工作的三种驱动方式 a.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

9、员对于前轮转向的操纵过 程。 b.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.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 2主动转向系统的功能 2.12.1 可变转动比的功能 皙横排角速度瑁结Cideirr yaw ralr Cideirr yaw ralr gain) gain) 墨坪阶转向系统性能的重要指标之一.G.小)定义 为横接角速度y HIHI?寸转向盘转角8.的比侑： 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缓慢; 角速度太大，那么导致车辆反响

10、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.a.车辆等速转向时，期望横摆角速度必须保持为一定值； b.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 0.120.120.37( 0.37( )/s,)/s,对于熟练驾驶员为 0.120.120.417( 0.417( )/s )/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 如果期望横摆 主动转向系统的功能分类如图 3 3 所示 图3 3主动转向摹统功能分类 构完全能够实现。该系统传动比在 10102020 之间，低速情况下，

11、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， 使得系统的传动比拟小，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拟大， 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 4 2.22.2 转向灵活性的功能 在转向盘转角低频输入的条件下(如 f=0.3Hz 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 式中,y y 为横摆角建度*门小：厮为前轮转向 ffih

12、 ffih 吟为招向加速度,皿 y*y*靠*7 7；为时间常数:6:6 为增越. 为军逑.皿心姿为拉普拉斯尊孑. 研究说明，Tr+TyTr+Ty 标志着车辆系统的响应速度，当 TrTr 和 TyTy 均上升时，系统的响应变慢； TrTr 和 TyTy 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。 通过参加诸如 PDbPDb 匕例-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 2.32.3 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

13、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 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 科和车速 V V 勺限制，其最大值为： 式中，匕一先期望横摆角速度。/号：必为通过状态 观测器观潸到的路面附着系数次 为重力加速度,m/ GV,m/ GV为车速m/3m/3当获得期望横摆角速度后对 理想与实际横疗用速度偏差进行PIPI控制.得到所

14、需 的附:川转向用笄控制伺JBJB电机进行输出- 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， 以提高在别离 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 ！ESPESP 电子稳定程序通过调节 4 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

15、性，减小了制动距离。通过这一技术的应用，与传统 ABS/ESPABS/ESP 相比，可使制动距离最多减少 15%15% 2.42.4 稳定性功能的扩展一一底盘集成控制技术 与 ESPESP 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 不易为驾驶员发觉，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

16、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，在转向缺乏工况下， 受到轮胎非线性的限制侧向力到达饱和状 态，通过增大前轮转向角的方式是很难改变车辆转向缺乏的趋势的。 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 ESPESP 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 ESPtESPt 子稳定程序的优点，最大限度地

17、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 ContinentalTeves 公司推出的第二代 ESPRESPR 统充分表达了这一思想，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 车辆行驶的平安性、 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， %*配弱何箱 i if f案算军科 I, 餐揄转制的 她更怅下 隹隹遭及 L L 大倒 3同类型其他厂家的速比可变的助力转向系统 3.13.1 奔驰的直接转向系统 奔驰的 E E 及 S S 级

18、都搭载了 “直接转向系统 奔驰的直接转向系统就是第一种方式的典型代 表，它主要是 “齿轮齿条机构 的“齿条 上做变化， 通过特殊工艺加工齿距间隙不 相等的齿条，如图 8 8 所示。方向盘转向时， 齿轮与齿距不相等的齿条。啮合， 转向比就会 发生变化， 中间位置的左右两边齿距较密， 齿条在这一范围内的位移较小， 在小幅度转 向时例如变线、方向轻微调整时，车辆会显得沉稳，而齿条两侧远端的齿距较疏， 在 这个范围内， 转动方向盘， 齿条的相对位移会变大， 所以在大幅度转向时如泊车、 掉 头等，车轮会变得更加灵活。 这种技术除了对齿条的加工工艺要求比拟严格之外， 并没 有多少“高科技 在其中，缺点在于

19、齿比变化范围有限， 并且不能灵活变化， 而优势也 很明显 一一完全的机械结构， 可 靠性较 高，耐用性好， 结构也非 常简单 转短传出器心力也机 图 7 7 助力电机推动转向拉杆的电动助力结构 还可以在此根底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 6 展示了这种车辆底盘集成控制系统的结构。 q速H出器 一一 信*S M 建 一: 柞金 3.23.2 奥迪 ADAD 劭态转向系统 从原理上讲，奥迪所使用的 ADAD 劭态转向系统Audi Dynamic SteeringAudi Dynamic Steering 依然运用了叠 加原理，但是使用的结构如图

20、1313 所示却与宝马和丰田的系统有着天壤之别。 ADAD 劭态转系 统的核心部件是一套以“谐波齿轮 传动机构为核心的电控系统， “谐波齿轮是利用柔 轮、刚轮和波发生器的相对运动， 特别是柔轮的可控弹性变形 形状改变来实现运动和动 力传递的。改变转向比的原理是“谐波传统系 统的错齿运动。连着方向盘的输入轴 与柔轮薄型环齿圈相连， 其内有柔性滚珠轴承， 中心为电机驱动的椭圆转子， 与输出 轴相连的是外环面构成的刚轮， 在转子被锁止时电机未通电或发生故障，转向系统转比 保持恒定。 电机驱动中央转子旋转时，会带动柔轮旋转， 当转子与柔轮同向旋转时， 由 于柔轮的齿数比外环刚轮的齿数小，所以刚轮的转动角度便会大于柔轮， 使转向角度被放 大，而当转子反转时， 就能够起到缩小转向角度的作用 如图