2815011117主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成及其工作原理

1、課程：汽車新技術課程論文題名：自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成及其工作原理作 者： 南京理工大學 紫 金 學 院2014年 12月自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成及其工作原理摘要：主要介紹寶馬主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理及組成、核心部件雙行星齒輪機構(gòu)及其工作模式、系統(tǒng)主要功能及其實現(xiàn)原理關鍵詞：寶馬; 主動轉(zhuǎn)向 ;雙行星 ;齒輪機構(gòu)the composition and working principle of automatic steering systemxiang da，wang jun jieabstract:. mainly introduces the principle and composition of bmw

2、's active steering system core parts dual planetary gear mechanism system main function and its realization principle and its working modekeyword: bmw; active steering ;double-planet; gear引言自從汽車發(fā)明以來，駕駛轉(zhuǎn)向的傳動裝置通常都是固定的。換句話說，不論是在市區(qū)窄小的街道緩行或是高速公路上奔馳，方向盤與前輪的轉(zhuǎn)向角度比始終一成不變。因而這也是工程師們面臨的一個比較困難的選擇：如果采用直接轉(zhuǎn)向，駕駛

3、者在過急彎時就不需要大幅轉(zhuǎn)動方向盤，但是在高速行駛時，方向盤細微的動作都將會影響到行駛穩(wěn)定性；反過來說，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)越是間接，車輛在高速公路上的行駛穩(wěn)定性就越高，但是必須犧牲過彎時的操控性。所以，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都必須在安全性與舒適性之間做出權衡。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不論車速快慢，都采用18：1的固定傳動比率，這表示方向盤轉(zhuǎn)向18度，車輪轉(zhuǎn)動1度。而寶馬主動式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的比率則在一定的范圍內(nèi)，從靜止狀態(tài)的10：1到高速時的20：1。也就是說，當方向盤轉(zhuǎn)動半圈(180度)時，車速若低，車輪就轉(zhuǎn)動18度，車速若高，則車輪只轉(zhuǎn)動不足9度。由此汽車主動轉(zhuǎn)向技術開始正式應用于中高檔車輛。也解決了安全與舒適的兼容問題。

4、但問題也在這種技術不斷發(fā)展的過程中出現(xiàn)了，汽車在曲線行駛或者緊急轉(zhuǎn)向過程中,由于離心力的作用使得汽車前、后輪達到輪胎與路面之間附著極限的先后順序有可能不同,因此汽車失去側(cè)向穩(wěn)定性時可能表現(xiàn)出不同的運動狀態(tài)。嚴重時后軸的側(cè)滑將發(fā)生激轉(zhuǎn)和甩尾的危險工況。而前軸的側(cè)滑將失去轉(zhuǎn)向能力以及失去路徑跟蹤的能力，從而出現(xiàn)各種危險工況。因此汽車能否實現(xiàn)安全轉(zhuǎn)向保持側(cè)向穩(wěn)定性是非常重要的，同時也是能否避免彎道事故發(fā)生的有效手段。在這種大的前提需求下，我們對主動轉(zhuǎn)向技術在汽車側(cè)向穩(wěn)定性控制中的應用展開研究。1 主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1.1 組成寶馬主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)保留了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的機械構(gòu)件，包括轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向柱、齒輪齒條轉(zhuǎn)向

5、機以及轉(zhuǎn)向橫拉桿等。其最大特點就是在轉(zhuǎn)向盤和齒輪齒條轉(zhuǎn)向機之間的轉(zhuǎn)向柱上集成了一套雙行星齒輪機構(gòu)，用于向轉(zhuǎn)向輪提供疊加轉(zhuǎn)向角1.2 核心部件結(jié)構(gòu)及其原理如圖1所示，除傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向機械構(gòu)件外，寶馬主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要包括兩大核心部件：一是一套雙行星齒輪機構(gòu)，通過疊加轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)變傳動比功能，二是servtronic電子伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，用于實現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力功能。駕駛員的轉(zhuǎn)向角輸入包括力矩輸入和角輸入兩部分，將共同傳遞給扭桿。其中的力矩輸入由電子伺服機構(gòu)根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向角度進行助力控制，而角輸入則通過由伺服電機驅(qū)動的雙行星齒輪機構(gòu)進行轉(zhuǎn)向角疊加，經(jīng)過疊加后的總轉(zhuǎn)向角才是傳遞給齒輪齒條轉(zhuǎn)向機構(gòu)的最終轉(zhuǎn)角。與常規(guī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

6、的顯著差別在于，寶馬主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不僅能夠?qū)D(zhuǎn)向力矩進行調(diào)節(jié)，而且還可以對轉(zhuǎn)向角度進行調(diào)整，使其與當前的車速達到完美匹配。其中的總轉(zhuǎn)角g等于駕駛員轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和伺服電機轉(zhuǎn)角之和，如公式（1）所示。式中，id為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總傳動比；s為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角；im%為蝸輪、蝸桿傳動比；m為電機調(diào)整角。寶馬主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心部件是一套集成在轉(zhuǎn)向柱上的雙行星齒輪機構(gòu)，如圖2所示。這套機構(gòu)包括左右兩副行星齒輪機構(gòu)，共用一個行星架進行動力傳遞。左側(cè)的主動太陽輪與轉(zhuǎn)向盤相連，將轉(zhuǎn)向盤上輸入的轉(zhuǎn)向角經(jīng)由行星架傳遞給右側(cè)的行星齒輪副。而右側(cè)的行星齒輪副具有兩個轉(zhuǎn)向輸入自由度，一個是行星架傳遞的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，另一個是由伺服電機通過一

7、個自鎖式蝸輪蝸桿驅(qū)動的齒圈輸入，即所謂的疊加轉(zhuǎn)角輸入。右側(cè)的太陽輪作為輸出軸，其輸出的轉(zhuǎn)向角度是由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向角度與伺服電機驅(qū)動的轉(zhuǎn)向角度疊加得到，也就是汽車的實際轉(zhuǎn)向角度。低速時，伺服電機驅(qū)動的行星架轉(zhuǎn)動方向與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動相同，疊加后增加了實際的轉(zhuǎn)向角度，可以減少轉(zhuǎn)向力的需求。高速時，伺服電機驅(qū)動的行星架轉(zhuǎn)動方向與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動相反，疊加后減少了實際的轉(zhuǎn)向角度，轉(zhuǎn)向過程會變得更為間接，提高了汽車的穩(wěn)定性和安全性。1.3齒輪機構(gòu)工作的三種驅(qū)動方式 a.伺服電機即渦輪固定不動時，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角通過主動太陽輪將動力傳遞給雙行星齒輪機構(gòu)中間的行星架，再由從動太陽輪輸出。與此同時，前軸上的地面反力也通過相同的途徑

8、為駕駛員提供轉(zhuǎn)向路感，這也是在不裝備主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛上駕駛員對于前輪轉(zhuǎn)向的操縱過程。  b.轉(zhuǎn)向盤不動，即主動太陽輪固定時，可由伺服電機驅(qū)動渦輪通過行星齒輪機構(gòu)將動力傳遞給從動太陽輪。  c.在通常情況下，主動太陽輪和伺服電機是共同工作的，車輪轉(zhuǎn)角是駕駛員轉(zhuǎn)向角和伺服電機調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向角的疊加2 主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能分類如圖3所示2.1可變轉(zhuǎn)動比的功能如果期望橫擺角度速度太小，說明車輛的響應相對于轉(zhuǎn)向盤輸入過于遲緩；如果期望橫擺角速度太大，則導致車輛反應過快。根據(jù)相關研究，具有理想轉(zhuǎn)向特性的車輛必須滿足以下條件：a.車輛等速轉(zhuǎn)向時，期望橫擺角速度必須保

9、持為一定值； b.期望橫擺角速度應隨車速的增加而降低，且其值必須位于一定的合理范圍內(nèi)。對于普通駕駛員，該范圍為0.120.37(°)/s,對于熟練駕駛員為0.120.417(°)/s。  傳統(tǒng)的定轉(zhuǎn)向傳動比機構(gòu)顯然無法滿足上述要求，但寶馬的主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過疊加轉(zhuǎn)向機構(gòu)完全能夠?qū)崿F(xiàn)。該系統(tǒng)傳動比在1020之間，低速情況下，通過雙行星齒輪機構(gòu)伺服電機的調(diào)整角和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角同向輸入，使得系統(tǒng)的傳動比較小，實際上是增大了駕駛員的轉(zhuǎn)向角輸入，從而獲得較大的期望橫擺角速度增益并使得轉(zhuǎn)向輕便；在中、高速情況下，伺服電機的調(diào)整角和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角反向輸入使得系統(tǒng)的傳動比較大，實

10、際上是減小駕駛員的轉(zhuǎn)向角輸入，減小期望橫擺角速度增益，并逐步提高車輛的穩(wěn)定性。車速與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的關系見圖42.2轉(zhuǎn)向靈活性的功能在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角低頻輸入的條件下（如f=0.3hz），橫擺角速度和側(cè)向加速度對于前輪轉(zhuǎn)向角的響應可以簡化為一階滯后環(huán)節(jié)，即研究表明，tr+ty標志著車輛系統(tǒng)的響應速度，當tr和ty均上升時，系統(tǒng)的響應變慢；tr和ty標志轉(zhuǎn)向時的穩(wěn)態(tài)感覺，隨著該時間常數(shù)差的增加，穩(wěn)態(tài)的感覺下降。這說明駕駛員轉(zhuǎn)向角輸入與橫擺角速度、側(cè)向加速度間的相位滯后能極大地影響人-車閉環(huán)系統(tǒng)的響應特性。通過加入諸如pd比例-微分控制等環(huán)節(jié)來補償相位滯后以改善人-車閉環(huán)響應特性，可提高車輛的轉(zhuǎn)向靈活性2.

11、3橫擺角速度控制和橫擺力矩補償除了可變傳動比設計外，穩(wěn)定性控制功能是寶馬主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大的特點。危險工況下該系統(tǒng)通過獨立于駕駛員的轉(zhuǎn)向干預來穩(wěn)定車輛，通過主動改變駕駛員給定的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角使得車輛響應盡可能與理想的車輛響應特性相一致。圖5為采用了模型跟蹤的控制策略。首先通過線性兩自由度參考模型并根據(jù)當前駕駛員轉(zhuǎn)向角及車速計算得到期望的橫擺角速度，但期望橫擺角速度最大值又受到路面附著系數(shù)和車速v的限制，其最大值為：類似于橫擺角速度控制功能，寶馬主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還提供了橫擺力矩補償功能，以提高在分離系數(shù)路面上車輛的制動穩(wěn)定性。在該工況下，由于左、右輪上不等制動力會產(chǎn)生繞車輛質(zhì)心的橫擺力矩，使得車輛發(fā)生制動

12、跑偏現(xiàn)象。傳統(tǒng)的!esp電子穩(wěn)定程序通過調(diào)節(jié)4個車輪上的制動力來使得左、右車輪的制動力盡量相等，但以減小制動減速度、增大制動距離為代價。而主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)制動壓力等信號計算出所需補償?shù)臋M擺力矩并通過調(diào)整相應的前輪轉(zhuǎn)向角來實現(xiàn)方向調(diào)節(jié)。在這一過程中駕駛員無需對轉(zhuǎn)向盤進行修正，減輕了駕駛員的工作負擔，保持了制動時的方向穩(wěn)定性，減小了制動距離。通過這一技術的應用，與傳統(tǒng)abs/esp相比，可使制動距離最多減少15%。2.4穩(wěn)定性功能的擴展底盤集成控制技術與esp等通過制動干預來穩(wěn)定車輛的方式相比，轉(zhuǎn)向干預具有以下優(yōu)點：首先，轉(zhuǎn)向干預不易為駕駛員察覺，對乘坐舒適性幾乎沒有影響，而制動干預不僅會產(chǎn)生較大

13、的制動減速度，而且制動時發(fā)出的噪聲也會影響乘坐舒適性；其次，轉(zhuǎn)向干預比制動干預更加迅速，因為轉(zhuǎn)向控制是通過伺服電機來完成的，而制動干預必須建立油壓，這需要一定的時間；此外，轉(zhuǎn)向干預相比制動干預能獲得更高的通過速度，從而降低在變道時由于避讓不及、與對面來車發(fā)生碰撞的可能性。  但轉(zhuǎn)向干預的缺點也是顯而易見的。受到原理限制，主動轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性功能只適用于轉(zhuǎn)向過多的工況。該工況下通過疊加轉(zhuǎn)向減小前輪轉(zhuǎn)向角能夠減小前軸側(cè)向力，從而使得轉(zhuǎn)向過多的趨勢有所減緩；相反，在轉(zhuǎn)向不足工況下，受到輪胎非線性的限制側(cè)向力達到飽和狀態(tài)，通過增大前輪轉(zhuǎn)向角的方式是很難改變車輛轉(zhuǎn)向不足的趨勢的。此外，受到轉(zhuǎn)向機構(gòu)

14、機械布置的限制，前輪轉(zhuǎn)向角的改變量是有限的，也就是說轉(zhuǎn)向干預穩(wěn)定車輛的能力弱于制動干預，在某些極限工況下必須依賴esp制動干預才能實現(xiàn)穩(wěn)定車輛的目的。  為了充分發(fā)揮主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和esp電子穩(wěn)定程序的優(yōu)點，最大限度地提高車輛在極限工況下的穩(wěn)定性，將兩者功能融合在一起進行集成控制是最為有效的方法。由continentalteves公司推出的第二代esp系統(tǒng)充分體現(xiàn)了這一思想，該系統(tǒng)可以提高車輛穩(wěn)定性、拓寬極限行駛區(qū)域、減小轉(zhuǎn)向幅度、更少產(chǎn)生由于制動干預引起的急劇減速，從而使車輛行駛的安全性、舒適性以及駕駛樂趣得到大大提高。為了進一步提高車輛的動力學性能，還可以在此基礎上繼續(xù)引入諸如可調(diào)

15、減振器、主動穩(wěn)定性控制和可調(diào)彈簧等電子底盤控制系統(tǒng)。圖6展示了這種車輛底盤集成控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。3同類型其他廠家的速比可變的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)3.1奔馳的直接轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 奔馳的e級s級都搭載了“直接轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 奔馳的直接轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就是第一種方式的典型代表, 它主要是 “齒輪齒條機構(gòu)” 的 “齒條” 上做變化， 通過特殊工藝加工齒距間隙不相等的齒條, 如圖8所示。方向盤轉(zhuǎn)向時， 齒輪與齒距不相等的齒條。嚙合， 轉(zhuǎn)向比就會發(fā)生變化， 中間位置的左右兩邊齒距較密， 齒條在這一范圍內(nèi)的位移較小， 在小幅度轉(zhuǎn)向時(例如變線、 方向輕微調(diào)整時)， 車輛會顯得沉穩(wěn)， 而齒條兩側(cè)遠端的齒距較疏， 在這個范圍內(nèi)， 轉(zhuǎn)動方向盤

16、， 齒條的相對位移會變大， 所以在大幅度轉(zhuǎn)向時(如泊車、 掉頭等)， 車輪會變得更加靈活。 這種技術除了對齒條的加工工藝要求比較嚴格之外， 并沒有多少“高科技” 在其中， 缺點在于齒比變化范圍有限， 并且不能靈活變化， 而優(yōu)勢也很明顯完全的機械結(jié)構(gòu)， 可靠性較高，耐用性好， 結(jié)構(gòu)也非常簡單3.2奧迪ads動態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從原理上講， 奧迪所使用的ads動態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(audi dynamic steering)依然運用了疊加原理， 但是使用的結(jié)構(gòu)(如圖13所示)卻與寶馬和豐田的系統(tǒng)有著天壤之別。ads動態(tài)轉(zhuǎn)系統(tǒng)的核心部件是一套以“諧波齒輪” 傳動機構(gòu)為核心的電控系統(tǒng)，“諧波齒輪” 是利用柔輪、 剛輪

17、和波發(fā)生器的相對運動， 特別是柔輪的可控彈性變形(形狀改變)來實現(xiàn)運動和動力傳遞的。改變轉(zhuǎn)向比的原理是 “諧波傳統(tǒng)” 系 統(tǒng)的錯齒運動。 連著方向盤的輸入軸與柔輪(薄型環(huán)齒圈)相連， 其內(nèi)有柔性滾珠軸承， 中心為電機驅(qū)動的橢圓轉(zhuǎn)子， 與輸出軸相連的是外環(huán)面構(gòu)成的剛輪， 在轉(zhuǎn)子被鎖止時(電機未通電或發(fā)生故障)， 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)比保持恒定。 電機驅(qū)動中央轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，會帶動柔輪旋轉(zhuǎn)， 當轉(zhuǎn)子與柔輪同向旋轉(zhuǎn)時， 由于柔輪的齒數(shù)比外環(huán)剛輪的齒數(shù)小，所以剛輪的轉(zhuǎn)動角度便會大于柔輪， 使轉(zhuǎn)向角度被放大， 而當轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時， 就能夠起到縮小轉(zhuǎn)向角度的作用(如圖14所示)。相比行星齒輪系統(tǒng)， 奧迪的ads動態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

18、使用的 “諧波齒輪” 傳動結(jié)構(gòu)有諸多優(yōu)點： 首先是結(jié)構(gòu)相對簡單， 沒有過多復雜的齒輪結(jié)構(gòu)， 零件數(shù)少便于維修； 其次是這種結(jié)構(gòu)承載能力高， 傳動比大； 再次， 它的運轉(zhuǎn)平順， 噪音較低， 這點對于看重靜音的豪華車型來說非常重要； 最后， 這種結(jié)構(gòu)傳動效率高， 且響應速度快， 運轉(zhuǎn)精度高。4 結(jié)束語寶馬主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過一組雙行星齒輪機構(gòu)實現(xiàn)了獨立于駕駛員的轉(zhuǎn)向疊加功能，完美地解決了低速時轉(zhuǎn)向靈活輕便與高速時保持方向穩(wěn)定性的矛盾，并在此基礎上通過轉(zhuǎn)向干預來防止極限工況下車輛轉(zhuǎn)向過多的趨勢，進一步提高了車輛的穩(wěn)定性。同時，該系統(tǒng)能方便地與其他動力學控制系統(tǒng)進行集成控制，為今后汽車底盤一體化控制奠定了良好的基礎。 參考文獻： 1余志生.，汽車理論m.北京：機械工業(yè)出版社，2