機械式前輪主動轉向系統的原理和應用知識

一、前言

??? 現代車輛轉向系統發展至今大致可以劃分為5個階段[1],即液壓伺服轉向、電子伺服轉向、電動助力轉向（EPS）、主動轉向和線控轉向（SBW）。圖1顯示了這5種轉向系統與其它電控系統的集成度和功能范圍。電子伺服轉向相對于傳統液壓伺服轉向最大的優點在于,通過引入傳感器技術使轉向助力大小可以根據車速變化,而EPS系統在此基礎上還具有主動阻尼功能和回正功能。

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??? 在傳統齒輪齒條轉向系統中,轉向盤到前輪的轉向傳動比是固定的。轉向系定傳動比設計的缺陷主要表現為:低速或停車工況下駕駛員需要大角度地轉動轉向盤,而高速時又不能滿足方向穩定性要求。同時滿足轉向系統在低速時的靈活性要求與高速時的穩定性要求,是當今車輛轉向系統設計的核心問題之一。

??? 德國寶馬公司和ZF公司聯合開發的前輪主動轉向系統（AFS）完美地解決了上述問題,并已裝備于部分寶馬3系列和5系列轎車上[2-4]。該系統能夠實現獨立于駕駛員的轉向干預,從而達到主動改變前輪轉向角的目的。

??? 前輪主動轉向技術的核心在于通過對前輪施加一個不依賴駕駛員轉向盤輸入的附加轉角來提高車輛的操縱性、穩定性和軌跡保持性能。根據附加轉角疊加方式的不同,又可分為機械式和電子式。機械式的代表就是文中所介紹的寶馬主動轉向系統,通過行星齒輪機械結構增加一個輸入自由度從而實現附加轉向；電子式的代表就是線控轉向技術,綜合駕駛員轉向角輸入和當時的車輛狀態來決定轉向電機的輸出電流,最終驅動前輪轉動。線控轉向和機械式主動轉向系統最大的區別體現在當系統發生故障時,機械式主動轉向系統仍能通過轉向盤與車輪間的機械連接確保其轉向性能,而線控轉向必須通過系統主要零件的冗余設計來保證車輛的安全性。此外,由于機械式主動轉向系統中保留了完整的機械轉向結構,在轉向過程中可以獲得真實的路感,這一點是線控轉向所不具備的。因此,從轉向系統安全性和路感的角度出發,機械式主動轉向是當前轉向系統發展的一個重要方向。線控轉向技術由于受到法規的約束,可靠性和安全性是阻礙其投入實際應用的最關鍵因素。

??? 對于機械式前輪主動轉向系統而言,其核心技術是實現附加轉角的機械機構及其控制策略。文中以寶馬公司和ZF公司開發的主動前輪轉向系統為例,介紹該系統的組成、雙行星齒輪機構及其工作模式、系統主要功能及其實現原理、系統的安全性設計,為今后國內轉向系統的開發提供參考。

??? 二、系統組成及核心部件結構

??? （一）系統組成

??? 系統原理圖如圖2所示,主要由三大子系統組成[5]:液壓助力齒輪齒條動力轉向系統,包括轉向齒輪和齒條、液壓伺服閥、轉向油泵、儲油器及管路；變傳動比執行系統,包括無刷同步伺服電機、雙行星齒輪機構、電磁鎖止單元；電控系統,包括裝于小齒輪處的角度傳感器（測量總的轉向角）、裝于伺服電機的角度傳感器、電氣連接及軟件模塊。

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??? 該系統除傳統的轉向機械構件外,主要包括兩大核心部件:一是一套雙行星齒輪機構,通過疊加轉向實現變傳動比功能,二是Servtronic液力伺服轉向系統,用于實現轉向助力功能。駕駛員的輸入包括力矩輸入和角輸入兩部分,共同傳遞給扭桿,其中的力矩輸入由液力伺服機構根據車速和轉向角度進行助力控制,而角輸入則通過由伺服電機驅動的雙行星齒輪機構進行轉向角疊加,經過疊加后的總轉向角才是傳遞給齒輪齒條轉向機構的最終轉角。與常規轉向系統的顯著差別在于,寶馬主動轉向系統不僅能夠對轉向力矩進行調節,而且還可以對轉向角度進行調整,使其與當前的車速達到完美匹配。

??? （二）雙行星齒輪機構

??? 寶馬主動轉向系統的核心部件是一套集成在轉向柱上的雙行星齒輪機構,如圖3所示。這套機構包括左右兩副行星齒輪機構,共用一個行星架進行動力傳遞。左側的主動太陽輪與轉向盤相連,將轉向盤上輸入的轉向角經由行星架傳遞給右側的行星齒輪副。而右側的行星齒輪副具有兩個轉向輸入自由度,一個是行星架傳遞的轉向盤轉角,另一個是由伺服電機通過一個自鎖式蝸輪蝸桿驅動的齒圈輸入,即所謂的疊加轉角輸入。右側的太陽輪作為輸出軸,其輸出的轉向角度是由轉向盤轉向角度與伺服電機驅動的轉向角度疊加得到。低速時,伺服電機驅動的行星架轉動方向與轉向盤轉向相同,疊加后增加了實際的轉向角度；高速時,伺服電機驅動的行星架轉動方向與轉向盤轉向相反,疊加后減少了實際的轉向角度,轉向過程會變得更為間接,提高了汽車的穩定性和安全性。

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??? 該齒輪機構工作時具有如下3種驅動方式。

??? （1）伺服電機即蝸輪固定不動時,轉向盤轉角通過主動太陽輪將動力傳遞給行星架,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為駕駛員提供轉向路感。這也是在不裝備主動轉向系統的車輛上駕駛員對于前輪轉向的操縱過程。此時電磁鎖止裝置不起作用,而伺服電機的輸入電流為零,保證蝸輪不轉動。

??? （2）轉向盤不動,即主動太陽輪固定時,可由伺服電機驅動蝸輪通過行星齒輪機構將動力傳遞給從動太陽輪。

??? （3）在通常情況下,主動太陽輪和伺服電機是共同工作的,車輪轉角是駕駛員轉向角和伺服電機調節轉向角的疊加。

??? 該布置方式的優點[6]如下。

??? （1）保留了原來從轉向盤到轉向輪的機械連接,在電機發生故障時仍能保證轉向安全性。

??? （2）與傳統轉向系統相比,僅在轉向管柱上加入雙行星齒輪機構,而原有齒輪齒條轉向器的摩擦及剛度條件不變,對駕駛員來說有利于保持原有的操縱感覺；由雙行星齒輪機構產生的作用反力矩,可通過改變原有的助力控制進行補償。

??? （3）雙行星齒輪機構運行于低速條件,有利于減少噪聲。

??? （4）雙行星齒輪機構與轉向管柱、轉向小齒輪集成在一起,使結構更加緊湊。

??? （三）系統安全性設計

??? 為了保證系統實時安全可靠,對系統的安全性設計是極其必要的,其過程如下:首先對傳感器信號（如車輪轉速）進行濾波處理,然后根據一定的預估算法計算出某一狀態變量的參考值（如橫擺角速度、小齒輪轉角）,接著將由傳感器直接測得的狀態變量實際值與參考值進行比較,得到一偏差。當偏差在一定的門限范圍內時,認為傳感器工作良好,可以采用該信號；當偏差過大時,則必有某一傳感器信號為錯誤信號,需結合其他信號進行故障診斷。

??? 蝸桿端部有一圓錐齒輪,如圖3所示,而電磁鎖止裝置中裝有預緊彈簧,在正常狀態下AFS的ECU給電磁鎖止裝置供電,保證圓錐齒輪和電磁鎖止裝置分離良好；當伺服電機發生故障時,ECU停止供電,預緊彈簧將把電磁鎖止裝置的端部壓入圓錐齒輪的某兩齒間,使得電機不再轉動,此時整個轉向系統如同一般的定傳動比系統進行工作。

??? 三、系統的主要功能

??? 主動轉向系統所能實現的功能分類如圖4所示,主要包括駕駛員輔助功能以及穩定車輛功能。下面對這兩大功能的實現原理作進一步的闡述。

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??? （一）駕駛員輔助功能

??? 駕駛員輔助功能主要包括可變轉向傳動比和轉向靈活性功能。轉向靈活性指的是車輛對駕駛員輸入的跟隨性能,可以通過在控制過程中加入諸如微分等環節[7-8],改善轉向系統的動態特性,盡可能減小橫擺角速度和側向加速度相對于轉向盤轉角輸入的相位滯后,從而達到轉向靈活的目的。

??? 可變轉向傳動比是寶馬主動轉向系統的核心功能之一,它主要通過疊加轉向的方法來實現。

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??? 式（1）給出了小齒輪轉角、轉向盤轉角和電機轉角的關系,δM為電機轉角,δG為小齒輪轉角,δS為轉向盤轉角,iM為電機頭部處蝸輪蝸桿的傳動比,iD為連接轉向盤的行星齒輪機構的傳動比；式（2）中的FSG為δG和前輪轉角δF的非線性函數關系；式（3）給出了δS和δF的關系,iv為整個轉向系統傳動比。

??? 為了滿足轉向系統低速輕便、高速穩定的要求,在設計時可事先根據理想的轉向動態響應特性求出傳動比、轉向盤轉角和車速的關系,并做成表格存儲于ECU中,文獻[9]給出了相應的推導過程。在實際行駛過程中,ECU根據當前車速和轉向盤轉角獲得當前所需的傳動比,再根據轉向盤轉角、小齒輪轉角和齒條位移、前輪轉角的非線性函數關系推得所需的電機轉角,最后驅動電機轉過相應的角度,計算公式如式（4）所示。

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??? 其中υx表示車輛的縱向車速。

??? （二）車輛穩定性控制功能

??? 除了可變傳動比設計外,穩定性控制功能是寶馬主動轉向系統最大的特點。危險工況下,該系統通過獨立于駕駛員的轉向干預來穩定車輛,通過主動改變駕駛員給定的轉向盤轉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[10-11]。首先通過線性2自由度參考模型并根據當前駕駛員轉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實際條件限制,|γd_max|=μg/v,μ為通過狀態觀測器觀測到的路面附著系數,g為重力加速度。當獲得了期望橫擺角速度后,對理想與實際橫擺角速度偏差進行PI控制,得到所需的附加轉向角并控制伺服電機進行輸出。

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??? 類似于橫擺角速度控制功能,寶馬主動轉向系統還提供了橫擺力矩補償功能,以提高在分離系數路面上車輛的制動穩定性。在該工況下由于左右輪上不等制動力會產生繞車輛質心的橫擺力矩,使得車輛發生制動跑偏現象。傳統的電子穩定程序（ESP）通過調節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。而主動轉向系統根據制動壓力等信號計算出所需補償的橫擺力矩并通過調整相應的前輪轉向角來實現方向調節。在這一過程中,駕駛員無需對轉向盤進行修正,減輕了駕駛員的工作負擔,保持了制動時的方向穩定性,減小制動距離,與傳統ABS/ESP相比可使制動距離最多減少15%。

??? （三）底盤集成控制技術

??? 與ESP等通過制動干預來穩定車輛的方式相比,轉向干預具有以下優點:首先轉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生較大的制動減速度,而且制動時發出的噪聲也會影響乘坐舒適性；其次,轉向干預比制動干預更加迅速,因為轉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,而這需要一定的時間；此外轉向干預相比制動干預對車速的改變較小,在危險工況下通過轉向干預實現穩定的車輛具有更高的通過速度,從而降低了和對面來車由于避讓不及發生碰撞的可能性。

??? 但轉向干預的缺點也是顯而易見的。受到原理限制,主動轉向的穩定性功能只適用于過多轉向的工況。該工況下,通過疊加轉向減小前輪轉向角能夠減小前軸側向力,從而使得轉向過多的趨勢有所減緩；相反,在不足轉向工況下,受到輪胎非線性的限制,側向力達到飽和狀態,通過增大前輪轉向角的方式是很難改變車輛不足轉向的趨勢的。此外,受到轉向機構機械布置的限制,前輪轉向角的改變量是有限的,也就是說轉向干預穩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制動干預才能實現穩定車輛的目的。

??? 為了充分發揮主動轉向系統和ESP電子穩定程序的優點,最大限度地提高車輛在極限工況下的穩定性,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2代ESP系統充分體現了這一思想[12],該系統具有提高車輛穩定性,拓寬極限行駛區域,減小轉向幅度,更少產生由于制動干預引起的急劇減速,從而使車輛行駛安全性、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,還可以在此基礎之上繼續引入諸如可調減振器、主動穩定性控制和可調彈簧等電子底盤控制系統。圖6展示了一種車輛底盤集成控制系統結構[13]。

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??? 四、結論

??? 寶馬主動轉向系統通過一組雙行星齒輪機構實現了獨立于駕駛員的轉向疊加功能,完美地解決了低速時轉向靈活輕便,高速時保持方向穩定性的矛盾,并在此基礎上通過轉向干預來防止極限工況下車輛過多轉向的趨勢,進一步提高了車輛穩定性。

??? 同時,該系統能方便地與其他動力學控制系統進行集成控制,為今后汽車底盤一體化控制奠定了良好的基礎。