机械式前轮主动转向系统的原理和应用知识

机械式前轮主动转向系统的原理和应用知识

一、前言

    现代车辆转向系统发展至今大致可以划分为5个阶段[1],即液压伺服转向、电子伺服转向、电动助力转向（EPS）、主动转向和线控转向（SBW）。图1显示了这5种转向系统与其它电控系统的集成度和功能范围。电子伺服转向相对于传统液压伺服转向最大的优点在于,通过引入传感器技术使转向助力大小可以根据车速变化,而EPS系统在此基础上还具有主动阻尼功能和回正功能。

    在传统齿轮齿条转向系统中,转向盘到前轮的转向传动比是固定的。转向系定传动比设计的缺陷主要表现为:低速或停车工况下驾驶员需要大角度地转动转向盘,而高速时又不能满足方向稳定性要求。同时满足转向系统在低速时的灵活性要求与高速时的稳定性要求,是当今车辆转向系统设计的核心问题之一。

    德国宝马公司和ZF公司联合开发的前轮主动转向系统（AFS）完美地解决了上述问题,并已装备于部分宝马3系列和5系列轿车上[2-4]。该系统能够实现独立于驾驶员的转向干预,从而达到主动改变前轮转向角的目的。

    前轮主动转向技术的核心在于通过对前轮施加一个不依赖驾驶员转向盘输入的附加转角来提高车辆的操纵性、稳定性和轨迹保持性能。根据附加转角叠加方式的不同,又可分为机械式和电子式。机械式的代表就是文中所介绍的宝马主动转向系统,通过行星齿轮机械结构增加一个输入自由度从而实现附加转向；电子式的代表就是线控转向技术,综合驾驶员转向角输入和当时的车辆状态来决定转向电机的输出电流,最终驱动前轮转动。线控转向和机械式主动转向系统最大的区别体现在当系统发生故障时,机械式主动转向系统仍能通过转向盘与车轮间的机械连接确保其转向性能,而线控转向必须通过系统主要零件的冗余设计来保证车辆的安全性。此外,由于机械式主动转向系统中保留了完整的机械转向结构,在转向过程中可以获得真实的路感,这一点是线控转向所不具备的。因此,从转向系统安全性和路感的角度出发,机械式主动转向是当前转向系统发展的一个重要方向。线控转向技术由于受到法规的约束,可靠性和安全性是阻碍其投入实际应用的最关键因素。

    对于机械式前轮主动转向系统而言,其核心技术是实现附加转角的机械机构及其控制策略。文中以宝马公司和ZF公司开发的主动前轮转向系统为例,介绍该系统的组成、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、系统的安全性设计,为今后国内转向系统的开发提供参考。

    二、系统组成及核心部件结构

    （一）系统组成

    系统原理图如图2所示,主要由三大子系统组成[5]:液压助力齿轮齿条动力转向系统,包括转向齿轮和齿条、液压伺服阀、转向油泵、储油器及管路；变传动比执行系统,包括无刷同步伺服电机、双行星齿轮机构、电磁锁止单元；电控系统,包括装于小齿轮处的角度传感器（测量总的转向角）、装于伺服电机的角度传感器、电气连接及软件模块。

    该系统除传统的转向机械构件外,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Servtronic液力伺服转向系统,用于实现转向助力功能。驾驶员的输入包括力矩输入和角输入两部分,共同传递给扭杆,其中的力矩输入由液力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,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,使其与当前的车速达到完美匹配。

    （二）双行星齿轮机构

    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3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。低速时,伺服电机驱动的行星架转动方向与转向盘转向相同,叠加后增加了实际的转向角度；高速时,伺服电机驱动的行星架转动方向与转向盘转向相反,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安全性。

    该齿轮机构工作时具有如下3种驱动方式。

    （1）伺服电机即蜗轮固定不动时,转向盘转角通过主动太阳轮将动力传递给行星架,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员对于前轮转向的操纵过程。此时电磁锁止装置不起作用,而伺服电机的输入电流为零,保证蜗轮不转动。

    （2）转向盘不动,即主动太阳轮固定时,可由伺服电机驱动蜗轮通过行星齿轮机构将动力传递给从动太阳轮。

    （3）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。

    该布置方式的优点[6]如下。

    （1）保留了原来从转向盘到转向轮的机械连接,在电机发生故障时仍能保证转向安全性。

    （2）与传统转向系统相比,仅在转向管柱上加入双行星齿轮机构,而原有齿轮齿条转向器的摩擦及刚度条件不变,对驾驶员来说有利于保持原有的操纵感觉；由双行星齿轮机构产生的作用反力矩,可通过改变原有的助力控制进行补偿。

    （3）双行星齿轮机构运行于低速条件,有利于减少噪声。

    （4）双行星齿轮机构与转向管柱、转向小齿轮集成在一起,使结构更加紧凑。

    （三）系统安全性设计

    为了保证系统实时安全可靠,对系统的安全性设计是极其必要的,其过程如下:首先对传感器信号（如车轮转速）进行滤波处理,然后根据一定的预估算法计算出某一状态变量的参考值（如横摆角速度、小齿轮转角）,接着将由传感器直接测得的状态变量实际值与参考值进行比较,得到一偏差。当偏差在一定的门限范围内时,认为传感器工作良好,可以采用该信号；当偏差过大时,则必有某一传感器信号为错误信号,需结合其他信号进行故障诊断。

    蜗杆端部有一圆锥齿轮,如图3所示,而电磁锁止装置中装有预紧弹簧,在正常状态下AFS的ECU给电磁锁止装置供电,保证圆锥齿轮和电磁锁止装置分离良好；当伺服电机发生故障时,ECU停止供电,预紧弹簧将把电磁锁止装置的端部压入圆锥齿轮的某两齿间,使得电机不再转动,此时整个转向系统如同一般的定传动比系统进行工作。

    三、系统的主要功能

    主动转向系统所能实现的功能分类如图4所示,主要包括驾驶员辅助功能以及稳定车辆功能。下面对这两大功能的实现原理作进一步的阐述。

    （一）驾驶员辅助功能

    驾驶员辅助功能主要包括可变转向传动比和转向灵活性功能。转向灵活性指的是车辆对驾驶员输入的跟随性能,可以通过在控制过程中加入诸如微分等环节[7-8],改善转向系统的动态特性,尽可能减小横摆角速度和侧向加速度相对于转向盘转角输入的相位滞后,从而达到转向灵活的目的。

    可变转向传动比是宝马主动转向系统的核心功能之一,它主要通过叠加转向的方法来实现。

    式（1）给出了小齿轮转角、转向盘转角和电机转角的关系,δM为电机转角,δG为小齿轮转角,δS为转向盘转角,iM为电机头部处蜗轮蜗杆的传动比,iD为连接转向盘的行星齿轮机构的传动比；式（2）中的FSG为δG和前轮转角δF的非线性函数关系；式（3）给出了δS和δF的关系,iv为整个转向系统传动比。

    为了满足转向系统低速轻便、高速稳定的要求,在设计时可事先根据理想的转向动态响应特性求出传动比、转向盘转角和车速的关系,并做成表格存储于ECU中,文献[9]给出了相应的推导过程。在实际行驶过程中,ECU根据当前车速和转向盘转角获得当前所需的传动比,再根据转向盘转角、小齿轮转角和齿条位移、前轮转角的非线性函数关系推得所需的电机转角,最后驱动电机转过相应的角度,计算公式如式（4）所示。

    其中υx表示车辆的纵向车速。

    （二）车辆稳定性控制功能

    除了可变传动比设计外,稳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为采用了模型跟踪的控制策略[10-11]。首先通过线性2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实际条件限制,|γd_max|=μg/v,μ为通过状态观测器观测到的路面附着系数,g为重力加速度。当获得了期望横摆角速度后,对理想与实际横摆角速度偏差进行PI控制,得到所需的附加转向角并控制伺服电机进行输出。

    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,以提高在分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。传统的电子稳定程序（ESP）通过调节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性,减小制动距离,与传统ABS/ESP相比可使制动距离最多减少15%。

    （三）底盘集成控制技术

    与ESP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察觉,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,而这需要一定的时间；此外转向干预相比制动干预对车速的改变较小,在危险工况下通过转向干预实现稳定的车辆具有更高的通过速度,从而降低了和对面来车由于避让不及发生碰撞的可能性。

    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过多转向的工况。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,在不足转向工况下,受到轮胎非线性的限制,侧向力达到饱和状态,通过增大前轮转向角的方式是很难改变车辆不足转向的趋势的。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ESP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ESP电子稳定程序的优点,最大限度地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公司推出的第2代ESP系统充分体现了这一思想[12],该系统具有提高车辆稳定性,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,从而使车辆行驶安全性、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,还可以在此基础之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展示了一种车辆底盘集成控制系统结构[13]。

    四、结论

    宝马主动转向系统通过一组双行星齿轮机构实现了独立于驾驶员的转向叠加功能,完美地解决了低速时转向灵活轻便,高速时保持方向稳定性的矛盾,并在此基础上通过转向干预来防止极限工况下车辆过多转向的趋势,进一步提高了车辆稳定性。

    同时,该系统能方便地与其他动力学控制系统进行集成控制,为今后汽车底盘一体化控制奠定了良好的基础。