主动转向系统的组成及其工作原理

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

2014年12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 Jie

Abstract:.Mainly introduces the principle and composition of BMW's 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

自从汽车发明以来，驾驶转向的传动装置通常都是固定的。换句话说，不论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始终一成不变。因而这也是工程师们面临的一个比较困难的选择：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安全性与舒适性之间做出权衡。

传统的转向系统不论车速快慢，都采用18：1的固定传动比率，这表示方向盘转向18度，车轮转动1度。而宝马主动式转向系统的比率则在一定的范围内，从静止状态的10：1到高速时的20：1。也就是说，当方向盘转动半圈(180度)时，车速若低，车轮就转动18度，车速若高，则车轮只转动不足9度。由此汽车主动转向技术开始正式应用于中高档车辆。也解决了安全与舒适的兼容问题。

但问题也在这种技术不断发展的过程中出现了，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、后轮达到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。因此汽车能否实现安全转向保持侧向稳定性是非常重要的，同时也是能否避免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

1.1 组成

宝马主动转向系统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。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

1.2 核心部件结构及其原理

如图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Servtronic电子伺服转向系统，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部分，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。其中的总转角δG等于驾驶员转向盘转角和伺服电机转角之和，如公式（1）所示。

式中，iD为转向系统总传动比；δS为转向盘转角；iM%为蜗轮、蜗杆传动比；δM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安全性。

1.3齿轮机构工作的三种驱动方式

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员对于前轮转向的操纵过程。

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.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

主动转向系统的功能分类如图3所示

2.1可变转动比的功能

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迟缓；如果期望横摆

角速度太大，则导致车辆反应过快。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.车辆等速转向时，期望横摆角速度必须保持为一定值；

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0.12～0.37(°)/s,对于熟练驾驶员为0.12～0.417(°)/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构完全能够实现。该系统传动比在10～20之间，低速情况下，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，使得系统的传动比较小，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较大，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

2.2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），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

研究表明，Tr+Ty标志着车辆系统的响应速度，当Tr和Ty均上升时，系统的响应变慢；Tr 和Ty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。通过加入诸如PD比例-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

2.3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。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μ和车速V的限制，其最大值为：