汽车前轮转向控制系统毕业论文

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1、汽车前轮转向控制系统毕业论文汽车主动前轮转向控制系统系统设计 专业 ：机械工程及自动化摘 要 主动前轮转向系统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，用于向前轮提供叠加转向角，从而实现变传动比功能。与电动助力转向系统相比，其技术核心就是车辆在低速行驶时转向更轻便、灵活；高速时，通过附加一个前轮转角来提高操纵稳定性。首先，建立了整车动力学模型和主动前轮转向系统数学模型及轮胎模型等。在建立模型的基础上，分析了主动前轮转向的机械转向主要部件双行星齿轮机构的工作原理和工作模式，设计了理想变传动比特性曲线并进行了仿真验证，其结果与实际宝马主动转向系统变传动比曲线相吻合。其次，从

2、行车安全角度方面，根据主动前轮转向系统的特性，提出了附加前轮转交控制、横摆角速度反馈控制、主动前轮转向与直接横摆力矩协调控制策略，并分别进行仿真，其结果良好。然后，论文介绍了主动前轮转向与电子稳定程序、主动前轮转向与主动悬架集成控制的思想，充分体现了主动安全的设计理念。另外，从行车的舒适性和安全性等角度，参考主动前轮转向与电子稳定程序性能评价指标，对主动前轮转向系统进行了性能评价，包括客观评价和主观评价。尤其是对主动前轮转向变传动比功能、转向灵活性等特性方面做出评价。最后，根据主动前轮转向系统的特性，对比几种加载方式，确定了用磁粉制动器加载系统，设计了试验方案，试验项目包括：电流特性试验、低速

3、时轻便性试验、高速时稳定性试验。另外利用labVIEW编写了数据采集程序，设计了界面。关键词：主动前轮转向；双行星齿轮；变传动比Abstract Active front steering system is through the front wheel steering angle adjustment, change the force and torque distribution front to improve vehicle handling and stability, especially when traveling the road adhesion coefficien

4、t in the isolated, wind or road by the large lateral roll effect, the vehicle braking and drive systems without the need to participate, only through the active front steering can improve vehicle handling and stability, the other misuse can be the drivers steering to compensate. Active Steering stud

5、y abroad as early as the late 6O in the last century began. In recent years, more part of the application of this technology to the real vehicle, such as the German BMW I ZF jointly developed a set of active front steering system, this system has been equipped with the part of the BMW 3 Series and 5

6、 Series cars. The system through a system of double planetary gear mechanism to achieve the independent superposition of the drivers steering capabilities, the perfect solution to the car light and high-speed low-speed steering the conflict turned to stable and effective under the interference of la

7、teral inhibition to improve vehicle stability. Taking a light vehicle for the study of active front steering technology has made a summary of the main algorithm for the stability control system, hardware system design, structure and role of the characteristics and conclusions and prospects to start,

8、 and several other parts separately. This study for the Active Front Steering stability control algorithm and hardware system design and development provides an important reference. Keywords: Active Front Steering ；Hardware syetem ；Stability Control Algorithm 目 录第一章 绪论.9 1.1 汽车主动前轮转向系统概述.9 1.2 汽车主动前

9、轮转向系统目的和.意义.91.3 汽车主动前轮转向系统研究现状和发展趋势.91.4 汽车主动前轮转向系统主要研究内容.12第二章 主动前轮转向系统的机械结构和理想可变传动比.13 2.1 转向器的转动效率.24 2.2 转向系的转动比变化特性.24 2.3 转向器的传动间隙特性.25第三章 奥迪动态转向系统.26 3.1 汽车的转向系统.263.1.1 机械转向系统简介.263.1.2 动力转向系统.28 3.2 奥迪动态转向系统的功能.333.2.1 可变的传动比.333.2.2 转向灵活性功能.343.3 奥迪动态转向系统的组成结构.34 3.3.1 主动转向控制单元.34 3.3.2 执

10、行元件.35 3.3.3 动态转向锁.37 3.3.4 基准传感器.38 3.3.5 ESP传感器1与ESP传感器2.383.4 奥迪动态转向系统的工作过程以及控制策略.383.5 叠式传动装置的构造.403.6 随速助力转向系统.413.7 奥迪动态转向系统与ESP系统的配合优势.413.8 奥迪动态转向系统与宝马主动转向系统的对比.45第四章 主动前轮转向动力学控制.48 4.1 横摆角速度的控制.48 4.2 2D*控制.51 4.3 侧倾稳定性控制.51 4.4 可变转向传动比的控制.52第五章 主动前轮转向动力学控制展望.53参考文献.55致谢.56第1章 绪论1.1汽车主动前轮转向

11、系统概述汽车转向系统是用来改变汽车行驶方向的专设机构的总称。汽车转向系统的功用是保证能按驾驶员的意愿进行直线或转向行驶。转向系统的好坏直接影响汽车的操作稳定性，对于保证汽车的安全行驶、减少交通事故、保护驾驶员的工作条件起着十分重要的作用。按转向能源的不同，汽车转向系统可分为机械转向系统和动力转向系统两大类。机械转向系统以驾驶员的体力作为转向能源，所有传递力的构件是机械的，主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。动力转向系统是兼用驾驶员体力和发动机（或电动机）的动力作为转向能源的转向系统。机械转向系统在前轮负荷过大时往往导致转向沉重，很难协调轻便性和灵敏性二者之间的矛盾，采用变传动

12、比的转向器只能部分地缓解二者之间的矛盾，并不能从根本上解决问题；动力转向系统是在机械转向系统的基础上加设一套动力转向装置（如液压动力转向系统中的转向油罐、油泵、控制阀、动力缸）而形成的。由于液压作用较大，驾驶员施加于转向盘上很小的力矩，便可克服地面作用于转向轮上的转向阻力距，这样便可很大程度上减轻驾驶员的操纵力。在传统转向系统中，转向盘到前轮的转向传动比是严格固定的。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低转向灵敏度的要求，否则车辆的稳定性和安全性会随之下降。因此，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

13、向系统设计的核心问题之一。1.2汽车主动前轮转向系统的目的和意义 主动前轮转向系统不仅可以调节转向力大小，同时还可根据驾驶情况对转向系统的转向比进行无级调节。在高速行驶状态下，间接转向比和高转向扭矩可保证卓越的驾驶舒适性和直线稳定性。相反，在蜿蜒道路及中低速行驶状态下（如调头或泊车入位），转向比会更加直接，以便实现更高的转向精度和轻松的转向操作。此外，宝马主动前轮转向系统还可与ESP电子稳定程序相配合，提供双重主动安全保护：宝马主动前轮转向系统的主动转向修正和ESP电子稳定程序的主动制动介入。当车辆高速紧急变道时，主动转向修正会立刻产生作用，根据不同的情况自动选择最佳转向角度、辅助力、纠正力和

14、转向比，使轮胎一直保持足够安全的抓地力，主动转向修正反应时间仅为主动制动介入的三分之一，速度甚至要比富有经验的职业车手更为迅速，车辆通常无需制动便能平稳的转危为安。论文研究的理论价值在于：通过一系列的理论研究以及对比国外同行的先进技术，通过对主动前轮转向系统的各种机制进行分析，为我国的相关领域提供借鉴。论文研究的现实意义在于：以为驾驶者提供更好的操控性与安全性并且能够根据不同的情况自动选择最佳转向辅助力和转向比，使轮胎一直保持足够安全的抓地力。操控更为轻便，使转向更为直接的驾驶体验的主动前轮转向系统的理论和结构研究，为国内的相关行业提供借鉴，具有重大的意义。1.3主动前轮转向系统国内外研究及发

15、展现状 1.3.1国外研究及发展现状国外对主动转向的研究早在上世纪60年代末就开始了，德国宝马公司也一直走在前列，一直致力于主动转向的研究，德国宝马公司和ZF公司联合开发了一套主动前轮转向系统。2003年宝马公司在部分宝马3系、5系轿车上装备了主动转向系统并成功上市；2004年初，宝马公司凭借其主动转向系统问鼎德国工业创新奖；近几年，随着宝马5系新款不断推出，也标志着宝马主动转向技术逐渐成熟。紧随宝马公司推出5系之后，保时捷公司也在997系列旗舰上装配了一款可变传动比转向系统。主动转向系统必然会逐渐出现在新一代豪华轿车和运动车中。近些年来，国外一些学者对主动转向系统和主动转向控制做了一些深入的

16、研究。Yoshiki Kawaguchi计算出了一种基于被动适应非线性控制器的主动前轮转向系统。改善了转向轮横向力的不稳定性和非线性。FuKao.T.等考虑了轮胎滑移率和侧向力的非线性关系以及路面摩擦力的不确定性。研究分析了基于模型参考自适应非线性控制的主动转向系统，实时仿真结果表明了该方法的有效性。BingZheng.Pahngroc Oh等通过对横摆角速度和前轮转角的反馈控制，使转向时侧向力和横摆力矩间的关系等到了协调，获得了理想横摆角速度和横摆力矩。改善了主动前轮转向系统的操纵稳定性，但并没有考虑车辆行驶状态，因此，车辆状态识别正确与否会极大影响协调控制算法的能力。Kunsoo Huh主

17、要研究了在低附着路面上车辆转向时，根据轮胎侧向力参考值，提出一种对预测轮胎侧向力进行补偿的主动转向控制方法，通过设计模糊逻辑控制器进行硬件在环仿真，证明了该方法对主动前轮转向系统进行控制，通过模型预测控制器计算前轮转角来跟踪车轮在低附着路面上的运动轨迹，试验仿真证明了此方法的可行性。Nagai等人考虑了主动前轮转向和直接横摆力矩联合控制对改善开环汽车的操纵稳定性的作用。运用跟踪理想非线性车辆模型的控制策略，分别考虑了在制动转弯、不同道路输入以及侧向风干扰时车辆的稳定性，但没有考虑到车辆行驶状态的识别，没办法利用看、协调控制的策略，来根据车辆当前的行驶状态来分配AFS和DYC各自的任务。Mamm

18、ar等人在相平面内考察了车速、路面系数以及前轮转角等对车辆横摆域的影响，提出了主动前轮转向控制系统的目标及结构，设计了横摆角速度反馈控制和前馈控制器并进行联合。通过计算机模拟，考察了反馈控制对车辆横向稳定性域的影响及横摆角速度主动前轮控制器在蛇形闭环操纵工况下的性能。1.3.2国内研究及发展现状 在主动前轮转向系统研究方面国内起步的比较晚，但主动前轮转向系统的控制技术正随着主动前轮转向技术的发展受到重视。相比EPS和SBW，无论是从转向操纵稳定性还是安全性，主动转向系统都是当前和今后发展的一个主要趋势。近些年国内科研单位和众多学者对主动转向系统和主动转向控制的研究也不少。同济大学余桌平教授以宝

19、马轿车上选装的主动转向系统为例，研究了该系统的组成、双行星齿轮机构的结构及工作模式，以及该系统可变传动比、稳定车辆等功能的实现原理和系统安全性设计；并采用横摆角速度反馈和前馈控制，提高了车辆横向稳定性能，并对侧向风干扰、车速、路面附着系数及前后轮转弯刚度等参数具有极强的鲁棒性。同济大学万钢教授、赵治国教授等发明了一种依靠电动助力转向系统实施主动转向的电子稳定控制系统，车辆稳定性控制模块根据侧向加速度传感器、横摆角速度传感器信号来判断车辆的稳定性，并将所计算的目标控制量输送到驱动和制动转向控制模块中，然后主动转向控制模块计算出转向前轮转角修正量，将相应要求送至EPS系统。该发明将AFS模块和ES

20、P实现集成控制，驱动电动助力转向系统，有效地提高车辆的操纵稳定性。同济大学硕士高晓杰、余桌平教授给出了基于滑模变结构的AFS控制策略和直接横摆力矩加变滑移率联合控制的ESP控制策略。分析两者控制性能的基础 上提出了协调控制的一般原则。并在三种典型工况下得到了试验验证，结果表明这种控制策略的合理性。汽车的转向系统决定着汽车的主动安全性和并且是体现操控性的最直接的方面，如何设计汽车的转向特性，使汽车具有更好的安全性和操控性始终是各个汽车生产厂家和科研机构的重要研究课题。尤其是在如今汽车的保有量越来越多，汽车的速度越来越高，驾驶人员的水平参差不齐的今天，针对更多不同水平的驾驶人群和相当大的人群对于汽

21、车的操纵性有着越来越高的要求并且也同时要求驾驶的舒适性，汽车的操纵设计显得尤为重要与迫切。最开始的时候汽车转向系统是机械系统，汽车的转向系统是由驾驶员操纵方向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮而实现的。装配机械式转向系统的汽车，在泊车和低速行驶时驾驶员的转向操纵负担过于沉重，20世纪40年代起，为了减轻驾驶员的体力负担，在机械转向系统基础上增加了液压转向系统（HPS），1953年通用汽车公司首次使用了液压助力转向系统，此后该技术迅速发展，使得动力转向系统在体积、功率消耗和价格等方面都取得了很大的进步。80年代后期，又出现了变减速比的液压动力转向系统。在接下来的数年内，动力转向系统的技术

22、革新差不多都是基于液压转向系统，比较有代表性的是变流量泵液压动力转向系统（Variable Displacement Power Steering Pump）和电动液压助力转向（Electric Hydraulic Power Steering，简称EHPS）系统。变流量泵助力转向系统在汽车处于比较高的行驶速度或者不需要转向的情况下，泵的流量会相应地减少，从而有利于减少不必要的功耗。电动液压转向系统采用电动机驱动转向泵，由于电机的转速可调，可以即时关闭，所以也能够起到降低功耗的功效。液压助力转向系统使驾驶室变得宽敞，布置更方便，降低了转向操纵力，也使转向系统更为灵敏。由于该类转向系统技术成熟、

23、能提供大的转向操纵助力，目前在部分乘用车、大部分商用车特别是重型车辆上广泛应用。但是，液压助力转向系统无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性，因此在1983年日本Koyo公司推出了具备车速感应功能的电控液压助力转向系统。这种新型的转向系统可以随着车速的升高提供逐渐减小的转向助力，但是结构复杂、造价较高，而且无法克服液压系统自身所具有的许多缺点，是一种介于液压助力转向和电动助力转向之间的过渡产品。到了1988年，日本铃木公司首先在小型轿车Cervo上配备了Koyo公司研发的转向柱助力式电动助力转向系统；1990年，日本本田公司也在运动型轿车NSX上采用了自主研发的齿条助力式电动助力转

24、向系统。目前可用于乘用车的主动转向系统主要有两种形式：一种是以宝马和ZF公司联合开发的AFS系统为代表的机械式主动转向系统，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，目前已装配于宝马5系的轿车上，以及韩国的MANDO、美国的TRW、日本的JTEKT公司也有类似产品；另一种是线控转向系统(SWB)，利用控制器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。该系统在许多概念车和实验室研究中已广泛采用，如通用公司的Sequel燃料电池概念车就采用了线控转向技术。 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

25、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。由于上述安全性和可靠性的原因，目前法律上还不允许将线控转向系统直接装备车辆。（1） 机械式主动转向系统 下面以宝马的AFS系统为例，介绍机械式主动转向系统的结构和工作原理。该系统主要由三大子系统组成：液压助力齿轮齿条动力转向系统、变传动比执行系统和电控系统。系统原理图如图1所示。 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Sewtronic液力伺服转向系统，用于实现转向助力功能。在驾驶过程中，驾驶员输入的力矩和转角共同传递给扭杆，其

26、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与控制器输出的附加转角进行角叠加，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。其中，控制器输出的转角是根据各个传感器的信号，包括车轮转速、转向角度、偏转率、横向加速度经综合计算得到的。由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，因而可以使转向输入与当前的车速达到最佳匹配。 图1 宝马主动转向系统原理图 （2）线控转向系统 一般来说，线控转向系统由方向盘总成、转向执行总成和主控制器(ECU)3个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助系统组成，系统结

27、构如图2所示。图2 线控转向系统结构示意图方向盘总成包括方向盘、方向盘转角传感器、力矩传感器、方向盘回正力矩电机。其主要功能是将驾驶员的转向意图(通过测量方向盘转角)转换成数字信号，并传递给主控制器；同时接受主控制器送来的力矩信号，产生方向盘回正力矩，以提供给驾驶员相应的路感信息。转向执行总成包括前轮转角传感器、转向执行电机、转向电机控制器和前轮转向组件等。转向执行总成的功能是接受主控制器的命令，通过转向电机控制器控制转向车轮转动，实现驾驶员的转向意图。主控制器对采集的信号进行分析处理，判别汽车的运动状态，给方向盘回正力电机和转向电机发送指令，控制两个电机的工作，保证各种工况下都具有理想的车辆

28、响应，以减少驾驶员对汽车转向特性随车速变化的补偿任务，减轻驾驶员负担。同时控制器还可以对驾驶员的操作进行判别。 由于线控转向系统结构的特殊性，因而自动防故障系统成为线控转向系统的重要模块，它包括一系列的监控和实施算法，针对不同的故障形式和故障等级做出相应的处理，以求最大限度地保持汽车的正常行驶。1.4汽车主动前轮转向系统主要研究内容主动前轮转向作为一项新的转向技术，它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作性、稳定性和轨迹保持能力。依据驾驶条件，自动调节车辆转向传动比，以实现独立于驾驶员的转向干预。在低速时，电动机的作用与驾驶者转动转向盘的方向一致，转向传动

29、比增大，可以减少驾驶者对转向力的需求。在高速时，电动机的运转方向与驾驶者转动转向盘方向相反，这就减少了前轮的转向角度，转向传动比减小，转向稳定性提高。根据附加转角叠加方式的不同，可将主动前轮转向分为机械式（机械叠加转向系统）和电子式（线控转向系统）。线控转向系统(Steer by Wire system，简称SBW系统)是指用通讯网络连接各部件，取消了转向盘和转向轮之间的机械连接（传动轴等）。驾驶员转动转向盘时，控制器ECU根据转向盘转角、转矩传感器和车速传感器等测得的信号，向转向电机发出控制信号，使转向电机进行位置闭环控制和电流闭环控制，以实现预期的前轮转角。同时，ECU还根据转向盘回正力矩

30、的要求控制转向盘的转矩反馈到电机实现期望的回正力矩。优点是:取消了转向盘和转向轮之间的机械连接，占据空间小，便于布置，并可消除碰撞时转向器后移对驾驶员的伤害，路面的冲击也不会直接传到驾驶员手上。缺点是：由于取消了机械连接，当系统出现故障时（例如断电）司机无法操纵转向，致使转向失灵发生事故。 机械式叠加转向是以目前的转向系统为基础，将单自由度传动改变为2个自由度传动，即：方向盘转动为一个自由度，输出主要转角，另一个自由度由电机控制（主动控制），输出附加转角，实际输出的转角方向盘转角附加转角。宝马和ZF公司联合开发的AFS系统为代表的机械式主动转向系统,通过行星齿轮机械结构增加一个输入自由度从而实

31、现附加转向,目前已装配于宝马5系的轿车上,韩国的MANDO、美国的TRW、日本的JTEKT公司也有类似产品。 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

32、转向角度进行调整,使其与当前的车速达到完美匹配。 本论文主要研究内容是双行星齿轮机构在汽车主动前轮转向系统上的应用。 第二章 汽车转向系统的理论分析2.1转向器的转动效率 转向器的输出功率与输入功率之比称为转向器传动效率。在功率由转向轴输入，由转向摇臂输出的情况下求得的传动效率称为正效率，而传动方向与上述相反时求得的效率则称为逆效率。逆效率很高的转向器很容易将经转向传动机构传来的路面反力传到转向轴和转向盘上，故称为可逆式转向器。可逆式转向器有利于汽车转向结束后转向轮和转向盘自动回正，但也能将坏路面对车轮的冲击力传到转向盘，发生“打手”情况。 逆效率很低的转向器称为不可逆式转向器。不平道路对转向

33、轮的冲击载荷输入到这种转向器，即由其中各传动零件（主要是传动副）承受，而不会传到转向盘上。路面作用于转向轮上的回正力矩同样也不能传到转向盘。这就使得转向轮自动回正成为不可能。此外，道路的转向阻力矩也不能反馈到转向盘，使得驾驶员不能得到路面反馈信息（所谓丧失“路感”），无法据以调节转向力矩。通常，由转向盘至转向轮的效率即转向系的正效率的平均值为0.670.82；当向上述相反方向传递力时逆效率的平均值为0.580.63。转向操纵及传动机构的效率用于评价在这些机构中的摩擦损失，其中转向轮转向主销等的摩擦损失约为转向系总损失的40%50%，而拉杆球销的摩擦损失约为转向系总损失的10%15%。2.2转向

34、系的转动比变化特性（1）角传动比转向盘转角的增量与同侧转向节转角的相应增量之比，称为转向系的角传动比。转向盘转角的增量与转向摇臂轴转角的相应增量之比，称为转向器的角传动比。转向摇臂轴转角的增量与同侧转向节转角的相应增量之比，称为转向传动机构的角传动比。现代汽车转向传动机构的角传动比多在0.851.1之间，即近似为1。故研究转向系的角传动比时，为简化起见往往只研究转向器的角传动比及其变化规律即可。（2）力传动比转向传动机构的力传动比等于转向车轮的转向阻力矩与转向摇臂的力矩T之比值。与转向传动机构的结构布置型式及其杆件所处的转向位置有关。：当转向阻力矩一定时，增大力传动比，就能减小作用在转向盘上的

35、切向力，使操纵轻便。（3）传动器角传动比的变化规律转向器的角传动比是一个重要参数，它影响着汽车的许多转向性能。由于增大转向器角传动比可以增大力传动比，因此转向器的角传动比不仅对转向灵敏性和稳定性有直接影响，而且也影响着汽车的操纵轻便性。考虑到1，可以看出：转向轮的转角与转向器的角传动比成反比。增大会使在同一转向盘转角下的转向轮转角变小，使转向操纵时间变长，汽车转向灵敏性降低。因此转向“轻便性”与“灵敏性”是产品设计中遇到的一对矛盾。采用可变角传动比的转向器可协调对“轻便性”和“灵敏性”的要求。而转向器角传动比的变化规律又因转向器的结构型式和参数的不同而异。转向器的角传动比随转向盘转角的变化特性

36、有不变和可变之分。2.3 转向器的传动间隙特性 转向器的传动间隙是指转向器传动副之间的间隙。该间隙随转向盘转角的改变而改变。通常将这种变化关系称为转向器的传动间隙特性。研究该传动间隙特性的意义在于它对汽车直线行驶时的稳定性和转向器的寿命都有直接影响。当转向盘处于中间位置即汽车作直线行驶时，如果转向器有传动间隙则将使转向轮在该间隙范围内偏离直线行驶位置而失去稳定性。为防止这种情况发生，要求当转向盘处于中间位置时转向器的传动副为无隙啮合。这一要求应在汽车使用的全部时间内得到保证。汽车多直行行驶，因此转向器传动副在中间部位的磨损量大于其两端。为了保证转向器传动副磨损最大的中间部位能通过调整来消除因磨

37、损而形成的间隙，调整后当转动转向盘时又不致于使转向器传动副在其他啮合部位卡住。为此应使传动间隙从中间部位到两端逐渐增大，并在端部达到其最大值（旷量转角约为），以利于对间隙的调整及提高转向器的使用寿命。不同结构的转向器其传动间隙特性亦不同。第三章 奥迪动态转向系统3.1 汽车的转向系统3.1.1机械转向系统简介机械转向系以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的。机械转向系由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。 （1）转向操纵机构转向操纵机构由方向盘、转向轴、转向管柱等组成，它的作用是将驾驶员转动转向盘的操纵力传给转向器。（2）转向器转向器（也常称为转向机是完成由旋转运动到

38、直线运动（或近似直线运动）的一组齿轮机构，同时也是转向系中的减速传动装置。 目前较常用的有齿轮齿条式、循环球曲柄指销式、蜗杆曲柄指销式、循环球-齿条齿扇式、蜗杆滚轮式等。我们主要介绍前几种。1） 齿轮齿条式转向器 齿轮齿条式转向器分两端输出式和中间（或单端）输出式两种。两端输出的齿轮齿条式转向器如图13所示，作为传动副主动件的转向齿轮轴11通过轴承12和13安装在转向器壳体5中，其上端通过花键与万向节叉10和转向轴连接。与转向齿轮啮合的转向齿条4水平布置，两端通过球头座3与转向横拉杆1相连。弹簧7通过压块9将齿条压靠在齿轮上，保证无间隙啮合。弹簧的预紧力可用调整螺塞6调整。当转动转向盘时，转向

39、器齿轮11转动，使与之啮合的齿条4沿轴向移动，从而使左右横拉杆带动转向节左右转动，使转向车轮偏转，从而实现汽车转向。另一种是中间输出的齿轮齿条式转向器，其结构及工作原理与两端输出的齿轮齿条式转向器基本相同，不同之处在于它在转向齿条的中部用螺栓6与左右转向横拉杆7相连。在单端输出的齿轮齿条式转向器上，齿条的一端通过内外托架与转向横拉杆相连。1.万向节叉 2.转向齿轮轴 3.调整螺母 4.向心球轴承 5.滚针轴承 6.固定螺栓 7.转向横拉杆 8.转向器壳体 9.防尘套 10.转向齿条 11.调整螺塞 12.锁紧螺母 13.压紧弹簧 14.压块图13 两端输出的齿轮齿条式转向器 2）循环球式转向器

40、循环球式转向器是目前国内外应用最广泛的结构型式之一，一般有两级传动副，第一级是螺杆螺母传动副，第二级是齿条齿扇传动副。为了减少转向螺杆转向螺母之间的摩擦，二者的螺纹并不直接接触，其间装有多个钢球，以实现滚动摩擦。转向螺杆和螺母上都加工出断面轮廓为两段或三段不同心圆弧组成的近似半圆的螺旋槽。二者的螺旋槽能配合形成近似圆形断面的螺旋管状通道。螺母侧面有两对通孔，可将钢球从此孔塞入螺旋形通道内。转向螺母外有两根钢球导管，每根导管的两端分别插入螺母侧面的一对通孔中。导管内也装满了钢球。这样，两根导管和螺母内的螺旋管状通道组合成两条各自独立的封闭的钢球“流道”。转向螺杆转动时，通过钢球将力传给转向螺母，

41、螺母即沿轴向移动。同时，在螺杆及螺母与钢球间的摩擦力偶作用下，所有钢球便在螺旋管状通道内滚动，形成球流。在转向器工作时，两列钢球只是在各自的封闭流道内循环，不会脱出。3）蜗杆曲柄指销式转向器蜗杆曲柄指销式转向器的传动副（以转向蜗杆为主动件，其从动件是装在摇臂轴曲柄端部的指销。转向蜗杆转动时，与之啮合的指销即绕摇臂轴轴线沿圆弧运动，并带动摇臂轴转动。（3）转向传动机构转向传动机构的功用是将转向器输出的力和运动传到转向桥两侧的转向节，使两侧转向轮偏转，且使二转向轮偏转角按一定关系变化，以保证汽车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能小。3.1.2动力转向系统 使用机械转向装置可以实现汽车转向，当转向轴负

42、荷较大时，仅靠驾驶员的体力作为转向能源则难以顺利转向。动力转向系统就是在机械转向系统的基础上加设一套转向加力装置而形成的。转向加力装置减轻了驾驶员操纵转向盘的作用力。转向能源来自驾驶员的体力和发动机（或电动机），其中发动机（或电动机）占主要部分，通过转向加力装置提供。正常情况下，驾驶员能轻松地控制转向。但在转向加力装置失效时，就回到机械转向系统状态，一般来说还能由驾驶员独立承担汽车转向任务。动力转向系统由于使转向操纵灵活、轻便，在设计汽车时对转向器结构形式的选择灵活性增大，能吸收路面对前轮产生的冲击等优点，因此已在各国的汽车制造中普遍采用。但是，具有固定放大倍率的动力转向系统的主要缺点是：如果

43、所设计的固定放大倍率的动力转向系统是为了减小汽车在停车或低速行驶状态下转动转向盘的力，则当汽车以高速行驶时，这一固定放大倍率的动力转向系统会使转动转向盘的力显得太小，不利于对高速行驶的汽车进行方向控制；反之，如果所设计的固定放大倍率的动力转向系统是为了增加汽车在高速行驶时的转向力，则当汽车停驶或低速行驶时，转动转向盘就会显得非常吃力。电子控制技术在汽车动力转向系统的应用，使汽车的驾驶性能达到令人满意的程度。电子控制动力转向系统在低速行驶时可使转向轻便、灵活；当汽车在中高速区域转向时，又能保证提供最优的动力放大倍率和稳定的转向手感，从而提高了高速行驶的操纵稳定性。电子控制动力转向系统（简称EPS

44、-Electronic Control Power Steering），根据动力源不同又可分为液压式电子控制动力转向系统（液压式EPS）和电动式电子控制动力转向系统（电动式EPS）。液压式EPS是在传统的液压动力转向系统的基础上增设了控制液体流量的电磁阀、车速传感器和电子控制单元等，电子控制单元根据检测到的车速信号，控制电磁阀，使转向动力放大倍率实现连续可调，从而满足高、低速时的转向助力要求。电动式EPS是利用直流电动机作为动力源，电子控制单元根据转向参数和车速等信号，控制电动机扭矩的大小和方向。电动机的扭矩由电磁离合器通过减速机构减速增扭后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转

45、向作用力。（1） 液压式动力转向系统液压式动力转向系统属于转向加力装置的部件是：转向液压泵、转向油管、转向油罐 以及位于整体式转向器 内部的转向控制阀及转向动力缸等。当驾驶员转动转向盘时，通过机械转向器使转向横拉杆移动，并带动转向节臂，使转向轮偏转，从而改变汽车的行驶方向。与此同时，转向器输入轴还带动转向器内部的转向控制阀转动，使转向动力缸产生液压作用力，帮助驾驶员转向操作。由于有转向加力装置的作用，驾驶员只需比采用机械转向系统时小得多的转向力矩，就能使转向轮偏转。液压动力转向系按系统内部的压力状态分，有常压式和常流式两种。第一种为常压式液压动力转向系。常压式液压动力转向系如图14所示。在汽车

46、直线行驶，转向盘保持中立位置时，转向控制阀5经常处于关闭位置。转向油泵3输出的压力油充入储能器2。当储能器压力增长到规定值后，油泵即自动卸荷空转，从而储能器压力得以限制在该规定值以下。当转动转向盘时，机械转向器6即通过转向摇臂等杆件使转向控制阀转入开启位置。此时储能器中的压力油即流入转向动力缸4。动力缸输出的液压作用力，作用在转向传动机构上，以助机械转向器输出力之不足。转向盘一停止运动，转向控制阀便随之回复到关闭位置。于是，转向加力作用终止。由此可见，无论转向盘处于中立位置还是转向位置，也无论转向盘保持静止还是运动状态，该系统工作管路中总是保持高压。 第二种为常流式液压动力转向系。不转向时，转

47、向控制阀6保持开启。转向动力缸8的活塞两边的工作腔，由于都与低压回油管路相通而不起作用。转向油泵. 输出的油液流入转向控制阀，又由此流回转向油罐1。因转向控制阀的节流阻力很小，故油泵输出压力也很低，油泵实际上处于空转状态。当驾驶员转动转向盘，通过机械转向器7使转向控制阀处于与某一转弯方向相应的工作位置时，转向动力缸的相应工作腔方与回油管路隔绝，转而与油泵输出管路相通，而动力缸的另一腔则仍然通回油管路。地面转向阻力经转向传动机构传到转向动力缸的推杆和活塞上，形成比转向控制阀节流阻力高得多的油泵输出管路阻力。于是转向油泵输出压力急剧升高，直到足以推动转向动力缸活塞为止。转向盘停止转动后，转向控制阀

48、随即回复到中立位置，使动力缸停止工作。上述两种液压动力转向系相比较，常压式的优点在于有储能器积蓄液压能，可以使用流量较小的转向油泵，而且还可以在油泵不运转的情况下保持一定的转向加力能力，使汽车有可能续驶一定距离。常流式的优点则是结构简单，油泵寿命长，漏泄较少，消耗功率也较少。 1.转向油罐 2.转向油泵 3.储能器 4.转向动力缸 5.转向控制阀 6.机械转向器图14 常压式液压动力转向系示意图 优缺点：能耗较高，尤其早低速转弯的时候，觉得方向比较沉，发动机也比较费力气。又由于液压泵的压力很大，也比较容易损害助力系统。 （2） 电动助力动力转向系统电动助力动力转向系统简称电动式EPS或EPS（

49、Electronic Power Steering system）在机械转向机构的基础上，增加信号传感器、电子控制单元和转向助力机构。根据电动机驱动部位的不同，将电动助力转向系统分为三类：转向轴助力式（图15）、转向器小齿轮助力式（图16）和齿条助力式（图17）。1） 转向轴助力式转向系统由扭矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构组成一体，安装在转向柱上。其特点是结构紧凑、所测取的扭矩信号与控制直流电机助力的响应性较好。这种类型一般在轿车上使用。2）小齿轮助力式转向系统的扭矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构仍为一体，只是整体安装在转向小齿轮处，直接给小齿轮助力，可获得较大的转向力。该型式可

50、使各部件布鼍更方便，但当转向盘与转向器之间装有万向传动装置时，扭矩信号的取得与助力车轮部分不在同一直线上，其助力控制特性难以保证准确。齿条助力式转向系统的扭矩传图3-2到3-5转向器小齿轮助力式感器单独地安装在小齿轮处，电动机与转向助力机构一起安装在小齿轮另一端的齿条处，用以给齿条助力。该类型又根据减速传动机构的不同可分为两种：一种是电动机做成中空的，齿条从中穿过，电动机动力经一对斜齿轮和螺杆螺母传动副以及与螺母制成一体的铰接块传给齿条。这种结构是第一代电动助力转向系统，由于电动机位于齿条壳体内，结构复杂、价格高、维修也很困难。另种是电动机与齿条的壳体相互独立，电动机动力经另一小齿轮传给齿条，

51、由于易于制造和维修，成本低，已取代了第一代产品。因为齿条由一个独立的齿轮驱动，可给系统较大的助图15 转向助力式力，主要用于重型汽车。3）电动式EPS 是利用电动机作为助力源，根据车速和转向参数等因素，由电子控制单元完成助力控制，其原理可概括如下：当操纵转向盘时，装在图16 转向器小齿轮助力式转向盘轴上的转矩传感器不断地测出转向轴上的转矩信号，该信号与车速信号同时输入到电子控制单元。电控单元根据这些输入信号，确定助力转矩的大小和方向，即选定电动机的电流和转动方向，调整转向辅助动力的大小。电动机的转矩由电磁离合器通过减速机构减速增矩后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与汽车工况相适应的转向作用

52、力。例如，福克斯的EHPAS电子液压系统由电脑根据发动机转速、车速以及方向盘转角等信号，驱动电子泵给转向系统提供助力。助力感觉非常的自然。因此很多人对福克斯方向的感觉相当不错，转向操控感觉可以说是随心所欲。有些车也号称采用电子助力，但是只是电机助力，没有液压辅助，容易产生噪音。助力效果也远不如福克斯这一类型的电子助力。图17 齿条助力式优缺：能耗低，灵敏，电子单元控制，节省发动机功率，助力发挥比较理想。3.2 奥迪动态转向系统的功能3.2.1可变的传动比 期望横摆角速度增益是评价转向系统性能的重要指标之一。定义为横摆角速度相对于转向盘转角的比值.如果期望横摆角速度太小，说明车辆的响应相对于转向

53、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：（1）车辆等速转向时，期望横摆角速度必须保持为一定值；（2）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。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1020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

54、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如图18所示。图18 车速与转向盘转向角的关系3.2.2转向灵活性功能 在转向盘转角低频输入的条件下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。，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。3.3 奥迪动态转向系统的组成结构3.3.1主动转向控制单元 安装于驾驶人的脚坑处的座

55、椅横梁前，其功能可以分成两个：（1）基本功能：计算并行转角，以便实现可变传动比。一般是根据车速和驾驶人所施加的转角来确定。只要动态转向系统无故障，这个调节过程就一直进行。（2）辅助功能：与ESP控制单元协同工作。ESP控制单元计算出动态行驶时所期望的转向角校正值，并将这些校正值通过CAN总线送至主动控制单元，主动控制单元将相应的校正值加到计算出来的并行转角中，于是作用到车轮上的就是经过了校正的转向角。3.3.2执行元件 转向角的校正是通过执行元件驱动转向器主动齿轮转动来实现的，这个执行元件由一个轴齿轮构成，这个轴齿轮由一个电动机来驱动。在装备了动态转向系统时，由电动机直接驱动的齿轮有个100齿，输出齿轮有102个齿。在动态转向系统上，与转向盘直接相连的转向轴也与转向主动齿轮相连，该连接是通过齿轮来实现的。如图3所示，杯形件与转向轴上部（它也直接与转向盘相连）通过花键实现无间隙连接。这个杯形件外形像是个盆，壁薄而有弹性，这个壁上装备有100个齿的外齿，与之配对使用的是一个齿圈，有102个内齿。这个齿圈与转向轴下部转向器主动齿轮刚性连接（图19）。 图19 执行元件如图20所示，转向轴上部有一根空心轴，这根空心轴独立地在执行元件壳体内转动，由一个电动机直接驱动。为此，电动机的转