《汽車前輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)畢業(yè)論文》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《汽車前輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)畢業(yè)論文（46頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 汽車前輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)畢業(yè)論文 汽車主動前輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專業(yè) ：機(jī)械工程及自動化 摘 要 主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在轉(zhuǎn)向盤和齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)之間的轉(zhuǎn)向柱上集成了一套雙行星齒輪機(jī)構(gòu)，用于向前輪提供疊加轉(zhuǎn)向角，從而實(shí)現(xiàn)變傳動比功能。與電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，其技術(shù)核心就是車輛在低速行駛時轉(zhuǎn)向更輕便、靈活；高速時，通過附加一個前輪轉(zhuǎn)角來提高操縱穩(wěn)定性。 首先，建立了整車動力學(xué)模型和主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及輪胎模型等。在建立模型的基礎(chǔ)上，分析了主動前輪轉(zhuǎn)向的機(jī)械轉(zhuǎn)向主要部件雙行

2、星齒輪機(jī)構(gòu)的工作原理和工作模式，設(shè)計(jì)了理想變傳動比特性曲線并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，其結(jié)果與實(shí)際寶馬主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變傳動比曲線相吻合。 其次，從行車安全角度方面，根據(jù)主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特性，提出了附加前輪轉(zhuǎn)交控制、橫擺角速度反饋控制、主動前輪轉(zhuǎn)向與直接橫擺力矩協(xié)調(diào)控制策略，并分別進(jìn)行仿真，其結(jié)果良好。然后，論文介紹了主動前輪轉(zhuǎn)向與電子穩(wěn)定程序、主動前輪轉(zhuǎn)向與主動懸架集成控制的思想，充分體現(xiàn)了主動安全的設(shè)計(jì)理念。另外，從行車的舒適性和安全性等角度，參考主動前輪轉(zhuǎn)向與電子穩(wěn)定程序性能評價指標(biāo)，對主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了性能評價，包括客觀評價和主觀評價。尤其是對主動前輪轉(zhuǎn)向變傳動比功能、轉(zhuǎn)向靈活性等特性方面做

3、出評價。 最后，根據(jù)主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特性，對比幾種加載方式，確定了用磁粉制動器加載系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案，試驗(yàn)項(xiàng)目包括：電流特性試驗(yàn)、低速時輕便性試驗(yàn)、高速時穩(wěn)定性試驗(yàn)。另外利用labVIEW編寫了數(shù)據(jù)采集程序，設(shè)計(jì)了界面。 關(guān)鍵詞：主動前輪轉(zhuǎn)向；雙行星齒輪；變傳動比 Abstract Active front steering system is through the front wheel steering angle adjustment, change the force and torque distribution front to

4、 improve vehicle handling and stability, especially when traveling the road adhesion coefficient 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

5、and stability, the other misuse can be the drivers steering to compensate. Active Steering study 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 a

6、ctive front steering system, this system has been equipped with the part of the BMW 3 Series and 5 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

7、-speed low-speed steering the conflict turned to stable and effective under the interference of lateral 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, hard

8、ware system design, structure and role of the characteristics and conclusions and prospects to start, 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: Act

9、ive Front Steering ；Hardware syetem ；Stability Control Algorithm 目 錄 第一章 緒論...............................................................................................................9 1.1 汽車主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述.........................................................

10、...........9 1.2 汽車主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)目的和.意義.......................................................9 1.3 汽車主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢........................................9 1.4 汽車主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要研究內(nèi)容..................................................12 第二章 主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和理想可變傳動比.................................13

11、 2.1 轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)動效率..................................................................................24 2.2 轉(zhuǎn)向系的轉(zhuǎn)動比變化特性......................................................................24 2.3 轉(zhuǎn)向器的傳動間隙特性.....................................................................

12、.....25 第三章 奧迪動態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng).....................................................................................26 3.1 汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)......................................................................................26 3.1.1 機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡介....................................................................

13、...26 3.1.2 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)...............................................................................28 3.2 奧迪動態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能......................................................................33 3.2.1 可變的傳動比...............................................................................33 3.2.2

14、轉(zhuǎn)向靈活性功能...........................................................................34 3.3 奧迪動態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)..............................................................34 3.3.1 主動轉(zhuǎn)向控制單元.......................................................................34 3.3.2 執(zhí)行元件...................

15、....................................................................35 3.3.3 動態(tài)轉(zhuǎn)向鎖...................................................................................37 3.3.4 基準(zhǔn)傳感器...................................................................................38 3.3.5 ESP傳感器1與

16、ESP傳感器2.....................................................38 3.4 奧迪動態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作過程以及控制策略......................................38 3.5 疊式傳動裝置的構(gòu)造.............................................................................40 3.6 隨速助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)..............................................................

17、....................41 3.7 奧迪動態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與ESP系統(tǒng)的配合優(yōu)勢...........................................41 3.8 奧迪動態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與寶馬主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的對比..................................45 第四章 主動前輪轉(zhuǎn)向動力學(xué)控制.........................................................................48 4.1 橫擺角速度的控制................................

18、..................................................48 4.2 2D*控制...................................................................................................51 4.3 側(cè)傾穩(wěn)定性控制......................................................................................51 4.4 可變轉(zhuǎn)向傳動比的控制....

19、......................................................................52 第五章 主動前輪轉(zhuǎn)向動力學(xué)控制展望.................................................................53 參考文獻(xiàn).....................................................................................................................55 致謝............

20、.................................................................................................................56 第1章 緒論 1.1汽車主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來改變汽車行駛方向的專設(shè)機(jī)構(gòu)的總稱。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功用是保證能按駕駛員的意愿進(jìn)行直線或轉(zhuǎn)向行駛。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的好壞直接影響汽車的操作穩(wěn)定性，對于保證汽車的安全行駛、減少交通事故、保護(hù)駕駛員的工作條件起著十分重要的作用。 按轉(zhuǎn)向能源的不同，汽車轉(zhuǎn)向

21、系統(tǒng)可分為機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩大類。機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以駕駛員的體力作為轉(zhuǎn)向能源，所有傳遞力的構(gòu)件是機(jī)械的，主要由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)三大部分組成。動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是兼用駕駛員體力和發(fā)動機(jī)（或電動機(jī)）的動力作為轉(zhuǎn)向能源的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在前輪負(fù)荷過大時往往導(dǎo)致轉(zhuǎn)向沉重，很難協(xié)調(diào)輕便性和靈敏性二者之間的矛盾，采用變傳動比的轉(zhuǎn)向器只能部分地緩解二者之間的矛盾，并不能從根本上解決問題；動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加設(shè)一套動力轉(zhuǎn)向裝置（如液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向油罐、油泵、控制閥、動力缸）而形成的。由于液壓作用較大，駕駛員施加于轉(zhuǎn)向盤上很小的力矩，便可克服地面作用于轉(zhuǎn)向輪上的

22、轉(zhuǎn)向阻力距，這樣便可很大程度上減輕駕駛員的操縱力。 在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向盤到前輪的轉(zhuǎn)向傳動比是嚴(yán)格固定的。轉(zhuǎn)向系定傳動比設(shè)計(jì)的缺陷主要表現(xiàn)為：低速或停車工況下駕駛員需要大角度地轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，而高速時又不能滿足低轉(zhuǎn)向靈敏度的要求，否則車輛的穩(wěn)定性和安全性會隨之下降。因此，同時滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在低速時的靈活性要求與高速時的穩(wěn)定性要求是當(dāng)今車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問題之一。 1.2汽車主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的目的和意義 主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不僅可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向力大小，同時還可根據(jù)駕駛情況對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向比進(jìn)行無級調(diào)節(jié)。在高速行駛狀態(tài)下，間接轉(zhuǎn)向比和高轉(zhuǎn)向扭矩可保證卓越的駕駛舒適性和直線穩(wěn)定性。相反，在蜿蜒

23、道路及中低速行駛狀態(tài)下（如調(diào)頭或泊車入位），轉(zhuǎn)向比會更加直接，以便實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)向精度和輕松的轉(zhuǎn)向操作。此外，寶馬主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還可與ESP電子穩(wěn)定程序相配合，提供雙重主動安全保護(hù)：寶馬主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主動轉(zhuǎn)向修正和ESP電子穩(wěn)定程序的主動制動介入。當(dāng)車輛高速緊急變道時，主動轉(zhuǎn)向修正會立刻產(chǎn)生作用，根據(jù)不同的情況自動選擇最佳轉(zhuǎn)向角度、輔助力、糾正力和轉(zhuǎn)向比，使輪胎一直保持足夠安全的抓地力，主動轉(zhuǎn)向修正反應(yīng)時間僅為主動制動介入的三分之一，速度甚至要比富有經(jīng)驗(yàn)的職業(yè)車手更為迅速，車輛通常無需制動便能平穩(wěn)的轉(zhuǎn)危為安。 論文研究的理論價值在于：通過一系列的理論研究以及對比國外同行的先進(jìn)技術(shù)，通過對

24、主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各種機(jī)制進(jìn)行分析，為我國的相關(guān)領(lǐng)域提供借鑒。 論文研究的現(xiàn)實(shí)意義在于：以為駕駛者提供更好的操控性與安全性并且能夠根據(jù)不同的情況自動選擇最佳轉(zhuǎn)向輔助力和轉(zhuǎn)向比，使輪胎一直保持足夠安全的抓地力。操控更為輕便，使轉(zhuǎn)向更為直接的駕駛體驗(yàn)的主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的理論和結(jié)構(gòu)研究，為國內(nèi)的相關(guān)行業(yè)提供借鑒，具有重大的意義。 1.3主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀 1.3.1國外研究及發(fā)展現(xiàn)狀 國外對主動轉(zhuǎn)向的研究早在上世紀(jì)60年代末就開始了，德國寶馬公司也一直走在前列，一直致力于主動轉(zhuǎn)向的研究，德國寶馬公司和ZF公司聯(lián)合開發(fā)了一套主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。2003年寶馬公司在部分寶

25、馬3系、5系轎車上裝備了主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)并成功上市；2004年初，寶馬公司憑借其主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)問鼎德國工業(yè)創(chuàng)新獎；近幾年，隨著寶馬5系新款不斷推出，也標(biāo)志著寶馬主動轉(zhuǎn)向技術(shù)逐漸成熟。緊隨寶馬公司推出5系之后，保時捷公司也在997系列旗艦上裝配了一款可變傳動比轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必然會逐漸出現(xiàn)在新一代豪華轎車和運(yùn)動車中。 近些年來，國外一些學(xué)者對主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和主動轉(zhuǎn)向控制做了一些深入的研究。 Yoshiki Kawaguchi計(jì)算出了一種基于被動適應(yīng)非線性控制器的主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。改善了轉(zhuǎn)向輪橫向力的不穩(wěn)定性和非線性。 FuKao.T.等考慮了輪胎滑移率和側(cè)向力的非線性關(guān)系以及路面摩擦力的不確

26、定性。研究分析了基于模型參考自適應(yīng)非線性控制的主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，實(shí)時仿真結(jié)果表明了該方法的有效性。 BingZheng.Pahngroc Oh等通過對橫擺角速度和前輪轉(zhuǎn)角的反饋控制，使轉(zhuǎn)向時側(cè)向力和橫擺力矩間的關(guān)系等到了協(xié)調(diào)，獲得了理想橫擺角速度和橫擺力矩。改善了主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性，但并沒有考慮車輛行駛狀態(tài)，因此，車輛狀態(tài)識別正確與否會極大影響協(xié)調(diào)控制算法的能力。 Kunsoo Huh主要研究了在低附著路面上車輛轉(zhuǎn)向時，根據(jù)輪胎側(cè)向力參考值，提出一種對預(yù)測輪胎側(cè)向力進(jìn)行補(bǔ)償?shù)闹鲃愚D(zhuǎn)向控制方法，通過設(shè)計(jì)模糊邏輯控制器進(jìn)行硬件在環(huán)仿真，證明了該方法對主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過模型預(yù)測

27、控制器計(jì)算前輪轉(zhuǎn)角來跟蹤車輪在低附著路面上的運(yùn)動軌跡，試驗(yàn)仿真證明了此方法的可行性。 Nagai等人考慮了主動前輪轉(zhuǎn)向和直接橫擺力矩聯(lián)合控制對改善開環(huán)汽車的操縱穩(wěn)定性的作用。運(yùn)用跟蹤理想非線性車輛模型的控制策略，分別考慮了在制動轉(zhuǎn)彎、不同道路輸入以及側(cè)向風(fēng)干擾時車輛的穩(wěn)定性，但沒有考慮到車輛行駛狀態(tài)的識別，沒辦法利用看、協(xié)調(diào)控制的策略，來根據(jù)車輛當(dāng)前的行駛狀態(tài)來分配AFS和DYC各自的任務(wù)。 Mammar等人在相平面內(nèi)考察了車速、路面系數(shù)以及前輪轉(zhuǎn)角等對車輛橫擺域的影響，提出了主動前輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的目標(biāo)及結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了橫擺角速度反饋控制和前饋控制器并進(jìn)行聯(lián)合。通過計(jì)算機(jī)模擬，考察了反饋控制對

28、車輛橫向穩(wěn)定性域的影響及橫擺角速度主動前輪控制器在蛇形閉環(huán)操縱工況下的性能。 1.3.2國內(nèi)研究及發(fā)展現(xiàn)狀 在主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究方面國內(nèi)起步的比較晚，但主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制技術(shù)正隨著主動前輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展受到重視。相比EPS和SBW，無論是從轉(zhuǎn)向操縱穩(wěn)定性還是安全性，主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都是當(dāng)前和今后發(fā)展的一個主要趨勢。近些年國內(nèi)科研單位和眾多學(xué)者對主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和主動轉(zhuǎn)向控制的研究也不少。 同濟(jì)大學(xué)余桌平教授以寶馬轎車上選裝的主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為例，研究了該系統(tǒng)的組成、雙行星齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作模式，以及該系統(tǒng)可變傳動比、穩(wěn)定車輛等功能的實(shí)現(xiàn)原理和系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)；并采用橫擺角速度反饋和前饋控

29、制，提高了車輛橫向穩(wěn)定性能，并對側(cè)向風(fēng)干擾、車速、路面附著系數(shù)及前后輪轉(zhuǎn)彎剛度等參數(shù)具有極強(qiáng)的魯棒性。 同濟(jì)大學(xué)萬鋼教授、趙治國教授等發(fā)明了一種依靠電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)施主動轉(zhuǎn)向的電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)，車輛穩(wěn)定性控制模塊根據(jù)側(cè)向加速度傳感器、橫擺角速度傳感器信號來判斷車輛的穩(wěn)定性，并將所計(jì)算的目標(biāo)控制量輸送到驅(qū)動和制動轉(zhuǎn)向控制模塊中，然后主動轉(zhuǎn)向控制模塊計(jì)算出轉(zhuǎn)向前輪轉(zhuǎn)角修正量，將相應(yīng)要求送至EPS系統(tǒng)。該發(fā)明將AFS模塊和ESP實(shí)現(xiàn)集成控制，驅(qū)動電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，有效地提高車輛的操縱穩(wěn)定性。 同濟(jì)大學(xué)碩士高曉杰、余桌平教授給出了基于滑模變結(jié)構(gòu)的AFS控制策略和直接橫擺力矩加變滑移率聯(lián)合控制的E

30、SP控制策略。分析兩者控制性能的基礎(chǔ) 上提出了協(xié)調(diào)控制的一般原則。并在三種典型工況下得到了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明這種控制策略的合理性。 汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)決定著汽車的主動安全性和并且是體現(xiàn)操控性的最直接的方面，如何設(shè)計(jì)汽車的轉(zhuǎn)向特性，使汽車具有更好的安全性和操控性始終是各個汽車生產(chǎn)廠家和科研機(jī)構(gòu)的重要研究課題。尤其是在如今汽車的保有量越來越多，汽車的速度越來越高，駕駛?cè)藛T的水平參差不齊的今天，針對更多不同水平的駕駛?cè)巳汉拖喈?dāng)大的人群對于汽車的操縱性有著越來越高的要求并且也同時要求駕駛的舒適性，汽車的操縱設(shè)計(jì)顯得尤為重要與迫切。 最開始的時候汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是機(jī)械系統(tǒng)，汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是由駕駛員操縱方向盤

31、，通過轉(zhuǎn)向器和一系列的桿件傳遞到轉(zhuǎn)向車輪而實(shí)現(xiàn)的。裝配機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車，在泊車和低速行駛時駕駛員的轉(zhuǎn)向操縱負(fù)擔(dān)過于沉重，20世紀(jì)40年代起，為了減輕駕駛員的體力負(fù)擔(dān)，在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS），1953年通用汽車公司首次使用了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，此后該技術(shù)迅速發(fā)展，使得動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在體積、功率消耗和價格等方面都取得了很大的進(jìn)步。80年代后期，又出現(xiàn)了變減速比的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在接下來的數(shù)年內(nèi)，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)革新差不多都是基于液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，比較有代表性的是變流量泵液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Variable Displacement Power Steering Pump）和

32、電動液壓助力轉(zhuǎn)向（Electric Hydraulic Power Steering，簡稱EHPS）系統(tǒng)。變流量泵助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車處于比較高的行駛速度或者不需要轉(zhuǎn)向的情況下，泵的流量會相應(yīng)地減少，從而有利于減少不必要的功耗。電動液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用電動機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)向泵，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速可調(diào)，可以即時關(guān)閉，所以也能夠起到降低功耗的功效。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使駕駛室變得寬敞，布置更方便，降低了轉(zhuǎn)向操縱力，也使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更為靈敏。由于該類轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)成熟、能提供大的轉(zhuǎn)向操縱助力，目前在部分乘用車、大部分商用車特別是重型車輛上廣泛應(yīng)用。但是，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無法兼顧車輛低速時的轉(zhuǎn)向輕便性和高速時的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，因此在

33、1983年日本Koyo公司推出了具備車速感應(yīng)功能的電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。這種新型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以隨著車速的升高提供逐漸減小的轉(zhuǎn)向助力，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價較高，而且無法克服液壓系統(tǒng)自身所具有的許多缺點(diǎn)，是一種介于液壓助力轉(zhuǎn)向和電動助力轉(zhuǎn)向之間的過渡產(chǎn)品。到了1988年，日本鈴木公司首先在小型轎車Cervo上配備了Koyo公司研發(fā)的轉(zhuǎn)向柱助力式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；1990年，日本本田公司也在運(yùn)動型轎車NSX上采用了自主研發(fā)的齒條助力式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。目前可用于乘用車的主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要有兩種形式：一種是以寶馬和ZF公司聯(lián)合開發(fā)的AFS系統(tǒng)為代表的機(jī)械式主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通過行星齒輪機(jī)械結(jié)構(gòu)增加一個輸入自由

34、度從而實(shí)現(xiàn)附加轉(zhuǎn)向，目前已裝配于寶馬5系的轎車上，以及韓國的MANDO、美國的TRW、日本的JTEKT公司也有類似產(chǎn)品；另一種是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(SWB)，利用控制器綜合駕駛員轉(zhuǎn)向角輸入和當(dāng)時的車輛狀態(tài)來決定轉(zhuǎn)向電機(jī)的輸出電流，最終驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)動。該系統(tǒng)在許多概念車和實(shí)驗(yàn)室研究中已廣泛采用，如通用公司的Sequel燃料電池概念車就采用了線控轉(zhuǎn)向技術(shù)。 線控轉(zhuǎn)向和機(jī)械式主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大的區(qū)別體現(xiàn)在當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，機(jī)械式主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍能通過轉(zhuǎn)向盤與車輪間的機(jī)械連接確保其轉(zhuǎn)向性能，而線控轉(zhuǎn)向必須通過系統(tǒng)主要零件的冗余設(shè)計(jì)來保證車輛的安全性。由于上述安全性和可靠性的原因，目前法律上還不允許將線控

35、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)直接裝備車輛。 （1） 機(jī)械式主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 下面以寶馬的AFS系統(tǒng)為例，介紹機(jī)械式主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理。該系統(tǒng)主要由三大子系統(tǒng)組成：液壓助力齒輪齒條動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、變傳動比執(zhí)行系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。 該系統(tǒng)除傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向機(jī)械構(gòu)件外，主要包括兩大核心部件：一是一套雙行星齒輪機(jī)構(gòu)，通過疊加轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)變傳動比功能；二是Sewtronic液力伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力功能。在駕駛過程中，駕駛員輸入的力矩和轉(zhuǎn)角共同傳遞給扭桿，其中的力矩輸入由液力伺服機(jī)構(gòu)根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行助力控制，而角輸入則通過由伺服電機(jī)驅(qū)動的雙行星齒輪機(jī)構(gòu)與控制器輸出的附加轉(zhuǎn)角進(jìn)行

36、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(jī)構(gòu)的最終轉(zhuǎn)角。其中，控制器輸出的轉(zhuǎn)角是根據(jù)各個傳感器的信號，包括車輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向角度、偏轉(zhuǎn)率、橫向加速度經(jīng)綜合計(jì)算得到的。由于寶馬主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不僅能夠?qū)D(zhuǎn)向力矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且還可以對轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行調(diào)整，因而可以使轉(zhuǎn)向輸入與當(dāng)前的車速達(dá)到最佳匹配。 圖1 寶馬主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理圖 （2）線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 一般來說，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由方向盤總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成和主控制器(ECU)3個主要部分以及自動防故障系統(tǒng)、電源等輔助系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。 圖2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 方向盤總成包括方向盤、方向盤轉(zhuǎn)角傳

37、感器、力矩傳感器、方向盤回正力矩電機(jī)。其主要功能是將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖(通過測量方向盤轉(zhuǎn)角)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并傳遞給主控制器；同時接受主控制器送來的力矩信號，產(chǎn)生方向盤回正力矩，以提供給駕駛員相應(yīng)的路感信息。 轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成包括前輪轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器和前輪轉(zhuǎn)向組件等。轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成的功能是接受主控制器的命令，通過轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器控制轉(zhuǎn)向車輪轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。 主控制器對采集的信號進(jìn)行分析處理，判別汽車的運(yùn)動狀態(tài)，給方向盤回正力電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)發(fā)送指令，控制兩個電機(jī)的工作，保證各種工況下都具有理想的車輛響應(yīng)，以減少駕駛員對汽車轉(zhuǎn)向特性隨車速變化的補(bǔ)償任務(wù)，減輕駕駛員負(fù)擔(dān)

38、。同時控制器還可以對駕駛員的操作進(jìn)行判別。 　 由于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特殊性，因而自動防故障系統(tǒng)成為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要模塊，它包括一系列的監(jiān)控和實(shí)施算法，針對不同的故障形式和故障等級做出相應(yīng)的處理，以求最大限度地保持汽車的正常行駛。 1.4汽車主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要研究內(nèi)容 主動前輪轉(zhuǎn)向作為一項(xiàng)新的轉(zhuǎn)向技術(shù)，它的核心在于通過對前輪施加一個不依賴駕駛員轉(zhuǎn)向盤輸入的附加轉(zhuǎn)角來提高車輛的操作性、穩(wěn)定性和軌跡保持能力。依據(jù)駕駛條件，自動調(diào)節(jié)車輛轉(zhuǎn)向傳動比，以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立于駕駛員的轉(zhuǎn)向干預(yù)。在低速時，電動機(jī)的作用與駕駛者轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的方向一致，轉(zhuǎn)向傳動比增大，可以減少駕駛者對轉(zhuǎn)向力的需求。在高速時，電動機(jī)

39、的運(yùn)轉(zhuǎn)方向與駕駛者轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤方向相反，這就減少了前輪的轉(zhuǎn)向角度，轉(zhuǎn)向傳動比減小，轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性提高。 根據(jù)附加轉(zhuǎn)角疊加方式的不同，可將主動前輪轉(zhuǎn)向分為機(jī)械式（機(jī)械疊加轉(zhuǎn)向系統(tǒng)）和電子式（線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)）。 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Steer by Wire system，簡稱SBW系統(tǒng))是指用通訊網(wǎng)絡(luò)連接各部件，取消了轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接（傳動軸等）。駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，控制器ECU根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩傳感器和車速傳感器等測得的信號，向轉(zhuǎn)向電機(jī)發(fā)出控制信號，使轉(zhuǎn)向電機(jī)進(jìn)行位置閉環(huán)控制和電流閉環(huán)控制，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的前輪轉(zhuǎn)角。同時，ECU還根據(jù)轉(zhuǎn)向盤回正力矩的要求控制轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)矩反饋到電機(jī)實(shí)現(xiàn)期望的回正

40、力矩。 優(yōu)點(diǎn)是:取消了轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，占據(jù)空間小，便于布置，并可消除碰撞時轉(zhuǎn)向器后移對駕駛員的傷害，路面的沖擊也不會直接傳到駕駛員手上。 缺點(diǎn)是：由于取消了機(jī)械連接，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時（例如斷電）司機(jī)無法操縱轉(zhuǎn)向，致使轉(zhuǎn)向失靈發(fā)生事故。 機(jī)械式疊加轉(zhuǎn)向是以目前的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為基礎(chǔ)，將單自由度傳動改變?yōu)?個自由度傳動，即：方向盤轉(zhuǎn)動為一個自由度，輸出主要轉(zhuǎn)角，另一個自由度由電機(jī)控制（主動控制），輸出附加轉(zhuǎn)角，實(shí)際輸出的轉(zhuǎn)角＝方向盤轉(zhuǎn)角＋附加轉(zhuǎn)角。 寶馬和ZF公司聯(lián)合開發(fā)的AFS系統(tǒng)為代表的機(jī)械式主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng),通過行星齒輪機(jī)械結(jié)構(gòu)增加一個輸入自由度從而實(shí)現(xiàn)附加轉(zhuǎn)向,目前已裝配于寶

41、馬5系的轎車上,韓國的MANDO、美國的TRW、日本的JTEKT公司也有類似產(chǎn)品。 該系統(tǒng)除傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向機(jī)械構(gòu)件外,主要包括兩大核心部件:一是一套雙行星齒輪機(jī)構(gòu),通過疊加轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)變傳動比功能，二是Servtronic液力伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng),用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行助力控制,而角輸入則通過由伺服電機(jī)驅(qū)動的雙行星齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)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(jī)構(gòu)的最終轉(zhuǎn)角。與常規(guī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)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(jìn)行調(diào)節(jié)，而且還可以對轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行調(diào)整

42、,使其與當(dāng)前的車速達(dá)到完美匹配。 本論文主要研究內(nèi)容是雙行星齒輪機(jī)構(gòu)在汽車主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上的應(yīng)用。 第二章 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的理論分析 2.1轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)動效率 轉(zhuǎn)向器的輸出功率與輸入功率之比稱為轉(zhuǎn)向器傳動效率。在功率由轉(zhuǎn)向軸輸入，由轉(zhuǎn)向搖臂輸出的情況下求得的傳動效率稱為正效率，而傳動方向與上述相反時求得的效率則稱為逆效率。逆效率很高的轉(zhuǎn)向器很容易將經(jīng)轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)傳來的路面反力傳到轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向盤上，故稱為可逆式轉(zhuǎn)向器?？赡媸睫D(zhuǎn)向器有利于汽車轉(zhuǎn)向結(jié)束后轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤自動回正，但也能將壞路面對車輪的沖擊力傳到轉(zhuǎn)向盤，發(fā)生“打手”情況。 逆效率很低的轉(zhuǎn)向器

43、稱為不可逆式轉(zhuǎn)向器。不平道路對轉(zhuǎn)向輪的沖擊載荷輸入到這種轉(zhuǎn)向器，即由其中各傳動零件（主要是傳動副）承受，而不會傳到轉(zhuǎn)向盤上。路面作用于轉(zhuǎn)向輪上的回正力矩同樣也不能傳到轉(zhuǎn)向盤。這就使得轉(zhuǎn)向輪自動回正成為不可能。此外，道路的轉(zhuǎn)向阻力矩也不能反饋到轉(zhuǎn)向盤，使得駕駛員不能得到路面反饋信息（所謂喪失“路感”），無法據(jù)以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向力矩。 通常，由轉(zhuǎn)向盤至轉(zhuǎn)向輪的效率即轉(zhuǎn)向系的正效率的平均值為0.67～0.82；當(dāng)向上述相反方向傳遞力時逆效率的平均值為0.58～0.63。轉(zhuǎn)向操縱及傳動機(jī)構(gòu)的效率用于評價在這些機(jī)構(gòu)中的摩擦損失，其中轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向主銷等的摩擦損失約為轉(zhuǎn)向系總損失的40%～50%，而拉桿球銷的摩擦損

44、失約為轉(zhuǎn)向系總損失的10%～15%。 2.2轉(zhuǎn)向系的轉(zhuǎn)動比變化特性 （1）角傳動比 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的增量與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角的相應(yīng)增量之比，稱為轉(zhuǎn)向系的角傳動比。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的增量與轉(zhuǎn)向搖臂軸轉(zhuǎn)角的相應(yīng)增量之比，稱為轉(zhuǎn)向器的角傳動比。轉(zhuǎn)向搖臂軸轉(zhuǎn)角的增量與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角的相應(yīng)增量之比，稱為轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的角傳動比。 現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的角傳動比多在0.85～1.1之間，即近似為1。故研究轉(zhuǎn)向系的角傳動比時，為簡化起見往往只研究轉(zhuǎn)向器的角傳動比及其變化規(guī)律即可。 （2）力傳動比 轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的力傳動比等于轉(zhuǎn)向車輪的轉(zhuǎn)向阻力矩與轉(zhuǎn)向搖臂的力矩T之比值。與轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置型式及其桿件所處的轉(zhuǎn)

45、向位置有關(guān)。：當(dāng)轉(zhuǎn)向阻力矩一定時，增大力傳動比，就能減小作用在轉(zhuǎn)向盤上的切向力，使操縱輕便。 （3）傳動器角傳動比的變化規(guī)律 轉(zhuǎn)向器的角傳動比是一個重要參數(shù)，它影響著汽車的許多轉(zhuǎn)向性能。由于增大轉(zhuǎn)向器角傳動比可以增大力傳動比，因此轉(zhuǎn)向器的角傳動比不僅對轉(zhuǎn)向靈敏性和穩(wěn)定性有直接影響，而且也影響著汽車的操縱輕便性?？紤]到≈1，可以看出：轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向器的角傳動比成反比。增大會使在同一轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角下的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角變小，使轉(zhuǎn)向操縱時間變長，汽車轉(zhuǎn)向靈敏性降低。因此轉(zhuǎn)向“輕便性”與“靈敏性”是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中遇到的一對矛盾。采用可變角傳動比的轉(zhuǎn)向器可協(xié)調(diào)對“輕便性”和“靈敏性”的要求。而轉(zhuǎn)向器角傳動比的變

46、化規(guī)律又因轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)型式和參數(shù)的不同而異。轉(zhuǎn)向器的角傳動比隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的變化特性有不變和可變之分。 2.3 轉(zhuǎn)向器的傳動間隙特性 轉(zhuǎn)向器的傳動間隙是指轉(zhuǎn)向器傳動副之間的間隙。該間隙隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的改變而改變。通常將這種變化關(guān)系稱為轉(zhuǎn)向器的傳動間隙特性。研究該傳動間隙特性的意義在于它對汽車直線行駛時的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向器的壽命都有直接影響。 當(dāng)轉(zhuǎn)向盤處于中間位置即汽車作直線行駛時，如果轉(zhuǎn)向器有傳動間隙則將使轉(zhuǎn)向輪在該間隙范圍內(nèi)偏離直線行駛位置而失去穩(wěn)定性。為防止這種情況發(fā)生，要求當(dāng)轉(zhuǎn)向盤處于中間位置時轉(zhuǎn)向器的傳動副為無隙嚙合。這一要求應(yīng)在汽車使用的全部時間內(nèi)得到保證。汽車多直行行駛，因此

47、轉(zhuǎn)向器傳動副在中間部位的磨損量大于其兩端。為了保證轉(zhuǎn)向器傳動副磨損最大的中間部位能通過調(diào)整來消除因磨損而形成的間隙，調(diào)整后當(dāng)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時又不致于使轉(zhuǎn)向器傳動副在其他嚙合部位卡住。為此應(yīng)使傳動間隙從中間部位到兩端逐漸增大，并在端部達(dá)到其最大值（曠量轉(zhuǎn)角約為），以利于對間隙的調(diào)整及提高轉(zhuǎn)向器的使用壽命。不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向器其傳動間隙特性亦不同。 第三章 奧迪動態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 3.1 汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 3.1.1機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡介 機(jī)械轉(zhuǎn)向系以駕駛員的體力作為轉(zhuǎn)向能源，其中所有傳力件都是機(jī)械的。機(jī)械轉(zhuǎn)向系由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)三大部分組成。 （1）轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)由方向盤

48、、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向管柱等組成，它的作用是將駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的操縱力傳給轉(zhuǎn)向器。 （2）轉(zhuǎn)向器 轉(zhuǎn)向器（也常稱為轉(zhuǎn)向機(jī)是完成由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動到直線運(yùn)動（或近似直線運(yùn)動）的一組齒輪機(jī)構(gòu)，同時也是轉(zhuǎn)向系中的減速傳動裝置。 目前較常用的有齒輪齒條式、循環(huán)球曲柄指銷式、蝸桿曲柄指銷式、循環(huán)球-齒條齒扇式、蝸桿滾輪式等。我們主要介紹前幾種。 1） 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器分兩端輸出式和中間（或單端）輸出式兩種。 兩端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器如圖13所示，作為傳動副主動件的轉(zhuǎn)向齒輪軸11通過軸承12和13安裝在轉(zhuǎn)向器殼體5中，其上端通過花鍵與萬向節(jié)叉10和轉(zhuǎn)向軸連接。與轉(zhuǎn)向齒輪嚙合的轉(zhuǎn)向齒條4水平

49、布置，兩端通過球頭座3與轉(zhuǎn)向橫拉桿1相連。彈簧7通過壓塊9將齒條壓靠在齒輪上，保證無間隙嚙合。彈簧的預(yù)緊力可用調(diào)整螺塞6調(diào)整。當(dāng)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，轉(zhuǎn)向器齒輪11轉(zhuǎn)動，使與之嚙合的齒條4沿軸向移動，從而使左右橫拉桿帶動轉(zhuǎn)向節(jié)左右轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)向車輪偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向。另一種是中間輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，其結(jié)構(gòu)及工作原理與兩端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器基本相同，不同之處在于它在轉(zhuǎn)向齒條的中部用螺栓6與左右轉(zhuǎn)向橫拉桿7相連。在單端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器上，齒條的一端通過內(nèi)外托架與轉(zhuǎn)向橫拉桿相連。 1.萬向節(jié)叉 2.轉(zhuǎn)向齒輪軸 3.調(diào)整螺母 4.向心球軸承 5.滾針軸承 6.固定螺栓 7.轉(zhuǎn)向橫拉桿 8

50、.轉(zhuǎn)向器殼體 9.防塵套 10.轉(zhuǎn)向齒條 11.調(diào)整螺塞 12.鎖緊螺母 13.壓緊彈簧 14.壓塊 圖13 兩端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器 2）循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式之一，一般有兩級傳動副，第一級是螺桿螺母傳動副，第二級是齒條齒扇傳動副。為了減少轉(zhuǎn)向螺桿轉(zhuǎn)向螺母之間的摩擦，二者的螺紋并不直接接觸，其間裝有多個鋼球，以實(shí)現(xiàn)滾動摩擦。轉(zhuǎn)向螺桿和螺母上都加工出斷面輪廓為兩段或三段不同心圓弧組成的近似半圓的螺旋槽。二者的螺旋槽能配合形成近似圓形斷面的螺旋管狀通道。螺母側(cè)面有兩對通孔，可將鋼球從此孔塞入螺旋形通道內(nèi)。轉(zhuǎn)向螺母外有兩根鋼球?qū)Ч?，每根?dǎo)管的兩端分

51、別插入螺母側(cè)面的一對通孔中。導(dǎo)管內(nèi)也裝滿了鋼球。這樣，兩根導(dǎo)管和螺母內(nèi)的螺旋管狀通道組合成兩條各自獨(dú)立的封閉的鋼球“流道”。轉(zhuǎn)向螺桿轉(zhuǎn)動時，通過鋼球?qū)⒘鹘o轉(zhuǎn)向螺母，螺母即沿軸向移動。同時，在螺桿及螺母與鋼球間的摩擦力偶作用下，所有鋼球便在螺旋管狀通道內(nèi)滾動，形成"球流"。在轉(zhuǎn)向器工作時，兩列鋼球只是在各自的封閉流道內(nèi)循環(huán)，不會脫出。 3）蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器 蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器的傳動副（以轉(zhuǎn)向蝸桿為主動件，其從動件是裝在搖臂軸曲柄端部的指銷。轉(zhuǎn)向蝸桿轉(zhuǎn)動時，與之嚙合的指銷即繞搖臂軸軸線沿圓弧運(yùn)動，并帶動搖臂軸轉(zhuǎn)動。 （3）轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的功用是將轉(zhuǎn)向器輸出的力和運(yùn)動傳到

52、轉(zhuǎn)向橋兩側(cè)的轉(zhuǎn)向節(jié)，使兩側(cè)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，且使二轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角按一定關(guān)系變化，以保證汽車轉(zhuǎn)向時車輪與地面的相對滑動盡可能小。 3.1.2動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 使用機(jī)械轉(zhuǎn)向裝置可以實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向，當(dāng)轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷較大時，僅靠駕駛員的體力作為轉(zhuǎn)向能源則難以順利轉(zhuǎn)向。動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加設(shè)一套轉(zhuǎn)向加力裝置而形成的。轉(zhuǎn)向加力裝置減輕了駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤的作用力。轉(zhuǎn)向能源來自駕駛員的體力和發(fā)動機(jī)（或電動機(jī)），其中發(fā)動機(jī)（或電動機(jī)）占主要部分，通過轉(zhuǎn)向加力裝置提供。正常情況下，駕駛員能輕松地控制轉(zhuǎn)向。但在轉(zhuǎn)向加力裝置失效時，就回到機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)狀態(tài)，一般來說還能由駕駛員獨(dú)立承擔(dān)汽車轉(zhuǎn)向任務(wù)。 動

53、力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于使轉(zhuǎn)向操縱靈活、輕便，在設(shè)計(jì)汽車時對轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)形式的選擇靈活性增大，能吸收路面對前輪產(chǎn)生的沖擊等優(yōu)點(diǎn)，因此已在各國的汽車制造中普遍采用。但是，具有固定放大倍率的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是：如果所設(shè)計(jì)的固定放大倍率的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是為了減小汽車在停車或低速行駛狀態(tài)下轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的力，則當(dāng)汽車以高速行駛時，這一固定放大倍率的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)會使轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的力顯得太小，不利于對高速行駛的汽車進(jìn)行方向控制；反之，如果所設(shè)計(jì)的固定放大倍率的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是為了增加汽車在高速行駛時的轉(zhuǎn)向力，則當(dāng)汽車停駛或低速行駛時，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤就會顯得非常吃力。電子控制技術(shù)在汽車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用，使汽車的駕駛性能達(dá)到令

54、人滿意的程度。電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在低速行駛時可使轉(zhuǎn)向輕便、靈活；當(dāng)汽車在中高速區(qū)域轉(zhuǎn)向時，又能保證提供最優(yōu)的動力放大倍率和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向手感，從而提高了高速行駛的操縱穩(wěn)定性。 電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（簡稱EPS-Electronic Control Power Steering），根據(jù)動力源不同又可分為液壓式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（液壓式EPS）和電動式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（電動式EPS）。液壓式EPS是在傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)了控制液體流量的電磁閥、車速傳感器和電子控制單元等，電子控制單元根據(jù)檢測到的車速信號，控制電磁閥，使轉(zhuǎn)向動力放大倍率實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，從而滿足高、低速時的轉(zhuǎn)向助力要

55、求。電動式EPS是利用直流電動機(jī)作為動力源，電子控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)向參數(shù)和車速等信號，控制電動機(jī)扭矩的大小和方向。電動機(jī)的扭矩由電磁離合器通過減速機(jī)構(gòu)減速增扭后，加在汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，使之得到一個與工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。 （1） 液壓式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 液壓式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)屬于轉(zhuǎn)向加力裝置的部件是：轉(zhuǎn)向液壓泵、轉(zhuǎn)向油管、轉(zhuǎn)向油罐 以及位于整體式轉(zhuǎn)向器 內(nèi)部的轉(zhuǎn)向控制閥及轉(zhuǎn)向動力缸等。當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，通過機(jī)械轉(zhuǎn)向器使轉(zhuǎn)向橫拉桿移動，并帶動轉(zhuǎn)向節(jié)臂，使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，從而改變汽車的行駛方向。與此同時，轉(zhuǎn)向器輸入軸還帶動轉(zhuǎn)向器內(nèi)部的轉(zhuǎn)向控制閥轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)向動力缸產(chǎn)生液壓作用力，幫助駕駛員轉(zhuǎn)向操作。由于有

56、轉(zhuǎn)向加力裝置的作用，駕駛員只需比采用機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時小得多的轉(zhuǎn)向力矩，就能使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)。 液壓動力轉(zhuǎn)向系按系統(tǒng)內(nèi)部的壓力狀態(tài)分，有常壓式和常流式兩種。第一種為常壓式液壓動力轉(zhuǎn)向系。常壓式液壓動力轉(zhuǎn)向系如圖14所示。在汽車直線行駛，轉(zhuǎn)向盤保持中立位置時，轉(zhuǎn)向控制閥5經(jīng)常處于關(guān)閉位置。轉(zhuǎn)向油泵3輸出的壓力油充入儲能器2。當(dāng)儲能器壓力增長到規(guī)定值后，油泵即自動卸荷空轉(zhuǎn)，從而儲能器壓力得以限制在該規(guī)定值以下。當(dāng)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，機(jī)械轉(zhuǎn)向器6即通過轉(zhuǎn)向搖臂等桿件使轉(zhuǎn)向控制閥轉(zhuǎn)入開啟位置。此時儲能器中的壓力油即流入轉(zhuǎn)向動力缸4。動力缸輸出的液壓作用力，作用在轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)上，以助機(jī)械轉(zhuǎn)向器輸出力之不足。轉(zhuǎn)向盤一

57、停止運(yùn)動，轉(zhuǎn)向控制閥便隨之回復(fù)到關(guān)閉位置。于是，轉(zhuǎn)向加力作用終止。由此可見，無論轉(zhuǎn)向盤處于中立位置還是轉(zhuǎn)向位置，也無論轉(zhuǎn)向盤保持靜止還是運(yùn)動狀態(tài)，該系統(tǒng)工作管路中總是保持高壓。 第二種為常流式液壓動力轉(zhuǎn)向系。不轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向控制閥6保持開啟。轉(zhuǎn)向動力缸8的活塞兩邊的工作腔，由于都與低壓回油管路相通而不起作用。轉(zhuǎn)向油泵. 輸出的油液流入轉(zhuǎn)向控制閥，又由此流回轉(zhuǎn)向油罐1。因轉(zhuǎn)向控制閥的節(jié)流阻力很小，故油泵輸出壓力也很低，油泵實(shí)際上處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，通過機(jī)械轉(zhuǎn)向器7使轉(zhuǎn)向控制閥處于與某一轉(zhuǎn)彎方向相應(yīng)的工作位置時，轉(zhuǎn)向動力缸的相應(yīng)工作腔方與回油管路隔絕，轉(zhuǎn)而與油泵輸出管路相通，而

58、動力缸的另一腔則仍然通回油管路。地面轉(zhuǎn)向阻力經(jīng)轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)傳到轉(zhuǎn)向動力缸的推桿和活塞上，形成比轉(zhuǎn)向控制閥節(jié)流阻力高得多的油泵輸出管路阻力。于是轉(zhuǎn)向油泵輸出壓力急劇升高，直到足以推動轉(zhuǎn)向動力缸活塞為止。轉(zhuǎn)向盤停止轉(zhuǎn)動后，轉(zhuǎn)向控制閥隨即回復(fù)到中立位置，使動力缸停止工作。 上述兩種液壓動力轉(zhuǎn)向系相比較，常壓式的優(yōu)點(diǎn)在于有儲能器積蓄液壓能，可以使用流量較小的轉(zhuǎn)向油泵，而且還可以在油泵不運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下保持一定的轉(zhuǎn)向加力能力，使汽車有可能續(xù)駛一定距離。常流式的優(yōu)點(diǎn)則是結(jié)構(gòu)簡單，油泵壽命長，漏泄較少，消耗功率也較少。 1.轉(zhuǎn)向油罐 2.轉(zhuǎn)向油泵 3.儲能器 4.轉(zhuǎn)向動力缸 5.轉(zhuǎn)向控制閥 6.機(jī)

59、械轉(zhuǎn)向器 圖14 常壓式液壓動力轉(zhuǎn)向系示意圖 優(yōu)缺點(diǎn)：能耗較高，尤其早低速轉(zhuǎn)彎的時候，覺得方向比較沉，發(fā)動機(jī)也比較費(fèi)力氣。又由于液壓泵的壓力很大，也比較容易損害助力系統(tǒng)。 （2） 電動助力動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 電動助力動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡稱電動式EPS或EPS（Electronic Power Steering system）在機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加信號傳感器、電子控制單元和轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)。 根據(jù)電動機(jī)驅(qū)動部位的不同，將電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為三類：轉(zhuǎn)向軸助力式（圖15）、轉(zhuǎn)向器小齒輪助力式（圖16）和齒條助力式（圖17）。 1） 轉(zhuǎn)向軸助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由扭矩傳感器、電動機(jī)、離合器和轉(zhuǎn)

60、向助力機(jī)構(gòu)組成一體，安裝在轉(zhuǎn)向柱上。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、所測取的扭矩信號與控制直流電機(jī)助力的響應(yīng)性較好。這種類型一般在轎車上使用。 2）小齒輪助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的扭矩傳感器、電動機(jī)、離合器和轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)仍為一體，只是整體安裝在轉(zhuǎn)向小齒輪處，直接給小齒輪助力，可獲得較大的轉(zhuǎn)向力。該型式可使各部件布鼉更方便，但當(dāng)轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向器之間裝有萬向傳動裝置時，扭矩信號的取得與助力車輪部分不在同一直線上，其助力控制特性難以保證準(zhǔn)確。齒條助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的扭矩傳圖3-2到3-5轉(zhuǎn)向器小齒輪助力式感器單獨(dú)地安裝在小齒輪處，電動機(jī)與轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)一起安裝在小齒輪另一端的齒條處，用以給齒條助力。該類型又根據(jù)減速傳動機(jī)構(gòu)的不同

61、可分為兩種：一種是電動機(jī)做成中空的，齒條從中穿過，電動機(jī)動力經(jīng)一對斜齒輪和螺桿螺母傳動副以及與螺母制成一體的鉸接塊傳給齒條。這種結(jié)構(gòu)是第一代電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由于電動機(jī)位于齒條殼體內(nèi)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格高、維修也很困難。另～種是電動機(jī)與齒條的殼體相互獨(dú)立，電動機(jī)動力經(jīng)另一小齒輪傳給齒條，由于易于制造和維修，成本低，已取代了第一代產(chǎn)品。因?yàn)辇X條由一個獨(dú)立的齒輪驅(qū)動，可給系統(tǒng)較大的助 圖15 轉(zhuǎn)向助力式 力，主要用于重型汽車。 3）電動式EPS 是利用電動機(jī)作為助力源，根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向參數(shù)等因素，由電子控制單元完成助力控制，其原理可概括如下：當(dāng)操縱轉(zhuǎn)向盤時，裝在 圖16 轉(zhuǎn)向器小齒輪助力

62、式 轉(zhuǎn)向盤軸上的轉(zhuǎn)矩傳感器不斷地測出轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)矩信號，該信號與車速信號同時輸入到電子控制單元。電控單元根據(jù)這些輸入信號，確定助力轉(zhuǎn)矩的大小和方向，即選定電動機(jī)的電流和轉(zhuǎn)動方向，調(diào)整轉(zhuǎn)向輔助動力的大小。電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩由電磁離合器通過減速機(jī)構(gòu)減速增矩后，加在汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，使之得到一個與汽車工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。例如，?？怂沟腅HPAS電子液壓系統(tǒng)由電腦根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、車速以及方向盤轉(zhuǎn)角等信號，驅(qū)動電子泵給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供助力。助力感覺非常的自然。因此很多人對福克斯方向的感覺相當(dāng)不錯，轉(zhuǎn)向操控感覺可以說是隨心所欲。有些車也號稱采用電子助力，但是只是電機(jī)助力，沒有液壓輔助，容易產(chǎn)生噪音。助力效果也

63、遠(yuǎn)不如福克斯這一類型的電子助力。 圖17 齒條助力式 優(yōu)缺：能耗低，靈敏，電子單元控制，節(jié)省發(fā)動機(jī)功率，助力發(fā)揮比較理想。 3.2 奧迪動態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能 3.2.1可變的傳動比 期望橫擺角速度增益是評價轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一。定義為橫擺角速度相對于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的比值. 如果期望橫擺角速度太小，說明車輛的響應(yīng)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(dǎo)致車輛反應(yīng)過快。根據(jù)相關(guān)研究具有理想轉(zhuǎn)向特性的車輛必須滿足以下條件： （1）車輛等速轉(zhuǎn)向時，期望橫擺角速度必須保持為一定值； （2）期望橫擺角速度應(yīng)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)。

64、 傳統(tǒng)的定轉(zhuǎn)向傳動比機(jī)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(jī)構(gòu)完全能夠?qū)崿F(xiàn)。該系統(tǒng)傳動比在10～20之間，低速情況下，通過雙行星齒輪機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)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(shí)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(jī)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(shí)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(guān)系如圖18所示。 圖18 車速與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向角的關(guān)系 3.2.2轉(zhuǎn)向靈活性功能 在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角低頻輸入的條件下橫

65、擺角速度和側(cè)向加速度對于前輪轉(zhuǎn)向角的響應(yīng)可以簡化為一階滯后環(huán)節(jié)。，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(yīng)特性。通過加入諸如PD比例-微分控制等環(huán)節(jié)來補(bǔ)償相位滯后以改善人車閉環(huán)響應(yīng)特性，可提高車輛的轉(zhuǎn)向靈活性。 3.3 奧迪動態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 3.3.1主動轉(zhuǎn)向控制單元 安裝于駕駛?cè)说哪_坑處的座椅橫梁前，其功能可以分成兩個： （1）基本功能：計(jì)算并行轉(zhuǎn)角，以便實(shí)現(xiàn)可變傳動比。一般是根據(jù)車速和駕駛?cè)怂┘拥霓D(zhuǎn)角來確定。只要動態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無故障，這個調(diào)節(jié)過程就一直進(jìn)行。 （2）輔助功能：與

66、ESP控制單元協(xié)同工作。ESP控制單元計(jì)算出動態(tài)行駛時所期望的轉(zhuǎn)向角校正值，并將這些校正值通過CAN總線送至主動控制單元，主動控制單元將相應(yīng)的校正值加到計(jì)算出來的并行轉(zhuǎn)角中，于是作用到車輪上的就是經(jīng)過了校正的轉(zhuǎn)向角。 3.3.2執(zhí)行元件 轉(zhuǎn)向角的校正是通過執(zhí)行元件驅(qū)動轉(zhuǎn)向器主動齒輪轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)的，這個執(zhí)行元件由一個軸齒輪構(gòu)成，這個軸齒輪由一個電動機(jī)來驅(qū)動。在裝備了動態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時，由電動機(jī)直接驅(qū)動的齒輪有個100齒，輸出齒輪有102個齒。在動態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上，與轉(zhuǎn)向盤直接相連的轉(zhuǎn)向軸也與轉(zhuǎn)向主動齒輪相連，該連接是通過齒輪來實(shí)現(xiàn)的。如圖3所示，杯形件與轉(zhuǎn)向軸上部（它也直接與轉(zhuǎn)向盤相連）通過花鍵實(shí)現(xiàn)無間隙連接。這個杯形件外形像是個盆，壁薄而有彈性，這個壁上裝備有100個齒的外齒，與之配對使用的是一個齒圈，有102個內(nèi)齒。這個齒圈與轉(zhuǎn)向軸下部轉(zhuǎn)向器主動齒輪剛性連接（圖19）。 圖19 執(zhí)行元件 如圖20所示，轉(zhuǎn)向軸上部有一根空心軸，這根空心軸獨(dú)立地在執(zhí)行元件殼體內(nèi)轉(zhuǎn)動，由一個電動機(jī)直接驅(qū)動。為此，電動機(jī)的轉(zhuǎn)