【正文】 ..............................56 6 第一章 緒論 167。 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機構(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)向系統(tǒng)可分為機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩大類。機械轉(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)件是機械的，主要由轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機構(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（或電動機）的動力作為轉(zhuǎn)向能源的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在前輪負荷過大時往往導致轉(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)是在機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎上加設一套動力轉(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)向傳動比是嚴格固定的。轉(zhuǎn)向系定傳動比設計的缺陷主要表現(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)定性要求是當今車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計的核心問題之一。 167。 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：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 7 技術，通過對主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各種機制進行分析，為我國的相關領域提供借鑒。 論文研究的現(xiàn)實意義在于：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)的相關行業(yè)提供借鑒，具有重大的意義。 167。 主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀 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 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)。 2020 年寶馬公司在部分寶馬 3系、 5系轎車上裝備了主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)并成 功上市； 2020 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，也標志著寶馬主動轉(zhuǎn)向技術逐漸成熟。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動車中。 近些年來，國外一些學者對主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和主動轉(zhuǎn)向控制做了一些深入的研究。 Yoshiki Kawaguchi 計算出了一種基于被動適應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。 率和側(cè)向力的非線性關系以及路面摩擦力的不確定性。研究分析了基于模型參考自適應非線性控制的主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，實時仿真結(jié)果表明了該方法的有效性。 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，提出一種對預測輪胎 側(cè)向力進行補償?shù)闹鲃愚D(zhuǎn)向控制方法，通過設計模糊邏輯控制器進行硬件在環(huán)仿真，證明了該方法對主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行控制，通過模型預測控制器計算前輪轉(zhuǎn)角來跟蹤車輪在低附著路面上的運動軌跡，試驗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)車輛當前的行駛狀態(tài)來分配 AFS 和 DYC 各自 的任務。 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)的目標及結(jié)構(gòu)，設計了橫擺角速度反饋控制和前饋控制器并進行聯(lián)合。通過計算機模擬，考察了反饋控制對車輛橫向穩(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。 國內(nèi)研究及發(fā)展現(xiàn)狀 8 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)的控制技術正隨著主動前輪轉(zhuǎn)向技術的發(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。 同濟大學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)定車輛等功能的實現(xiàn)原理和系統(tǒng)安全性設計；并采用橫擺角速度反饋和前饋控制，提高了車輛橫向穩(wěn)定性能，并對側(cè)向風干擾、車速、路面附著系數(shù)及前后輪轉(zhuǎn)彎剛度等參數(shù)具有極強的魯棒性。 同濟大學萬鋼教授、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，并將所計算的目標控制量輸送到驅(qū)動和制動轉(zhuǎn)向控制模塊中，然后主動轉(zhuǎn)向控制模塊計算出轉(zhuǎn)向前輪轉(zhuǎn)角修正量，將相應要求送至 EPS 系統(tǒng)。該發(fā)明將 AFS 模塊和 ESP實現(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。 同濟大學碩士高曉杰、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 ESP 控制策略。分析兩者控制性能的基礎 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驗證，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，如何設計汽車的轉(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)巳汉拖喈敶蟮娜巳簩τ谄嚨牟倏v性有著越來越高的要求并且也同時要求駕駛的舒適性，汽車的操縱設計顯得尤為重要與迫切。 最開始的時候汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是機械系統(tǒng)，汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是由駕駛員操縱方向盤，通過轉(zhuǎn)向器和一系列的桿件傳遞到轉(zhuǎn)向車輪而實現(xiàn)的。 裝配 機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車，在泊車和低速行駛時駕駛員的轉(zhuǎn)向操縱負擔過于沉重， 20 世紀 40 年代起，為了減輕駕駛員的體力負擔，在機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎上增加了液壓轉(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)采用電動機驅(qū)動轉(zhuǎn)向泵，由于電機的轉(zhuǎn)速可調(diào)，可以即時關閉，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 1983 年日本 Koyo 公司推出了具備車速感應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)復雜、造價較高，而且無法克服液壓系統(tǒng)自身所具有的 9 許多缺點，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)為代表的機械式主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通過行星齒輪機械結(jié)構(gòu)增加一個輸入自由度從而實現(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)向角輸入和當時的車輛狀態(tài)來決定轉(zhuǎn)向電機的輸出電流，最終驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)動。該系統(tǒng)在許多概念車和實驗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。 線控轉(zhuǎn)向和機械式主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大的區(qū)別體現(xiàn)在當系統(tǒng)發(fā)生故障時，機械式主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍能通過轉(zhuǎn)向盤與車輪間的機械連接確保其轉(zhuǎn)向性能，而線控轉(zhuǎn)向必須通過系統(tǒng)主要零件的冗余設計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轉(zhuǎn)向系統(tǒng)直接裝備車輛。 （ 1） 機械式主動轉(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構(gòu)根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向角度進行助力控制，而角輸入則通過由伺服電機驅(qū)動的雙行星齒輪機構(gòu)與控制器輸出的附加轉(zhuǎn)角進行角疊加，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)向力矩進行調(diào)節(jié)，而且還可以對轉(zhuǎn)向角度進行調(diào)整，因而可以使轉(zhuǎn)向輸入與當前的車速達到最佳匹配。 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 10 (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)角傳感器、力矩傳感 器、方向盤回正力矩電機。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、轉(zhuǎn)向電機控制器和前輪轉(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)向電機控制器控制轉(zhuǎn)向車輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。 主控制器對采集的信號進行分析處理，判別汽車的運動狀態(tài)，給方向盤回正力電機和轉(zhuǎn)向電機發(fā)送指令，控制兩個電機的工作，保證各種工況下都具有理想的車 輛響應，以減少駕駛員對汽車轉(zhuǎn)向特性隨車速變化的補償任務，減輕駕駛員負擔。同時控制器還可以對駕駛員的操作進行判別。 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)控和實施算法，針對不同的故障形式和故障等級做出相應的處理，以求最大限度地保持汽車的正常行駛。 167。 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)向作為一項新的轉(zhuǎn)向技術，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，