【正文】 ， mtn 、 swn 、 1sumn 、 2sumn 分別為電機轉速、方向盤轉速、方向盤控制輸出總轉角轉速，電機控制總轉角轉速。由于 312 10a a m?? ? ? ，扭桿在中位時左右兩側各有 10 m?? 的余量，如果轉換為閥芯與閥套相對旋轉角度左右各有 ，即如果駕駛員向方向盤施加轉矩讓閥芯與閥套產生相對角度超過 ，油路打開。假設左轉向的方向為正方向，通左缸的閥口面積為 1A ，通右缸的閥口面積為 2A 。 燕山大學本 科生畢業(yè)設計（論文） 26 本章小結 本章介紹主動前輪轉向結構的組成，并 利用不同的手段工具進行各部件的原理介紹，深入了設計原理和方案，便于理解和掌握。右側的太陽輪作為輸出軸，其輸出的轉向角度是由轉向盤轉向角度與伺服電機驅動的轉向角度疊加得到，也就是汽車的實際轉向角度。當轉向器油缸中壓力大于控制所需的壓力時，高壓油通過限流器將液壓油引向壓力控制閥實現(xiàn)壓力控制功能。在車輛轉彎時，駕駛員將方向盤轉動傳給扭桿，使得液力伺服機構內部的閥芯和閥套有相對轉動，依據(jù)車速和轉向角度等信息，液力系第 3章 主動前輪轉向結構的設計方案 21 統(tǒng)對轉向器齒輪齒條機構進行力輸入；在不同工況下，伺服電機以不同轉速通過渦輪蝸桿機構驅動行星齒輪組外殼，使得從方向盤傳來的轉角和行星齒輪組外殼的轉角進行疊加，疊加之后的轉角作為齒輪齒條機構的角輸入，達到轉向系傳動比可變的功能。 DSC 的閾值高于主動轉向系統(tǒng)的動作閾值。轉向系統(tǒng)的設計要求是，速度較高時傳動比較大，速度較低時傳動比較小。但是設計師們也想出了種種辦法來盡量增強操 控穩(wěn)定性，來減小這種弊端。助力轉向系統(tǒng)主要由油泵、控制閥、螺桿螺母式轉向器及助力缸等組成。典型的機器人線性控制 ?H 見于文獻，將建模誤差以及負載變化的不確定因素等價地表示為模型參數(shù)的攝動，通過非線性補償?shù)玫揭粋€簡單的帶有不確定性攝動 部分的線性狀態(tài)方程，然后運用 ?H 標準設計問題的燕山大學本 科生畢業(yè)設計（論文） 18 狀態(tài)反饋方法求得控制器，使得閉環(huán)系統(tǒng)具有所要求的魯棒穩(wěn)定性。 在 50 年代蓬勃興起的航天技術的推動下，控制理論在 1960 年前后開始了從經典階段到現(xiàn)代階段的過渡，其重要標志之一是卡爾曼系統(tǒng)地把狀態(tài)空間法引入到系統(tǒng)與控制理論中。同時，該模型只是用于車輛動力學仿真，不是用于控制器設計，其模型非線性對仿真沒有影響。汽車系統(tǒng)動力學的研究內容歸納為以下四點： 1．路面特性分析、環(huán)境分析及環(huán)境與路面對汽車的作用； 2．汽車系統(tǒng)燕山大學本 科生畢業(yè)設計（論文） 16 及其部件的運動學和動力學，汽車內各子系統(tǒng)的相互作用； 3．汽車系統(tǒng)最佳控制和最佳使用； 4．車輛人系統(tǒng)的相互匹配和模型研究，駕駛員模型，以使車輛的工程技術設計適合于人的使用，從而使人 —機系統(tǒng)對工作效率最高。因此主動前輪轉向可以提供緊急情況下的駕駛安全性和車輛穩(wěn)定性。在高速工況下，轉向傳動比較大，駕駛員能夠更加穩(wěn)定地操控車輛，根據(jù)車輛動力學可知，車輛在高速行駛時其橫向穩(wěn)定性受前輪轉角變化的影響非常大，即使前輪有一個微小的轉角也會使車輛產生一個較大的橫向移 動，采用較大的轉向傳動比可以有效降低車輛高速時轉向的靈敏度，從而克服此類問題。主動轉向可實現(xiàn)如下功能： （ 1）低速轉向輕便，高速轉向穩(wěn)定； （ 2）轉向系統(tǒng)動態(tài)響應快； （ 3）在危險工況下實現(xiàn)車輛穩(wěn)定性的控制。 主控制器對采集的信號進行分析處理，根據(jù)車輛動力學理論分析車輛運動狀態(tài)，利用控制算法結合車輛狀態(tài)做出決策，向轉向盤回正力矩電機和轉第 2章 動力轉向和主動轉向的發(fā)展史 13 向電機發(fā)出控制指令，控制兩個電機的轉速、轉矩，保證車輛在各種工況下都具有理想的動態(tài)響應特性，以減少駕駛員對車輛轉向特性隨車速變化進行的補償控制任務，減輕駕駛員負擔。 國內動力轉向器目前還處于機械 —液壓動力轉向階段，對于電動助力轉向系統(tǒng)，清華大學、北京理工大學、華南理工大學等高校開展了系統(tǒng)結構方案設計和系統(tǒng)建模及動力分析等研究，但目前還沒有實用的電動助力轉向系統(tǒng)和電子轉向系統(tǒng)。 日本大學和本田汽車公司在汽車電子轉向系統(tǒng)方面也做了一些理論工作和模擬器試驗研究。市區(qū)型開關還與油門有關，使得在踩油門加速和松油門減速時，轉向更平滑。Delphi 公司已經為大眾的 Polo、菲亞特 Punto 開發(fā)出 EPS。 自 1953 年通用汽車公司在凱迪拉克和別克轎車上首次批量使用液壓動力轉向系統(tǒng)以來，液壓動力轉向系統(tǒng)給汽車的發(fā)展帶來了巨大的變化，使駕駛員的轉向操縱力大大降低，轉向的靈敏性得到了提高。與液壓助力轉向相比，其轉向助力電機這有在車輛轉向時實施助力功能，減少了燃料消耗； （ 3）助力轉向系統(tǒng)的能量來自于車載蓄電池，與發(fā)動機無關，即使車輛發(fā)動機出現(xiàn)熄火或故障的情況下也能提供轉向助力； （ 4）電動助力轉向系統(tǒng)沒有油泵、液壓油等零件，零件數(shù)比液壓助力轉向大為減小，易于設計和安裝。通常情況下，車輛轉向所需的轉矩是由發(fā)動機通過驅動油泵所提供。使得車輛在高低速時都能夠行駛更加靈活、敏捷，同時提高汽車行駛穩(wěn)定性。同時開發(fā)性能可靠、價格合理的車輛主動轉向系統(tǒng)也會帶來可觀的經濟效益， 2021 年我國已經超過美國成為全球第一大汽車生產國和汽車消費國，而且隨著我國國民收入的增長，消費者對于車輛的安全性能也提出了更高的需求，成熟的車輛主動轉向系統(tǒng)將成為車輛購買時的選配之一，其市場前景極為廣闊。采用提出的主動轉向控制策略時穩(wěn)態(tài)質心側偏角大大降低，開環(huán)總方差大大降低，提高了車輛操縱穩(wěn)定性。 吉林大學對于汽車線控轉向控制進行較為深入的研究 [12]。通常情況下使用配置在豎軸上的 “ 差動馬達 ” ，調整后傾角，但此時會作為扭矩而給司機帶來不適應感。 傳動比速 度 （ k m / h ） 圖 11 結構圖 圖 12 可變傳動比 2． 德爾福主動前輪轉向系統(tǒng) 德爾福的主動前輪轉向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)液 壓轉向系統(tǒng)基礎上進行了改進，在轉向管柱內集成一個小行星齒輪箱，電機控制行星齒輪箱，增加或減小前輪轉向角度。 國內外文獻綜述 國外研究現(xiàn)狀 1． 寶馬主動前輪轉向系統(tǒng) 寶馬主動前輪轉向系統(tǒng)除轉向機構外，主要包括兩大核心部件：一是一套雙行星齒輪機構，通過疊加轉向實現(xiàn)變傳動比功能；二是電子伺服助力轉向系統(tǒng)（ Servotronic Power Steering System），用于實現(xiàn)轉向助力功能，如圖1圖 12 所示 。我們以寶馬轎車上選裝的主動轉向系統(tǒng)為例，詳細介紹了主動轉向系統(tǒng)的結構和組成、雙行星齒輪機構工作原理及工作模式，以及該系統(tǒng)可傳動穩(wěn)定功能實現(xiàn)的原理和系統(tǒng)安全設計性設計。主動前輪轉向通過電機根據(jù)車速和行駛工況改變轉向傳動比。 Active front steering。最終從輸出軸傳出的角度是由駕駛員轉向盤角度疊加電機的附加角度而成。德爾福系統(tǒng)能有效改善車輛穩(wěn)定控制并采用理想的可變轉向傳動比，同時可以較好地獲得來自路面的轉向阻力、轉向回位性能和轉向路感等， 圖 13 為德爾福主動轉向系統(tǒng)圖。此外，通過改進控制方法，還提高了操縱性。 圖 15 吉林大學線控轉向試驗臺 同濟大學對于車輛主動轉向進行了較為深入的研究 [67]，利用 ?H 魯棒控制理論設計了主動前輪轉向控制器的反饋和前饋部分，針對大側向風干擾和雙移線操縱進行了仿真實驗。 EPS執(zhí)行器實現(xiàn)轉向盤轉向力矩的控制， AFS 執(zhí)行器實現(xiàn)可變傳動比控制和車輪穩(wěn)定性控制。受經濟和科研條件限制，我國車輛整體研究要落后于世界先進水平。 3． 完成電液主動轉向器液壓助力轉向機構各零部件尺寸測量。 （ 3）轉向回正性差。電控液壓助力轉向系統(tǒng)利用電控單元根據(jù)車輛速度調節(jié)作用在方向盤上的助力，通過控制轉向控制閥閥芯和閥套的開啟程度，調節(jié)液壓助力系統(tǒng)助力的大小，從而實現(xiàn)輔助轉向力矩隨著車輛行駛速度變化而變化。但是動力轉向系統(tǒng)的技術革新都是基于液壓動力轉向系統(tǒng)的，無法消除 HPS 系統(tǒng)在布置、安裝、密 封性、操縱靈敏度、能量消耗、磨損與噪聲等方面的缺陷。日本早期開發(fā)的 EPS 僅僅在低速和停車時提第 2章 動力轉向和主動轉向的發(fā)展史 11 供助力，高速時 EPS 將停止工作。奔馳公司于 1990 年開始了前輪電子轉向系統(tǒng)的深入研發(fā)，并將其開發(fā)的電子轉向系統(tǒng)應用于概念車 F400Carving 上。使緊急轉向時駕駛員的忙碌程度燕山大學本 科生畢業(yè)設計（論文） 12 得到很大程度的降低。一般而言，線控轉向系統(tǒng)由轉向盤總成、轉向執(zhí)行總成和主控制器（ ECU）三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)結構如 圖 22 所示。 圖 22 線控轉向系統(tǒng)結構示意圖 汽車主動轉向系統(tǒng) 主動轉向技術是隨著智能車輛的產生而產生的，早期的智能車輛主要用在特定場所的自動行駛車輛上，如自動引導車（ AGV）等 [17]。 主動轉向分類 目前，應用于乘用車的主動轉向系統(tǒng)主要有兩種型式，一是寶馬公司和ZF 公司聯(lián)合開發(fā)的 AFS 系統(tǒng)，該系統(tǒng)為機械式主動轉向系統(tǒng)，通過行星齒輪機械機構增加一個輸入自由度實現(xiàn)附加轉向，該系統(tǒng)已裝配于寶馬 5 系的轎車上。如果側向風作用在車身合力未作用在車輛質心處，那么車輛將受到橫擺轉矩，改變車輛的橫擺角速度，影響車輛的動力學特性。傳統(tǒng)的車輛穩(wěn)定性控制（如 ESP、 VSC）通過調節(jié) 4 個車輪上的制動力來使得左右車輪的制動力盡量相等，但是以減小制動減速度、增加制動距離為代價。按車輛工況可分為驅動動力學和制動動力學兩大部分；行駛動力學是與車輛行駛有關的主要性能及參數(shù)，在有限的懸架工作空間內，設計人員必須為駕駛員和乘客提供良好的乘坐舒適性、良好的車身姿態(tài)，以及對車輪動載荷的合理控制；操縱動力學在車輛動力學研究中內容最為豐富，主要研究車輛側向運動、橫擺運動、轉向特性和駕駛員模型等。 車輛本身是一個十分復雜的多輸入多輸出非線性系統(tǒng)，它具有時變、強耦合和非線性的動力學特征，由于測量和建模的不精確 ，再加上負載的變化第 2章 動力轉向和主動轉向的發(fā)展史 17 以及外部擾動的影響，實際上無法得到車輛精確、完整的模型；對于車輛轉向系統(tǒng)而言，如各旋轉副的阻尼、輪胎回正力矩等也存在大量的不確定性，同時如果將整個轉向系統(tǒng)建立一個控制模型，模型將存在非線性和可控性等問題，為此面對車輛大量不確定性因素的存在，利用控制理論設計高品質的車輛狀態(tài)獲取方法必須綜合考慮各種不確定性因素的影響。根據(jù)系統(tǒng)的不同用途，可提出各種不同的性能指標，所謂最優(yōu)是以選定的性能指標最優(yōu)為依據(jù)的。 本章小結 詳細地講述了轉向系統(tǒng)的發(fā)展過程和分類，對自己的研 究可以準確定位，系統(tǒng)地進一步認識了轉向系統(tǒng)，對后面的研究奠定了良好的基礎。如果傳動比較大，則車輛低速下轉向比較輕便，但在高速下轉向過于靈敏，轉向穩(wěn)定性差，缺乏路感，容易發(fā)生事故。 燕山大學本 科生畢業(yè)設計（論文） 20 但是，主動轉向可以在不影響制動力和驅動力的情況下，對轉向輪施加一定的偏轉，提高汽車的操控穩(wěn)定性。速度較高 (120km/h)時，主動轉向系統(tǒng)可以使轉向傳動比大于常規(guī)轉向系統(tǒng)。轉向助力支持：轉向助力支持通過常規(guī)的齒條齒輪液壓助力轉向機構實現(xiàn)。電機位置傳感器負責探測電機轉子的位置。如圖 3 所示，行星齒輪箱主要由以下組件組成：帶渦輪的行星齒輪架 6，其上各有兩個行星齒輪 3的三個行星齒輪架軸 4 輸入端太陽輪 1 和輸出端太陽輪 5， 7 為與渦輪 6 相配合的蝸桿。與此同時，前軸上的地面反力也 通過相同的途徑為駕駛員提供轉向路感。 轉閥動態(tài)數(shù)學模型 采用四通道的轉閥建立動態(tài)數(shù)學模型，將轉向控制閥視為有節(jié)流閥組成的橋式回路，如 圖 42 所示 根據(jù)流量平衡模型，轉閥流量方程如下： 12sQ Q Q?? (46) 1 4 1LQ Q Q?? (47) 3 2 2LQ Q Q?? (48) 根據(jù)薄壁小孔的流量公式，有： 2i d i iQ C A p ??? (49) 方向盤轉角傳感器 zk 1?2? 總轉角傳感器 燕山大學本 科生畢業(yè)設計（論文） 28 圖 42 控制閥回路結構圖 式中： SQ 轉閥的進油流量， 3ms； iQ （ i=1,2,3,4） 流經閥口 i 的流量， 3ms； 1LQ ， 2LQ 動力缸的進出油流量， 3ms； dC 流量系數(shù)； iA 第 i 個閥口的節(jié)流面積， 2m ； ip? 第 i 個閥口兩側的壓力差 ? 液壓油的密度， 3kgm ； 由式 (49)可得： 1 1 12 ( )dsQ C A p p ??? (410) 2 2 22 ( )dsQ C A p p ? (411) 3 3 2 02 ( )dQ C A p p ??? (412) 4 4 1 02 ( )dQ C A p p ? (413) 0p 為回油壓力 ，因回油壓力變化不大可以看做一個