【導讀】套雙行星齒輪機構，用于向前輪提供疊加轉向角，從而實現變傳動比功能。速時，通過附加一個前輪轉角來提高操縱穩(wěn)定性。首先，建立了整車動力學模型和主動前輪轉向系統(tǒng)數學模型及輪胎模型等。結果與實際寶馬主動轉向系統(tǒng)變傳動比曲線相吻合。輪轉交控制、橫擺角速度反饋控制、主動前輪轉向與直接橫擺力矩協調控制策略，并分別進行仿真，其結果良好。主動前輪轉向與主動懸架集成控制的思想，充分體現了主動安全的設計理念。價指標，對主動前輪轉向系統(tǒng)進行了性能評價，包括客觀評價和主觀評價。高速時穩(wěn)定性試驗。另外利用labVIEW編寫了數據采集程序，設計了界面。

　　

【正文】 環(huán)面（ CS）嚙合。太陽輪和環(huán)面齒數量上的差別導致驅動橢圓轉動時的疊合傳動作用。 在確定液壓轉向系統(tǒng)原理時，工程師就考慮了對動態(tài)轉向系統(tǒng)越來越多的需求，對伺服泵和包括轉向閥在內的隨速助力轉向系統(tǒng)都進行了最優(yōu)化設計。 增強了動力特性的轉向系統(tǒng)對伺服泵的要求大大提高。為滿足這些要求，根據車內安裝的發(fā)動機，配備了可以進行體積流量調節(jié)的伺服泵，更籠統(tǒng)地說就是對整個 轉向系統(tǒng)進行了優(yōu)化。轉向需求低時例如在高速公路上行駛時，體積流量降低以節(jié)約能源和燃料，但在中低速行駛時如鄉(xiāng)間道路，系統(tǒng)會極為迅速地做出調整以提高靈活性。伺服泵通過改變液壓流容積調節(jié)體積流量從而對實際駕駛情況做出反應。 在隨速助力轉向系統(tǒng)方面，專門與動態(tài)轉向功能相匹配的轉向閥進一步提高了所需的轉向精準度，優(yōu)化了系統(tǒng)對駕駛者的反饋，但不會對此類車型典型的轉 向優(yōu)雅程度造成任何負面影響。這同時也歸功于整合入動態(tài)轉向系統(tǒng)的隨速助力轉向性能的協調設置。在整個奧迪駕駛選項系統(tǒng)中，同樣取決于道路行駛速度的隨速助力轉向系統(tǒng) 的這些特性根據轉向比性能進行了調節(jié)，以此實現舒適與靈活性的最佳平衡。 30 167。 隨速助力轉向系統(tǒng) 動態(tài)轉向系統(tǒng)的應用對助力系統(tǒng)也提出了更高要求。在確定液壓轉向助力系統(tǒng)原理時，奧迪對伺服泵和包括轉向閥在內的隨速助力轉向系統(tǒng)都進行了最優(yōu)化設計。 增強了動力特性的轉向系統(tǒng)對伺服泵的要求大大提高。為滿足這些要求，根據車內安裝的發(fā)動機，配備了可以進行體積流量調節(jié)的伺服泵，更籠統(tǒng)地說就是對整個轉向系統(tǒng)進行了優(yōu)化。轉向需求低時例如在高速公路上行駛時，體積流量降低以節(jié)約能源和燃料，但在中低速行駛時如鄉(xiāng)間道路 ，系統(tǒng)會極為迅速地做出調整以提高靈活性。伺服泵通過改變液壓流容積調節(jié)體積流量從而對實際駕駛情況做出反應。 在隨速助力轉向系統(tǒng)方面，專門與動態(tài)轉向功能相匹配的轉向閥進一步提高了所需的轉向精準度，優(yōu)化了系統(tǒng)對駕駛者的反饋，但不會對此類車型典型的轉向優(yōu)雅程度造成任何負面影響。這同時也歸功于整合入動態(tài)轉向系統(tǒng)的隨速助力轉向性能的協調設置。在整個奧迪駕駛選項系統(tǒng)中，同樣取決于道路行駛速度的隨速助力轉向系統(tǒng)的這些特性根據轉向比性能進行了調節(jié)，以此實現舒適與靈活性的最佳平衡。 167。 奧迪動態(tài)轉向系統(tǒng)與 ESP 系統(tǒng)的配合 優(yōu)勢 在配備了動態(tài)轉向系統(tǒng)的汽車上， ESP 電子穩(wěn)定系統(tǒng)在緊急情況下不僅僅通過某一或某幾個車輪的制動來穩(wěn)定汽車，還將調整前輪的轉向比（圖 25）。這有兩個優(yōu)點，一是同時激活制動和轉向系統(tǒng)可以提高汽車的總體穩(wěn)定性，也就是說，主動安全性能將得到明顯提高。在高速行駛時大于尤為如此，因為動態(tài)轉向系統(tǒng)反應迅速的優(yōu)勢可以充分體現，沒有制動系統(tǒng)產生液壓所需的延遲。二是在非緊急情況下，調節(jié)性的制動干預可以部分或全部舍棄，從而汽車的穩(wěn)定過程更和諧舒適，不會因此而減速。降低對制動干預的需求意味著車輛在抓地力較低的路面，如雪 地上，也能保持同樣的直線行駛方向，但明顯比僅采用制動干預進行穩(wěn)定的汽車更為敏捷。 31 圖 25 ESP 電子穩(wěn)定系統(tǒng)與動態(tài)轉向系統(tǒng)的配合 ESP 電子穩(wěn)定系統(tǒng)在汽車處于轉向過度或轉向不足，以及在抓地力水平不同的地面非均質路面上制動時會與動態(tài)轉向系統(tǒng)協作并提供主動轉向調節(jié)。 若汽車轉向過度， ESP 電子穩(wěn)定系統(tǒng)將適當反打轉向盤以防止車尾偏離預定行駛軌跡。全新奧迪 A4L 中采用的經過進一步開發(fā)的 ESP電子穩(wěn)定系統(tǒng)控制單元完全整合了主動制動和主動轉向。汽車轉向過度時，第一步要計算穩(wěn)定汽車所需的橫擺力矩。第二步，一種復雜的 權衡方法根據所偵測的不穩(wěn)定程度，把所需的穩(wěn)定力矩分配給制動和轉向裝置。若僅有輕微不穩(wěn)定，優(yōu)先選擇轉向系統(tǒng)，隨著偏離角度增加也會更多使用制動裝置。 一種可能出現過度轉向的情況是快速避讓操作（圖 26）。當駕駛者轉動轉向盤將汽車開離原先車道時，作用在車身上的反向動力很容易使尾部失去抓地力而偏離，高速行駛時尤為明顯。普通駕駛者往往對轉向過度調節(jié)過晚，或根本不調節(jié)。因此，必須由來進行有力的制動。 若安裝了動態(tài)轉向系統(tǒng)，該系統(tǒng)會在駕駛者毫不覺察的情況下自動反轉轉向盤以穩(wěn)定車身。這樣就大大降低了轉向力，而在很多情 況下，由于動態(tài)轉向系統(tǒng)的補償作用，駕駛者根本不需要大幅度反打轉向盤，而只需根據類似汽車平穩(wěn)時所需的轉向幅度進行控制。由于僅需在減少汽車側滑時發(fā)揮作用， ESP 電子穩(wěn)定系統(tǒng)的制動干預大大減少。 32 圖 26 轉向過度時轉向與制動干預 若出現轉向不足， ESP 電子穩(wěn)定系統(tǒng)會將動態(tài)轉向比重新設置為一個間接值，使駕駛者不會很快將轉向盤打到極限，從而提高了汽車的靈活性。該功能是奧迪的一項最新開發(fā)成果，首次運用在配備了動態(tài)轉向系統(tǒng)的 A4L車型中。 圖 27 顯示了轉向不足功能的操作原理。在沒有動態(tài)轉向功能的 汽車上，若轉向角度太大，就會超過前軸的最大轉向極限，因而即使前輪已經轉動，汽車還是會偏離軌道。在配備了動態(tài)轉向功能的汽車上，系統(tǒng)會偵測轉向不足情況，并改變轉向比以防止駕駛者過度轉動轉向盤。轉向干預的程度不會被駕駛者察覺。由于不會影響到如噪聲和延遲等伴隨現象，采用轉向干預比其它如減少發(fā)動機扭矩或制動干預等方式更不易被察覺，且穩(wěn)定效果依然顯著。若已進行轉向干預，ESP電子穩(wěn)定系統(tǒng)的發(fā)動機干預和制動干預程度就會降低，或完全沒有必要。 33 圖 27 轉向不足的操作原理 非均質路面是指在汽車一側抓地力高如柏油馬路，而另 一側抓地力低如冰面的情況。例如冰面部分溶化或干燥的路面部分覆蓋了潮濕的樹葉就會出現這種情況。如果在這樣的路面上制動，摩擦力大的一側的制動力也大，汽車就會向該側轉動。要想回到直線車道，沒有動態(tài)轉向系統(tǒng)的汽車駕駛者就必須轉動轉向盤以抵消這一影響，而這種意料之外的情況對于普通駕駛者來說很難掌握。 在配備了動態(tài)轉向系統(tǒng)的全新奧迪 A4L 上， ESP 電子穩(wěn)定系統(tǒng)一般自動選擇所需的轉向角，由于主動轉向介入可以抵消由于制動力不同導致的側滑力，駕駛者不需調整轉向盤。在沒有超過物理極限的情況下，汽車會如在兩側摩擦力相同的路面上一 樣行駛。在遇到這種緊急情況時，動態(tài)轉向系統(tǒng)功能可以保持汽車在既定軌道上行駛，大大減輕了駕駛者的負擔，使其得以完全將精力集中在交通狀況上。 另外，由于 ESP 電子穩(wěn)定系統(tǒng)一般可以比駕駛者更快更準地選擇所需的轉向角，因此在上述行駛環(huán)境下，動態(tài)轉向系統(tǒng)可以縮短汽車的安全制動距離。圖 28 顯示了上述配備和未配備動態(tài)轉向系統(tǒng)的情況下非均質路面上的操作比較。 34 圖 28 在非均質表面制動的轉向和制動干預 將非均質路面轉向輔助系統(tǒng)植入電子穩(wěn)定系統(tǒng)的控制原則，可以使用與傳統(tǒng)電子穩(wěn)定系統(tǒng)轉向控制相同的信號輸入，為制動和轉向控制 的完美配合創(chuàng)造了條件。這些功能無需額外設置傳感器。駕駛者可以通過電子穩(wěn)定系統(tǒng)關閉動態(tài)轉向穩(wěn)定功能的干預程度。 167。 奧迪動態(tài)轉向系統(tǒng)與寶馬主動轉向系統(tǒng)的對比 寶馬主動轉向系統(tǒng)主要包括兩大核心部件：一是 1套雙行星齒輪機構，通過疊加轉向實現變傳動比功能，二是電子伺服轉向系統(tǒng)，用于實現轉向助力功能。駕駛員的轉向角輸入包括力矩輸入和角輸入兩部分，將共同傳遞給扭桿。其中的力矩輸入由電子伺服機構根據車速和轉向角度進行助力控制，而角輸入則通過由伺服電機驅動的雙行星齒輪機構進行轉向角疊加，經過疊加后的總轉向角才 是傳遞給齒輪齒條轉向機構的最終轉角。與常規(guī)轉向系統(tǒng)的顯著差別在于，寶馬主動轉向系統(tǒng)不僅能夠對轉向力矩進行調節(jié)，而且還可以對轉向角度進行調整，使其 35 與當前的車速達到完美匹配。其中的總轉角等于駕駛員轉向盤轉角和伺服電機轉角之和。 寶馬主動轉向系統(tǒng)的核心部件是一 套集成在轉向柱上的雙行星齒輪機構，如圖 29 所示。這套機構包括左右兩副行星齒輪機構，共用一個行星架進行動力傳遞。左側的主動太陽輪與轉向盤相連，將轉向盤上輸入的轉向角經由行星架傳遞給右側的行星齒輪副。而右側的行星齒輪副具有兩個轉向輸入自由度，一個是行星 架傳遞的轉向盤轉角，另一個是由伺服電機通過一個自鎖式蝸輪蝸桿驅動的齒圈輸入，即所謂的疊加轉角輸入。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。低速時，伺服電機驅動的行星架轉動方向與轉向盤轉動相同，疊加后增加了實際的轉向角度，可以減少轉向力的需求 。高速時，伺服電機驅動的行星架轉動方向與轉向盤轉動相反，疊加后減少了實際的轉向角度，轉向過程會變得更為間接，提高了汽車的穩(wěn)定性和安全性。 圖 29 寶馬主動轉向系統(tǒng)雙行星齒輪系結構示意圖 寶馬主動轉向系統(tǒng)與奧迪動態(tài)轉向系統(tǒng)的差異性表現在： （ 1）橫擺角速度控制和橫擺力矩補償 除了可變傳動比設計外，穩(wěn)定性控制功能是寶馬主動轉向系統(tǒng)最大的特點。危險工況下該系統(tǒng)通過獨立于駕駛員的轉向干預來穩(wěn)定車輛，通過主動改變駕駛員給定的轉向盤轉角使得車輛響應盡可能與理想的車輛響應特性相一致。圖 5 36 為采用了模型跟蹤的控制策略。首先 通過線性兩自由度參考模型并根據當前駕駛員轉向角及車速計算得到期望的橫擺角速度，但期望橫擺角速度最大值又受到路面附著系數和車速的限制。當獲得了期望橫擺角速度后，對理想與實際橫擺角速度偏差進行 PI 控制，得到所需的附加轉向角并控制伺服電機進行輸出。 （ 2）穩(wěn)定性功能的擴展 ——— 底盤集成控制技術 與 ESP 等通過制動干預來穩(wěn)定車輛的方式相比，轉向干預具有以下優(yōu)點：首先，轉向干預不易為駕駛員察覺，對乘坐舒適性幾乎沒有影響，而制動干預不僅會產生較大的制動減速度，而且制動時發(fā)出的噪聲也會影響乘坐舒適性；其次，轉向干預比制動 干預更加迅速，因為轉向控制是通過伺服電機來完成的，而制動干預必須建立油壓，這需要一定的時間；此外，轉向干預相比制動干預能獲得更高的通過速度，從而降低在變道時由于避讓不及、與對面來車發(fā)生碰撞的可能性。 但轉向干預的缺點也是顯而易見的。受到原理限制，主動轉向的穩(wěn)定性功能只適用于轉向過多的工況。該工況下通過疊加轉向減小前輪轉向角能夠減小前軸側向力，從而使得轉向過多的趨勢有所減緩；相反，在轉向不足工況下，受到輪胎非線性的限制側向力達到飽和狀態(tài)，通過增大前輪轉向角的方式是很難改變車輛轉向不足的趨勢的。此外，受到轉向機 構機械布置的限制，前輪轉向角的改變量是有限的，也就是說轉向干預穩(wěn)定車輛的能力弱于制動干預，在某些極限工況下必須依賴 ESP 制動干預才能實現穩(wěn)定車輛的目的。 37 第四章 主動前輪轉向動力學控制 167。4． 1 橫擺角速度的控制 在一般的駕駛操作中，駕駛員要同時完成兩個任務： (1)路徑跟隨； (2)車輛姿態(tài)的保持。路徑跟隨由于涉及到路線的選擇和跟隨等復雜問題，目前還無法由控制器完全取代駕駛員。相反，因為外界擾動對車輛姿態(tài)的影響常常很突然，車輛姿態(tài)的控制對駕駛員而言，特別是對新手來說，就比較困難。而 這樣的控制由控制器卻完全可以實現。由于涉及到車輛的姿態(tài)控制的動力學參數主要是橫擺角速度，因而對橫擺角速度的控制也成為主動前輪轉向控制最重要的方面。 對橫擺角速度的控制，常見的方法有 3 種： (1)橫擺角速度反饋控制； (2)魯棒單向解耦橫擺角速度控制； (3)基于擾動觀察器的橫擺角速度控制。橫擺角速度反饋控制的基本思路是利用理想橫擺角速度 Yest 和實際橫擺角速度 Y 之差進行反饋控制。寶馬的主動轉向系統(tǒng)運用的是橫擺角速度反饋控制的方法，其控制器為 PI 控制。橫擺角速度反饋控制不但使橫擺角速度響應的帶寬增大，而且 圖 30 定增益橫擺角度速度反饋控制框圖 使橫擺角速度阻尼增大，尤其是在車速較高時改善了車輛的操縱穩(wěn)定性。但也同時存在著降低橫擺角速度和側向加速度的增益，進而使駕駛員中低速時操縱 38 困難。針對上述問題，一般采用定增益形式的橫擺角速度反饋控制進行改進，該控制方法可保持車輛橫擺角速度增益在反饋控制時不變。圖 30 所示為一定增益橫擺角速度反饋控制框圖。其中，為車輛在等速圓周運動情況下從前輪轉角到橫擺角速度的增益， Kyaw 為反饋比例系數。 魯棒單向解耦橫擺角速度控制是由德國宇航局的阿克曼教授提出的，在合理分解駕駛員操作任務的基礎上，對橫擺角速度和側向加速度單向解耦，進而對橫擺角速度進行控制。所謂單向解耦，指的是控制器在對車輛的橫擺角速度進行反饋控制時對車輛前橋解耦點的側向加速度沒有影響，而在駕駛員進行側向運動控制時，可以通過側向加速度間接影響橫擺角速度，保證車輛能順利過彎，這是該算法的最大特點。由于該算法本身對車輛不確定參數 (如：車輛質量分布、車速、輪胎與地面間的附著系數 )具有一定的魯棒性，故而稱為魯棒單向解耦控制。魯棒單向解耦控制也存在橫擺角速度阻尼隨車速的增加而下降的問題，可采用預設橫擺角速度阻尼的控制 方法加以解決。該方法是在單向解耦控制和橫擺角速度阻尼之間進行折衷，實現既能在不同車速下保持較好的橫擺角速度阻尼特性，又能維持車輛控制對名義模型的橫擺角速度單向解耦。圖 31 所示為魯棒單向解耦橫擺角速度控制框圖。圖中在實際控制時采用的是一個衰退的積分，從而使橫擺角速度的控制只在擾動發(fā)生 1 s 內產生作用，幫助駕駛員穩(wěn)定車輛， 1 s 以后，車輛將完全在駕駛員的控制之下。參考橫擺角速度值由式 (1)算出，是一個與速度有關的穩(wěn)態(tài)值。 圖 31 魯棒單向解耦橫擺角速度控制示意圖 39 0. 1s1)