【正文】 比可以在 10:1 至 18:1 間連續(xù)變化，其傳動(dòng)比與車輛速度的關(guān)系曲線如圖 4 所示。因此，與常規(guī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的顯著區(qū)別是寶馬主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不僅能夠?qū)D(zhuǎn)向力矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且可以對轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行控制，使其與車輛行駛車速達(dá)到良好的匹配。轉(zhuǎn)向助力的大小則通過單獨(dú)控制的模塊控制。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(zhuǎn)向傳動(dòng)比，同時(shí)可以較好地獲得來自路面的轉(zhuǎn)向阻力、轉(zhuǎn)向回位性能和轉(zhuǎn)向路感等， 圖 13 為德爾福主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)圖。其結(jié)構(gòu)類似于寶馬采用的德國 ZF Lenksysteme 公司開發(fā)的裝置，使用多個(gè)行星齒輪裝置，改變輪胎的后傾角。 圖 13 德爾福主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 與 ZF 公司方式最大的區(qū)別在于通過追加第 2 個(gè)馬達(dá)，消除了操縱時(shí)的不適應(yīng)感。為了消除這種現(xiàn)象，通過追加 “ 反作用力馬達(dá) ” ，可避免將扭矩傳給司機(jī)。此外，通過改進(jìn)控制方法，還提高了操縱性。 光洋主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 如圖 14。目前，吉林大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、北京理工大學(xué)、江蘇大學(xué)、上海交通大學(xué)和北京航空航天大學(xué)等高校開 展了車輛主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方面的研究。在分析裝載機(jī)路感特性的基礎(chǔ)上，提出控制策略，設(shè)計(jì)了一種基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的自適應(yīng) PID 控制器 [3]，實(shí)現(xiàn)了 PID 參數(shù)的在線調(diào)整；利用 Riccati 方程對汽車線控轉(zhuǎn)向傳感器故障進(jìn)行了重構(gòu)研究，同時(shí)利用雙自適應(yīng) Kalman 濾波對線控轉(zhuǎn)向傳感器進(jìn)行故障診斷 [45]，并進(jìn)行了容錯(cuò)控制。 圖 15 吉林大學(xué)線控轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺(tái) 同濟(jì)大學(xué)對于車輛主動(dòng)轉(zhuǎn)向進(jìn)行了較為深入的研究 [67]，利用 ?H 魯棒控制理論設(shè)計(jì)了主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向控制器的反饋和前饋部分，針對大側(cè)向風(fēng)干擾和雙移線操縱進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。同時(shí)同濟(jì)大學(xué) 2021 年開發(fā)了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用于 4 WD電動(dòng)車 “ 春暉三號 ” 。建立了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的整車二自由度模型，對固定轉(zhuǎn)向靈敏度和橫擺角速度反饋型主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制策略進(jìn)行了性能分析。 江蘇大學(xué)提出了基于穩(wěn)態(tài)增益的主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可變傳動(dòng)比模型，通過分析轉(zhuǎn)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雙行星齒輪機(jī)構(gòu)的原理，根據(jù)前輪轉(zhuǎn)角和合成機(jī)理，分別建立了方向盤轉(zhuǎn)角和疊加轉(zhuǎn)角的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過比較單、雙行星齒輪機(jī)構(gòu)輸出軸與輸入軸的轉(zhuǎn)速差，推導(dǎo)出基于雙行星齒輪機(jī)構(gòu)的電機(jī)轉(zhuǎn)角隨方向盤轉(zhuǎn)角及 傳動(dòng)比的變化關(guān)系；為了改善汽車的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向特性及其在高速直線行駛時(shí)的抗干擾能力，以車速為輸入變量，參考車輛系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)增益的變化范圍，構(gòu)建了可變傳動(dòng)比計(jì)算模型。 EPS執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向力矩的控制， AFS 執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)可變傳動(dòng)比控制和車輪穩(wěn)定性控制。 圖 16 上海交通大學(xué)主動(dòng)轉(zhuǎn)向試驗(yàn) 臺(tái) 燕山大學(xué)本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 本文研究意義 安全、節(jié)能與環(huán)保是 21 世紀(jì)汽車發(fā)展的三大主題，而整個(gè)交通系統(tǒng)包括車 路 人三個(gè)部分，根據(jù)相關(guān)研究表明，其中人的因素是最主要的。運(yùn)用現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)，研制和開發(fā)車輛主動(dòng)轉(zhuǎn)向系 統(tǒng)，由于該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)變傳動(dòng)比控制、抗干擾控制等功能，將大大降低駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度和提高車輛主動(dòng)安全性能，減少道路交通事故發(fā)生的可能，保護(hù)人民的生命安全和降低財(cái)產(chǎn)損失。但是由于技術(shù)和成本等諸方面的原因，目前主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)只在少數(shù)世界著名品牌高端車 上應(yīng)用，國內(nèi)自主品牌至今尚未應(yīng)用，因此開發(fā)性能可靠，價(jià)格較低的車輛主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不但可以打破國外公司的技術(shù)壟斷，還可以降低整個(gè)系統(tǒng)的成本，使該系統(tǒng)安裝于我國自主品牌的高端車上，加速該系統(tǒng)的普及。受經(jīng)濟(jì)和科研條件限制，我國車輛整體研究要落后于世界先進(jìn)水平。結(jié)合我國國情（經(jīng)濟(jì)條件、工業(yè)條件、科研條件等），在某一方面或某些方面，進(jìn)行深入 、細(xì)致的研究，將為我國車輛主動(dòng)轉(zhuǎn)向方面的研究提供有價(jià)值的理論和技術(shù)支持，為今后的發(fā)展及實(shí)際應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。學(xué)習(xí) catia 軟件，對電液主動(dòng)轉(zhuǎn)向器液壓助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并用卡尺測得各零部件尺寸，畫出三維立體圖。擬第 1章 緒論 7 解決的主要問題： 1． 深入了解寶馬電液主動(dòng)轉(zhuǎn)向器液壓助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及其工作原理。 3． 完成電液主動(dòng)轉(zhuǎn)向器液壓助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)各零部件尺寸測量。 本章小結(jié) 了解了汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要性，其中電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為先進(jìn)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的過渡產(chǎn)品，在現(xiàn)階段仍相當(dāng)具有優(yōu)勢，并且還將繼續(xù)得到改進(jìn)和發(fā)展。燕山大學(xué)本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 第 2 章 動(dòng)力轉(zhuǎn)向和主動(dòng)轉(zhuǎn)向的發(fā)展史 汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向系 統(tǒng)基礎(chǔ)上增加液壓系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵工作，轉(zhuǎn)向控制閥控制油液流動(dòng)的方向和油液大小，提供轉(zhuǎn)向助力，減小駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)矩，降低駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度。液壓助力轉(zhuǎn)向存在以下缺點(diǎn) [14]： （ 1）液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車行駛時(shí)需要消耗一定的能量，增加了液壓油泵、液壓缸、油管和一些輔助裝置，增加的汽車行駛時(shí)的油耗，其燃油經(jīng)濟(jì)性較差，一般轎車每行駛一百公里需要多消耗 升的燃料。 （ 3）轉(zhuǎn)向回正性差。 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) [1516]是一種直接依靠電機(jī)提供輔助轉(zhuǎn)向力 矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，如 圖 21 所示，主要由傳感器、助力電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)器和控制單元等關(guān)鍵要素組成。 與傳統(tǒng)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向具有以下特點(diǎn)： （ 1）電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠在不同車速下給車輛提供最佳的轉(zhuǎn)向助力，第 2章 動(dòng)力轉(zhuǎn)向和主動(dòng)轉(zhuǎn)向的發(fā)展史 9 其助力特性的設(shè)計(jì)根據(jù)車輛行駛速度的不同和駕駛員施加的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩情況控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力情況，可以兼顧車輛在低速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向輕便性及車輛高速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，保證駕駛員獲得良好的 路感，從而改善車輛的操縱穩(wěn)定性； （ 2）電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。 圖 21 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理圖 電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 電控液壓助力轉(zhuǎn)向（ Electronically Controlled Hydraulic Power Steering，ECHPS）是在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加電控裝置構(gòu)成的。電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)利用電控單元根據(jù)車輛速度調(diào)節(jié)作用在方向盤上的助力，通過控制轉(zhuǎn)向控制閥閥芯和閥套的開啟程度，調(diào)節(jié)液壓助力系統(tǒng)助力的大小，從而實(shí)現(xiàn)輔助轉(zhuǎn)向力矩隨著車輛行駛速度變化而變化。但即轉(zhuǎn)向力矩 方向盤 齒條 傳感器 信號 控制單元 電機(jī)控制 車輛狀態(tài) 齒輪 減速機(jī)構(gòu) 車輪 電機(jī) 燕山大學(xué)本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 使是最新的產(chǎn)品也無法根除液壓助力系統(tǒng)在布置、安裝、密封性、操控性、能量消耗等固有缺陷。 常規(guī)電控液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)雖然實(shí)現(xiàn)了助力特性的改變，提高了高速時(shí)的轉(zhuǎn)向路感，但是其存在以下缺點(diǎn)： （ 1）助力液壓泵由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，在車輛行駛的整個(gè)階段流量恒定，造成大量的能源消耗，降低了車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性； （ 2）系統(tǒng)成本高， 主要應(yīng)用于高級轎車； （ 3）由于電磁閥精度高，其對液壓油的品質(zhì)和過濾條件要求高，維護(hù)成本較高。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在體積、價(jià)格和所消耗的功率等方面都取得了驚人的進(jìn)步。但是動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)革新都是基于液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)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。 此后，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)得到迅速發(fā)展，其應(yīng)用范圍已經(jīng)從微型轎車向大型轎車和客車方向發(fā)展。如大發(fā)汽車公司在其 Mira 車上裝備了 EPS，三菱汽車公司在其 Minica 車上裝備了 EPS，本田汽車公司在 Accord 車上裝備了 EPS。本田還在其AcuraNXS 賽車上裝備了 EPS。日本早期開發(fā)的 EPS 僅僅在低速和停車時(shí)提第 2章 動(dòng)力轉(zhuǎn)向和主動(dòng)轉(zhuǎn)向的發(fā)展史 11 供助力，高速時(shí) EPS 將停止工作。如日本鈴木公司裝備在WagonR+車上的 EPS 是一個(gè)負(fù)載 路面 車速感應(yīng)型助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) [8]。當(dāng)車速大于 70 km/h 后，這兩種開關(guān)設(shè)置的程序則是一樣的，以保證汽車在高速時(shí)有合適的路感，這樣即使汽車行駛到高速公路時(shí)駕駛員忘記切換開關(guān)也不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展， EPS 技術(shù)日趨完善，并且其成本大幅度降低，為此其應(yīng)用范圍將越來越大 [913]。奔馳公司于 1990 年開始了前輪電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的深入研發(fā)，并將其開發(fā)的電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用于概念車 F400Carving 上。目前許多汽車公司開發(fā)了自己的電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，一些國際著名汽車生產(chǎn)商已在其概念車上安裝了該系統(tǒng)。在對開路面上進(jìn)行制動(dòng)試驗(yàn)也能基本保證汽車的直線行駛，制動(dòng)距離也大大縮短。他們從人 —車閉環(huán)系統(tǒng)特性出發(fā)，設(shè)計(jì)了理想的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比，使汽車的穩(wěn)態(tài)增益不隨車速變化，并重點(diǎn)研究了駕駛員角控制特性和力控制特性對汽車主動(dòng)安全性的影響。使緊急轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員的忙碌程度燕山大學(xué)本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 得到很大程度的降低。要在重型載貨汽車上應(yīng)用，還必須采用液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。目前， 42 V電源已經(jīng)在一些概念車上得到應(yīng)用，通用的 “ 自主魔力 ” 和 Bertone 的 “ FILO”都采用了 42 V 電源 。 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ Steer by Wire， SBW）取消轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，駕駛員轉(zhuǎn)向操作與轉(zhuǎn)向輪之間通過信號及控制器進(jìn)行連接。一般而言，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向盤總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成和主控制器（ ECU）三個(gè)主要部分以及自動(dòng)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 22 所示。轉(zhuǎn)向盤總成的主要功能是將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖通過傳感器測量轉(zhuǎn)換為電信號并傳遞給主控制器；同時(shí)接受控制器傳遞來的力矩信號，產(chǎn)生轉(zhuǎn)向盤回正力矩，以提供駕駛員相應(yīng)的路感?？偝傻墓δ苁墙邮苤骺?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(dòng)，實(shí)現(xiàn)駕駛員轉(zhuǎn)向意圖。同時(shí)控制器還可以對駕駛員的操作進(jìn)行判別。 圖 22 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 汽車主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)是隨著智能車輛的產(chǎn)生而產(chǎn)生的，早期的智能車輛主要用在特定場所的自動(dòng)行駛車輛上，如自動(dòng)引導(dǎo)車（ AGV）等 [17]。上個(gè)世紀(jì) 80 年代以來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、人工智能、電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，為主動(dòng)轉(zhuǎn)向在技術(shù)上的實(shí)現(xiàn)提供了保障，主動(dòng)轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)具備了實(shí)現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，并進(jìn)行了較為深入、系統(tǒng)、大規(guī)模研究階段。目前用于乘用車的主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)其基本原理是通過控制器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在駕駛員轉(zhuǎn)角命令的基礎(chǔ)上附加一個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)角，從而實(shí)現(xiàn)車輛性能轉(zhuǎn)向盤總成 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器 回正力矩電機(jī) 故障離合器 轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī) 轉(zhuǎn)向橋機(jī)構(gòu)總成 控制器 故障處理控制器 車輛速度、加速度、橫擺角速度傳感器 燕山大學(xué)本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 的改善。 在特定的情況下，主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對車輛的完全控制，如豐田在其生產(chǎn)的 PRIUS 中采用的自動(dòng)泊車技術(shù)。 主動(dòng)轉(zhuǎn)向分類 目前，應(yīng)用于乘用車的主動(dòng)轉(zhuǎn)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(jī)械式主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通過行星齒輪機(jī)械機(jī)構(gòu)增加一個(gè)輸入自由度實(shí)現(xiàn)附加轉(zhuǎn)向，該系統(tǒng)已裝配于寶馬 5 系的轎車上。機(jī)械式主動(dòng)系統(tǒng)和電控式主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與線程轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的最大區(qū)別是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，機(jī)械或電控式主動(dòng)轉(zhuǎn)向仍能通過轉(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)主要部件的冗余設(shè)計(jì)保證車輛的安全性。在低速工況下，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比較小，可以使駕駛員用較小的轉(zhuǎn)向盤操縱就可以實(shí)現(xiàn)對車輛的操控，是低速駕駛快捷。 （ 2）車輛穩(wěn)定性控制 在許多工況下，車輛在受到外界的變化或干擾會(huì)直接影響車輛駕駛的穩(wěn)第 2章 動(dòng)力轉(zhuǎn)向和主動(dòng)轉(zhuǎn)向的發(fā)展史 15 定性，甚至可能導(dǎo)致車輛失控。如果側(cè)向風(fēng)作用在車身合力未作用在車輛質(zhì)心處，那么車輛將受到橫擺轉(zhuǎn)矩，改變車輛的橫擺角速度，影響車輛的動(dòng)力學(xué)特性。有報(bào)告表明，駕駛員輔助系統(tǒng)可以幫助駕駛員對車輛進(jìn)行穩(wěn)定控制，從而避免 40%的交通事故 [22]。在危機(jī)情況下，主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)會(huì)修正駕駛員操控的車輪位置，從而車輛能比在由駕駛員自行控制時(shí)更快捷、高效地穩(wěn)定行駛。 （ 3）直接橫擺力矩補(bǔ)償控制 與穩(wěn)定性控制功能類似，主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還能提供橫擺力矩補(bǔ)償功能，以提高在對開路面上車輛的制動(dòng)穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的車輛穩(wěn)定性控制（如 ESP、 VSC）通過調(diào)節(jié) 4 個(gè)車輪上的制動(dòng)力來使得左右車輪的制動(dòng)力盡量相等，但是以減小制動(dòng)減速度、增加制動(dòng)距離為代價(jià)。在這一過程中，駕駛員無須對轉(zhuǎn)向盤進(jìn)行修正，減輕了駕駛員的工作負(fù)擔(dān)，保證了制動(dòng)時(shí)車輛方向穩(wěn)定性，減小制動(dòng)距離，與傳統(tǒng) ABS/ESP 相比可使制動(dòng)距離最多減 少 15%。為此首先要研究人 —車系統(tǒng)的模型問題，只有正確建立人 —車系統(tǒng)模型，才能有效地，正確地進(jìn)行系統(tǒng)分析。長期以來，人們一直在很大程度上習(xí)慣按縱向、垂直和橫向分別獨(dú)立研究車輛動(dòng)力學(xué)問題。按車輛工況可分為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力學(xué)和制動(dòng)動(dòng)力學(xué)兩大部分；行駛動(dòng)力學(xué)是與車輛行駛有關(guān)的主要性能及參數(shù)，在有限的懸架工作空間內(nèi)，設(shè)計(jì)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(dòng)載荷的合理控制；操縱動(dòng)力學(xué)在車輛動(dòng)力學(xué)研究中內(nèi)容最為豐富，主要研究車輛側(cè)向運(yùn)動(dòng)、橫擺運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)向特性和駕駛員模型等。對于控制器設(shè)計(jì)通常在滿足需要的前提下通常采用階次較低的模型，主要基于兩方面的考慮，一方面是隨著車輛模型階次的增加，其模型將從線性模型變?yōu)榉蔷€性模型，目前模型線性系