带传动比变化的主动转向系统

主动转向系统是在方向盘和转向机下部的小齿轮之间增加传动比可变的传动系统，在液压转向系统中，传动比控制的目的是实现累加一个附加转向角（也称并行角）。若系统采用液压转向，可变传动比结构具体位置可在转向柱上，也可在转向机转阀下部，小齿轮的上部。电动转向系统也可采用此系统，如图3-33所示。

图3-33 采用可变传动比技术的电动助力和液压助力

（a）电动助力；（b）液压助力

一、主动转向系统的功能

1.速度控制传动比功能

如图3-34和图3-35所示分别为高车速和低车速时主动转向控制示意图、变传动比控制模式。驻车时和低速时控制传动比小，输出转速高于输入转速，因此只需要较小的方向盘旋转角度就可以使车轮有较大的转向角度，方向盘从一侧极限位置到另一侧极限位置，只需要转动两圈，传统的要三圈左右。车速较高时，转向传动比会越来越大，直至达到甚至超过常规转向系统的水平。同进传动比模式（传动比＝固定传动比×可变传动比）可在MMI中设置。

图3-34 高车速和低车速时主动转向控制示意图

2.抗行驶跑偏功能

主动转向系统提高的转向力矩可防止出现不希望的转向移动，例如侧向风较大的情况下，驾驶员感觉车辆比较稳定。

3.限制超过稳定边界功能

当车速很高（如大于100km/h）出现转向过度（俗称甩尾）的时候，为了让车辆沿着所需要的轨迹行驶，驾驶员不必反向修正转向，这时主动转向系统即可对不希望的车辆移动进行反向转向补偿。这个作用与动态稳定控制（DSC/ESP/VSC）共同来阻止驾驶员因转向过度造成车身超过稳定性边界，是一种限制超过稳定边界功能。如果主动转向系统自身不足以让车辆维持稳定的前进路线，动态稳定控制系统将及时介入，降低引擎功率输出或对个别车轮施以刹车。

图3-35 变传动比控制模式

二、主动转向系统分类

如图3-36所示，根据附加转角叠加方式的不同，主动转向系统可分为机械式和电子式。机械式主动转向系统的典型代表一种是德国宝马公司和ZF公司联合开发的行星齿轮式前轮主动转向系统（Active Front Steering，简称AFS），装备于部分宝马3系列和5系列轿车上；另一种是奥迪的谐波齿轮式主动转向系统（奥迪称其为动态转向系统），其中主动主要是指主动安全系统。而电子式的代表是线控转向技术。

图3-36 主动转向系统分类

主动转向系统的电控系统也称动态稳定控制系统（DSC），通过测量转向角度，该系统可以掌握驾驶员的意图。该系统有两只内置横向加速度传感器的偏航率传感器，两传感器采用冗余控制思想。动态稳定控制系统依据车轮转动的圈数可以计算出车速，而偏航率传感器则可随时监控车辆垂直轴（Z轴）的稳定性。动态稳定控制系统（DSC）有极高的运算速度，可提供最实时、最理想的转向传动比，并在毫秒之内相应地调整转向角度。

配备主动转向系统的汽车，即使系统发生故障，仍然能进行转向动作，只不过其转向角度无法增加或减少，传动比为转向机的固定传动比。开发人员对于因软件障碍而造成严重的转向失误是绝对不允许发生的，因为重要传感器采用冗余控制，同时所有的信息分别在主、从微控制器中以不同方式进行分析处理，只有主、从微控制器的结果相同时指令才被接受，主控制器发出控制指令。如果主、从微控制器结果出现矛盾，主控制系统就会自行关闭。

三、ECO阀液压随速助力转向系统

带传动比控制的宝马和奥迪动力转向系统为液压随速助力转向系统，只是传动比的实现方式不同。奥迪电控过程是由控制单元J792通过给ECO阀通以PWM信号（脉冲宽度调制信号）来实现的，PWM信号根据转向速度和车速来实施。奥迪带ECO阀的电控液压转向系统示意图如图3-37所示。

图3-37 奥迪带ECO阀的电控液压转向系统示意图

如图3-38（a）所示，ECO阀通入电流变大时，开口截面积变小，输油压力变小，调节阀活塞的上端形成很小的压强。当上部压强达到某一值时，从泵的输出侧到吸油侧的调节活塞打开泄压，于是泵的输油压力就减小了。

如图3-38（b）所示，当转向速度很快，而车速却很低时，ECO阀电流变小，开口截面积变大。调节阀活塞上部将从控制油道获得很大的向下压力。压力调节阀的活塞向下移动，关闭调节阀泄油油道，从而形成泵输出的高油压。

图3-38 ECO阀在电磁阀电流大和电流小时的开口控制

（a）电磁阀电流大时为小节流孔；（b）电磁阀电流小时为大节流孔

［完成任务］控制ECO阀的两个主要信号是：__________；__________。ECO阀在断电时，开口面积是最大还是最小？__________。

四、宝马双行星齿轮机构传动比可变系统

如图3-39所示，宝马的传动比可变转向系统的结构特点是方向盘柱和齿轮齿条式转向器之间安装两套行星齿轮机构，两套行星齿轮机构采取行星架共用的结构，其上部行星齿轮的太阳轮接上部转向柱，下部行星齿轮的太阳轮接小齿轮，这样传动比为1，不变速。内齿圈转速由电动机通过减速机构进行调节，从而使太阳轮和行星架之间的转速比发生变化。双行星齿轮机构传动比可变系统优点是低速时转向更加直接、快速，高速时车身稳定性强。此系统不仅解决了助力大小问题，同时增加了危险边界，可根据车辆横摆时重心的角加速度和侧向加速度情况确定是否有危险，主动增大转向传动比。

该系统能够实现独立于驾驶员的转向干预，从而达到主动改变前轮转向角的目的。前轮主动转向技术的核心在于通过对前轮施加一个不依赖于驾驶员输入方向盘的附加转角来提高车辆的操纵性、稳定性和轨迹保持性能。该系统除传统的转向机械构件外，主要包括两大核心部件：一是一套双行星齿轮机构，通过叠加转向实现变传动比功能，二是Servotronic液力伺服转向系统（前面已讲过），用于实现转向助力功能。

驾驶员的输入包括力矩输入和角输入两部分，两部分输入共同传递给扭杆，其中力矩输入由液力伺服机构根据车速和转向角度进行助力控制，而角输入则通过由伺服电动机驱动的双行星齿轮机构进行转向角叠加，经过叠加后的总转向角才是传递给齿轮齿条转向机构的最终转角。与常规转向系统的显著差别在于，宝马主动转向系统不仅能够对转向力矩进行调节，而且还可以对转向角度进行调整，使其与当前的车速达到完美匹配。由于保留了原来从方向盘到转向轮的机械连接，在电动机发生故障时仍能保证转向安全性。与传统转向系统相比，双行星齿轮机构与原有齿轮齿条式转向器的摩擦及刚度条件不变，对驾驶员来说有利于保持原有的操纵感觉；由双行星齿轮机构产生的反力矩作用，可通过改变原有的助力控制进行补偿。双行星齿轮机构运行于低速条件，有利于减小噪声。双行星齿轮机构与转向管柱、转向小齿轮集成在一起，使结构更加紧凑。

失效自诊断：为了保证系统实时安全可靠，失效时首先对传感器信号（如车轮转速）进行滤波处理，然后根据一定的预估算法计算出某一状态变量的参考值（如横摆角速度、小齿轮转角），接着将由传感器直接测得的状态变量实际值与参考值进行比较，得到一偏差。当偏差在设定的门限范围内时，认为传感器工作良好，可以采用该信号；当偏差过大时，则必有某一传感器信号为错误信号，需结合其他信号进行故障诊断。

失效保护：在蜗杆端部有一圆锥齿轮，而电磁锁止装置中装有预紧弹簧，在正常状态下AFS的ECU给电磁锁止装置供电，保证圆锥齿轮和电磁锁止装置分离良好；当伺服电动机发生故障时，ECU停止供电，预紧弹簧把电磁锁止装置的端部压入圆锥齿轮的某两齿间，使得电动机不再转动，相当于行星排中的内齿圈被固定，此时整个转向系统是在上部太阳轮传给行星架减速，在下部由行星架传给太阳轮增速，传动比为1。

图3-39 宝马双行星齿轮式主动转向系统

五、奥迪谐波齿轮式传动比可变系统

1.谐波齿轮减速原理

谐波齿轮减速依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递力和运动。

如图3-40所示，谐波齿轮的传动机构由波发生器、柔轮和刚轮组成。柔轮是一个薄壁外齿圈，刚轮有内齿圈，刚轮比柔轮多2～4个齿（这又因波发生器上触轮的多少而异，双波型的为2）。双波型发生器的椭圆形滚子将柔轮撑成椭圆形，当波发生器为主动轮时，柔轮和刚轮为从动轮，柔轮上的外轮齿与刚轮上的内轮齿在椭圆形柔轮的长轴方向完全啮合，则柔轮的短轴方向完全脱开，而中间区域为过渡状态。当波发生器顺时针旋转一周时，柔轮相对固定的刚轮逆时针旋转两个齿，这样就把波发生器的快速转动变为刚轮的慢速转动。

谐波齿轮传动的柔轮和刚轮的齿距相同，但齿数不等，通常采用刚轮与柔轮齿数差等于波数，即

n＝z2－z1

式中 z2，z1——刚轮与柔轮的齿数。

当刚轮固定，波发生器主动，柔轮从动时，谐波齿轮传动的传动比为i＝－z1/（z2－z1）。双波传动中，z2－z1＝2，柔轮齿数很多。上式负号表示柔轮的转向与波发生器的转向相反。刚轮固定的情况也可以用摆线转子泵的啮合原理解释，我们先假设柔轮外齿和刚轮内齿都是102个齿，柔轮第1个齿指向刚轮第1个齿，柔轮小，刚轮大，柔轮和刚轮啮合一圈，柔轮没有自转，因为无论转多少圈，柔轮第1个齿永远指向刚轮第1个齿。下面做一下变化，柔轮只有100个齿，开始的时候柔轮第1个齿指向刚轮第1个齿，柔轮第1个齿和刚轮第1个齿啮合，刚轮转动7.2°，然后柔轮第2个齿和刚轮第2个齿啮合，刚轮再转动7.2°……然后柔轮第100个齿和刚轮第100个齿啮合，波发生器转50圈，柔轮转1周。但在奥迪可变传动比系统中输入是柔轮转速，输出是刚轮转速，调节轮是双波发生器的转速，这与上面情况并不一致，所以仍要继续说明。

图3-40 谐波发生器结构

（a）椭圆形双波发生器式谐波齿轮；（b）双行星轮形双波发生器式谐波齿轮

输入为双波发生器顺时针转1周（固定刚轮），输出为柔轮逆时针转2齿。

固定刚轮，输入为双波发生器，输出为柔轮的反向减速传动。三者有如下关系

n1－k2n2＝k3n3 公式（1）

式中 n1——输入的双波生器转速；

n2——柔轮转速；

n3——刚轮转速。

上面举的例子是n3＝0，k2＝50时的情况，现在让n1变速为输入，显然n2/n3是无级变化的，且n1转速高时，n1≥k2n2，n3＞0，为同向运动；n1转速低时，n1≤k2n2，n3＜0，为反向运动。

谐波齿轮具有结构简单，传动比大，可实现几十至几千倍降速，传动精度高，回程误差小，噪声低，传动平稳，承载能力强，效率高等特点。谐波齿轮减速器没有得到广泛应用的根本原因是柔轮制造困难。因为它是一个需要反复变形的零件，目前许多材料在抗疲劳方面达不到要求，从而大大降低了谐波齿轮减速器的使用寿命。

2.奥迪主动转向系统组成和构造

奥迪主动转向系统组成如图3-41所示，奥迪谐波减速机构系统构造1如图3-42所示，奥迪谐波减速机构系统构造2如图3-43所示，失效锁止电磁阀工作原理如图3-44所示。

图3-41 奥迪主动转向系统组成

图3-42 奥迪谐波减速机构系统构造1

图3-43 奥迪谐波减速机构系统构造2

图3-44 失效锁止电磁阀工作原理

（a）失效锁止电磁阀断电；（b）失效锁止电磁阀通电

［完成任务］在图3-44中失效锁止电磁阀断电后，推杆从线圈内是伸出还是缩回？__________。失效后推杆控制哪个元件不动？__________。

3.电控系统工作原理

如图3-45所示，液压系统控制单元J792利用车速信号控制液压转向系统的ECO阀，实现随速动力转向功能。同时J792接收来自ABS/ESP系统的偏移率传感器，车速、方向盘转角等信号来确定三相永磁同步电动机的控制转速，J792给电动机通电，在电动机上的三个霍尔传感器测量电动机转子的位置/转速，以进行电动机进行反馈控制，方向盘转角/转速传感器（光耦）输入方向盘转角/转速，一个霍尔传感器测量输出刚轮的位置/转速，确定实际传动比。

［完成任务］根据图3-45，请写出在进行主动转向控制时的输入和输出信号。

图3-45 J792随速液压动力转向控制＋主动转向控制原理图

J792输出数据：________________________________________；

J104输出数据：________________________________________；

G85输出数据：________________________________________；

J285输入数据：________________________________________；

G419/G536输出数据：________________________________________；

J519输出数据：________________________________________；

J220输出数据：________________________________________；

J533输出数据：________________________________________；

J393输出数据：________________________________________；

六、线控转向系统（选修）

线控技术（X-by-Wire）源于飞机控制系统（Fly-by-Wire），它将飞机驾驶员的操纵命令转换成电信号，利用计算机控制飞机飞行。这种控制方式引入到汽车驾驶上，就是将驾驶员的操作动作经过传感器转变成电信号，电信号通过网络传输到功率放大器再推动执行机构。典型的汽车线控系统有线控油门（Throttle-by-Wire）、线控转向（Steer-by-Wire）、线控制动（Brake-by-Wire）系统等。CAN-数据交换内容如图3-46所示。

图3-46 CAN-数据交换内容

线控转向系统（Steer-By-Wire System，SBW）是最新一代的转向系统，其最大特点是取消了方向盘和转向轮之间的连接，方向盘采用具有较短转向柱的方向盘总成，方向盘总成上安装有方向盘转角传感器和路感电动机等，路感电动机向驾驶员反馈路感，方向盘转角传感器向控制ECU提供转向意图，控制ECU产生目标前轮转向角。前轮转向总成包括齿条位移传感器和转向电动机，电动机驱动车轮，位移传感器跟踪目标前轮转向角。

如图3-47所示为轮毂电动机、线控车轮转向和线控制动钳一体的车轮结构。

前轮线控转向电机可采用一个或两个（左右车轮各一个）电动机，对于四轮转向则采用四个电动机。

图3-47 轮毂电动机、线控车轮转向和线控制动钳一体的车轮结构

①—轮胎；②—电动机；③—制动器；④—悬架；⑤—转向电动机

［完成任务］图3-47中车轮的质量会大大增加，是增加了悬架的簧上质量，还是簧下质量？__________。降低了汽车的什么性能？__________。未来如何避免这种情况？__________。

在纯粹的线控转向系统中，转向由电子信号控制，方向盘与车轮之间并没有直接的机械结构相连，一旦失效，将无法转向，所以制动系统要及时制动。目前关于将线控技术应用在转向系统中仍存在争议，毕竟电控系统不及机械系统可靠。

线控转向系统的优点有：地面冲击不会反向上传至方向盘，减轻了驾驶员的疲劳，转向柱不必设计馈缩吸能装置；方向盘布置灵活，增大了驾驶员腿部空间，使驾驶员出入方便。

其缺点是电控系统出现故障时无法转向，且成本较高，目前很难在家用轿车中普及。

线控系统的关键技术包括以下几个。

1.容错控制技术

为了提高汽车的可靠性和安全性，汽车线控系统必须采取容错控制，即当有些部件出现故障或失效时，它们在系统中的功能可以用系统中的其他部件完全或部分代替，使系统能继续保持规定的性能或不丧失最基本的功能，或进一步实现故障系统的性能最优。

2.通信网络技术

通信网络技术体现在实时性好、可靠性高、时间特性好（通信事件发生时间是确定的）、冗余特性。

线控系统网络协议主要选择：TTCAN、TTP/C（Time Triggered Protocol，SAE Class C）、FlexRay。

TTP协议（满足SAE C级网络的时间触发协议），目前有VOLKSWAGEN、AUDI、HON-EYWELL和DELPHI等选用这个协议作为线控网络的协议标准。TTP协议原先应用于航空产品，安全性设计非常严格，基于严格的时序安排，具有可靠性高和容错性强的特点。系统中包含的每一个节点都和其他节点由2个重复的通道连接。这些节点可以被复制，并分组成为容错单元（FTU）来弥补通信错误。由于重复信息同时在2个不同的通道上发送，因此传输信息的时间和量值都被复制。该协议的节点成本比其他协议的成本更高。

FlexRay协议（动态部分byteflight协议），这是一种既支持时间触发，又支持事件触发访问方式的协议。FlexRay的主要使用者有宝马、大众、通用，最近包括丰田、日产、本田等的一些亚洲汽车厂商也加入了FlexRay标准组织，使之有可能成为标准。

FlexRay协议的主要特点体现在以下两点。

（1）可靠性：FlexRay采用冗余备份的办法，分别由2条总线和2个网络控制器构成一个完整网络，每个ECU分别和2条总线相连，正常情况下可以利用双通道进行数据传递，当其中一个网络发生故障时也可以由另一个备份网络承担通信任务。

（2）速度：发动机、制动和转向等控制有很强的实时特性，必须有很高的数据传输速率才能满足。

3.动力电源技术

随着线控技术在汽车中的应用，汽车上的电子元件变得越来越多，对电量的需求越来越大，传统的12V电源已经不能满足需要，甚至阻碍了线控技术的发展，这就需要对汽车现有的电源技术进行革新。

众所周知，电压值的提高可使转向电机电流减小。而小的电流可使导线上的损耗减少，从而可使用更细更小的线束。提高电压值，也可以减少电气装置本身的体积、质量和损耗，有利于控制装置的小型化，提高集成度。目前提出新系统标准为42V，因为电压越高，电流越小。实验证明，电压越高，电流越小，在传输过程中损失的能量越小，电源系统越有效，但为什么止于42V呢？因为对于直流电，60V是一个安全极限，超过60V就要考虑系统的安全性问题，需要使用更加先进的材料，这无疑增加了汽车的生产成本。而对于42V来说，工作峰值电压58V在安全极限之内，既满足了增加电压的要求，也不会增加太多的生产成本。

线控技术对汽车电源技术提出了新的要求，汽车42V电源技术的发展为线控技术提供了可靠的能量保证。汽车线控技术作为汽车发展的一个重要方向，将对全球汽车制造业产生重大影响。汽车线控技术给汽车设计提供了新的思路，对汽车电子技术、控制技术、网络技术等方面提出了新的课题，给汽车整体结构带来了新的变革。

［完成任务］为什么电动转向高电压更好？____________________。

七、四轮转向系统（选修）

四轮转向系统（4WS）是指转向时，后轮参与对汽车质心侧偏角和侧向运动的控制，这样可减小运动的滞后性，可独立控制车辆运动轨迹与姿态，使车辆方向角和航向重合，可有效提高车辆的侧向稳定性和操纵灵活性。低速时在后轮附加一个与前轮相反的转向角，进行逆向位转向，以减小转弯半径；高速时后轮与前轮采用同相位转向，减小车辆横摆和侧向产生的加速度，操纵性提高。

四轮转向系统车辆转向时，后轮的旋转方向与前轮相反，以使转弯半径尽可能小并改善操纵特性。中速到高速客车的四轮转向系统发展历史较短，该技术的应用主要是改进操纵稳定性和转向响应性能。

轿车的四轮转向系统具有以下两个功能：

（1）高速行驶时，以与前轮相同的方向转动后轮，减小整车的摇摆运动，从而改进转向稳定性；

（2）中低速行驶时，以与前轮相反的方向转动后轮，使低速行驶时转弯半径减小，中速行驶时转向响应性能得以改进。