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1、电液主动转向器液压助力转向系统毕业设计（论文）任务书学院：车辆与能源学院 系级教学单位： 交通运输 学号学生姓名专 业班 级题目题目名称电液主动转向器液压助力转向系统题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容设计一个液压助力转向系统画出三维图及二维图基本要求设计图纸要求三张A0以上；设计说明书和英文文献翻译符合要求参考资料汽车工程手册设计篇M.北京:人民交通出版社.朱海
2、.电动助力转向匹配分析及性能评价研究硕士论文.吉林:吉林大学,2004.张昌华.电动助力转向系统的研究与设计硕士论文.武汉:武汉理工大学,2004.周 次第 1 4 周第 58 周第912 周第1316周第1617周应完成的内容调查研究，收集资料，翻译外文资料了解主动前轮转向机构的结构，初步设计转向机构的选型和参数计算，并学习CATIA软件的具体应用详细设计行星齿轮转向机构，画出三维图完善设计和计算，撰写论文进行答辩摘要摘要转向系统是控制汽车行驶路线和方向的重要装置，其性能直接影响到汽车的操纵性能和稳定性能。主动前轮转向通过电机根据车速和行驶工况改变转向传动比。电动液压助力转向系统采用电动机驱
3、动液压助力系统油泵，具有能够根据汽车行驶工况实现助力程度自动控制、改善转向手感、节约能量消耗、安装布置方便等优点。在国内外部分汽车上开始使用。本文回顾了车辆转向系统的发展历程。指出，相比线性控制转向，主动转向技术会成为今后发展的趋势。我们以宝马轿车上选装的主动转向系统为例，详细介绍了主动转向系统的结构和组成、双行星齿轮机构工作原理及工作模式，以及该系统可传动稳定功能实现的原理和系统安全设计性设计。并指出通过与其他动力学控制系统一起实现底盘一体化集成控制将是主动转向技术未来的发展方向。关键词主动转向；液压助力转向系统；可变转向传动比I 燕山大学本科生毕业设计（论文）AbstractSteerin
4、g system is an important for lane changing control of wheeled vehicles. Its performance influences vehicle steer ability and stability directly. Active front steering varies the steering ratio electronically in direct relation to the speed and road conditions. Under normal road conditions at low and
5、 medium speeds, the steering becomes more direct, requiring less steering effort of the driver, increasing the cars agility and drivability. The Electro-Hydraulic Power Steering system is designed to use hydraulic power steering pump which is forced by electric motor with advantage of attaining auto
6、matic controlling of assistance degree according to the steering operation, improving hand feeling, saving energy consumption, installing and so on. It has been used in some cars domestic and aboard.Retrospect the development course of vehicle steering system. Contrast to line control steering, the
7、active steering technology is the main trend in the future. As an example, the structure and working modes of active front (AFS) system and its double planetary gear mechanism of a BMW car are presented. The implementation of variable gear ratio and vehicle stability control as well as system safety
8、 design are discussed in detail. It is pointed out that using the system, together with other dynamics control systems to realize integrated chassis control is the development trend of AFS technology in the future.Keywords Electro-Hydraulic Power Steering(EHPS); Active front steering; Variable steer
9、ing ratioIII目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 国内外文献综述11.2.1 国外研究现状11.2.2 国内研究现状31.3 本文研究意义61.4 主要研究内容61.5 本章小结7第2章 动力转向和主动转向的发展史82.1 汽车动力转向系统的发展82.1.1 液压助力转向系统82.1.2 电动助力转向系统82.1.3 电控液压助力转向系统92.1.4 线控转向系统122.2 汽车主动转向系统132.2.1 主动转向分类142.2.2 主动转向控制技术142.3 汽车主动转向系统支持技术152.3.1 车辆动力学152.3.2 控制理论在车辆主动转向
10、系统中的应用162.4 本章小结18第3章 主动前轮转向结构的设计方案193.1 转向系统原理193.2 液压助力系统原理223.3 行星齿轮的主动前轮转向机构233.4 本章小结26第4章 转向系统动力学计算274.1 转向盘与扭杆动力学模型274.2 转阀动态数学模型274.3 转阀节流面积变化数学模型284.4 液压动力缸的流量连续性方程294.5 图形说明314.6 本章小结32结论34参考文献35致谢37附录1 开题报告38附录2 文献综述42附录3 中文翻译45附录4 英文文献49III第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题背景从1886年第一辆汽车诞生至今已经100多年了，汽车这一
11、被称为“改变世界的机器”，早已从价格昂贵的奢侈品变成了现代社会不可或缺的重要交通工具之一。目前汽车的发展方向是安全、节能和环保，作为汽车主动安全的转向系统随着科学技术的进步从简单的纯机械式转向系统1（Manual Steering，MS）、液压助力转向系统（Hydraulic Power Steering，HPS）、电动助力转向系统（Electric Power Steering，EPS）的发展过程。目前，主动转向器（Active Steering，AS）、四轮转向系统（Four Wheel Steering，4WS）等新技术正在成为汽车电子零部件企业、整车企业、高校和研究机构的研究热点。转向
12、系统的电子化为先进安全汽车（Advanced Safety Vehicle，ASV）、辅助驾驶系统（Driver Assistance System，DAS）和自主驾驶车辆（Autonomous Driving Vehicle）提供了良好的执行机构，是汽车集成控制系统与智能汽车的重要组成部分。1.2 国内外文献综述1.2.1 国外研究现状1宝马主动前轮转向系统宝马主动前轮转向系统除转向机构外，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；二是电子伺服助力转向系统（Servotronic Power Steering System），用于实现转向助力功能，如图1-1
13、、图1-2所示。该结构中，转向轴一端通过与输入太阳轮相联，输入太阳轮一侧与双行星齿轮的一侧相联，双行星齿轮的另一侧与输出太阳轮相联，实现驾驶员施加的转矩向转向器提供转矩。行星齿轮架外侧为涡轮，与电机上的蜗杆相联，通过控制电机的转速和方向控制行星架的转速和转动方向，实现转向盘与转向机之间的可变传动比控制。最终从输出轴传出的角度是由驾驶员转向盘角度叠加电机的附加角度而成。电机不工作时，由于涡轮蜗杆的自锁，行星架被固定，此时转向盘与输出太阳轮间的传动比由双行星齿轮机构的传动比决定。通常一般轿车传动比为16:1和18:1之间，而宝马的主动前轮转向系统的传动比可以在10:1至18:1间连续变化，其传动比
14、与车辆速度的关系曲线如图4所示。同时，系统中的电子液力伺服机构根据车速和转向角进行助力控制。因此，与常规转向系统的显著区别是宝马主动前轮转向系统不仅能够对转向力矩进行调节，而且可以对转向角度进行控制，使其与车辆行驶车速达到良好的匹配。图1-1 结构图 图1-2 可变传动比2德尔福主动前轮转向系统德尔福的主动前轮转向系统是在传统液压转向系统基础上进行了改进，在转向管柱内集成一个小行星齿轮箱，电机控制行星齿轮箱，增加或减小前轮转向角度。转向助力的大小则通过单独控制的模块控制。通过这两个部分协调控制前轮转角和转矩适应道路调节和驾驶员转向意图的要求。德尔福系统能有效改善车辆稳定控制并采用理想的可变转向
15、传动比，同时可以较好地获得来自路面的转向阻力、转向回位性能和转向路感等，图1-3为德尔福主动转向系统图。3光洋精工主动转向系统日本光洋精工在2005年5月18日20日于日本横滨Pacifico会展中心举办的“2005年人与车科技展”上，展出了正在开发的主动转向装置“差动装置型主动转向系统”。其结构类似于宝马采用的德国ZF Lenksysteme公司开发的装置，使用多个行星齿轮装置，改变轮胎的后倾角。配置在竖轴中间，与主动转向装置之外的油压动力方向盘等助力装置配合使用。图1-3 德尔福主动转向系统与ZF公司方式最大的区别在于通过追加第2个马达，消除了操纵时的不适应感。通常情况下使用配置在竖轴上的
16、“差动马达”，调整后倾角，但此时会作为扭矩而给司机带来不适应感。为了消除这种现象，通过追加“反作用力马达”，可避免将扭矩传给司机。另外，ZF公司方式需要3个行星齿轮装置，而光洋方式则减小到了2个，因此能够降低20%的成本。此外，通过改进控制方法，还提高了操纵性。对于具体的应用计划和对象车型，光洋精工的现场工作人员表示“尚在探讨”。光洋主动转向系统如图1-4。图1-4 光洋主动转向系统1.2.2 国内研究现状主动转向作为一项汽车主动安全技术具有很大的潜在市场需求，国内的相关研究主要集中在高校，尚处于控制技术的理论研究和实验室原理样机的开发阶段。目前，吉林大学、同济大学、北京理工大学、江苏大学、上
17、海交通大学和北京航空航天大学等高校开展了车辆主动转向系统方面的研究。吉林大学对于汽车线控转向控制进行较为深入的研究1-2。在分析装载机路感特性的基础上，提出控制策略，设计了一种基于BP神经网络整定的自适应PID控制器3，实现了PID参数的在线调整；利用Riccati方程对汽车线控转向传感器故障进行了重构研究，同时利用双自适应Kalman滤波对线控转向传感器进行故障诊断4-5，并进行了容错控制。如图1-5为吉林大学线控转向试验台。图1-5 吉林大学线控转向试验台同济大学对于车辆主动转向进行了较为深入的研究6-7，利用鲁棒控制理论设计了主动前轮转向控制器的反馈和前馈部分，针对大侧向风干扰和双移线操
18、纵进行了仿真实验。针对电动助力转向系统的车辆低速回正性差，而高速时又容易出现回正超调的现象，提出了一种新型的回正和主动阻尼控制策略8，该控制策略能够改善车辆低速时的回正性，抑制车辆中高速时的回正超调现象，并且在施加了回正与主动阻尼控制后，驾驶员的操纵手感没有受到不良的影响。同时同济大学2004年开发了线控转向系统用于4 WD电动车“春晖三号”。北京理工大学在线控转向对操作性能的影响与控制策略方面进行了理论研究9-11。建立了线控转向系统的整车二自由度模型，对固定转向灵敏度和横摆角速度反馈型主动转向控制策略进行了性能分析。采用提出的主动转向控制策略时稳态质心侧偏角大大降低，开环总方差大大降低，提
19、高了车辆操纵稳定性。江苏大学提出了基于稳态增益的主动转向系统可变传动比模型，通过分析转动前轮转向系统双行星齿轮机构的原理，根据前轮转角和合成机理，分别建立了方向盘转角和叠加转角的运动学模型，通过比较单、双行星齿轮机构输出轴与输入轴的转速差，推导出基于双行星齿轮机构的电机转角随方向盘转角及传动比的变化关系；为了改善汽车的动态转向特性及其在高速直线行驶时的抗干扰能力，以车速为输入变量，参考车辆系统稳态增益的变化范围，构建了可变传动比计算模型。上海交通大学针对电动前轮主动转向控制系统进行了较为深入的研究12-13，将系统解耦为EPS执行器和AFS执行器，分别进行控制研究。EPS执行器实现转向盘转向力
20、矩的控制，AFS执行器实现可变传动比控制和车轮稳定性控制。根据控制系统的不同特点，对EPS执行器进行抵抗传感器噪声和外部干扰输入的标准鲁棒控制器设计；对于AFS执行器针对车辆行驶中侧偏刚度的摄动和外界侧向风干扰，进行混合LQR/的鲁棒最优控制器设计，以提高主动前轮转向控制系统的稳定性能、鲁棒性能和抗干扰性能。图1-6 上海交通大学主动转向试验台1.3 本文研究意义安全、节能与环保是21世纪汽车发展的三大主题，而整个交通系统包括车-路-人三个部分，根据相关研究表明，其中人的因素是最主要的。由于人的性格、年龄、性别等方面的差异，使人的因素成为最难控制的因素。运用现代的科学技术，研制和开发车辆主动转
21、向系统，由于该系统可实现变传动比控制、抗干扰控制等功能，将大大降低驾驶员劳动强度和提高车辆主动安全性能，减少道路交通事故发生的可能，保护人民的生命安全和降低财产损失。同时开发性能可靠、价格合理的车辆主动转向系统也会带来可观的经济效益，2009年我国已经超过美国成为全球第一大汽车生产国和汽车消费国，而且随着我国国民收入的增长，消费者对于车辆的安全性能也提出了更高的需求，成熟的车辆主动转向系统将成为车辆购买时的选配之一，其市场前景极为广阔。但是由于技术和成本等诸方面的原因，目前主动转向系统只在少数世界著名品牌高端车上应用，国内自主品牌至今尚未应用，因此开发性能可靠，价格较低的车辆主动转向系统不但可
22、以打破国外公司的技术垄断，还可以降低整个系统的成本，使该系统安装于我国自主品牌的高端车上，加速该系统的普及。车辆系统是一个集电子、计算机、机械等各种高新技术于一体的复杂系统，进行全方位的研究一般情况下存在实际困难。受经济和科研条件限制，我国车辆整体研究要落后于世界先进水平。但这并不意味着我国在该领域将会永远无所作为，一直跟在发达国家后面邯郸学步。结合我国国情（经济条件、工业条件、科研条件等），在某一方面或某些方面，进行深入、细致的研究，将为我国车辆主动转向方面的研究提供有价值的理论和技术支持，为今后的发展及实际应用打下坚实的基础。1.4 主要研究内容查阅电液主动转向系统的相关资料，运用所学的专
23、业知识，了解宝马主动转向器的结构及其工作原理。学习catia软件，对电液主动转向器液压助力转向机构进行设计，并用卡尺测得各零部件尺寸，画出三维立体图。使得车辆在高低速时都能够行驶更加灵活、敏捷，同时提高汽车行驶稳定性。拟解决的主要问题：1深入了解宝马电液主动转向器液压助力转向机构的结构及其工作原理。2完成电液主动转向器液压助力转向机构的设计。3完成电液主动转向器液压助力转向机构各零部件尺寸测量。4运行catia软件，完成宝马主动转向器液压助力转向机构的三维立体图。1.5 本章小结了解了汽车转向系统的主要性，其中电液助力转向系统为先进的电动助力转向系统发展的过渡产品，在现阶段仍相当具有优势，并且
24、还将继续得到改进和发展。并且，明确本次毕设的目的，希望此次研究能够给之后的研究者提供帮助。53第2章 动力转向和主动转向的发展史第2章 动力转向和主动转向的发展史2.1 汽车动力转向系统的发展2.1.1 液压助力转向系统液压助力转向系统是在传统的机械转向系统基础上增加液压系统，发动机带动转向油泵工作，转向控制阀控制油液流动的方向和油液大小，提供转向助力，减小驾驶员作用在转向盘的转矩，降低驾驶员的劳动强度。通常情况下，车辆转向所需的转矩是由发动机通过驱动油泵所提供。液压助力转向存在以下缺点14：（1）液压助力转向系统在汽车行驶时需要消耗一定的能量，增加了液压油泵、液压缸、油管和一些辅助装置，增加
25、的汽车行驶时的油耗，其燃油经济性较差，一般轿车每行驶一百公里需要多消耗0.3-0.4升的燃料。（2）助力特性不能随着车辆速度的变化进行自动调节，无法兼顾车辆低速转向的轻便性和高速转向的转向路感。（3）转向回正性差。液压助力转向系统在回正过程中，不可避免存在阀芯和阀套之间的残余角，即转向盘回到中间位置时助力压差不能立即减少为零，形成阻碍回正的阻力矩，影响车辆转向的回正特性。2.1.2 电动助力转向系统电动助力转向系统15-16是一种直接依靠电机提供辅助转向力矩的动力转向系统，如图2-1所示，主要由传感器、助力电机、减速机构、驱动器和控制单元等关键要素组成。不同类型电动助力转向系统的基本原理是相同
26、的：当驾驶员操纵方向盘时，装置转向轴上的传感器实时测量转向轴的转矩值，并将转矩信号和车辆状态信息送入控制单元，根据不同工况实施不同的转向控制策略，由控制器输出转向控制信息，控制电机输出适当的电磁转矩和电机旋转方向，由减速系统进行减速增牛后施加在车辆的转向轴上，实现车辆助力转向。与传统的动力转向系统相比，电动助力转向具有以下特点：（1）电动助力转向系统能够在不同车速下给车辆提供最佳的转向助力，其助力特性的设计根据车辆行驶速度的不同和驾驶员施加的转向转矩情况控制转向系统的助力情况，可以兼顾车辆在低速行驶时的转向轻便性及车辆高速行驶时的转向稳定性，保证驾驶员获得良好的路感，从而改善车辆的操纵稳定性；
27、（2）电动助力转向系统具有较好的燃油经济性。与液压助力转向相比，其转向助力电机这有在车辆转向时实施助力功能，减少了燃料消耗；（3）助力转向系统的能量来自于车载蓄电池，与发动机无关，即使车辆发动机出现熄火或故障的情况下也能提供转向助力；（4）电动助力转向系统没有油泵、液压油等零件，零件数比液压助力转向大为减小，易于设计和安装。转向力矩方向盘齿条传感器信号控制单元电机控制车辆状态齿轮减速机构车轮电机图2-1 电动助力转向系统原理图2.1.3 电控液压助力转向系统电控液压助力转向（Electronically Controlled Hydraulic Power Steering，ECHPS）是在液
28、压助力转向系统的基础上增加电控装置构成的。与液压助力转向系统相比，系统增加了液压反应装置和液流分配阀，而加设的电控系统包括动力转向ECU、电磁阀和车速传感器等。电控液压助力转向系统利用电控单元根据车辆速度调节作用在方向盘上的助力，通过控制转向控制阀阀芯和阀套的开启程度，调节液压助力系统助力的大小，从而实现辅助转向力矩随着车辆行驶速度变化而变化。根据控制方式不同又可分为流量控制式、压力控制式、反力控制式和阀特性控制式等多种形式。但即使是最新的产品也无法根除液压助力系统在布置、安装、密封性、操控性、能量消耗等固有缺陷。不过由于其技术较为成熟，可以实现整车电控系统一体化，以此作为传统液压动力转向系统
29、向先进转向系统发展的过度产品，在现阶段仍具有相当优势，并且还将继续得到改进和发展。常规电控液压助力转向技术虽然实现了助力特性的改变，提高了高速时的转向路感，但是其存在以下缺点：（1）助力液压泵由发动机驱动，在车辆行驶的整个阶段流量恒定，造成大量的能源消耗，降低了车辆的燃油经济性；（2）系统成本高，主要应用于高级轿车；（3）由于电磁阀精度高，其对液压油的品质和过滤条件要求高，维护成本较高。自1953年通用汽车公司在凯迪拉克和别克轿车上首次批量使用液压动力转向系统以来，液压动力转向系统给汽车的发展带来了巨大的变化，使驾驶员的转向操纵力大大降低，转向的灵敏性得到了提高。随着生产技术的发展，动力转向系
30、统在体积、价格和所消耗的功率等方面都取得了惊人的进步。在20世纪80年代后期，又开发了变减速比、电控液压动力转向系统。但是动力转向系统的技术革新都是基于液压动力转向系统的，无法消除HPS系统在布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面的缺陷。直到1988年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统，才真正摆脱了液压动力转向系统的束缚。 此后，电动助力转向技术得到迅速发展，其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，美国的Delphi公司，英国的Lueas公司，德国的ZF公司，都研制出了各自的EPS。如大发汽车
31、公司在其Mira车上装备了EPS，三菱汽车公司在其Minica车上装备了EPS，本田汽车公司在Accord车上装备了EPS。Delphi公司已经为大众的Polo、菲亚特Punto开发出EPS。本田还在其AcuraNXS赛车上装备了EPS。EPS的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也进一步加强。日本早期开发的EPS仅仅在低速和停车时提供助力，高速时EPS将停止工作。新一代的EPS则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。如日本铃木公司装备在WagonR+车上的EPS是一个负载-路面-车速感应型助力转向系统8。由Delphi公司为Funt
32、e车开发的EPS为全范围助力型，并且设置了两个开关，其中一个用于郊区，另一个用于市区和停车。当车速大于70 km/h后，这两种开关设置的程序则是一样的，以保证汽车在高速时有合适的路感，这样即使汽车行驶到高速公路时驾驶员忘记切换开关也不会发生危险。市区型开关还与油门有关，使得在踩油门加速和松油门减速时，转向更平滑。随着电子技术的发展，EPS技术日趋完善，并且其成本大幅度降低，为此其应用范围将越来越大9-13。早在20世纪60年代末，德国Kasselmann等试图将转向盘与转向车轮之间通过导线连接（即电子转向系统），但由于当时电子和控制技术的制约，电子转向系统一直无法在实车上实现。奔驰公司于199
33、0年开始了前轮电子转向系统的深入研发，并将其开发的电子转向系统应用于概念车F400Carving上。世界其他各大汽车厂家、研发机构（包括Daimler-Chrysler、宝马、ZF、DELPHI、TRW等）以及日本的光洋（Koyo）精工技术研究所、日本国立大学、本田汽车公司等也先后对汽车电子转向系统做了深入研究。目前许多汽车公司开发了自己的电子转向系统，一些国际著名汽车生产商已在其概念车上安装了该系统。日本Koyo技术研究所根据他们自己的研究试验结果，利用电子转向系统进行主动控制的汽车，在摩擦系数很小的坚实雪地上进行蛇行、移线、侧向风试验中基本按照预定的轨迹行驶，比传统转向系统在路线跟踪性能上
34、有较大的提高。在对开路面上进行制动试验也能基本保证汽车的直线行驶，制动距离也大大缩短。日本大学和本田汽车公司在汽车电子转向系统方面也做了一些理论工作和模拟器试验研究。他们从人车闭环系统特性出发，设计了理想的转向系统传动比，使汽车的稳态增益不随车速变化，并重点研究了驾驶员角控制特性和力控制特性对汽车主动安全性的影响。宝马汽车公司概念车BMWZ22，应用了SBWS和BBW（Brake-By-Wire）技术，转向盘的转动范围减少到了160，使紧急转向时驾驶员的忙碌程度得到很大程度的降低。目前由于汽车供电系统的因素，转向电动机难以提供较大功率，现阶段电子转向系统的研究以及近期的应用对象主要针对轿车。要
35、在重型载货汽车上应用，还必须采用液压执行机构。随着蓄电池技术的发展和42 V电子设备在汽车上的应用，全电子转向系统将应用到中型和重型车上。目前，42 V电源已经在一些概念车上得到应用，通用的“自主魔力”和Bertone的“FILO”都采用了42 V电源。国内动力转向器目前还处于机械液压动力转向阶段，对于电动助力转向系统，清华大学、北京理工大学、华南理工大学等高校开展了系统结构方案设计和系统建模及动力分析等研究，但目前还没有实用的电动助力转向系统和电子转向系统。2.1.4 线控转向系统线控转向系统（Steer by Wire，SBW）取消转向盘与转向轮之间的机械连接，驾驶员转向操作与转向轮之间通
36、过信号及控制器进行连接。驾驶员转向操作仅仅是向车辆输入驾驶意图，控制器根据驾驶员意图、车辆状态和路面状况确定合理的前轮转角，实现转向系统的智能控制，提高车辆的稳定性，降低驾驶员的劳动强度。一般而言，线控转向系统由转向盘总成、转向执行总成和主控制器（ECU）三个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助系统组成，系统结构如图2-2所示。转向盘总成包括：转向盘、转向盘转角传感器、力矩传感器、转向盘回正力矩电机。转向盘总成的主要功能是将驾驶员的转向意图通过传感器测量转换为电信号并传递给主控制器；同时接受控制器传递来的力矩信号，产生转向盘回正力矩，以提供驾驶员相应的路感。转向执行总成包括前轮转角传感器、转
37、向执行电机、转向电机控制器和前轮转向组件等。总成的功能是接受主控制器的命令，通过转向电机控制器控制转向车轮转动，实现驾驶员转向意图。主控制器对采集的信号进行分析处理，根据车辆动力学理论分析车辆运动状态，利用控制算法结合车辆状态做出决策，向转向盘回正力矩电机和转向电机发出控制指令，控制两个电机的转速、转矩，保证车辆在各种工况下都具有理想的动态响应特性，以减少驾驶员对车辆转向特性随车速变化进行的补偿控制任务，减轻驾驶员负担。同时控制器还可以对驾驶员的操作进行判别。当汽车处于非稳定状态或驾驶员发出错误指令时，线控转向系统将会把驾驶员错误的转向意图进行屏蔽，通过自动进行稳定控制，使汽车尽快地恢复稳定状
38、态。转向盘总成齿轮齿条转向器回正力矩电机故障离合器转向执行电机转向桥机构总成控制器故障处理控制器车辆速度、加速度、横摆角速度传感器图2-2 线控转向系统结构示意图2.2 汽车主动转向系统主动转向技术是随着智能车辆的产生而产生的，早期的智能车辆主要用在特定场所的自动行驶车辆上，如自动引导车（AGV）等17。这些车辆采用地下埋线、激光和机器视觉获取车辆在道路上的行驶姿态，通过主动转向系统进行导航控制。上个世纪80年代以来，随着科学技术的发展，特别是计算机技术、信息技术、人工智能、电子技术的突飞猛进，为主动转向在技术上的实现提供了保障，主动转向系统具备了实现的物质基础，并进行了较为深入、系统、大规模
39、研究阶段。近十几年来，主动转向开始应用于普通的车辆上。目前用于乘用车的主动转向系统其基本原理是通过控制器控制执行机构，在驾驶员转角命令的基础上附加一个独立的转角，从而实现车辆性能的改善。主动转向可实现如下功能：（1）低速转向轻便，高速转向稳定；（2）转向系统动态响应快；（3）在危险工况下实现车辆稳定性的控制。在特定的情况下，主动转向系统可以实现对车辆的完全控制，如丰田在其生产的PRIUS中采用的自动泊车技术。在整个泊车过程中，驾驶员只需制动车辆，而不需要对车辆前轮转角进行控制。2.2.1 主动转向分类目前，应用于乘用车的主动转向系统主要有两种型式，一是宝马公司和ZF公司联合开发的AFS系统，该
40、系统为机械式主动转向系统，通过行星齿轮机械机构增加一个输入自由度实现附加转向，该系统已装配于宝马5系的轿车上。另一种是电控可变传动比转向系统，韩国的MANDO(AFS)、日本的JTEKT公司以开发出相关产品。机械式主动系统和电控式主动转向系统与线程转向系统的最大区别是当系统出现故障时，机械或电控式主动转向仍能通过转向盘与车轮间的机械连接确保其转向性能，而线控转向必须通过系统主要部件的冗余设计保证车辆的安全性。2.2.2 主动转向控制技术（1）可变转向传动比可变转向传动比是指车辆在行驶过程中，通过主动转向使转向传动比随车速变化，从而改善车辆操纵性能的控制技术18。在低速工况下，转向传动比较小，可
41、以使驾驶员用较小的转向盘操纵就可以实现对车辆的操控，是低速驾驶快捷。在高速工况下，转向传动比较大，驾驶员能够更加稳定地操控车辆，根据车辆动力学可知，车辆在高速行驶时其横向稳定性受前轮转角变化的影响非常大，即使前轮有一个微小的转角也会使车辆产生一个较大的横向移动，采用较大的转向传动比可以有效降低车辆高速时转向的灵敏度，从而克服此类问题。（2）车辆稳定性控制在许多工况下，车辆在受到外界的变化或干扰会直接影响车辆驾驶的稳定性，甚至可能导致车辆失控。例如在车辆受到侧向阵风作用时，由于侧向风导致车辆受到侧向力，而此侧向力是通过轮胎变形提供侧向力与之平衡，那么即使在前轮转角未改变时，车辆的航迹角也会发生改
42、变。如果侧向风作用在车身合力未作用在车辆质心处，那么车辆将受到横摆转矩，改变车辆的横摆角速度，影响车辆的动力学特性。通过主动转向系统主动控制车辆的前轮转角，以前轮转角作为系统输入，影响车辆质心侧倾角和横摆角速度状态，提高车辆操纵稳定性19-21。有报告表明，驾驶员辅助系统可以帮助驾驶员对车辆进行稳定控制，从而避免40%的交通事故22。而且辅助系统可以降低驾驶员疲劳，补偿驾驶员的人为误差和驾驶员的反应时间。在危机情况下，主动转向系统会修正驾驶员操控的车轮位置，从而车辆能比在由驾驶员自行控制时更快捷、高效地稳定行驶。因此主动前轮转向可以提供紧急情况下的驾驶安全性和车辆稳定性。（3）直接横摆力矩补偿
43、控制与稳定性控制功能类似，主动转向系统还能提供横摆力矩补偿功能，以提高在对开路面上车辆的制动稳定性。在该工况下，由于左右轮上下不等的制动力会产生绕车辆质心的横摆力矩，使得车辆发生制动跑偏现象。传统的车辆稳定性控制（如ESP、VSC）通过调节4个车轮上的制动力来使得左右车轮的制动力尽量相等，但是以减小制动减速度、增加制动距离为代价。而主动转向系统根据制动压力等信号计算出所需补偿的横摆力矩并通过调整相应的前轮转向角实现方向调节。在这一过程中，驾驶员无须对转向盘进行修正，减轻了驾驶员的工作负担，保证了制动时车辆方向稳定性，减小制动距离，与传统ABS/ESP相比可使制动距离最多减少15%。2.3 汽车
44、主动转向系统支持技术2.3.1 车辆动力学汽车系统动力学是研究人-车系统中，人和车辆作用的相互匹配问题。为此首先要研究人车系统的模型问题，只有正确建立人车系统模型，才能有效地，正确地进行系统分析。汽车系统动力学的研究内容归纳为以下四点：1路面特性分析、环境分析及环境与路面对汽车的作用；2汽车系统及其部件的运动学和动力学，汽车内各子系统的相互作用；3汽车系统最佳控制和最佳使用；4车辆人系统的相互匹配和模型研究，驾驶员模型，以使车辆的工程技术设计适合于人的使用，从而使人机系统对工作效率最高。长期以来，人们一直在很大程度上习惯按纵向、垂直和横向分别独立研究车辆动力学问题。纵向动力学研究车辆直线运动及
45、其控制问题，主要是车辆沿前进方向的受力与其运动的关系。按车辆工况可分为驱动动力学和制动动力学两大部分；行驶动力学是与车辆行驶有关的主要性能及参数，在有限的悬架工作空间内，设计人员必须为驾驶员和乘客提供良好的乘坐舒适性、良好的车身姿态，以及对车轮动载荷的合理控制；操纵动力学在车辆动力学研究中内容最为丰富，主要研究车辆侧向运动、横摆运动、转向特性和驾驶员模型等。对于车辆主动转向而言，主要是根据实际需求建立不同自由度的车辆建立车辆动力学模型。对于控制器设计通常在满足需要的前提下通常采用阶次较低的模型，主要基于两方面的考虑，一方面是随着车辆模型阶次的增加，其模型将从线性模型变为非线性模型，目前模型线性
46、系统理论完备，而非线性系统理论相对而言还处于研究的过程中；另一方面是随着车辆模型阶次的增加，所需待测的系统状态增多，而系统状态通常采用传感器直接测量，这样将增加车辆主动转向系统的成本，制约其产业化。对于整个系统仿真时，车辆模型应该选用模型阶次较高的模型。因为在整车仿真时应建立较为准确的车辆模型，随着模型阶次的增加，数学模型将更加接近真实车辆的动力学状态，仿真结果将更加准确。同时，该模型只是用于车辆动力学仿真，不是用于控制器设计，其模型非线性对仿真没有影响。而各种车辆状态在仿真环境中可以直接获取，不会增加整个系统的成本。2.3.2 控制理论在车辆主动转向系统中的应用为实现车辆主动转向控制，性能优
47、良的控制器是车辆主动转向必不可少的部分，所以控制理论在车辆主动转向系统上的应用十分重要。车辆本身是一个十分复杂的多输入多输出非线性系统，它具有时变、强耦合和非线性的动力学特征，由于测量和建模的不精确，再加上负载的变化以及外部扰动的影响，实际上无法得到车辆精确、完整的模型；对于车辆转向系统而言，如各旋转副的阻尼、轮胎回正力矩等也存在大量的不确定性，同时如果将整个转向系统建立一个控制模型，模型将存在非线性和可控性等问题，为此面对车辆大量不确定性因素的存在，利用控制理论设计高品质的车辆状态获取方法必须综合考虑各种不确定性因素的影响。因此，研究车辆主动转向系统具有十分重要的理论和实践意义。首先经典控制理论应用于车辆主动转向控制。宝马稳定性控制采用了模型跟踪的控制策略。首先通过车辆线性二自由度动力学模型本根据当前驾驶员转向角及车速计算得到期望的横摆角速度，当获得了期望横摆角速度后，对理想与实际横摆角速度偏差进行PI控制，得到附加转向角并控制伺服电机进行输出。在50年代蓬勃