毕 业 论 文
宝马机
宝马主动转向技术概述
关键字：主动转向核心 部件结构 工作原理
目录
1引言..................................................
2主动转向系统组成极核心部件结构........................
3主动转向系统的功能....................................
3.1可变传动比功能.......................................
3.2转向灵活性功能........................................
3.3横摆角速度控制和横摆力矩补偿..........................
3.4稳定性功能的扩展--地盘集成控制技术....................
4结束语................................................
5参考资料..............................................
1 前言
现代车辆转向系统发展至今大致可以划分为5个阶段，即液压伺服转向、电子伺服转向、电动助力转向（EPS）、主动转向和线控转向（SBW）。这5种转向系统的集成度和功能范围依次递增，其中电子伺服转向相对于传统液压伺服转向最大的优点在于，通过引入传感器技术，使转向助力大小可以根据车速而变化；而EPS系统在此基础上还具有主动阻尼功能和主动回正功能。
现代车辆转向系统发展至今大致可以划分为5个阶段，即液压伺服转向、电子伺服转向、电动助力转向（EPS）、主动转向和线控转向（SBW）。这5种转向系统的集成度和功能范围依次递增，其中电子伺服转向相对于传统液压伺服转向最大的优点在于，通过引入传感器技术，使转向助力大小可以根据车速而变化；而EPS系统在此基础上还具有主动阻尼功能和主动回正功能。
在传统转向系统中，转向盘到前轮的转向传动比是严格固定的。转向系定传动比设计的缺陷主要表现为：低速或停车工况下驾驶员需要大角度地转动转向盘，而高速时又不能满足低转向灵敏度的要求，否则车辆的稳定性和安全性会随之下降。因此，同时满足转向系统在低速时的灵活性要求与高速时的稳定性要求是当今车辆转向系统设计的核心问题之一。
德国宝马公司和ZF公司联合开发的主动前轮转向系统（Active Front Steering）完美地解决了上述问题，并且该系统已装备于部分宝马3系列和5系列轿车上。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。该系统具有可变传动比设计：在低速状态下传动比较小，使转向更加直接，以减少转向盘的转动圈数，提高车辆的灵活性和操控性；在高速行驶时转向传动比较大，提高车辆的稳定性和安全性。除了可变传动比设计外，通过转向干预来实现对车辆的稳定性控制是该系统最大的特点。目前，作为一项新技术，主动转向系统把车辆的安全性、灵活性以及驾驶乐趣提高到了一个全新水平。
具有变传动比功能的转向系统还有线控转向（Steer by wire）系统2它和主动转向一样能够将驾驶员的转向输入角和实际的车辆转角分离开来，在驾驶员转向角输入的基础上叠加一个附加转向角，用于优化车辆对驾驶员输入的响应或在紧急情况下提高车辆的稳定性。线控转向和主动转向系统最大的区别体现在当系统发生故障时，主动转向系统仍能通过转向盘与车
德国宝马公司和ZF公司联合开发的主动前轮转向系统（Active Front Steering）完美地解决了上述问题，并且该系统已装备于部分宝马3系列和5系列轿车上。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。该系统具有可变传动比设计：在低速状态下传动比较小，使转向更加直接，以减少转向盘的转动圈数，提高车辆的灵活性和操控性；在高速行驶时转向传动比较大，提高车辆的稳定性和安全性。除了可变传动比设计外，通过转向干预来实现对车辆的稳定性控制是该系统最大的特点。目前，作为一项新技术，主动转向系统把车辆的安全性、灵活性以及驾驶乐趣提高到了一个全新水平。
具有变传动比功能的转向系统还有线控转向（Steer by wire）系统2它和主动转向一样能够将驾驶员的转向输入角和实际的车辆转角分离开来，在驾驶员转向角输入的基础上叠加一个附加转向角，用于优化车辆对驾驶员输入的响应或在紧急情况下提高车辆的稳定性。线控转向和主动转向系统最大的区别体现在当系统发生故障时，主动转向系统仍能通过转向盘与车
轮间的机械连接确保其转向性能，而线控转向系统必须通过主要零件的冗余设计来保证车辆的安全性。此外，由于主动转向系统中保留了完整的转向系统，在转向过程中可以获得真实的路感，这一点是线控转向系统所不具备的。因此，从安全性和路感的角度而言，主动转向是当前转向系统发展的一个主要趋势。
本文主要介绍了宝马主动转向系统的原理及组成、核心部件双行星齿轮机构及其工作模式、系统主要功能及其实现原理，为今后国内转向系统的开发提供一些借鉴。
2 主动转向系统组成及核心部件结构
宝马主动转向系统保留了传统转向系统中的机械构件，包括转向盘、转向柱、齿轮齿条转向机以及转向横拉杆等。其最大特点就是在转向盘和齿轮齿条转向机之间的转向柱上集成了一套双行星齿轮机构，用于向转向轮提供叠加转向角。
如图1所示，除传统的转向机械构件外，宝马主动转向系统主要包括两大核心部件：一是1套双行星齿轮机构，通过叠加转向实现变传动比功能，二是Servtronic电子伺服转向系统，用于实现转向助力功能。驾驶员的转向角输入包括力矩输入和角输入两部分，将共同传递给扭杆。其中的力矩输入由电子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
本文主要介绍了宝马主动转向系统的原理及组成、核心部件双行星齿轮机构及其工作模式、系统主要功能及其实现原理，为今后国内转向系统的开发提供一些借鉴。
2 主动转向系统组成及核心部件结构
宝马主动转向系统保留了传统转向系统中的机械构件，包括转向盘、转向柱、齿轮齿条转向机以及转向横拉杆等。其最大特点就是在转向盘和齿轮齿条转向机之间的转向柱上集成了一套双行星齿轮机构，用于向转向轮提供叠加转向角。
如图1所示，除传统的转向机械构件外，宝马主动转向系统主要包括两大核心部件：一是1套双行星齿轮机构，通过叠加转向实现变传动比功能，二是Servtronic电子伺服转向系统，用于实现转向助力功能。驾驶员的转向角输入包括力矩输入和角输入两部分，将共同传递给扭杆。其中的力矩输入由电子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着差别在于，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。其中的总转角δG等于驾驶员转向盘转角和伺服电机转角之和，如公式（1）所示
式中，iD为转向系统总传动比；δS为转向盘转角，（°）；iM为蜗轮、蜗杆传动比；δM为电机调整角，（°）。
宝马主动转向系统的核心部件是1套集成在转向柱上的双行星齿轮机构，如图2所示。这套机构包括左右两副行星齿轮机构，共用一个行星架进行动力传递。左侧的主动太阳轮与转向盘相连，将转向盘上输入的转向角经由行星架传递给右侧的行星齿轮副。而右侧的行星齿轮
宝马主动转向系统的核心部件是1套集成在转向柱上的双行星齿轮机构，如图2所示。这套机构包括左右两副行星齿轮机构，共用一个行星架进行动力传递。左侧的主动太阳轮与转向盘相连，将转向盘上输入的转向角经由行星架传递给右侧的行星齿轮副。而右侧的行星齿轮
副具有两个转向输入自由度，一个是行星架传递的转向盘转角，另一个是由伺服电机通过一个自锁式蜗轮蜗杆驱动的齿圈输入，即所谓的叠加转角输入。右侧的太阳轮作为输出轴，其输出的转向角度是由转向盘转向角度与伺服电机驱动的转向角度叠加得到，也就是汽车的实际转向角度。低速时，伺服电机驱动的行星架转动方向与转向盘转动相同，叠加后增加了实际的转向角度，可以减少转向力的需求。高速时，伺服电机驱动的行星架转动方向与转向盘转动相反，叠加后减少了实际的转向角度，转向过程会变得更为间接，提高了汽车的稳定性和安全性。
该齿轮机构工作时具有如下3种驱动方式：
a.伺服电机即涡轮固定不动时，转向盘转角通过主动太阳轮将动力传递给双行星齿轮机构中间的行星架，再由从动太阳轮输出。与此同时，前轴上的地面反力也通过相同的途径为驾驶员提供转向路感，这也是在不装备主动转向系统的车辆上驾驶员对于前轮转向的操纵过程。
b.转向盘不动，即主动太阳轮固定时，可由伺服电机驱动涡轮通过行星齿轮机构将动力传递给从动太阳轮。
c.在通常情况下，主动太阳轮和伺服电机是共同工作的，车轮转角是驾驶员转向角和伺服电机调节转向角的叠加。
3 主动转向系统的功能
主动转向系统的功能分类如图3所示。
a.伺服电机即涡轮固定不动时，转向盘转角通过主动太阳轮将动力传递给双行星齿轮机构中间的行星架，再由从动太阳轮输出。与此同时，前轴上的地面反力也通过相同的途径为驾驶员提供转向路感，这也是在不装备主动转向系统的车辆上驾驶员对于前轮转向的操纵过程。
b.转向盘不动，即主动太阳轮固定时，可由伺服电机驱动涡轮通过行星齿轮机构将动力传递给从动太阳轮。
c.在通常情况下，主动太阳轮和伺服电机是共同工作的，车轮转角是驾驶员转向角和伺服电机调节转向角的叠加。
3 主动转向系统的功能
主动转向系统的功能分类如图3所示。
3.1可变传动比功能
如果期望横摆角度速度太小，说明车辆的响应相对于转向盘输入过于迟缓；如果期望横摆角速度太大，则导致车辆反应过快。根据相关研究，具有理想转向特性的车辆必须满足以下条件：
a.车辆等速转向时，期望横摆角速度必须保持为一定值；
b.期望横摆角速度应随车速的增加而降低，且其值必须位于一定的合理范围内。对于普通驾驶员，该范围为0.12～0.37（°）/s,对于熟练驾驶员为0.12～0.417（°）/s。
传统的定转向传动比机构显然无法满足上述要求，但宝马的主动转向系统通过叠加转向机构完全能够实现。该系统传动比在10～20之间，低速情况下，通过双行星齿轮机构伺服电机的调整角和转向盘转角同向输入，使得系统的传动比较小，实际上是增大了驾驶员的转向角输入，从而获得较大的期望横摆角速度增益并使得转向轻便；在中、高速情况下，伺服电机
a.车辆等速转向时，期望横摆角速度必须保持为一定值；
b.期望横摆角速度应随车速的增加而降低，且其值必须位于一定的合理范围内。对于普通驾驶员，该范围为0.12～0.37（°）/s,对于熟练驾驶员为0.12～0.417（°）/s。
传统的定转向传动比机构显然无法满足上述要求，但宝马的主动转向系统通过叠加转向机构完全能够实现。该系统传动比在10～20之间，低速情况下，通过双行星齿轮机构伺服电机的调整角和转向盘转角同向输入，使得系统的传动比较小，实际上是增大了驾驶员的转向角输入，从而获得较大的期望横摆角速度增益并使得转向轻便；在中、高速情况下，伺服电机
的调整角和转向盘转角反向输入使得系统的传动比较大，实际上是减小驾驶员的转向角输入，减小期望横摆角速度增益，并逐步提高车辆的稳定性。车速与转向盘转角的关系见图4。
3.2转向灵活性功能
在转向盘转角低频输入的条件下（如f=0.3Hz），横摆角速度和侧向加速度对于前轮转向角的响应可以简化为一阶滞后环节，即：
在转向盘转角低频输入的条件下（如f=0.3Hz），横摆角速度和侧向加速度对于前轮转向角的响应可以简化为一阶滞后环节，即：
研究表明，Tr Ty标志着车辆系统的响应速度，当Tr和Ty均上升时，系统的响应变慢；Tr和Ty标志转向时的稳态感觉，随着该时间常数差的增加，稳态的感觉下降。这说明驾驶员转向角输入与横摆角速度、侧向加速度间的相位滞后能极大地影响人-车闭环系统的响应特性。通过加入诸如PD比例-微分控制等环节来补偿相位滞后以改善人-车闭环响应特性，可提高车辆的转向灵活性。
3.3横摆角速度控制和横摆力矩补偿
除了可变传动比设计外，稳定性控制功能是宝马主动转向系统最大的特点。危险工况下该系统通过独立于驾驶员的转向干预来稳定车辆，通过主动改变驾驶员给定的转向盘转角使得车辆响应尽可能与理想的车辆响应特性相一致。图5为采用了模型跟踪的控制策略。首先通过线性两自由度参考模型并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，但期望横摆角速度最大值又受到路面附着系数μ和车速V的限制，其最大值为：
3.3横摆角速度控制和横摆力矩补偿
除了可变传动比设计外，稳定性控制功能是宝马主动转向系统最大的特点。危险工况下该系统通过独立于驾驶员的转向干预来稳定车辆，通过主动改变驾驶员给定的转向盘转角使得车辆响应尽可能与理想的车辆响应特性相一致。图5为采用了模型跟踪的控制策略。首先通过线性两自由度参考模型并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，但期望横摆角速度最大值又受到路面附着系数μ和车速V的限制，其最大值为：
类似于横摆角速度控制功能，宝马主动转向系统还提供了横摆力矩补偿功能，以提高在分离系数路面上车辆的制动稳定性。在该工况下，由于左、右轮上不等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！ESP电子稳定程序通过调节4个车轮上的制动力来使得左、右车轮的制动力尽量相等，但以减小制动减速度、增大制动距离为代价。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来实现方向调节。在这一过程中驾驶员无需对转向盘进行修正，减轻了驾驶员的工作负担，保持了制动时的方向稳定性，减小了制动距离。通过这一技术的应用，与传统ABS/ESP相比，可使制动距离最多减少15%。
3.4稳定性功能的扩展——底盘集成控制技术
与ESP等通过制动干预来稳定车辆的方式相比，转向干预具有以下优点：首先，转向干预
3.4稳定性功能的扩展——底盘集成控制技术
与ESP等通过制动干预来稳定车辆的方式相比，转向干预具有以下优点：首先，转向干预
不易为驾驶员察觉，对乘坐舒适性几乎没有影响，而制动干预不仅会产生较大的制动减速度，而且制动时发出的噪声也会影响乘坐舒适性；其次，转向干预比制动干预更加迅速，因为转向控制是通过伺服电机来完成的，而制动干预必须建立油压，这需要一定的时间；此外，转向干预相比制动干预能获得更高的通过速度，从而降低在变道时由于避让不及、与对面来车发生碰撞的可能性。
但转向干预的缺点也是显而易见的。受到原理限制，主动转向的稳定性功能只适用于转向过多的工况。该工况下通过叠加转向减小前轮转向角能够减小前轴侧向力，从而使得转向过多的趋势有所减缓；相反，在转向不足工况下，受到轮胎非线性的限制侧向力达到饱和状态，通过增大前轮转向角的方式是很难改变车辆转向不足的趋势的。此外，受到转向机构机械布置的限制，前轮转向角的改变量是有限的，也就是说转向干预稳定车辆的能力弱于制动干预，在某些极限工况下必须依赖ESP制动干预才能实现稳定车辆的目的。
为了充分发挥主动转向系统和ESP电子稳定程序的优点，最大限度地提高车辆在极限工况下的稳定性，将两者功能融合在一起进行集成控制是最为有效的方法。由ContinentalTeves公司推出的第二代ESP系统充分体现了这一思想，该系统可以提高车辆稳定性、拓宽极限行驶区域、减小转向幅度、更少产生由于制动干预引起的急剧减速，从而使车辆行驶的安全性
但转向干预的缺点也是显而易见的。受到原理限制，主动转向的稳定性功能只适用于转向过多的工况。该工况下通过叠加转向减小前轮转向角能够减小前轴侧向力，从而使得转向过多的趋势有所减缓；相反，在转向不足工况下，受到轮胎非线性的限制侧向力达到饱和状态，通过增大前轮转向角的方式是很难改变车辆转向不足的趋势的。此外，受到转向机构机械布置的限制，前轮转向角的改变量是有限的，也就是说转向干预稳定车辆的能力弱于制动干预，在某些极限工况下必须依赖ESP制动干预才能实现稳定车辆的目的。
为了充分发挥主动转向系统和ESP电子稳定程序的优点，最大限度地提高车辆在极限工况下的稳定性，将两者功能融合在一起进行集成控制是最为有效的方法。由ContinentalTeves公司推出的第二代ESP系统充分体现了这一思想，该系统可以提高车辆稳定性、拓宽极限行驶区域、减小转向幅度、更少产生由于制动干预引起的急剧减速，从而使车辆行驶的安全性
、舒适性以及驾驶乐趣得到大大提高。为了进一步提高车辆的动力学性能，还可以在此基础上继续引入诸如可调减振器、主动稳定性控制和可调弹簧等电子底盘控制系统。图6展示了这种车辆底盘集成控制系统的结构。
4 结束语
宝马主动转向系统通过一组双行星齿轮机构实现了独立于驾驶员的转向叠加功能，完美地解决了低速时转向灵活轻便与高速时保持方向稳定性的矛盾，并在此基础上通过转向干预来防止极限工况下车辆转向过多的趋势，进一步提高了车辆的稳定性。同时，该系统能方便地与其他动力学控制系统进行集成控制，为今后汽车底盘一体化控制奠定了良好的基础。
宝马主动转向系统通过一组双行星齿轮机构实现了独立于驾驶员的转向叠加功能，完美地解决了低速时转向灵活轻便与高速时保持方向稳定性的矛盾，并在此基础上通过转向干预来防止极限工况下车辆转向过多的趋势，进一步提高了车辆的稳定性。同时，该系统能方便地与其他动力学控制系统进行集成控制，为今后汽车底盘一体化控制奠定了良好的基础。
5 参考资料
[1]OdenthalD，BunteT，HeitzerHD，etal.HowtoMakeSteer2by2wireFeelLikePowerSteering[C].15thIFACWorldCongressonAutomaticControl，Barcelona，2002.
[2] SanketAmberkar，FargadBolourchi，JonDemerly，etal.AControlSystemMethodologyforSteerbyWireSystems[C].SAEPaper，2004-01-1106.
[3] 米奇克M.汽车动力学C卷（第二版）[M].北京：人民交通出版社，1997.
[4] 郭孔辉。汽车操纵动力学[M].长春：吉林科学技术出版社，1991.
[5] MasahikoKurishige，KoujiFukusumi，NoriyukiInoue，etal.ANewElectricCurrentControlStrategyforEPSMotors[C].SAE2001WorldCongress，Steering&SuspensionTechnologySymposium，DetroitMichigan，2001.
[6] AlyBadawy，JeffZuraski，FarhadBolourchi，etal.ModelingandAnalysisofanElectricPowerSteeringSystem[C].SAEPaper，1999-01-0399
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