转向汽车前轮转向控制系统毕业论文

汽车前轮转向控制系统毕业论文汽车主动前轮转向控制系统系统设计

专业 机械工程及自动化

摘 要

主动前轮转向系统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用于向前轮提供叠加转向角从而实现变传动比功能。与电动助力转向系统相比其技术核心就是车辆在低速行驶时转向更轻便、灵活高速时通过附加一个前轮转角来提高操纵稳定性。

首先建立了整车动力学模型和主动前轮转向系统数学模型及轮胎模型等。在建立模型的基础上分析了主动前轮转向的机械转向主要部件双行星齿轮机构

的工作原理和工作模式设计了理想变传动比特性曲线并进行了仿真验证其结果与实际宝马主动转向系统变传动比曲线相吻合。

其次从行车安全角度方面根据主动前轮转向系统的特性提出了附加前轮转交控制、横摆角速度反馈控制、主动前轮转向与直接横摆力矩协调控制策略并分别进行仿真其结果良好。然后论文介绍了主动前轮转向与电子稳定程序、主动前轮转向与主动悬架集成控制的思想充分体现了主动安全的设计理念。另外从行车的舒适性和安全性等角度参考主动前轮转向与电子稳定程序性能评价指标对主动前轮转向系统进行了性能评价包括客观评价和主观评价。尤其是对主动前轮转向变传动比功能、转向灵活性等特性方面做出评价。

最后根据主动前轮转向系统的特性对比几种加载方式确定了用磁粉制动器加载系统设计了试验方案试验项目包括电流特性试验、低速时轻便性试验、高速时稳定性试验。另外利用labVIEW编写了数据采集程序设计了界面。关键词主动前轮转向双行星齿轮变传动比

Abstra ct

Active front steering system is through the front wheel steering angleadjustment, change the force and torque distribution front to improve vehiclehandl ing and stabi l ity,especial ly when travel ing the road adhesion coefficientin the isolated,wind or road by the large lateral rol l effect, the vehicle braking

and drive systems without the need to participate,only through the active frontsteering can improve vehicle handl ing and stabi l ity, the other misuse can bethe driver's steering to compensate.Active Steering study abroad as early asthe late 6O in the last century began. In recent years,more part of theappl ication of this technologyto the real vehicle,such as the German BMW~I]ZF jointlydeveloped a set of active frontsteering system, this system has beenequipped with the part of the BMW 3 Series and 5 Series cars.The systemthrough a system of double planetary gear mechanism to achieve theindependent superposition of the driver's steering capabi l ities, the perfectsolution to the car l ight and high-speed low-speed steering the confl ict turnedto stable and effective under the interference of lateral inhibition to improvevehicle stabi l ity.

Taking a l ight vehicle for the study of active front steering technology hasmade a summary of the main algorithm for the stabi l ity control system,hardware system design, structure and role of the characteristics andconclusions and prospects to start, and several other parts separately. Thisstudy for the Active Front Steering stabi l ity control algorithm and hardwaresystem design and development provides an important reference.

Keywords:Active Front Steering  Hardware syetem  Stability Control Algorithm

目 录

第一章 绪论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

§1.1 汽车主动前轮转向系统概述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

§1.2 汽车主动前轮转向系统目的和.意义. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

§1.3 汽车主动前轮转向系统研究现状和发展趋势. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

§1.4 汽车主动前轮转向系统主要研究内容. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12

第二章 主动前轮转向系统的机械结构和理想可变传动比. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

§2.1 转向器的转动效率. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24

§2.2 转向系的转动比变化特性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24

§2.3 转向器的传动间隙特性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25

第三章 奥迪动态转向系统. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26

§3.1 汽车的转向系统. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26

3.1.1 机械转向系统简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26

3.1.2 动力转向系统. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28

§3.2 奥迪动态转向系统的功能. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33

3.2.1 可变的传动比. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33

3.2.2 转向灵活性功能. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34

§3.3 奥迪动态转向系统的组成结构. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34

3.3.1 主动转向控制单元. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34

3.3.2 执行元件. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35

3.3.3 动态转向锁. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37

3.3.4 基准传感器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

3.3.5 ESP传感器1与ESP传感器2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

§3.4 奥迪动态转向系统的工作过程以及控制策略. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

§3.5 叠式传动装置的构造. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40

§3.6 随速助力转向系统. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41

§3.7 奥迪动态转向系统与ESP系统的配合优势. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41

§3.8 奥迪动态转向系统与宝马主动转向系统的对比. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45

第四章 主动前轮转向动力学控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48

§4.1 横摆角速度的控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48

§4.2 2D*控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51

§4.3 侧倾稳定性控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51

§4.4 可变转向传动比的控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52

第五章 主动前轮转向动力学控制展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53

参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55

致谢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56

第一章 绪论

§1.1汽车主动前轮转向系统概述

汽车转向系统是用来改变汽车行驶方向的专设机构的总称。汽车转向系统的功用是保证能按驾驶员的意愿进行直线或转向行驶。转向系统的好坏直接影响汽车的操作稳定性对于保证汽车的安全行驶、减少交通事故、保护驾驶员的工作条件起着十分重要的作用。

按转向能源的不同汽车转向系统可分为机械转向系统和动力转向系统两大类。机械转向系统以驾驶员的体力作为转向能源所有传递力的构件是机械的主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。动力转向系统是兼用驾驶员体力和发动机或电动机的动力作为转向能源的转向系统。机械转向系统在前轮负荷过大时往往导致转向沉重很难协调轻便性和灵敏性二者之间的矛盾采用变传动比的转向器只能部分地缓解二者之间的矛盾并不能从根本上解决问题动力转向系统是在机械转向系统的基础上加设一套动力转向装置如液压动力转向系统中的转向油罐、油泵、控制阀、动力缸而形成的。 由于液压作用较大驾驶员施加于转向盘上很小的力矩便可克服地面作用于转向轮上的转向阻力距这样便可很大程度上减轻驾驶员的操纵力。

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。

§1.2汽车主动前轮转向系统的目的和意义

主动前轮转向系统不仅可以调节转向力大小同时还可根据驾驶情况对转向系统的转向比进行无级调节。在高速行驶状态下间接转向比和高转向扭矩可保证卓越的驾驶舒适性和直线稳定性。相反在蜿蜒道路及中低速行驶状态下

如调头或泊车入位转向比会更加直接 以便实现更高的转向精度和轻松的转向操作。此外宝马主动前轮转向系统还可与ESP电子稳定程序相配合提供双重主动安全保护宝马主动前轮转向系统的主动转向修正和ESP电子稳定程序的主动制动介入。当车辆高速紧急变道时主动转向修正会立刻产生作用根据不同的情况自动选择最佳转向角度、辅助力、纠正力和转向比使轮胎一直保持足够安全的抓地力主动转向修正反应时间仅为主动制动介入的三分之一速度甚至要比富有经验的职业车手更为迅速车辆通常无需制动便能平稳的转危为安。

论文研究的理论价值在于通过一系列的理论研究以及对比国外同行的先进技术通过对主动前轮转向系统的各种机制进行分析为我国的相关领域提供借鉴。

论文研究的现实意义在于以为驾驶者提供更好的操控性与安全性并且能够根据不同的情况自动选择最佳转向辅助力和转向比使轮胎一直保持足够安全的抓地力。操控更为轻便使转向更为直接的驾驶体验的主动前轮转向系统的理论和结构研究为国内的相关行业提供借鉴具有重大的意义。

§1.3主动前轮转向系统国内外研究及发展现状

1.3. 1国外研究及发展现状

国外对主动转向的研究早在上世纪60年代末就开始了德国宝马公司也一

直走在前列一直致力于主动转向的研究德国宝马公司和ZF公司联合开发了一套主动前轮转向系统。 2003年宝马公司在部分宝马3系、 5系轿车上装备了主动转向系统并成功上市 2004年初宝马公司凭借其主动转向系统问鼎德国工业创新奖近几年随着宝马5系新款不断推出也标志着宝马主动转向技术逐渐成熟。紧随宝马公司推出5系之后保时捷公司也在997系列旗舰上装配了一款可变传动比转向系统。主动转向系统必然会逐渐出现在新一代豪华轿车和运动车中。

近些年来国外一些学者对主动转向系统和主动转向控制做了一些深入的研究。

Yoshiki Kawaguchi计算出了一种基于被动适应非线性控制器的主动前轮转向系统。改善了转向轮横向力的不稳定性和非线性。

FuKao.T.等考虑了轮胎滑移率和侧向力的非线性关系以及路面摩擦力的不确定性。研究分析了基于模型参考自适应非线性控制的主动转向系统实时仿真结果表明了该方法的有效性。

BingZheng.Pahngroc Oh等通过对横摆角速度和前轮转角的反馈控制使转向时侧向力和横摆力矩间的关系等到了协调获得了理想横摆角速度和横摆力矩。改善了主动前轮转向系统的操纵稳定性但并没有考虑车辆行驶状态因此车辆状态识别正确与否会极大影响协调控制算法的能力。

Kunsoo Huh主要研究了在低附着路面上车辆转向时根据轮胎侧向力参考值提出一种对预测轮胎侧向力进行补偿的主动转向控制方法通过设计模糊逻辑控制器进行硬件在环仿真证明了该方法对主动前轮转向系统进行控制通过模型预测控制器计算前轮转角来跟踪车轮在低附着路面上的运动轨迹试验仿真证明了此方法的可行性。

Nagai等人考虑了主动前轮转向和直接横摆力矩联合控制对改善开环汽车的操纵稳定性的作用。运用跟踪理想非线性车辆模型的控制策略分别考虑了在制动转弯、不同道路输入以及侧向风干扰时车辆的稳定性但没有考虑到车辆行驶状态的识别没办法利用看、协调控制的策略来根据车辆当前的行驶状态来分配AFS和DYC各自的任务。

Mammar等人在相平面内考察了车速、路面系数以及前轮转角等对车辆横摆域的影响提出了主动前轮转向控制系统的目标及结构设计了横摆角速度反馈控制和前馈控制器并进行联合。通过计算机模拟考察了反馈控制对车辆横向稳定性域的影响及横摆角速度主动前轮控制器在蛇形闭环操纵工况下的性能。

1.3.2国内研究及发展现状

在主动前轮转向系统研究方面国内起步的比较晚但主动前轮转向系统的控制技术正随着主动前轮转向技术的发展受到重视。相比EPS和SBW无论是从转向操纵稳定性还是安全性主动转向系统都是当前和今后发展的一个主要趋势。近些年国内科研单位和众多学者对主动转向系统和主动转向控制的研究也不少。

同济大学余桌平教授以宝马轿车上选装的主动转向系统为例研究了该系统的组成、双行星齿轮机构的结构及工作模式以及该系统可变传动比、稳定车辆等功能的实现原理和系统安全性设计并采用横摆角速度反馈和前馈控制提高了车辆横向稳定性能并对侧向风干扰、车速、路面附着系数及前后轮转弯刚度等参数具有极强的鲁棒性。

同济大学万钢教授、赵治国教授等发明了一种依靠电动助力转向系统实施主动转向的电子稳定控制系统车辆稳定性控制模块根据侧向加速度传感器、横摆角速度传感器信号来判断车辆的稳定性并将所计算的目标控制量输送到驱动和

制动转向控制模块中然后主动转向控制模块计算出转向前轮转角修正量将相应要求送至EPS系统。该发明将AFS模块和ESP实现集成控制驱动电动助力转向系统有效地提高车辆的操纵稳定性。

同济大学硕士高晓杰、余桌平教授给出了基于滑模变结构的AFS控制策略和直接横摆力矩加变滑移率联合控制的ESP控制策略。分析两者控制性能的基础上提出了协调控制的一般原则。并在三种典型工况下得到了试验验证结果表明这种控制策略的合理性。

汽车的转向系统决定着汽车的主动安全性和并且是体现操控性的最直接的方面如何设计汽车的转向特性使汽车具有更好的安全性和操控性始终是各个汽车生产厂家和科研机构的重要研究课题。尤其是在如今汽车的保有量越来越多汽车的速度越来越高驾驶人员的水平参差不齐的今天针对更多不同水平的驾驶人群和相当大的人群对于汽车的操纵性有着越来越高的要求并且也同时要求驾驶的舒适性汽车的操纵设计显得尤为重要与迫切。

最开始的时候汽车转向系统是机械系统汽车的转向系统是由驾驶员操纵方向盘通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮而实现的。装配机械式转向系统的汽车在泊车和低速行驶时驾驶员的转向操纵负担过于沉重 20世纪40年代起为了减轻驾驶员的体力负担在机械转向系统基础上增加了液压转向系统HPS 1953年通用汽车公司首次使用了液压助力转向系统此后该技术迅速发展使得动力转向系统在体积、功率消耗和价格等方面都取得了很大的进步。 80年代后期又出现了变减速比的液压动力转向系统。在接下来的数年内动力转向系统的技术革新差不多都是基于液压转向系统比较有代表性的是变流量泵液压动力转向系统Variable Displacement Power Steering Pump和电动液压助力转向Electric Hydraulic Power Steering简称EHPS系统。变流量泵助力转向系统在汽车处于比较高的行驶速度或者不需要转向的情况下泵的流量会相应地减少从而有利于减少不必要的功耗。电动液压转向系统采用电动机驱动转向泵 由于电机的转速可调可以即时关闭所以也能够起到降低功耗的功效。液压助力转向系统使驾驶室变得宽敞布置更方便降低了转向操纵力也使转向系统更为灵敏。由于该类转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力 目前在部分乘用车、大部分商用车特别是重型车辆上广泛应用。但是液压助力转向系统无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性 因此在1983年日本Koyo公司推出了具备车速感应功能的电控液压助力转向系统。这种新型的转向系统可以随着车速的升高提供逐渐减小的转向助力但是结构复杂、造价较高而且无法克服液压系统自身所具有的许多缺点是一种介于液压助力转向和电动助力转向之间的过渡产品。到了1988年 日本铃木公司首先在小型轿车Cervo上配备了Koyo公司研发的转向柱助力式电动助力转向系统 1990年 日本本田公司也在运动型轿车NSX上采用了自主研发的齿条助力式电动助力转向系统。 目前可用于乘用车的主动转向系统主要有两种形式一种是以宝马和ZF公司联合开发的AFS系统为代表的机械式主动转向系统通过行星齿轮机械结构增加一个输入自由度从而实现附加转向 目前已装配于宝马5系的轿车上 以及韩国的MANDO、美国的TRW、 日本的JTEKT公司也有类似产品另一种是线控转向系统(SWB) 利用控制器综合驾驶员转向角输入和当时的车辆状态来决定转向电机的输出电流最终驱动前轮转动。该系统在许多概念车和实验室研究中已广泛采用如通用公司的Sequel燃料电池概念车就采用了线控转向技术。

线控转向和机械式主动转向系统最大的区别体现在当系统发生故障时机械式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

控转向必须通过系统主要零件的冗余设计来保证车辆的安全性。由于上述安全性和可靠性的原因 目前法律上还不允许将线控转向系统直接装备车辆。

1 机械式主动转向系统

下面以宝马的AFS系统为例介绍机械式主动转向系统的结构和工作原理。该系统主要由三大子系统组成液压助力齿轮齿条动力转向系统、变传动比执行系统和电控系统。系统原理图如图1所示。

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Sewtronic液力伺服转向系统用于实现转向助力功能。在驾驶过程中驾驶员输入的力矩和转角共同传递给扭杆其中的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机驱动的双行星齿轮机构与控制器输出的附加转角进行角叠加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。其中控制器输出的转角是根据各个传感器的信号包括车轮转速、转向角度、偏转率、横向加速度经综合计算得到的。由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因而可以使转向输入与当前的车速达到最佳匹配。

图1 宝马主动转向系统原理图

2线控转向系统

一般来说线控转向系统由方向盘总成、转向执行总成和主控制器(ECU)3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所示。