1、1,第4章 汽车转向系统,2,4.1 概 述,4.1.1 转向系统控制目标 对转向系统进行计算机控制，既能改善驾驶员的转向操纵感觉，又能减轻驾驶员的体力消耗，还能提高汽车的转向性能，所以，计算机控制的转向系统在现代汽车上得到了广泛应用。,4.1.2 转向控制系统类型,1液压转向系统 液压转向系统一般由电控单元、线性电磁阀、车速传感器和液压回路中的电气元件组成。 2电液混合转向系统 在电液混合转向系统中，转向油泵由电动机驱动，电控单元通过控制电动机转速对转向油泵的供油量进行调节，使转向助力得到控制。 3电动转向系统 在电动转向系统中，电控单元控制电动机直接驱动转向机构，使转向车轮发生相应偏转。电
2、动转向系统主要由车速传感器、转向盘转动传感器(包括转矩传感器和转速传感器)、电控单元及功率放大器和直流电动机组成。,4,4.2 汽车四轮转向,四轮转向系统能够全面改善汽车的转向性能，汽车在低速行驶过程中进行转向时，使后轮与前轮反向偏转，可以减小汽车的转向半径；汽车在中速行驶过程中进行转向时，使后轮与前轮同向偏转，可以提高汽车的转向灵敏性；汽车在高速行驶过程中进行转向时，使后轮也与前轮同向偏转，可以减小汽车在转向过程中的横摆运动，改善汽车的稳定性。,5,4.2.1 汽车四轮转向系统的类型,1机械系统 机械系统的工作原理是根据转向盘的转角进行控制，它利用后轮齿轮转向机构中的偏心轴、行星齿轮等部件的
3、工作来实现同相位和逆相位的转向。 2液压系统 液压四轮转向系统可以采用液压控制和电子控制两种方式。 3电动系统 电子控制电动系统的前轮就是普通的机械转向，后轮的转向是由装在后轮的电动机来实现的，后轮的转向角由计算机控制。,6,4.2.2 汽车后轮转向控制类型,四轮转向系统可按后轮的偏转角与前轮偏转角或车速之间的关系分为转角传感型和车速传感型两种。 1) 转角传感型 后轮的偏转角与前轮的偏转角之间存在某种函数关系。即后轮可以按与前轮旋转方向相同方向旋转，即同相位偏转；也可以按与前轮旋转方向相反的方向旋转，即反相位偏转。此外前后轮转向角之间也有一定关系。 2) 车速传感型 根据设计程序，当车速达到
4、某一预定值时(3540km/h)，后轮能与前轮同方向偏转，而当低于这一预定值时，则反方向偏转。,7,4.2.3 汽车四轮转向优点,四轮转向汽车与两轮转向汽车相比，具有以下优点： (1) 提高了汽车在高速行驶时和在湿滑路面上的转向性能； (2) 驾驶员操纵转向盘反应灵敏，动作准确； (3) 在不良路面和侧风等条件下，汽车也具有较好的方向稳定性，提高了高速下的直线行驶稳定性； (4) 提高了汽车高速转向的行驶稳定性，不但便于转向操纵，而且在进行急转弯时，也能保持汽车的行驶稳定性； (5) 通过使后轮转向与前轮转向相反，减小了低速行驶时的转向半径，不但便于在狭窄路面上进行U形转弯，而且在驶入车库等情
5、况下便于驾驶。,8,4.2.4 四轮转向汽车模型,四轮转向汽车简化模型,9,4.2.5 四轮转向汽车动态特性,1. 后轮转向函数 对于四轮转向系统，驾驶员按传统方法操纵转向盘，转向机构使前、后轮同时转向。设因前轮和后轮相连接的后轮转向函数为，则有2. 对横摆角速度的影响 横摆角速度传递函数行列式为,10,4.2.6 汽车四轮转向系统控制方法,1比例控制 比例控制又分为前馈控制和反馈控制。 2动态补偿式控制 动态补偿式控制分为转向角动态补偿和转向力矩动态补偿。 3前馈+反馈控制 这里主要指前轮转向角比例前馈加横摆角速度比例反馈，控制后轮转向，并且使汽车质心处侧偏角始终为零。,11,4四轮主动转向
6、控制 上述几种控制方式，都是在前轮转向角直接与转向盘转角联系，然后再对后轮转向角进行控制。这从动态意义上说，可以自由设定的只不过是一个独立的变量。如果能够同时对前后轮进行自由控制，就可以获得与希望的特性十分接近的旋转运动和平移运动。所以说，四轮主动转向控制将是今后四轮转向系统控制的发展方向。,12,4.2.7 汽车四轮转向的神经网络控制,1四轮转向系统非线性二自由度运动模型 二自由度汽车模型是把汽车看作平行于路面的平面运动，即汽车沿垂直轴的位移、绕垂直于汽车纵向平面的横向轴线的俯仰角、绕汽车前进方向轴线的侧倾角为零。 2四轮转向汽车的神经网络辨识 神经网络模型目前发展到了几十种之多，综合考虑各
7、种因素，采用递归BP网络模型的思想，结合多层前馈网络构造了四轮转向汽车的辨识模型。多层前馈神经网络在隐层激发函数为Tauber-Wienar(TW)函数时，任意单隐层神经网络，当神经元趋于无穷大时，能完成任意所需映射。双隐层结构的网络在神经元个数有限的情况下就能完成任意所需映射。,13,3四轮转向汽车神经网络控制 四轮转向汽车系统控制框图如下图所示。,四轮转向汽车系统控制框图,14,4.2.8 汽车四轮转向系统的发展方向,四轮转向控制系统今后的主要研究方向为： (1) 将人的因素考虑到操纵控制中，研究由驾驶员构成的闭环系统； (2) 考虑汽车转向时轮胎负荷转移造成的轮胎特性变化，研究非线性多自
8、由度控制模型； (3) 进一步研究轮胎的瞬态特性，并将其应用到四轮转向控制模型中； (4) 将最先进的控制理论与控制方法不断应用于四轮转向控制器的研究中； (5) 研究和开发高灵敏度、高精度、低成本的传感器，为四轮转向系统的具体应用提供前提条件； (6) 进一步研究和开发自动驾驶的四轮转向控制系统； (7) 将四轮转向与纵向力控制系统和主动悬架进行有机结合，发扬各自的优点，将是主动控制研究的长期目标。,15,4.3 汽车电动助力转向系统,电动助力转向系统(Electric Power Steering，EPS)是继电子控制式机械液压动力转向系统后产生的一种动力转向系统。它完全取消了液压装置，用
9、电能取代液压能，减少了发动机的能量消耗。研究与开发电动助力转向系统是与汽车发展中安全、环保、节能三大主题相吻合的，因而具有一定的现实和长远意义。电动助力转向已成为世界汽车技术发展的研究热点和前沿技术之一，是现代汽车转向系统的发展方向，具有广泛的应用前景。,16,4.3.1 电动助力转向系统的结构及工作原理,1电动助力转向系统的结构 电动助力转向系统的基本组成包括传感器、控制单元(ECU)、电动机、减速机构和离合器等。 2电动助力转向系统的工作原理 电动助力转向系统是在传统机械转向机构基础上增加信号传感装置、控制单元和转向助力机构。电动助力转向系统的转向轴由靠扭杆相连的输入轴和输出轴组成，输出轴
10、通过传动机构带动转向拉杆使车轮转向，输出轴除通过扭杆与输入轴相连外，还经行星齿轮减速机构离合器与助力电动机相连。,17,4.3.2 电动助力转向系统的类型,1转向轴式电动助力转向系统 转向轴式电动助力转向系统的电动机固定在转向轴一侧，通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴助力转向。 2齿轮轴式电动助力转向系统 齿轮轴式电动助力转向系统的电动机和减速机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮助力转向。 3齿条轴式电动助力转向系统 齿条轴式电动助力转向系统的电动机和减速机构则直接驱动齿条提供助力。,18,4.3.3 电动助力转向系统的特点,与液压动力转向系统相比，它具有以下特点： (1) 电动助力转向系统能
11、在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所引起的对转向系统的扰动，改善汽车的转向特性，减轻汽车低速行驶时的转向操纵力，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性，并且可通过设置不同的转向手力特性来满足不同使用对象的需要。 (2) 电动助力转向系统只在转向时电动机才提供助力，因而能减少燃料消耗。 (3) 由于直接由电动机提供助力，电动机由蓄电池供电，因此电动助力转向系统能否助力与发动机是否启动无关，即使在发动机熄火或出现故障时也能提供助力。,19,(4) 电动助力转向系统取消了油泵、带轮、液压软管、液压油及密封件等，其零件比液压动力转向系统大大减少，因而其质量更轻、结构更紧凑，
12、在安装位置选择方面也更容易，并且能降低噪声。 (5) 电动助力转向系统没有液压回路，比液压动力转向系统更易调整和检测，装配自动化程度更高，并且可以设置不同的程序，能快速与不同车型匹配，因而能缩短生产和开发周期。 (6) 电动助力转向系统不存在渗油问题，可大大降低保修成本，减小对环境的污染。 (7) 电动助力转向系统比液压动力转向系统具有更好的低温工作性能。,20,4.3.4 电动助力转向系统动力学模型,1电动助力转向系统模型 对于电动助力转向系统，为分析问题方便，把前轮和转向机构向转向轴简化，转矩传感器安装在转向盘和助力机构之间，可以看成是一个扭力杆，用来跟踪转向柱的角度变化，得到简化后的电动
13、助力转向系统模型。 2助力电动机模型 电动助力转向系统采用直流电动机。,21,3汽车二自由度动力学模型,二自由度汽车动力学模型,22,4轮胎模型 在小转角条件下，轮胎的特性可认为是线性的，因此，将绕转向主销作用于轮胎的力矩等效到转向轴上为5电动助力转向系统状态方程 把电动助力转向系统模型、电动机模型、轮胎模型、二自由度汽车模型通过中间变量联系在一起，建立一个考虑比较全面的电动助力转向系统整车模型。,23,4.3.5 电动助力转向系统性能,1电动助力转向系统性能的主要评价指标 关于衡量转向操纵性能的指标有不少，但一个操纵性能良好的转向系统，应满足以下要求：转向路感合适；转向灵敏；具有较好的操纵稳
14、定性。 2电动助力转向系统各参数对转向操纵性能的影响 1) 各种参数对转向路感的影响 2) 各参数对转向灵敏度的影响 3) 转向操纵稳定性,24,4.3.6 电动助力转向系统助力特性,1电动助力转向系统对助力特性的基本要求 电动助力转向系统对助力特性的基本要求如下： (1) 当转向盘输入力矩小于某一特定值(通常设为1Nm左右)时，助力力矩为零，电动助力转向系统不起作用； (2) 在转向盘输入力矩较小的区域，助力部分的输出应较小，以保持较好的路感； (3) 在转向盘输入力矩较大的区域，为转向轻便，助力效果要明显； (4) 在转向盘输入力矩达到驾驶员体力极限的区域时，应尽可能发挥较大的助力效果；
15、(5) 随着车速的增高，助力应减小； (6) 当转向盘输入力矩大于6Nm时，电动机提供的助力保持不变，避免了因电流过大而使电动机损坏； (7) 符合国家标准对动力转向作用在转向盘上的最大操纵力要求。,25,2电动助力转向系统的助力特性曲线 对电动助力转向系统，采用由电动机提供的助力力矩与转向盘输入力矩、车速的变化关系曲线来表示助力特性。 3助力特性曲线的设计 助力特性和控制策略是控制器实现的主要内容。当转向盘力矩信号和车速信号传至控制器后，控制器首先根据助力特性决定应施加的目标助力矩值。,26,4助力特性的仿真验证 采用电动助力转向系统的主要目的是降低转向力。利用数学仿真软件MATLAB的SI
16、MULINK工具箱，建立有助力与无助力的汽车转向模型并进行仿真计算。,27,4.4 汽车线控转向系统,近年来为了实现汽车转向的主动控制，进行辅助驾驶技术，对于将转向盘与转向轮之间通过控制信号连接的线控转向的研究日益增多，由此产生了对汽车线控转向系统的研究。汽车线控转向系统(Steering-By-Wire System，SBW)由于取消了转向盘和转向轮之间的机械连接，完全摆脱了传统转向系统的各种限制，不但可以给自由设计汽车转向的力传递特性，而且可以设计汽车转向的角传递特性，给汽车转向特性的设计带来无限的空间，是汽车转向系统的重大革新。汽车线控转向系统是汽车转向方面最为先进和最前沿的技术之一。,
17、28,4.4.1 汽车线控转向系统的结构,汽车线控转向系统结构,29,4.4.2 汽车线控转向系统的工作原理,汽车线控转向系统的工作原理图,30,4.4.3 汽车线控转向系统的特点,汽车线控转向系统与其他转向系统相比，具有以下特点： (1) 取消了转向盘和转向车轮之间的机械连接，通过软件协调它们之间的运动关系，因而取消了它们之间的机械约束和干涉，使之可以相对独立运动，因而可以实现传动比的任意设置，可以根据车速和驾驶员喜好通过程序根据汽车的行驶工况实时设置传动比。,31,(2) 线控转向系统采用了软件控制，因而可以把转向系统与其他主动安全设备如防抱死制动系统、汽车动力学控制、防碰撞、轨道跟踪、自
18、动导航以及自动驾驶等功能相结合，实现对汽车的整体控制，提高汽车整体稳定性，且实现了ITS中的汽车辅助转向功能。 (3) 线控转向系统在实现上述操作性能上的突破的同时也带来了可观的经济性和环境效益。 (4) 线控转向系统是通过一个通用的执行器来调整转向的。要对汽车转向的动力性进行调整，必须使用一个转角传感器，这并不影响转向盘对车轮的快速调整。另一方面，一个力矩传感器也是必须的，它将对汽车转向的调整和自动驾驶起重要作用。因此，驾驶员通过提供到转向盘的力矩知道正确的方向，并通过进一步的引导控制系统来进行评估。,32,(5) 与“电子驾驶”和“电子停车”一起，提供了把它们实际化的条件，并且把动力性和汽
19、车控制统一到一个系统中。 (6) 对汽车生产商的好处。传统转向系统中转向柱安装要求提供足够的空间(左手或右手驾驶)，而线控转向严格地控制了转向柱在发动机间隔内的自由度，表明了机械式的转向柱不能很好地利用发动机的空间。,33,4.4.4 汽车线控转向系统的硬件要求和模块,1汽车线控转向系统硬件的功能要求 汽车线控转向系统硬件具有以下功能要求。 1) 良好的操纵性 2) 合适的转向力与路感 3) 电子系统灵敏的响应特性与较好的可靠性 2汽车线控转向系统所需模块 1) 主控制器模块 2) 操纵模块 3) 转向执行模块及系统反馈模块 4) 冗余系统,34,4.4.5 汽车线控转向系统硬件选择要求和标准
20、,1主控制器模块 主控制器模块电控单元是汽车线控转向系统的“大脑”，其主要作用是对传感器采集的输入信号进行处理、形成决策，并输出相应的信号对输入信号进行响应。 2操纵模块与系统反馈模块 操纵模块主要是为驾驶员实现自己的转向意图提供的操纵机构，主要部件为转向盘。 3转向执行模块 转向执行模块接收来自主控制器电控单元的转向指令，并根据指令做出响应。主要硬件有转向控制单元和转向电动机，这是整个线控转向系统的动作部分。,35,4冗余系统 在各国有关汽车安全法规越来越完善的今天，线控转向系统作为一种全新的技术要获得各国政府和消费者的信任全面推向汽车市场，除了要提供良好的性能之外，还要保证其运行的安全可靠。 5传感器 传感器是一种以一定的精确度将被测量物理量(如位移、力、加速度等)转换为与之有确定对应关系、易于精确处理和测量的某种物理量(如电量)的测量部件或装置。,36,4.4.6 汽车线控转向系统控制策略,1总体控制策略,37,2转向电动机的控制策略,38,3路面反馈力矩 线控转向系统的一个主要特征就是根据路面轮胎的状况对转向电动机转矩的计算。控制器的作用是消除滚珠螺杆的黏性摩擦和系统惯性。,39,4路感电动机反馈力矩控制,
