汽車新技術(shù)之主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

1 車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)新技術(shù)——主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方面，近些年出現(xiàn)了較多的新技術(shù)。僅在后輪小角度主動(dòng)轉(zhuǎn)向方向上就有包括采埃孚ZF、寶馬BMW等多家公司推出了相關(guān)產(chǎn)品與技術(shù)方案。這里主要以寶馬公司的主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)（Activate Front Steering）、奧迪的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向技術(shù)（Audi Dynamic Steering）為例，介紹主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)的最新進(jìn)展。

1.1 奧迪動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向技術(shù)

1.1.1 ADS系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

Audi的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向技術(shù)（Audi Dynamic Steering, ADS）早期首先應(yīng)用在登月車上，后來(lái)廣泛應(yīng)用于多系車型。ADS系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)而言，不僅增加了電動(dòng)助力機(jī)構(gòu)，還在轉(zhuǎn)向柱上集成了一套諧波齒輪機(jī)構(gòu)。

動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要可以對(duì)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比和電動(dòng)助力力矩大小進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。駕駛員通過(guò)轉(zhuǎn)向盤輸入了力矩和轉(zhuǎn)角，電動(dòng)助力控制是通過(guò)力矩傳感器測(cè)得轉(zhuǎn)向盤處施加的力矩大小并根據(jù)一定的控制策略以及用戶選擇的工作模式進(jìn)行轉(zhuǎn)向助力大小控制；而動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向控制則是根據(jù)車速、車輛姿態(tài)等傳感器信號(hào)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)疊加電機(jī)（Electric motor）驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器，針對(duì)性地改變轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整轉(zhuǎn)向特性。

其中，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比的實(shí)現(xiàn)依靠額外的疊加運(yùn)動(dòng)電機(jī)以及諧波齒輪系，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2。運(yùn)動(dòng)疊加電機(jī)以及諧波齒輪系均與連接轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向軸同軸，因此整個(gè)運(yùn)動(dòng)疊加部分的結(jié)構(gòu)十分緊湊，方便直接作為模塊集成進(jìn)傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。此外，圖2（a）中的鎖定裝置可以在不需要運(yùn)動(dòng)疊加電機(jī)動(dòng)作時(shí)，轉(zhuǎn)向輸入軸與轉(zhuǎn)向輸出軸的相對(duì)關(guān)系鎖定，即實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的不可變轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向；同時(shí)，這一鎖定機(jī)構(gòu)可以在運(yùn)動(dòng)疊加部分控制出錯(cuò)或是運(yùn)動(dòng)疊加電機(jī)故障時(shí)，鎖定轉(zhuǎn)向輸入軸與輸出軸的相對(duì)位置，保證可以進(jìn)行正常的轉(zhuǎn)向操作，從而保證行車安全。

整個(gè)模塊的核心機(jī)械結(jié)構(gòu)即為諧波齒輪系，其自身具有很多優(yōu)勢(shì)，包括易于實(shí)現(xiàn)緊湊的同軸設(shè)計(jì)、整體質(zhì)量小、易實(shí)現(xiàn)高傳動(dòng)比、可承載扭矩大、抗扭剛度高及低摩擦等[1]。諧波齒輪系的工作與行星齒輪的工作模式比較接近，其工作原理如圖3。運(yùn)動(dòng)疊加電機(jī)驅(qū)動(dòng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子WG為橢圓形，其運(yùn)動(dòng)時(shí)可以通過(guò)柔性的薄壁球軸承FB改變薄壁太陽(yáng)輪FS的形狀，F(xiàn)S自身與轉(zhuǎn)向輸入軸末端相連，而環(huán)形內(nèi)齒圈CS與轉(zhuǎn)向輸出軸相連。當(dāng)輸入軸靜止，即柔性太陽(yáng)輪FS靜止時(shí)，內(nèi)轉(zhuǎn)子WG運(yùn)動(dòng)會(huì)使FS形狀隨著WG改變，內(nèi)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)一周，通過(guò)柔性太陽(yáng)輪FS可以帶動(dòng)外部的環(huán)形內(nèi)齒圈CS運(yùn)動(dòng)一個(gè)角度；而當(dāng)運(yùn)動(dòng)疊加電機(jī)靜止，即內(nèi)轉(zhuǎn)子WG靜止，此時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)向輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)，可以帶動(dòng)柔性太陽(yáng)輪繞柔性球軸承表面旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而通過(guò)嚙合關(guān)系帶動(dòng)外部環(huán)形內(nèi)齒圈CS旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)向輸入軸與內(nèi)轉(zhuǎn)子同時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，即形成了駕駛員轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與運(yùn)動(dòng)疊加電機(jī)角度運(yùn)動(dòng)的疊加。由圖3可以知道，整個(gè)的內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周帶來(lái)的輸出軸環(huán)形內(nèi)齒圈CS運(yùn)動(dòng)疊加角度很小，其角傳動(dòng)比很大，也可以傳遞較大的扭矩。

1.1.2 ADS系統(tǒng)功能分析

動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有多種工作狀態(tài)，包括舒適、運(yùn)動(dòng)等模式。不同模式下以及不同的車速下，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比的選擇如圖4。

圖4 不同場(chǎng)景下可變轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比[1]

當(dāng)車輛處于低速行駛時(shí)，應(yīng)盡可能降低轉(zhuǎn)向時(shí)施加給轉(zhuǎn)向盤的力矩以及大角度轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤。此時(shí)可以采用運(yùn)動(dòng)疊加電機(jī)帶動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)子WG與轉(zhuǎn)向盤輸入角度同向，疊加得到更大的轉(zhuǎn)角輸入，以避免駕駛員的大角度操作轉(zhuǎn)向盤；同時(shí)，電動(dòng)助力器的助力扭矩在這一工作狀態(tài)下也應(yīng)該提高，以克服低速時(shí)大的轉(zhuǎn)向阻力矩。

當(dāng)車輛處于高速行駛時(shí)，應(yīng)盡可能保持車輛行駛的穩(wěn)定性并是駕駛員有充足路感。此時(shí)可以采用運(yùn)動(dòng)疊加電機(jī)帶動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)子WG與轉(zhuǎn)向盤輸入角度反向，即降低轉(zhuǎn)向角傳動(dòng)比，降低轉(zhuǎn)向靈敏度，保證高速行車穩(wěn)定；同時(shí)，降低轉(zhuǎn)向角傳動(dòng)比，轉(zhuǎn)向盤所需要施加的扭矩更大，這也對(duì)車輛行駛有附加的穩(wěn)定作用。

1.2 寶馬主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)

1.2.1 AFS系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

寶馬公司的主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Active Front Steering, AFS）是另一種形式的可變轉(zhuǎn)向角傳動(dòng)比的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)，主要增加了兩部分結(jié)構(gòu)，其一，增設(shè)了電動(dòng)助力機(jī)構(gòu)；其二，在轉(zhuǎn)向柱上集成了一套雙行星齒輪機(jī)構(gòu)，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向柱、齒輪齒條轉(zhuǎn)向器以及轉(zhuǎn)向橫拉桿等均保留了下來(lái)。

圖5 主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組件。1-液壓油儲(chǔ)油罐，2-轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)冷卻器，3-發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊，4-中央網(wǎng)關(guān)模塊，5-便捷登車及起動(dòng)系統(tǒng)控制模塊，6-組合儀表，7-DSC（動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)控制模塊），8-主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制模塊，9-轉(zhuǎn)向柱開(kāi)關(guān)中心，10-ICM（集成式底盤管理系統(tǒng)控制模塊），11-液壓泵，12-EVV閥，13-鎖

主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要可以對(duì)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比和電動(dòng)助力大小進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。駕駛員通過(guò)轉(zhuǎn)向盤輸入了力矩和轉(zhuǎn)角，電動(dòng)助力控制單元通過(guò)力矩傳感器測(cè)得力矩大小進(jìn)行轉(zhuǎn)向助力大小控制；而主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制單元?jiǎng)t根據(jù)車速、車輛姿態(tài)等控制執(zhí)行單元電動(dòng)機(jī)輸入疊加轉(zhuǎn)向角，調(diào)節(jié)傳動(dòng)系的傳動(dòng)比。

圖6 主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)功能原理圖[3]

1.2.2 AFS系統(tǒng)功能分析

期望橫擺角速度增益是評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一，其定義為橫擺角速度相對(duì)于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的比值。期望橫擺角速度增益越小，說(shuō)明車輛對(duì)于轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角相應(yīng)過(guò)于遲緩；反之，如果比值過(guò)大，則車輛反應(yīng)過(guò)快，也不利于控制[3]。在駕駛過(guò)程中，隨著車速的提高，該比值應(yīng)逐漸變小，以保證高速狀況下的穩(wěn)定性。

主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，雙行星齒輪機(jī)構(gòu)有如下運(yùn)動(dòng)規(guī)律：

n1=（1+a）*n4

n9+a*n7=（1+a）*n4

故此，聯(lián)立可得：n9+a*n7=n1，即n9=n1-a*n7  （序號(hào)見(jiàn)圖8或圖7-b）

圖8 低速時(shí)雙行星齒輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向示意圖（蝸輪、蝸桿為右旋）旋向已標(biāo)至對(duì)應(yīng)構(gòu)件序號(hào)旁

低速工作狀態(tài)下，執(zhí)行單元電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿與轉(zhuǎn)向盤同向轉(zhuǎn)動(dòng)，則蝸輪7轉(zhuǎn)速為負(fù)（太陽(yáng)輪旋向設(shè)為正）， iextra＜1，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動(dòng)比較小，從而獲得較大的期望橫擺角速度增益并使得轉(zhuǎn)向輕便。而在中、高速情況下，執(zhí)行單元電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿與轉(zhuǎn)向盤反向轉(zhuǎn)動(dòng)，則渦輪7轉(zhuǎn)速為負(fù)，使得系統(tǒng)的傳動(dòng)比較大，期望橫擺角速度增益減小，車輛的穩(wěn)定性逐漸提高。

此外，主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供了獨(dú)立于駕駛員之外的轉(zhuǎn)向干預(yù)機(jī)會(huì)。在車輛行駛不穩(wěn)定的狀況下，傳統(tǒng)車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP)一般是通過(guò)調(diào)整四個(gè)車輪上的制動(dòng)力來(lái)使得四輪制動(dòng)力盡可能一致，這往往會(huì)增加車輛的制動(dòng)距離；而主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)制動(dòng)壓力等信號(hào)計(jì)算出所需補(bǔ)償?shù)臋M擺力矩并通過(guò)調(diào)整相應(yīng)的前輪轉(zhuǎn)向角來(lái)實(shí)現(xiàn)方向調(diào)節(jié)，而與此同時(shí)駕駛員對(duì)此過(guò)程并無(wú)感覺(jué)，提升車輛的穩(wěn)定性時(shí)，也提升了駕乘舒適感[3]。

2 主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)與其他轉(zhuǎn)向技術(shù)對(duì)比

同傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，BMW的AFS以及Audi的ADS高、低速轉(zhuǎn)向工況的轉(zhuǎn)向助力大小同電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向一致，均有比較好的可調(diào)節(jié)性；且與非轉(zhuǎn)向時(shí)仍有低速液壓油流動(dòng)的電控液壓助力轉(zhuǎn)向相比，主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性[5]。此外，ADS以及AFS相比包含液壓機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言也有更好的轉(zhuǎn)向操作靈敏度。

同線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍保留了機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，在主動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置故障時(shí)可以作為備用轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。而線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒(méi)有了機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，則必須引入冗余設(shè)計(jì)，保障緊急情況下的行車安全。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)本身就存在大量傳感器需求，這種冗余設(shè)計(jì)將進(jìn)一步提升其生產(chǎn)成本，短期內(nèi)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)廣泛落地應(yīng)用還有難度。

此外，四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也是一種基于線控技術(shù)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)新技術(shù)。在主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展中，也吸收了部分四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)，如將后輪設(shè)計(jì)為在小角度內(nèi)可以主動(dòng)轉(zhuǎn)向，以提高車輛在過(guò)彎、換道時(shí)的平順性與安全性。寶馬的整體式主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)即采用了這種方案。整體式主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作特點(diǎn)如下：當(dāng)時(shí)速低于60公里時(shí)，后輪會(huì)與前輪以3度的相反方向轉(zhuǎn)向，降低轉(zhuǎn)向半徑。時(shí)速超過(guò)80公里時(shí)則與前輪同方向轉(zhuǎn)動(dòng)，避免轉(zhuǎn)向過(guò)度且提升過(guò)彎穩(wěn)定性[6]。事實(shí)上，對(duì)于普通用途車輛來(lái)說(shuō)，四輪轉(zhuǎn)向真正帶來(lái)的優(yōu)化效果并不明顯，且四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更為復(fù)雜，因而對(duì)于一些高級(jí)轎車或者特殊車輛而言，其應(yīng)用空間比較大。除寶馬的整體式主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)，采埃孚（ZF）也提供了后輪轉(zhuǎn)向技術(shù)AKC，可以通過(guò)后橋上的驅(qū)動(dòng)器控制實(shí)現(xiàn)后輪小角度偏轉(zhuǎn)，極大地提升了低速通過(guò)性以及高速行駛平穩(wěn)性[7]。

圖9 低速(a)、高速(b)工況下后輪轉(zhuǎn)向動(dòng)作

當(dāng)然，類似ADS以及AFS系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向干預(yù)也有著一定的缺陷，主動(dòng)轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性功能只適用于轉(zhuǎn)向過(guò)多的工況，而在轉(zhuǎn)向不足工況下，受到輪胎非線性的限制側(cè)向力達(dá)到飽和狀態(tài)，通過(guò)增大前輪轉(zhuǎn)向角的方式是很難改變車輛轉(zhuǎn)向不足的趨勢(shì)的[3]。且前輪轉(zhuǎn)向干預(yù)的范圍有限，必要時(shí)候還需要車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP)輔助。這也是ADS系統(tǒng)并不是完全獨(dú)立的系統(tǒng)的原因，如圖1（b），其與ESP系統(tǒng)相互輔助，成為底盤控制的一部分。

3 技術(shù)展望

縱覽幾類轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，各有利弊，并沒(méi)有一種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以滿足所有的最優(yōu)需求。主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雖有較多優(yōu)勢(shì)，但也不能完全取代車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP)。因此，下一步可以集多技術(shù)的優(yōu)勢(shì)于一身，將主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、后輪小角度轉(zhuǎn)向控制與車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行統(tǒng)一優(yōu)化控制，形成一個(gè)集成的統(tǒng)一控制系統(tǒng)。更多地，還可以將主動(dòng)懸架的控制也納入進(jìn)來(lái)，進(jìn)一步優(yōu)化車輛行駛的舒適性、穩(wěn)定性。

另一方面，車輛的行駛安全是重中之重，未來(lái)的初期自動(dòng)駕駛車輛可以采用將主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)或動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向技術(shù)和四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)結(jié)合起來(lái)統(tǒng)一通過(guò)線控控制的過(guò)渡模式。既保留有機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，提升緊急狀態(tài)下的安全性，又可以充分應(yīng)用線控技術(shù)，而無(wú)需進(jìn)行的冗余線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)配置。