汽车主动前轮转向系统的工作原理和方案

汽车主动前轮转向系统的工作原理及方案

崔海波

工程技术学院机制5班

摘要: “主动转向”技术为汽车操纵和稳定性控制提供了更好的控制方法和性能，很好的解决了转向中轻便性和灵敏性的矛盾问题。本文通过对汽车主动前轮转向系统的简要概述和发展现状,对其结构和工作原理以及一些先进的方案进行了分析。

关键词:主动前轮转向系统可变传动比发展现状工作原理结构方案

1.前言

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。在汽车转向系统的设计中,转向轻便性与转向灵敏性是一对矛盾。转向轻便性要求驾驶员对方向盘施加的转向力要小、方向盘的总转动圈数要少;而转向灵敏性则要求驾驶员转动方向盘达到目标角度所耗费的时间要短。显然对机械式转向系统来说,要想转向灵敏性好,就要减小转向系统传动比,但这必然导致转向力增大;反之,要想转向力小,就要增大转向传动比,这又将导致转向灵敏性下降。主动转向系统具有可变传动比的功能,它很好地解决了转向轻便性与转向灵敏性之间的矛盾。主动前轮转向通过电机根据车速和驾驶工况改变转向传动比。低、中速时，转向传动比较小，转向直接，以减少转向盘的转动圈数，提高转向的灵敏性和操纵性；高速时，转向传动比较大，提高车辆的稳定性和安全性。同时，系统中的机械连接使得驾驶员直接感受到真实的路面反馈信息。【1】因此，主动前轮转向为车辆行驶的灵敏性、舒适性和安全性设定了新标准，代表着转向技术的发展趋势。

2．主动前轮转向系统概述

主动前轮转向系统（Active Front Steering，AFS）最早由德国 BWM 和

1

2

ZF 两家公司联合开发完成，并装备于宝马 3 系和 5 系轿车上。图为主动前轮转向系统基本结构。主动前轮转向系统能够在最大程度执行驾驶员意愿的前提下，对整车施加一个可独立于驾驶员的转向干预，可以实现整车的主动安全性和操纵稳定性的结合。主动前轮转向系统可在一定范围内实现变传动比控制，使汽车在低车速行驶时转向传动比较小，以减少转向盘的转动圈数，提高汽车的机动性和灵活性；而在高车速时转向传动比较大，以降低转向灵敏性，提高汽车的稳定性和安全性。主动前轮转向实际上是介于传统的助力转向和线控转

向之间的一种转向系统。【2】它在传统的助力转向系统的结构基础上实现转向，

同时又具有线传系统的优点，可以主动对车辆进行控制。主动前轮转向系统可以实现变传动比和稳定性控制。

图.主动前轮转向系统

2.1 可变传动比

在汽车工业中，传动比定义为方向盘转角与前轮转角的比值。对于传统车辆，该值为一常数。观察普通汽车低速下的转向行为可以发现，降低传动比可以减少方向盘至左右极限位置的圈数。因此对于驾驶员而言，在停车或大角度转弯时，可以提高操作上的轻便性。然而对于处于高速行驶状态下的车辆，较低的传动比使转向过于灵敏，稳定性和安全性就会下降。转向传动比是影响驾驶感受的关键因素。为了克服传统车辆存在的上述缺陷，人们发明了一系列变

传动比主动前轮转向装置。【3】

这类装置可以根据行驶状况增加或减小汽车前轮

的转向角度，即低速时提供小传动比以提高车辆灵活性及操作轻便型，高速状态下提供较大传动比增加行车稳定性。其大致分为两类：1.机械式(又可分为固定式与可调式)2.线传式。

2.2 稳定性控制

稳定性是指汽车受到外界扰动(路面扰动或者阵风扰动)回到原来的运动状态的能力。主动前轮转向系统从转向一开始就会判断转向后出现的情况，通过调节助转角电机自动修正转向角度，及时干预以降低偏离行驶路线的概率。对于不可预料的侧向运动，主动前轮转向可以通过有效的利用轮胎特性，抵御阵风(尤其是离开隧道时的侧向风)、不对称制动和低摩擦系数路面所产生的横摆及侧倾干扰，自动产生补偿力矩帮助驾驶员，提高车辆的稳定性。【4】

3.主动前轮转向系统国内外的研究及发展现状

当前，国内外对主动前轮转向系统的研究比较深入，已有大量相关文献发表。主动前轮转向系统最早由德国宝马汽车公司和 ZF 公司联合开发，并将其应用于部分宝马3系列和5系列轿车，图为宝马主动前轮转向系统实物图。之后，日本丰田汽车公司也开发了可装备于实际车辆的主动前轮转向系统。

Kim J. W.等人在论文《Development of an active front steering (AFS) system with QFT 》中，在分析主动前轮转向系统的工作原理的基础上，建立了基于定量反馈理论的主动前轮转向系统控制模型，并基于Matlab 和Adams/Car 建立联合仿真模型验证了其有效性。Yasuo S.等人在论文Improvement in driver-vehicle system performance by varying steering

3

gain with vehicle speed and steering angle :VGS (variable gear-ratio steering system)》中，建立了驾驶员模型、转向系统模型和传动比调节装置的模型，并根据驾驶员的操纵经验和路上试车测试结果得出理想传动比。Wolfgang R.等人在论文《Active front steering (Part 1): mathematical modeling and parameter estimation》和论文《Active front steering (Part 2): safety and functionality》中，建立了主动前轮转向系统执行器的数学模型，并验证了模型的有效性【5】。Maniha N.等人在论文《Sliding mode control of active car steering with various boundary laver thickness and disturbance》中，将滑模变结构控制应用于主动前轮转向系统，并设计了滑模变结构控制器，其输入为横摆角速度的理想值与实际值之间的差值，输出为主动前轮转向系统附加的转向角【6】。

在国内方面，同济大学高晓杰等人在论文《机械式前轮主动转向系统的原理与应用》中，以宝马轿车上选装的主动转向系统为例，详细介绍了该系统的组成、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，并指出主动前轮转向与其他动力学控制系统一起实现底盘一体化集成控制的可能性【7】。武汉理工大学的黄炳华等人在论文《汽车主动转向系统的特性研究》中，分析了主动转向系统的主要特性，并对其控制策略进行了探讨【8】。南京航空航天大学的赵万忠等人在论文《力与位移耦合控制的主动转向系统协同优化》中，在对主动前轮转向系统的动力学分析和工作原理分析的基础上，建立了主动前轮转向系统的各个子系统的模型，并提出了主动前轮转向系统的三个性能指标及量化公式【9】。同济大学的余卓平等人在论文《主动前轮转向对车辆操纵稳定性能的影响》中，研究主动前轮转向对车辆操纵稳定性能的影响，提出了主动前轮转向控制系统的目标及结构【10】。南京航空航天大学的魏建伟等人在论文《基于人-车-路闭环系统的变传动比控制规律》研究了转向盘转角对汽车转向性能的影响，提出了改进的变传动比控制策略

目前，对主动前轮转向系统的研究主要集中在动力学建模和理想传动比控制规律方面，对变传动比控制规律的研究还很少，尚处于定性的认识阶段，且变传动比的推理及控制策略还少有提及。此外，对主动前轮转向稳定性控制的研究文献还较少，有限的几篇文献主要研究横摆角速度控制，对附加转角的控制还鲜

4