Audi dynamic steering奥迪动态转向系统方案.docx

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Audidynamicsteering奥迪动态转向系统方案

1.1奥迪动态转向系统

1.1.1系统概述

奥迪公司推出了动态转向系统,使用这种转向系统就解决了恒定转向传动比的折中问题。

根据车速和转向盘的转角就可实现最佳转向传动比。

无论是在驻车、在多弯道的乡间公路行车还是在高速公路上高速行车，动态转向系统都能提供最合适的转向传动比。

另外，动态转向系统因其具有行驶动态稳定转向能力，所以还可以对EPS提供支持。

因此，这种新型智能转向系统不仅能增加行驶和转向舒适性，还能明显提高主动的行车安全性。

在传统的转向系统上，转向盘与转向机之间是以机械方式直接相连的。

因此转向盘的转角与转向车轮的转角之间就存在着一个固定关系。

通过转向机齿条和主动齿轮之间齿部的配合，就可以实现不同的传动比特性曲线了。

但是，一辆车上只能有一种传动比。

在选择合适的传动比时，为了能使得不同的有时甚至是矛盾的要求尽可能地得到满足，那么所选择的传动比实际就是个折中方案。

在图1中，黄色线所示的就是无动态转向系统的奥迪A4所用的传统助力转向系统传动比特性曲线。

这些基本要求只有通过可变的传动比特性曲线才能完美地得到满足。

这样的特性曲线能够根据车速和转向角来改变转向车轮的实际转动大小。

奥迪A4车上的动态转向系统一般可以实现两条可变的特性曲线（分别为舒适型和运动型，如图1所示中的红色特性曲线）。

转向传动比和相应车速的关系可以很清楚地看出来。

图1传动比特性曲线

可变特性曲线是通过另加的一套电动机械式驱动装置来驱动转向机主动齿轮而实现的，这套驱动装置与驾驶员的转向动力是并行存在的。

在紧急情况下，比如这套驱动装置失灵了，那么转向系统仍可当成普通的转向系统来使用，其组成如图2所示。

图2动态转向系统组成

动态转向系统的优点就更多了。

与ESP及其传感器一同协作，该系统在危险的临界行驶状态时也会发挥作用。

由于前轮回转大小可以有针对性地改变，所以动态转向系统在动态行驶的临界围可以支持ESP的工作。

因此就产生了两个主要优点：

第一，由于制动和转向同时介入，车辆的整体稳定性能得到了提高，也就是主动安全性明显提高了。

尤其是在车速很高时（>100

km/h），这个优点的作用更明显，因为在这种情况下，动态转向系统能充分展现出其快速反应的优点。

第二，在少数极限行驶状况下，可以部分或完全放弃制动的介入，这可使车辆稳定过程更和谐、更舒适。

与只通过制动介入来稳定的车辆相比，在低摩擦路面（比如雪地）上行驶时，使用动态转向系统的车通过减少制动介入，能更快地达到相同的稳定状态。

在车辆过度转向和不足转向时，以及车辆在不同摩擦系数路面上制动时，ESP都可以获得动态转向系统的帮助。

1.过度转向的车辆

在车辆过度转向时，ESP与动态转向系统一同来稳定车辆。

这个稳定过程是通过一个有针对性的反转向来实现的，这可避免车尾的“甩动”。

车辆容易进入过度转向的一个典型情形是：

车辆快速变换车道。

在转回新车道时，车尾容易甩动（尤其是在车速很高时）。

大多数情况下，驾驶员都是实施反转向过迟或者根本就没有实施这个反转向。

这就导致ESP制动的强力介入。

使用了动态转向系统的话，这个反转向就可自动实现了，且驾驶员并没有注意到这个过程。

因此就可明显减轻驾驶员的转向疲劳。

驾驶员只需在一般的稳定行驶状态来增加所需的转向角即可。

ESP的制动介入也同样明显减少了。

因此在变道时，不但提高了车辆稳定性，还提高了车辆的穿行速度。

2.不足转向的车辆

在转向不足时，转动的前轮会迫使车辆驶向道路的外缘。

这种行驶状态的特点是：

尽管增大了转向盘转角，但侧滑阻力却降低了，由此导致转弯半径增大，在这种情况下，大多数驾驶员都是采用增大转向盘转角的方式来应对。

因此可用的侧向滑动阻力就更小了。

轮胎和路面之间的静摩擦变成了滑动摩擦，转向失控，车辆滑离道路。

在这种情况下，ESP也经常起不到帮助的作用了。

当车辆还没有到达这个程度时，动态转向系统就开始起作用了。

动态转向系统实施“反向控制”。

车轮的实际回转角度小于驾驶员在转向盘上所要实现的回转角度。

于是侧向滑动阻力就保持住了，车辆按最小转弯半径行驶。

如果这个还不够的话，ESP会主要在转弯侧车轮上实施制动。

于是围绕着汽车竖轴线就另外产生了一个起稳定作用的反向力矩。

于是车辆又被制动并转向到驾驶员期望的弯道上了。

3.不同摩擦系数（μ-split）路面上的制动

所谓的μ-split表面是这样的：

车辆一侧的路面摩擦系数很大（比如是干燥的沥青路面），车辆另一侧的路面摩擦系数很小（比如有水或冰）。

比如：

路面上部分积雪或冰，或者潮湿的树叶散落在干燥的路面上。

在这种路面上进行车辆制动，车辆就会向制动力大的一侧（摩擦系数大的一侧）偏滑。

要想继续向前行驶，在没有动态行驶系统的车上就由驾驶员来调整转向盘转角，以便补偿这个侧滑。

对于装备有动态转向系统的车来说，ESP和动态转向系统的转角是自动来调整的。

驾驶员并未感觉到转向盘保持在他所期望的行驶方向上。

由于ESP和动态转向系统可以比驾驶员更快而准确地调节所需要的转角，那么在这种情况下，装备有动态转向系统的车就比未装备动态转向系统的车平均制动距离要短。

1.1.2基本结构和基本功能

转向系统集成了一个并行的（叠加的）转向机（执行元件）。

转向盘和前桥之间的机械式耦合器总是通过这个并行的转向机来保持接合。

在系统出现严重故障时，这个并行转向机的电机轴就被锁住了，这样可避免功能失误，如图3所示。

图3并行的转向机

控制单元会计算出转向角应该增大还是应该减小了，控制原理如

图4所示。

图4转角的控制原理

这个控制单元会操纵一个电机，这个电机会驱动并行转向机来工作。

车轮总转向角是这个并行转角与驾驶员在转向盘上施加的转角之和。

并行转角可以：

通过驾驶员施加的转角而增大；通过驾驶员施加的转角而减小；在驾驶员未操纵转向盘时就能实现转角。

1.1.2.1主动转向系统控制单元J792

该控制单元位于驾驶员脚坑处的座椅横梁前，它的功能可分成两

个。

基本功能

该控制单元用于计算出并行转角，以便实现可变转向传动比。

一般

是根据车速和驾驶员所实施的转角来确定的，如图5所示。

只要系统无故障，这个调节过程就一直在进行着。

图5主动转向系统控制单元基本功能

辅助功能:

具有稳定作用的介入

ESP控制单元通过稳定功能来计算出动态行驶时所期望的转向角校正值。

这些校正值通过组合仪表-底盘CAN总线被传送给控制单元J792，如图6所示。

控制单元J792将相应的校正值加到计算出的并行转角中。

作用到车轮上的就是经过了校正的转向角了。

图6控制单元J792

有一个安全系统用于监控控制单元的这个校正功能，这个安全系统可以判断出有可能导致执行元件误动（可能影响安全）的所有故障。

具体会根据故障情况来采取相应措施，从关闭部分功能直至完全关闭系统。

该控制单元不参与15号线-CAN-总线延时。

该控制单元通过一个集成的温度传感器来监控，切断极限值为100℃。

1.1.2.2.执行元件

转向角的校正是通过执行元件带动转向主动齿轮转动而实现的，结构如图7所示。

图7执行元件

这个执行元件由一个轴齿轮构成，这个轴齿轮用一个电机来驱动。

这套齿轮装置尤其适用于将较快的转动（比如电机）转换成很慢的转动时。

基本原理：

两个齿数不同的齿轮彼此啮合。

在装备了动态转向系统时，由电机直接驱动的齿轮有100个齿，输出齿轮是102个齿。

在动态转向系统上，与转向盘直接相连的转向轴也与转向主动齿轮相连。

这个连接是通过齿轮来实现的。

杯形件与转向轴上部（它也直接与转向盘相连）通过花键实现无间隙连接。

这个杯形件外形像个盆，壁薄而有弹性。

这个壁上装备有100个齿的外齿，与之配对使用的是一个齿圈，齿数为102个。

这个齿圈与转向轴下部与转向主动齿轮刚性连接。

如果驾驶员转动了转向盘，那么杯形件与齿圈就像轴与轮毂那样运动了，转动动作就传递下去。

这个工作模式与普通转向器是一样的。

转向轴上部装有一根空心轴，这个空心轴独立地在执行元件壳体转动。

这个空心轴由一个电机直接驱动，如图8所示。

图8空心轴

为此，电机的转子在一侧与空心轴连接在一起。

空心轴的另一侧与滚动轴承的圈连接在一起。

这个圈并不是个精确的圆形，它给滚珠提供的是一个离心的（椭圆）轨道。

轴承外圈是弹性钢圈，轴承圈的离心外形可以传递到外轴承圈圈上。

杯形件通过较松的过盈配合装在轴承外圈上。

杯形件的弹性壁也会跟随轴承的离心外形进行变形。

由于具有离心，所以杯形件的外齿并不是在整个圆周上都与齿圈的传统（圆的）齿相啮合的。

如果电机工作了，那么空心轴就被驱动起来了。

滚动轴承圈就在转动。

于是离心形状就随着这个转动而转动。

由于杯形件的齿数与齿圈齿数是不同的，那么在啮合时，杯形件的一个齿就无法精确地与齿圈上的齿槽啮合。

杯形件的齿在侧面是呈错开状压到齿圈的齿侧上的。

于是齿侧上就作用有一个力，这会导致齿圈产生一个极小的转动。

在电机工作时，由于离心率的“转动”，所有的齿在整个圆周上都会暂时出这种错开啮合现象。

于是齿圈就会连续转动，那么与之相连的转向主动齿轮也在转动。

车轮的转动就会发生变化。

这个过程可实现电机转速转向转动齿轮之间约为50∶1的减速比。

1.1.2.3电机

采用的是永久激励型的同步电机。

其转子与空心轴固定在一起，该转子由8个磁极可变的永久磁铁构成，如

图9所示。

图9转子

1.1.2.4动态转向锁

为了能在动态转向系统失灵时保证转向系统回到原来的状态,可以通过机械方式将动态转向锁锁止。

在正常工作状态下,只要发动机熄火,这个锁就是锁止的,当发动机起动后动态转向系统就会将动态转向锁打开,此时可以听到开锁时的一声“卡嗒”响。

动态转向锁的锁止是通过一个电磁铁来完成的,这个电磁铁用螺栓拧在壳体上。

在电动机驱动的空心轴上安装有一个锁圈,其外侧有很多缺口。

当电磁线圈不通电时,电磁铁的圆筒状推杆在弹簧弹力的作用下进入缺口中,从而实现锁止作用。

如果J792激活了电磁线圈,那么推杆就在电磁力的作用下克服弹簧的弹力而向电磁线圈方向移动,离开缺口,松开了空心轴。

1.1.2.5电动机位置传感器

空心轴的位置由一个电动机位置传感器来检测,电动机每转15°,就会产生一个信号,该信号经单独的导线被传送至J792。

当断开点火开关时,J792会存储当前的位置信息。

在30号线突然断电时,通过基准传感器来识别零位。

1.1.2.6基准传感器

电动机位置传感器和基准传感器共同安装在一个壳体。

转向盘每转一圈或者执行元件输出轴每转一圈,基准传感器就输出一个信号。

这个信号用于计算转向器的中间位置及完成故障排除后的基本设定。

齿圈外面的一个缺口就是基准传感器的缺口。

1.1.2.7ESP传感器1和ESP传感器2

装备有动态转向系统的车上使用2个ESP传感器,这2个传感器安装在驾驶人座椅下,其功能和结构是相同的。

从外表看,这两个传感器的区别在于导线连接器不同。

这2个传感器通过CAN总线与ESP控制单元及J792相连接。

ESP控制单元使用这2个传感器信号来计算所需要的并行转向角,以便稳定车辆。