汽车主动前轮转向系统的工作原理和方案(2)

汽车主动前轮转向系统的工作原理及方案

4.2.1 转向轴式助力转向机构

转向轴式电动助力转向系统的电机固定在转向管柱上，通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴，实现转向助力。助力电机产生的动力协助驾车者进行转向，系统由转矩传感器、电动机、蜗轮蜗杆减速机构、电磁离合器、机械转向器等组成。

4.2.2 行星齿轮的主动前轮转向机构

助转角机构由电机、蜗轮蜗杆机构和一套双排行星齿轮系机构组成。行星架将两套行星齿轮连接在一起，齿圈通过自锁式蜗轮蜗杆驱动机构与助转角电机相连。行星齿轮机构的输入轴与转向管柱上端相连，合成的运动由输出轴输出，输出轴与转向管柱下端相连。根据车速和转向盘转角，电机提供相应的辅助转角，并利用行星齿轮机构的运动合成共同作用到下端的转向管柱上，最终输出的转向角是由转向盘角度和电机角度叠加而成。当转向盘转角确定，而电机的转角改变时，合成后得到的前轮转角也随之改变，因此可通过独立地调整电机来获得不同的转向系统传动比，从而转向灵敏性可调。

整个主动前轮转向系统包括传感器，主动转向叠加机构(包括电机及行星齿轮机构)，控制器(ECU)，电动助力转向系统机械结构等。 4.3 工作原理

以一种机械式的叠加主动前轮转向系统为研究对象,其原理如图所示。AFS的执行机构由电动机、蜗轮蜗杆机构和行星齿轮机构等组成,一般串联在转向盘和转向器之间。具体工作原理是车辆行驶的状况由传感器测得,控制器根据传感器的车速、质心横摆角速度,方向盘转角等信号,按照预先编制的控制逻辑,设定转角变化量的目标值,并通过执行器将变化量叠加到前轮转向角上,实现总的前轮转角,由此,可使转向盘转角和前轮转向角的传动比,根据汽车的运动状况发生连续的变化,从而对汽车的舒适性、转向工作强度、操纵稳定性和直线行驶性进行最佳优化。也就是说主动前轮转向系统能够根据车辆的运行状态和驾驶员的意图,通过对前轮转向角进行适当修正达到提高车辆轻便性和行驶稳定性的目的。

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主动前轮转向系统原理图

5.先进主动前轮转向系统方案分析

5.1 宝马双行星齿轮变传动比机构

宝马公司推出的主动转向系统由液压助力转向部分和双行星变传动比机构组成。其中变传动比机械装置如图所示。基本构成包括：助转角电机，蜗轮蜗杆和由两个行星排构成的双自由度行星齿轮组。方向盘与输入轴 4 连接构成 1 个自由度控制，助转角电机 3 驱动蜗杆 1，蜗轮 2，内齿圈 11 构成另一个自由度控制。当电机制动时，可以操纵方向盘实现转向动作，由输入轴 4 到输出轴 12 按传动比等于 1 输出。当方向盘不动时，也可以控制电机转动实现主动转向操纵。当方向盘和电机同时转动时可以实现转向的复合操纵，实现变传动比操纵和

【11】稳定性控制。

宝马公司AFS系统的基本方法是通过一个机械传动装置将电机动力控制和人对方向盘的控制复合在一起，实现两个控制的叠加。当电机驱动装置出现故障时，仍可以正常进行人工操纵，解决了主动转向的安全性问题。主动转向的机械传动装置安装在前车厢内，由于前车厢内布置十分拥挤，转向装置容易与其它零部件发生干涉，因此要求该装置设计具有最小的体积。由于传动装置有多个齿轮传动，存在轮齿侧隙，会影响输出轴的转动定位精度。

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5.2新型双行星齿轮变传动比机构

基于上述问题，现今出现了一种新型主动转向变传动比传动装置。该主动转向传动装置包括了一个机械传动装置和一个动力驱动装置，采用机械连接，安全性高，且主动转向输出是由动力驱动装置驱动内齿圈经行星架输出，是减速传动，蜗轮蜗杆机构驱动力矩小，从而可以减小机构的尺寸。通过对比分析，本新型传动装置体积明显缩小，传动效率提高，转动定位精度改善，制造成本下降。

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该变传动比机构是一套集成在转向柱上的双行星齿轮机构，位于方向盘和齿轮齿条式转向器之间，包括了一个机械传动装置和一个动力驱动装置(如图 2-4 所示)。动力驱动装置由助转角电机、蜗杆和蜗轮组成，蜗杆 1 与蜗轮 2 啮合并由电机驱动。蜗杆 1 与蜗轮 2 位于壳体内。机械传动装置的一端通过输入轴 4 与方向盘连接，另一端通过输出轴 13 与转向器连接。蜗轮 2 与内齿圈 11 固接在一起。机械传动装置由两组并列的 NGW型行星齿轮传动机构组成；由太阳轮 6、行星齿轮 7、内齿圈 8 组成行星排Ⅰ；由太阳轮 9、行星齿轮 10、内齿圈 11 组成行星排Ⅱ；两个行星排的传动比是相同的，太阳轮 6、9 是固定在一起的，为两个行星排共用。这里的行星排是指行星传动齿轮组，行星排Ⅰ通过行星架 5 与输入轴 4 连接；行星排Ⅱ通过行星架 12 与输出轴 13 连接。输入轴 4 的一端与方向盘连接，另一端与行星架 5 固接在一起；输出轴 13 的一端与行星架 12 固接在一起，另一端连接转向器。内齿圈 8 与行星齿轮 7 啮合，行星齿轮 7 与太阳轮 6 啮合；太阳轮 9 还与行星齿轮 10 啮合，行星齿轮 10 与内齿圈 11 啮合。内齿圈 8 是固定的，内齿圈 11 与蜗轮 2 固接在一起，电机可以驱动内齿圈 11 旋转。

为了结构简化，实际实施中可将主动转向传动装置与转向器集成在一起；太阳轮、行星齿轮之一、内齿圈之一、行星齿轮之二、内齿圈之二的齿轮可以采用斜齿轮以便减小噪声；太阳轮可以是浮动的，也可以支撑在行星架之一和行星架之二两个行星架上；主动转向传动装置的两组 NGW 行星齿轮传动的传动比可以是不同的，以便与转向器匹配符合最佳转向性能的要求。

6.总结

本文简单的介绍了汽车主动前轮转向系统概念，发展现状，分析了其结构和工作原理，并且对先进的主动前轮转向系统进行探究。虽然汽车前轮转向系统技术还不是太成熟，还存在许多地方有待改进，但我相信在科学技术不断日益发展的时代大背景下，汽车技术会更加成熟，汽车的舒适性和安全性会不断提高，汽车工业也会更加繁荣昌盛。

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汽车主动前轮转向系统的工作原理及方案

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