奧迪主動轉向系統技術解讀

文：張志軍

目前奧迪車系中（奧迪A4L、A5、A6L、A7及A8L等）普遍裝配了主動轉向系統，能夠根據車速改變轉向傳動比，解決了恒定轉向傳動比的折中問題。無論是在駐車狀態、在多彎的鄉間公路，還是在高速公路上高速行車，系統都能提供最合適的轉向傳動比。此外，系統因其具有動態的穩定轉向能力，還可以對電子穩定控制系統（ESP）提供支持。所以，這種智能轉向系統不僅能增加行駛和轉向舒適性，還能明顯提高行車安全性。

在傳統轉向系統上，方向盤與轉向機是以機械型式直接相連的，因此轉向盤的轉角與車輪的轉角之間就存在一個固定的關系，通過轉向機齒條和主動齒輪相嚙合，就可以實現一個特定的傳動比特性曲線。但是一輛車只有一種轉向傳動比特性曲線，在設計時，為了使得不同的甚至是相互矛盾的需求得到滿足，這個固定的傳動比特性曲線實際上是一種折中方案。

主動轉向系統則可以滿足車輛在低速和高速甚至處于臨界狀態時對轉向比的要求，即通過附加的一套電動機械驅動裝置來驅動轉向機的主動齒輪，使之與駕駛員的轉向動力并存，進而調整最終輸出到轉向機主動齒輪上轉動圈數。當該系統出現故障時，轉向系統仍然可以當做普通的轉向系統來使用。

當車輛處于危險的臨界行駛狀態時，由于在主動轉向系統的干預下，前輪回轉的大小可以有針對性地改變，所以主動轉向系統在動態行駛的臨界范圍支持ESP的工作。由此可以產生以下2個優點。

（1）由于制動和轉向都介入，車輛的穩定性得到提高。也就是說，車輛的主動安全性能得到了提高，尤其是在高速時，這個優點更明顯。

（2）在少數極限行駛工況下，可以部分或者完全放棄制動的介入，這樣可使車輛穩定過程更舒適。與一般車輛相比，減少制動的介入可以使車輛能更快地達到相同的穩定狀態。

一、主動轉向系統的主要功能和附加功能

1.主要功能

主動轉向系統控制單元會一直根據車速和駕駛者所實施的轉角，計算出轉向角應該增大還是減小。之后控制單元會操控電機，驅動并行轉向機來工作。車輪總轉向角是這個并行轉角與駕駛者在轉向盤上施加的轉角之和。并行轉角可以通過駕駛者施加的轉角而增大或減小，并且可以在駕駛者未操縱方向盤時就能實現轉角。

2.附加功能

ESP控制單元通過穩定功能計算出動態行駛時所期望的轉向角校正值。這些校正值通過CAN總線被傳送給主動轉向控制單元，該控制單元將相應的校正值加到計算出的并行轉角中。于是作用到車輪上的轉角就是經過校正后的轉向角。

（1）過度轉向

當車輛過度轉向時，車尾容易甩動（尤其是車速很高時），這種情況下，大多數駕駛者都是反轉向過遲或者根本就沒有實施反轉向，這會導致ESP系統強力介入。如果車輛裝備了主動轉向系統，反轉向就可以自動實現，從而降低駕駛者的疲勞，減少ESP的介入，提高行車速度。

（2）轉向不足

當車輛轉向不足時，車輛會駛向道路的外側。此時盡管駕駛者增大方向盤轉角，但由于側滑附著力減小，輪胎和路面之間的靜摩擦變成滑動摩擦，從而造成轉向失控，進而車輛滑出路面。這種情況下，ESP也常常起不到作用。而裝備主動轉向系統的車輛在沒有達到這種危險程度時，系統會自行實施一個“反轉向”，車輪實際的轉角小于駕駛員在方向盤上操作所要實現的角度，于是側向附著力就能保持，車輛會按照最小轉彎半徑行駛。如果這還不夠的話，ESP會介入，一個反向力矩作用在車輛上，使車輛達到穩定狀態。

（3）在不同摩擦系統路面上制動

車輛在制動過程中，如果路面的摩擦系統不均勻，車輛會向制動力大（摩擦系數大）的一側偏滑。駕駛者一般會調整方向盤轉角，來補償這個側滑。對于裝備有動態轉向系統的車輛來說，ESP和動態轉向系統的轉角是自動調整的。駕駛者并未感覺到方向盤保持在他所期望的行駛方向上。

二、主動轉向系統結構

1. 系統執行元件（機械結構）

轉向軸上部裝有一根空心軸，這個空心軸獨立地在執行元件殼體內轉動（圖1）。這個空心軸由一個電機直接驅動，為此電機的轉子在一側與空心軸連接在一起。空心軸的另一側與滾動軸承的內圈連接在一起，這個內圈并不是個精確的圓形，它給滾珠提供的是一個偏心的（橢圓）軌道（圖2）。軸承外圈是彈性鋼圈，軸承內圈的偏心形狀可以傳遞到外圈上。杯形件通過較松的過盈配合裝在軸承外圈上。杯形件的彈性壁也會跟隨軸承的偏心形狀進行變形。

圖1 主動轉向系統結構

圖2 滾動軸承內齒圈

由于具有偏心，所以杯形件的外齒并不是在整個圓周上都與齒圈的傳統（圓的）內齒相嚙合。當電機工作時，空心軸被驅動，軸承內圈轉動，于是偏心形狀也就隨之而轉動。由于杯形件的齒數與齒圈齒數分別是100和102，那么在嚙合時，杯形件的一個齒就無法精確地與齒圈上的齒槽嚙合。杯形件的齒在側面是呈錯開狀壓在齒圈的齒側上的，齒側上的這個作用力會導致齒圈產生一個極小的轉動。齒圈連續轉動過程中，那么與之相連的轉向主動齒輪也在轉動。這個過程可實現電機轉速與轉向轉動齒輪之間約為50：1的減速比。

2.系統控制元件

（1）電機

主動轉向系統在其穩定作用介入時，要求根據工況的變化做出快速的反應。所以系統采用了一個三相交流永久激勵型的同步電機。轉子與空心軸固定在一起，由8個磁極可變的永久磁鐵組成。定子由6個線圈構成，線圈布置在轉向柱執行元件殼體內，由控制單元進行觸發控制。

（2）主動轉向鎖

為了能在系統失靈時保證系統回到原來的狀態，可以通過機械方式將主動轉向鎖鎖止。在正常工作狀態下，只要發動機已經關閉，控制單元就停止給主動轉向鎖的線圈供電，在彈簧力的作用下，將主銷推入卡槽，主動轉向鎖鎖止。當發動機起動時，控制單元給主動轉向鎖的線圈供電，就會將主動轉向系統開鎖，可以聽到開鎖時的“咔噠”聲。

（3）電機位置傳感器

用于感知空心軸的位置和軸承的偏心。空心軸上有8個磁圈，其磁場由帶有3個霍爾元件的傳感器感知.所以空心軸每轉動15o，就產生一個信號經由導線送給控制單元。

（4）基準傳感器

方向盤每轉1圈或者執行元件輸出軸每轉1圈，基準傳感器就輸出1個信號。這個信號用于評定轉向器的中間位置以及完成故障維修后的初始化。輸出齒圈上的一個缺口由霍爾傳感器測出，并將該方波信號發給控制單元。

（5）ESP傳感器

用于測定車輛各方向的加速度信號。裝備主動轉向的車輛上需要2個這樣的傳感器，以用于安全校驗。ESP控制單元和主動轉向控制單元需要這些信號控制車輛。

（6）轉向角傳感器

控制單元需要轉向角信號計算所需要的并行轉向角，以便實現可變轉向比。而計算所需要的并行轉向角以便使車輛穩定，也要用到轉向角信號。

主動轉向系統在正常工作時，需要與CAN總線上其他控制單元進行數據交換，具體交換的數據如下。

網關：時間、日期和里程。

發動機控制單元：系統狀態和轉速。

車身電子1：駕駛者選擇的駕駛模式及系統工作狀態。

車身電子2：車輛底盤號。

制動系統控制單元：行駛方向、車速、輪速和轉向角需求。

轉向角傳感器：轉向角、轉動方向和轉向角轉速。

ESP傳感器：系統狀態、橫向加速度和偏擺率。

儀表：系統警報燈控制和系統文字警報。

三、系統初始化

根據法規要求，盡管采用了電動機械式調節結構，但是方向盤和轉向機主動齒輪之間仍然有機械連接部分。在關閉主動轉向系統后，也可以通過方向盤來轉動車輪（例如將車舉升進行修理時）。在下次系統啟動時，前輪轉角對應的就不是可變特性曲線規定的轉角了。初始化的任務，就是查明與規定值的偏差，并實現所要求的轉角疊加，以便再次形成前輪的正確轉角。

初始化是通過采用電機位置傳感器信號和轉向角傳感器信號來實現的。轉向角傳感器將當前方向盤位置信息告知控制單元，而電機位置傳感器傳送的是空心軸位置信息和軸承的偏心狀態。控制單元計算出電機位置規定值和實際值之間的差值，然后操縱電機來進行必要的修正。

如果出現嚴重故障，那么主動轉向系統控制單元將無法在關閉點火開關時可靠地存儲電機位置傳感器信號，這時會使用一種專門的初始化規程。這時初始化過程使用的是基準傳感器信號，該傳感器發出的是轉向器處于中間位置的信號。使用基準傳感器脈沖和轉向角傳感器位置信號，電機就可以重新初始化。隨后，“正常的”初始化規程會與可能斜置的方向盤進行同步。

四、系統基本設定

通過基本設定，主動轉向控制單元就會獲知轉向角傳感器的測量值（方向盤位置）、電機位置傳感器信號（偏心位置）以及基準傳感器信號（轉向器主動齒輪的位置）。這個基本設定過程是初始化的先決條件，也是在平坦路面上直線行駛時，方向盤能保持在水平狀態（不傾斜）的前提條件。下述情況下，應對主動轉向系統進行基本設定。

①更換新的或替換另一個主動轉向控制單元。

②更換新的或替換另一個轉向柱，因為基準傳感器和電機位置傳感器安裝在轉向柱上。

③更換新的或替換另一個轉向角傳感器，或者對轉向角傳感器進行了校準。

④修改了車輪定位值，因為前束值變化后，應重新校準轉向角傳感器。

在做基本設定時，應使用故障診斷儀，在“引導性功能”中選擇主動轉向控制單元，進入“基本設定”功能。開始基本設定前，首先需要對轉向角傳感器進行校準，此時需要用到專用工具VAS 6458——方向盤水平儀。這個校準就是要通知主動轉向控制單元，轉向輪在直線行駛位置轉向角是多少。

接下來，控制單元將檢查編碼，編碼正確，診斷儀會提示通過四輪定位儀將前輪設置到左右輪前束值相等的位置。這時，主動轉向控制單元就能確定當前的轉向角以及電機位置信息。

將方向盤轉到中間位置，以確定基準傳感器相對于轉向角的關系。此時，前束位置時與方向盤在正中位置時的轉角差就確定了。如果需要，方向盤偏斜狀態會由控制單元控制電機進行自動校正。這樣就可以保證車輛直線行駛時，方向盤在正中位置了。

五、維修中遇到的問題

日常維修中，維修人員會接到客戶投訴，說車輛在直線行駛時，方向盤歪斜；或者在更換完轉向器后，方向盤不正。按照常規的故障診斷思路，維修人員首先會檢查車輪的定位，在調整完定位參數后試車，如果發現方向盤不正，就調整方向盤。實際上這種方法是錯誤的。正確的做法應該是先檢查四輪定位，利用診斷儀校準轉向角，然后進行主動轉向系統的基本設制。

另外一種情況是，維修人員知道車輛直線行駛時方向盤不正與主動轉向系統有關，但是在進行基本設定時，不使用方向盤對中儀和四輪定位儀，憑感覺來擺正方向盤和前輪。這樣即使做完基本設定后，方向盤還是不正。

該車起動發動機后，在沒有任何接觸的情況下，方向盤會自動旋轉一個角度，這是正常現象。這是因為主動轉向系統在收到發動機起動的信號后會自檢，并進行初始化。發生這種情況的可能原因是，在車輛沒有打開點火開關的情況下，方向盤發生過移動。系統在自檢時，發現偏差角度超過8o，電機會自行運轉，從而將方向盤轉角與電機轉角對正。因此車主有時會察覺到方向盤輕微轉動。如果偏差角度小于8o，系統的初始化將在行車過程中進行，此時車主就感覺不到了。