奥迪主动转向系统技术解读

文：张志军

目前奥迪车系中（奥迪A4L、A5、A6L、A7及A8L等）普遍装配了主动转向系统，能够根据车速改变转向传动比，解决了恒定转向传动比的折中问题。无论是在驻车状态、在多弯的乡间公路，还是在高速公路上高速行车，系统都能提供最合适的转向传动比。此外，系统因其具有动态的稳定转向能力，还可以对电子稳定控制系统（ESP）提供支持。所以，这种智能转向系统不仅能增加行驶和转向舒适性，还能明显提高行车安全性。

在传统转向系统上，方向盘与转向机是以机械型式直接相连的，因此转向盘的转角与车轮的转角之间就存在一个固定的关系，通过转向机齿条和主动齿轮相啮合，就可以实现一个特定的传动比特性曲线。但是一辆车只有一种转向传动比特性曲线，在设计时，为了使得不同的甚至是相互矛盾的需求得到满足，这个固定的传动比特性曲线实际上是一种折中方案。

主动转向系统则可以满足车辆在低速和高速甚至处于临界状态时对转向比的要求，即通过附加的一套电动机械驱动装置来驱动转向机的主动齿轮，使之与驾驶员的转向动力并存，进而调整最终输出到转向机主动齿轮上转动圈数。当该系统出现故障时，转向系统仍然可以当做普通的转向系统来使用。

当车辆处于危险的临界行驶状态时，由于在主动转向系统的干预下，前轮回转的大小可以有针对性地改变，所以主动转向系统在动态行驶的临界范围支持ESP的工作。由此可以产生以下2个优点。

（1）由于制动和转向都介入，车辆的稳定性得到提高。也就是说，车辆的主动安全性能得到了提高，尤其是在高速时，这个优点更明显。

（2）在少数极限行驶工况下，可以部分或者完全放弃制动的介入，这样可使车辆稳定过程更舒适。与一般车辆相比，减少制动的介入可以使车辆能更快地达到相同的稳定状态。

一、主动转向系统的主要功能和附加功能

1.主要功能

主动转向系统控制单元会一直根据车速和驾驶者所实施的转角，计算出转向角应该增大还是减小。之后控制单元会操控电机，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者在转向盘上施加的转角之和。并行转角可以通过驾驶者施加的转角而增大或减小，并且可以在驾驶者未操纵方向盘时就能实现转角。

2.附加功能

ESP控制单元通过稳定功能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CAN总线被传送给主动转向控制单元，该控制单元将相应的校正值加到计算出的并行转角中。于是作用到车轮上的转角就是经过校正后的转向角。

（1）过度转向

当车辆过度转向时，车尾容易甩动（尤其是车速很高时），这种情况下，大多数驾驶者都是反转向过迟或者根本就没有实施反转向，这会导致ESP系统强力介入。如果车辆装备了主动转向系统，反转向就可以自动实现，从而降低驾驶者的疲劳，减少ESP的介入，提高行车速度。

（2）转向不足

当车辆转向不足时，车辆会驶向道路的外侧。此时尽管驾驶者增大方向盘转角，但由于侧滑附着力减小，轮胎和路面之间的静摩擦变成滑动摩擦，从而造成转向失控，进而车辆滑出路面。这种情况下，ESP也常常起不到作用。而装备主动转向系统的车辆在没有达到这种危险程度时，系统会自行实施一个“反转向”，车轮实际的转角小于驾驶员在方向盘上操作所要实现的角度，于是侧向附着力就能保持，车辆会按照最小转弯半径行驶。如果这还不够的话，ESP会介入，一个反向力矩作用在车辆上，使车辆达到稳定状态。

（3）在不同摩擦系统路面上制动

车辆在制动过程中，如果路面的摩擦系统不均匀，车辆会向制动力大（摩擦系数大）的一侧偏滑。驾驶者一般会调整方向盘转角，来补偿这个侧滑。对于装备有动态转向系统的车辆来说，ESP和动态转向系统的转角是自动调整的。驾驶者并未感觉到方向盘保持在他所期望的行驶方向上。

二、主动转向系统结构

1. 系统执行元件（机械结构）

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内转动（图1）。这个空心轴由一个电机直接驱动，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内圈连接在一起，这个内圈并不是个精确的圆形，它给滚珠提供的是一个偏心的（椭圆）轨道（图2）。轴承外圈是弹性钢圈，轴承内圈的偏心形状可以传递到外圈上。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偏心形状进行变形。

图1 主动转向系统结构

图2 滚动轴承内齿圈

由于具有偏心，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）内齿相啮合。当电机工作时，空心轴被驱动，轴承内圈转动，于是偏心形状也就随之而转动。由于杯形件的齿数与齿圈齿数分别是100和102，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在齿圈的齿侧上的，齿侧上的这个作用力会导致齿圈产生一个极小的转动。齿圈连续转动过程中，那么与之相连的转向主动齿轮也在转动。这个过程可实现电机转速与转向转动齿轮之间约为50：1的减速比。

2.系统控制元件

（1）电机

主动转向系统在其稳定作用介入时，要求根据工况的变化做出快速的反应。所以系统采用了一个三相交流永久激励型的同步电机。转子与空心轴固定在一起，由8个磁极可变的永久磁铁组成。定子由6个线圈构成，线圈布置在转向柱执行元件壳体内，由控制单元进行触发控制。

（2）主动转向锁

为了能在系统失灵时保证系统回到原来的状态，可以通过机械方式将主动转向锁锁止。在正常工作状态下，只要发动机已经关闭，控制单元就停止给主动转向锁的线圈供电，在弹簧力的作用下，将主销推入卡槽，主动转向锁锁止。当发动机起动时，控制单元给主动转向锁的线圈供电，就会将主动转向系统开锁，可以听到开锁时的“咔哒”声。

（3）电机位置传感器

用于感知空心轴的位置和轴承的偏心。空心轴上有8个磁圈，其磁场由带有3个霍尔元件的传感器感知.所以空心轴每转动15º，就产生一个信号经由导线送给控制单元。

（4）基准传感器

方向盘每转1圈或者执行元件输出轴每转1圈，基准传感器就输出1个信号。这个信号用于评定转向器的中间位置以及完成故障维修后的初始化。输出齿圈上的一个缺口由霍尔传感器测出，并将该方波信号发给控制单元。

（5）ESP传感器

用于测定车辆各方向的加速度信号。装备主动转向的车辆上需要2个这样的传感器，以用于安全校验。ESP控制单元和主动转向控制单元需要这些信号控制车辆。

（6）转向角传感器

控制单元需要转向角信号计算所需要的并行转向角，以便实现可变转向比。而计算所需要的并行转向角以便使车辆稳定，也要用到转向角信号。

主动转向系统在正常工作时，需要与CAN总线上其他控制单元进行数据交换，具体交换的数据如下。

网关：时间、日期和里程。

发动机控制单元：系统状态和转速。

车身电子1：驾驶者选择的驾驶模式及系统工作状态。

车身电子2：车辆底盘号。

制动系统控制单元：行驶方向、车速、轮速和转向角需求。

转向角传感器：转向角、转动方向和转向角转速。

ESP传感器：系统状态、横向加速度和偏摆率。

仪表：系统警报灯控制和系统文字警报。

三、系统初始化

根据法规要求，尽管采用了电动机械式调节结构，但是方向盘和转向机主动齿轮之间仍然有机械连接部分。在关闭主动转向系统后，也可以通过方向盘来转动车轮（例如将车举升进行修理时）。在下次系统启动时，前轮转角对应的就不是可变特性曲线规定的转角了。初始化的任务，就是查明与规定值的偏差，并实现所要求的转角叠加，以便再次形成前轮的正确转角。

初始化是通过采用电机位置传感器信号和转向角传感器信号来实现的。转向角传感器将当前方向盘位置信息告知控制单元，而电机位置传感器传送的是空心轴位置信息和轴承的偏心状态。控制单元计算出电机位置规定值和实际值之间的差值，然后操纵电机来进行必要的修正。

如果出现严重故障，那么主动转向系统控制单元将无法在关闭点火开关时可靠地存储电机位置传感器信号，这时会使用一种专门的初始化规程。这时初始化过程使用的是基准传感器信号，该传感器发出的是转向器处于中间位置的信号。使用基准传感器脉冲和转向角传感器位置信号，电机就可以重新初始化。随后，“正常的”初始化规程会与可能斜置的方向盘进行同步。

四、系统基本设定

通过基本设定，主动转向控制单元就会获知转向角传感器的测量值（方向盘位置）、电机位置传感器信号（偏心位置）以及基准传感器信号（转向器主动齿轮的位置）。这个基本设定过程是初始化的先决条件，也是在平坦路面上直线行驶时，方向盘能保持在水平状态（不倾斜）的前提条件。下述情况下，应对主动转向系统进行基本设定。

①更换新的或替换另一个主动转向控制单元。

②更换新的或替换另一个转向柱，因为基准传感器和电机位置传感器安装在转向柱上。

③更换新的或替换另一个转向角传感器，或者对转向角传感器进行了校准。

④修改了车轮定位值，因为前束值变化后，应重新校准转向角传感器。

在做基本设定时，应使用故障诊断仪，在“引导性功能”中选择主动转向控制单元，进入“基本设定”功能。开始基本设定前，首先需要对转向角传感器进行校准，此时需要用到专用工具VAS 6458——方向盘水平仪。这个校准就是要通知主动转向控制单元，转向轮在直线行驶位置转向角是多少。

接下来，控制单元将检查编码，编码正确，诊断仪会提示通过四轮定位仪将前轮设置到左右轮前束值相等的位置。这时，主动转向控制单元就能确定当前的转向角以及电机位置信息。

将方向盘转到中间位置，以确定基准传感器相对于转向角的关系。此时，前束位置时与方向盘在正中位置时的转角差就确定了。如果需要，方向盘偏斜状态会由控制单元控制电机进行自动校正。这样就可以保证车辆直线行驶时，方向盘在正中位置了。

五、维修中遇到的问题

日常维修中，维修人员会接到客户投诉，说车辆在直线行驶时，方向盘歪斜；或者在更换完转向器后，方向盘不正。按照常规的故障诊断思路，维修人员首先会检查车轮的定位，在调整完定位参数后试车，如果发现方向盘不正，就调整方向盘。实际上这种方法是错误的。正确的做法应该是先检查四轮定位，利用诊断仪校准转向角，然后进行主动转向系统的基本设制。

另外一种情况是，维修人员知道车辆直线行驶时方向盘不正与主动转向系统有关，但是在进行基本设定时，不使用方向盘对中仪和四轮定位仪，凭感觉来摆正方向盘和前轮。这样即使做完基本设定后，方向盘还是不正。

该车起动发动机后，在没有任何接触的情况下，方向盘会自动旋转一个角度，这是正常现象。这是因为主动转向系统在收到发动机起动的信号后会自检，并进行初始化。发生这种情况的可能原因是，在车辆没有打开点火开关的情况下，方向盘发生过移动。系统在自检时，发现偏差角度超过8º，电机会自行运转，从而将方向盘转角与电机转角对正。因此车主有时会察觉到方向盘轻微转动。如果偏差角度小于8º，系统的初始化将在行车过程中进行，此时车主就感觉不到了。