作 者：浙江工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院 王貴明

汽車轉(zhuǎn)向系功能要求與其相應(yīng)機構(gòu)的分析

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能即很大程度地決定了對汽車操縱的輕便舒適性和安全行駛的穩(wěn)定平順性，也是減少交通事故和提高道路通行能力的重要因素。隨著現(xiàn)代汽車及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能提出了越來越高的要求，現(xiàn)結(jié)合其相應(yīng)機構(gòu)的運行原理分析如下。

對轉(zhuǎn)向盤的操縱要求即輕便靈活又有穩(wěn)定的操作感受

由于車輪轉(zhuǎn)向時輪胎與地面的摩擦阻尼隨車速降低而增大。即在汽車低速轉(zhuǎn)向時，對無助力傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系的方向盤操縱會相當(dāng)費力，為此目前基本已均采用了動力轉(zhuǎn)向系。并對轉(zhuǎn)向助力的控制要求隨車速增加而減小。而在車速很高時由于方向盤的轉(zhuǎn)動力會很輕，為避免對轉(zhuǎn)向盤微小的干擾力而引起汽車偏離方向，削減因路面不平撞擊轉(zhuǎn)向輪的沖擊傳到轉(zhuǎn)向盤而造成“打手”現(xiàn)象，并在轉(zhuǎn)向結(jié)束時轉(zhuǎn)向盤能有自動回正功能使汽車保持穩(wěn)定直線行駛，使駕駛員通過轉(zhuǎn)向盤對轉(zhuǎn)向過程中車輪與地面之間的運動狀況能始終保持適當(dāng)?shù)?ldquo;路感”，在汽車高速行駛時又希望能對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有一種“反向”助力，即適當(dāng)增加轉(zhuǎn)向系的阻尼。

對轉(zhuǎn)向操控有較高的靈敏性并能簡化其結(jié)構(gòu)以減小能耗

對轉(zhuǎn)向系操縱時要求車輪快速響應(yīng)使車身能及時轉(zhuǎn)向。這除了盡可能減小轉(zhuǎn)向系各傳動機構(gòu)的空行程間隙外，還要求用于轉(zhuǎn)向助力的動力控制裝置響應(yīng)快。目前所用的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要有液壓、氣壓和電動三種，前兩種存在能耗大、響應(yīng)慢等缺點。雖然液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是目前傳統(tǒng)汽車較為普遍采用的裝置。但隨電動汽車的發(fā)展，以及按各相關(guān)控制的特點[1]，需采用電子控制電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(eps，electric power steering)較為合適。由于省去了液壓動力轉(zhuǎn)向系所須的常運轉(zhuǎn)油泵、儲油罐、管路等，電機只在需轉(zhuǎn)向期間才接通電源轉(zhuǎn)動，即降低了能耗又使結(jié)構(gòu)緊湊減輕車載自重，并不必補充油液和擔(dān)心漏油等，使工作更可靠。這對車載能源不富裕的純電動汽車尤為適用。而現(xiàn)有電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)eps采用的是旋轉(zhuǎn)電動機，需經(jīng)電磁離合器、齒輪減速傳動等機械機構(gòu)，還存在機構(gòu)龐雜，占用空間大，響應(yīng)速度較慢等缺點。根據(jù)轉(zhuǎn)向機構(gòu)最終帶動轉(zhuǎn)向節(jié)臂的橫拉桿均為左右直線運動等特點，為此本文提出用直線步進電機直接帶動左右橫拉桿，使控制更直接，動態(tài)響應(yīng)更快。

要求轉(zhuǎn)向車輪的運動規(guī)律正確穩(wěn)定

即要求內(nèi)、外側(cè)轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角以及驅(qū)動輪的差速比正確穩(wěn)定，兩者的比值與轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角始終保持一定的關(guān)系，以確保在轉(zhuǎn)向時各個車輪只有滾動而無滑動現(xiàn)象。通過對汽車轉(zhuǎn)向時其內(nèi)、外側(cè)轉(zhuǎn)向輪和驅(qū)動輪的運動過程分析，為保證各車輪只滾動無滑動，要求四車輪均應(yīng)繞同一圓心轉(zhuǎn)動。設(shè)l為汽車軸距，b為汽車輪距，α、β分別為外、內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角，則要求車輪作純滾動條件為：ctgα=ctgβ+b/l。說明了外轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角α須小于內(nèi)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角β，并同時要求內(nèi)、外側(cè)驅(qū)動輪還需滿足相應(yīng)的差速條件[2]。為滿足內(nèi)、外側(cè)轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角要求，需使其轉(zhuǎn)向機構(gòu)的左、右橫拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)臂成相應(yīng)角度的梯形即非平行四邊形關(guān)系，這也是各類轉(zhuǎn)向系普遍采用的基本方法。為滿足驅(qū)動輪差速要求有采用機械差速和電子差速兩種。機械差速是傳統(tǒng)汽車普遍采用的方法，其機構(gòu)龐大而復(fù)雜。而電子差速系統(tǒng)eds是采用電子控制來實現(xiàn)，有諸多優(yōu)點，隨電動汽車的發(fā)展，特別是輪轂電機的應(yīng)用，它將是汽車驅(qū)動輪差速控制的發(fā)展方向。

有相應(yīng)的安全可靠性

當(dāng)汽車發(fā)生碰撞時，轉(zhuǎn)向盤等裝置應(yīng)能減輕或避免對駕駛員的傷害。而當(dāng)動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效或發(fā)生故障時，應(yīng)能保證通過人力轉(zhuǎn)向仍能進行轉(zhuǎn)向操縱。

盡可能減小轉(zhuǎn)彎半徑和提高高速轉(zhuǎn)向時的穩(wěn)定性

為減小低速轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)彎半徑，便于低速選位停車或窄道轉(zhuǎn)向行駛；以及改善高速轉(zhuǎn)向或在側(cè)向風(fēng)作用時的行駛穩(wěn)定性，還需采用高性能的四輪轉(zhuǎn)向[2]來滿足。

通過上述分析，根據(jù)轉(zhuǎn)向機構(gòu)最終帶動轉(zhuǎn)向節(jié)臂的橫拉桿均為左右直線運動等特點，為提高轉(zhuǎn)向系的快速響應(yīng)性和滿足在不同車速下有相應(yīng)的助力等功能要求，在此特提出用直線步進電機直接帶動左右橫拉桿的兩種汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制機構(gòu)。為說明其轉(zhuǎn)向系的結(jié)構(gòu)原理，還得對直線控制電機先作必要說明。

直線控制電機簡介

所謂直線電動機其實就是把旋轉(zhuǎn)電動機沿徑向剖開拉直演變而成，它是由電能直接轉(zhuǎn)換成直線機械運動的一種推力裝置。就控制理論來說直線電動機用于直線位移機構(gòu)，將使控制變得更直接，動態(tài)響應(yīng)更快，并且由于省去許多機械傳動件，使其機械結(jié)構(gòu)更簡捷，消除了機械間隙，有利于提高精度、傳動剛度、能量轉(zhuǎn)換效率以及降低噪聲等。為提高數(shù)控伺服系統(tǒng)的控制精度和快速響應(yīng)性，作者早在1986年就提出了用恒溫直線電機驅(qū)動的數(shù)控伺服裝置的發(fā)明專利[3]。而相隔十幾年后，用直線電機驅(qū)動的各類超高速精密數(shù)控機床[4]就開始不斷涌現(xiàn)，如在1996年芝加哥國際制造技術(shù)博覽會(imts-96’)等先后展出，世界行內(nèi)專家把該類機床稱為“下一代新機床”。

從直線電機的工作原理來講，它與旋轉(zhuǎn)電機一樣，同樣也有直流、交流、步進、永磁等類型。而從結(jié)構(gòu)來講，它又有動圈式、動鐵式、平板型、圓筒型等多種形式，即直線電機可演變生化出比旋轉(zhuǎn)電機更多的種類。大到磁懸浮列車、直線打樁機……小到遙控電動窗簾、繪圖儀位移機構(gòu)等各種技術(shù)領(lǐng)域都可有其應(yīng)用實例。并且電機的結(jié)構(gòu)形式可按其應(yīng)用機構(gòu)的需要來選擇更適應(yīng)的方案。隨著現(xiàn)代電機直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)、機電一體化及相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展完善，將使直線電機的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。多種技術(shù)相互交叉、滲透、融為一體地應(yīng)用于某一領(lǐng)域，是當(dāng)今技術(shù)發(fā)展的重要趨勢之一。


圖1 三相直線步進電機的結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示為三相直線步進電機的結(jié)構(gòu)示意圖。直線電機的動件、定件相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)子、定子。動、定件上均開有如圖所示的齒槽，并用硅鋼片沖制疊壓而成。動件、定件的齒距須滿足一定的關(guān)系式，設(shè)電機相數(shù)為m，動件齒距為b，則定件的齒距p=(k+1/m)b，k為任意正整數(shù)。為電機繞組引線方便，通常做成動鐵式，即帶繞組線圈的為定件，它固定在電機外殼上，而動件可采用直線滾動導(dǎo)軌來上下固定，使其能左右移動，也可直接與被驅(qū)動進行直線位移的機械部件相連。電機的外形根據(jù)需要可做成長矩形或圓筒形等多種形式。步進電機是按變磁阻原理運行，即遵循“磁阻最小原理”——磁通總是要沿磁阻最小的路徑閉合。如在圖中所示動件相對定件的位置時，給a相繞組通電勵磁，則a相磁極所產(chǎn)生的磁場力就會力求使磁路磁阻減少，即對動件產(chǎn)生向右移的磁拉力，使得動件的凸極齒盡可能多地與a相磁極的凸齒對齊，于是動件在其磁拉力的作用下向右移動了1/3動件齒距b(即圖示c相與動件齒對齊的位置)。如果依次輪流對a→b→c三相繞組通電，則動件向右位移；而通電順序為b→a→c時，動件就向左位移。按制造工藝及精度使動件的齒距做得越小，則每一脈沖的位移量(脈沖當(dāng)量)就越小。以上描述的是三相單三拍通電方式，實際使用時一般采用三相六拍或三相雙三拍通電方式，三相六拍通電順序為：a→ab→b→bc→c→ca→a；三相雙三拍通電順序為：ab→bc→ca→ab。三相六拍的脈沖當(dāng)量比三相三拍小一半。

用直線步進電機控制的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

用直線步進電機控制的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在前述所提到的電子控制電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)eps[1]基礎(chǔ)上進一步改進而成，即用直線步進電機來替代eps用旋轉(zhuǎn)電機對轉(zhuǎn)向器中齒條的助力，省去了電磁離合器、減速機構(gòu)及其傳動件，使其結(jié)構(gòu)更緊湊、控制更直接、響應(yīng)更快。也為更方便地實施高性能的四輪轉(zhuǎn)向(4ws)機構(gòu)，在此提出兩種結(jié)構(gòu)：由直線步進電機控制轉(zhuǎn)向助力的系統(tǒng)可用于傳統(tǒng)二輪轉(zhuǎn)向(2ws)系統(tǒng)或四輪轉(zhuǎn)向(4ws)的前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)；由直線步進電機控制轉(zhuǎn)向力的系統(tǒng)主要用于四輪轉(zhuǎn)向的后輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)。現(xiàn)分別說明如下。

用直線步進電機控制轉(zhuǎn)向助力的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)



圖2 用直線步進電機控制轉(zhuǎn)向助力的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

如圖2所示，其直線步進電機的動件直接與轉(zhuǎn)向器齒條相連，整個直線步進電機套裝在轉(zhuǎn)向器齒條機構(gòu)上，幾乎不占用空間。它也是在原先結(jié)構(gòu)最簡單的無助力機械轉(zhuǎn)向系中增加一臺直線步進電機，由直線步進電機的直線推力來直接助力駕駛員對轉(zhuǎn)向器的操縱力矩，由于對轉(zhuǎn)向器的助力并不很大，齒條的直線位移量也不長，用一臺小型直線步進電機足以驅(qū)動。其控制原理與eps基本類同，只不過對電機的驅(qū)動需改用前述步進電機脈沖分配方式。具體實施可參照有關(guān)eps[1]中的電子控制器ecu與其控制邏輯等進行，并借用eps中相關(guān)傳感器。即根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號控制直線步進電動機位移量，利用轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角信號來實現(xiàn)閉環(huán)控制，精確控制其位移量，根據(jù)車速進行相應(yīng)的助力。在低速時給予較大助力，隨車速提高而減小助力，車速高到一定范圍時停止助力，而在汽車高速行駛時又希望能對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有一種“反向”助力，即適當(dāng)增加轉(zhuǎn)向系的阻尼。這一點對于現(xiàn)有的轉(zhuǎn)向系較難做到，而采用直線步進電機助力就很容易實現(xiàn)，根據(jù)直線步進電機工作原理可知，只要保持其電機的通電狀態(tài)即可使該直線位移裝置具有一定自鎖力，控制其通電電流大小即可改變定、動件之間的磁拉力大小。從而可按車速信號根據(jù)要求來控制其轉(zhuǎn)向助力的大小，隨著車速的提高即減小繞組通電電流，其轉(zhuǎn)向助力也隨之減??；當(dāng)車速高于相應(yīng)速度(一般為30km/h)時就取消給轉(zhuǎn)向系助力，即停止給直線步進電機供電；而當(dāng)車速高到一定程度時，希望能給轉(zhuǎn)向系逐漸增加其阻尼，可使直線步進電機繞組保持通電狀態(tài)而產(chǎn)生自鎖力，控制其電流大小即能改變對轉(zhuǎn)向系的阻尼大小。達到對轉(zhuǎn)向盤的操縱即輕便靈敏又穩(wěn)定可靠。
用直線步進電機控制轉(zhuǎn)向力的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)


圖3 用直線步進電機控制轉(zhuǎn)向力的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

如圖3所示，它進一步簡化了轉(zhuǎn)向系的結(jié)構(gòu)，去掉轉(zhuǎn)向盤至橫拉桿中間的所有傳動鏈，包括齒輪輸入軸扭桿及齒輪齒條付。轉(zhuǎn)向盤內(nèi)安裝有轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器，并適當(dāng)增加其轉(zhuǎn)動阻尼，獨立安置于駕駛室內(nèi)。而直線步進電機的動件兩端直接與左右橫拉桿相連，電子控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向角度信號及車速信號，來控制直線步進電機動件進行左右位移，經(jīng)橫拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂傳動，進而控制車輪轉(zhuǎn)向。在確保系統(tǒng)可靠性的前提下，該方案的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)更簡單、所占體積更小、成本低、控制更直接、響應(yīng)更快。但一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，汽車就無法轉(zhuǎn)向。而用在四輪轉(zhuǎn)向4ws系統(tǒng)的后輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)中卻是優(yōu)選的方案。它的應(yīng)用有望使汽車四輪轉(zhuǎn)向4ws系統(tǒng)的性價比進一步得以提高。

結(jié)語

文中闡述了為提高汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的快速響應(yīng)性和滿足在不同車速下有相應(yīng)的助力等功能要求，在對汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各功能要求與其相應(yīng)機構(gòu)運行原理的分析基礎(chǔ)上，根據(jù)轉(zhuǎn)向機構(gòu)最終帶動轉(zhuǎn)向節(jié)臂的橫拉桿均為左右直線運動等特點，提出了用直線步進電機直接帶動左右橫拉桿的兩種汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制機構(gòu)。此設(shè)計方案可使控制更直接，動態(tài)響應(yīng)更快，又省去了大部分機械或液壓部件，使結(jié)構(gòu)更簡捷，且利用直線步進電機的控制特點，即可方便地充分滿足轉(zhuǎn)向力隨車速變化的各控制要求，又提高了轉(zhuǎn)向精度。該設(shè)計方案的實施還有助于提高高性能汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性價比。

作者簡介
王貴明(1950-) 男 高級工程師，研究方向：數(shù)控伺服技術(shù)，電動汽車、智能交通等相關(guān)技術(shù)及機電一體化。

參考文獻
[1] 王貴明，王金懿．電動汽車及其性能優(yōu)化[m]．北京：機械工業(yè)出版社，2010．
[2] 王貴明，王金懿．電動汽車用四輪轂電機驅(qū)動實現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向的電子差速轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)[p]．中國：200910152933.1，2010.6.2．
[3] 王貴明．用恒溫直線電機驅(qū)動的位移控制裝置[p]．中國：cn86107217，1987.6.10．
[4] 王貴明．直線電機進給系統(tǒng)特點及改進方案[j]．制造技術(shù)與機床．1999.6．