作 者：浙江工業大學機電學院 王貴明
汽車轉向系功能要求與其相應機構的分析
汽車轉向系統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。隨著現代汽車及其相關技術的發展，對汽車轉向系統的功能提出了越來越高的要求，現結合其相應機構的運行原理分析如下。
對轉向盤的操縱要求即輕便靈活又有穩定的操作感受
由于車輪轉向時輪胎與地面的摩擦阻尼隨車速降低而增大。即在汽車低速轉向時，對無助力傳統機械轉向系的方向盤操縱會相當費力，為此目前基本已均采用了動力轉向系。并對轉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動力會很輕，為避免對轉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向輪的沖擊傳到轉向盤而造成“打手”現象，并在轉向結束時轉向盤能有自動回正功能使汽車保持穩定直線行駛，使駕駛員通過轉向盤對轉向過程中車輪與地面之間的運動狀況能始終保持適當的“路感”，在汽車高速行駛時又希望能對轉向系統有一種“反向”助力，即適當增加轉向系的阻尼。
對轉向操控有較高的靈敏性并能簡化其結構以減小能耗
對轉向系操縱時要求車輪快速響應使車身能及時轉向。這除了盡可能減小轉向系各傳動機構的空行程間隙外，還要求用于轉向助力的動力控制裝置響應快。目前所用的動力轉向系統主要有液壓、氣壓和電動三種，前兩種存在能耗大、響應慢等缺點。雖然液壓助力轉向系統是目前傳統汽車較為普遍采用的裝置。但隨電動汽車的發展，以及按各相關控制的特點[1]，需采用電子控制電動助力轉向系統(eps，electric power steering)較為合適。由于省去了液壓動力轉向系所須的常運轉油泵、儲油罐、管路等，電機只在需轉向期間才接通電源轉動，即降低了能耗又使結構緊湊減輕車載自重，并不必補充油液和擔心漏油等，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。而現有電動助力轉向系統eps采用的是旋轉電動機，需經電磁離合器、齒輪減速傳動等機械機構，還存在機構龐雜，占用空間大，響應速度較慢等缺點。根據轉向機構最終帶動轉向節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，動態響應更快。
要求轉向車輪的運動規律正確穩定
即要求內、外側轉向輪的偏轉角以及驅動輪的差速比正確穩定，兩者的比值與轉向盤的轉角始終保持一定的關系，以確保在轉向時各個車輪只有滾動而無滑動現象。通過對汽車轉向時其內、外側轉向輪和驅動輪的運動過程分析，為保證各車輪只滾動無滑動，要求四車輪均應繞同一圓心轉動。設l為汽車軸距，b為汽車輪距，α、β分別為外、內側轉向輪的偏轉角，則要求車輪作純滾動條件為：ctgα=ctgβ+b/l。說明了外轉向輪偏轉角α須小于內轉向輪偏轉角β，并同時要求內、外側驅動輪還需滿足相應的差速條件[2]。為滿足內、外側轉向輪的偏轉角要求，需使其轉向機構的左、右橫拉桿與轉向節臂成相應角度的梯形即非平行四邊形關系，這也是各類轉向系普遍采用的基本方法。為滿足驅動輪差速要求有采用機械差速和電子差速兩種。機械差速是傳統汽車普遍采用的方法，其機構龐大而復雜。而電子差速系統eds是采用電子控制來實現，有諸多優點，隨電動汽車的發展，特別是輪轂電機的應用，它將是汽車驅動輪差速控制的發展方向。
有相應的安全可靠性
當汽車發生碰撞時，轉向盤等裝置應能減輕或避免對駕駛員的傷害。而當動力轉向系統失效或發生故障時，應能保證通過人力轉向仍能進行轉向操縱。
盡可能減小轉彎半徑和提高高速轉向時的穩定性
為減小低速轉向時的轉彎半徑，便于低速選位停車或窄道轉向行駛；以及改善高速轉向或在側向風作用時的行駛穩定性，還需采用高性能的四輪轉向[2]來滿足。
通過上述分析，根據轉向機構最終帶動轉向節臂的橫拉桿均為左右直線運動等特點，為提高轉向系的快速響應性和滿足在不同車速下有相應的助力等功能要求，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向系統控制機構。為說明其轉向系的結構原理，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電動機沿徑向剖開拉直演變而成，它是由電能直接轉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，將使控制變得更直接，動態響應更快，并且由于省去許多機械傳動件，使其機械結構更簡捷，消除了機械間隙，有利于提高精度、傳動剛度、能量轉換效率以及降低噪聲等。為提高數控伺服系統的控制精度和快速響應性，作者早在1986年就提出了用恒溫直線電機驅動的數控伺服裝置的發明專利[3]。而相隔十幾年后，用直線電機驅動的各類超高速精密數控機床[4]就開始不斷涌現，如在1996年芝加哥國際制造技術博覽會(imts-96’)等先后展出，世界行內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，它與旋轉電機一樣，同樣也有直流、交流、步進、永磁等類型。而從結構來講，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、繪圖儀位移機構等各種技術領域都可有其應用實例。并且電機的結構形式可按其應用機構的需要來選擇更適應的方案。隨著現代電機直接轉矩控制技術、機電一體化及相關技術的不斷發展完善，將使直線電機的應用領域越來越廣泛。多種技術相互交叉、滲透、融為一體地應用于某一領域，是當今技術發展的重要趨勢之一。
圖1 三相直線步進電機的結構示意圖
如圖1所示為三相直線步進電機的結構示意圖。直線電機的動件、定件相當于旋轉電機的轉子、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系式，設電機相數為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。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軌來上下固定，使其能左右移動，也可直接與被驅動進行直線位移的機械部件相連。電機的外形根據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相磁極所產生的磁場力就會力求使磁路磁阻減少，即對動件產生向右移的磁拉力，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。三相六拍的脈沖當量比三相三拍小一半。
用直線步進電機控制的汽車轉向系統結構原理
用直線步進電機控制的轉向系統是在前述所提到的電子控制電動助力轉向系統eps[1]基礎上進一步改進而成，即用直線步進電機來替代eps用旋轉電機對轉向器中齒條的助力，省去了電磁離合器、減速機構及其傳動件，使其結構更緊湊、控制更直接、響應更快。也為更方便地實施高性能的四輪轉向(4ws)機構，在此提出兩種結構：由直線步進電機控制轉向助力的系統可用于傳統二輪轉向(2ws)系統或四輪轉向(4ws)的前輪轉向機構；由直線步進電機控制轉向力的系統主要用于四輪轉向的后輪轉向機構?，F分別說明如下。
用直線步進電機控制轉向助力的汽車轉向系統
圖2 用直線步進電機控制轉向助力的汽車轉向系統結構原理
如圖2所示，其直線步進電機的動件直接與轉向器齒條相連，整個直線步進電機套裝在轉向器齒條機構上，幾乎不占用空間。它也是在原先結構最簡單的無助力機械轉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向器的操縱力矩，由于對轉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動。其控制原理與eps基本類同，只不過對電機的驅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中相關傳感器。即根據轉向盤轉角信號控制直線步進電動機位移量，利用轉向輪轉角信號來實現閉環控制，精確控制其位移量，根據車速進行相應的助力。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向系統有一種“反向”助力，即適當增加轉向系的阻尼。這一點對于現有的轉向系較難做到，而采用直線步進電機助力就很容易實現，根據直線步進電機工作原理可知，只要保持其電機的通電狀態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要求來控制其轉向助力的大小，隨著車速的提高即減小繞組通電電流，其轉向助力也隨之減??；當車速高于相應速度(一般為30km/h)時就取消給轉向系助力，即停止給直線步進電機供電；而當車速高到一定程度時，希望能給轉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而產生自鎖力，控制其電流大小即能改變對轉向系的阻尼大小。達到對轉向盤的操縱即輕便靈敏又穩定可靠。
用直線步進電機控制轉向力的汽車轉向系統
圖3 用直線步進電機控制轉向力的汽車轉向系統結構原理
如圖3所示，它進一步簡化了轉向系的結構，去掉轉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。轉向盤內安裝有轉向盤轉角傳感器，并適當增加其轉動阻尼，獨立安置于駕駛室內。而直線步進電機的動件兩端直接與左右橫拉桿相連，電子控制器根據轉向盤的轉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，經橫拉桿、轉向節臂傳動，進而控制車輪轉向。在確保系統可靠性的前提下，該方案的優點是結構更簡單、所占體積更小、成本低、控制更直接、響應更快。但一旦系統發生故障，汽車就無法轉向。而用在四輪轉向4ws系統的后輪轉向機構中卻是優選的方案。它的應用有望使汽車四輪轉向4ws系統的性價比進一步得以提高。
結語
文中闡述了為提高汽車轉向系統的快速響應性和滿足在不同車速下有相應的助力等功能要求，在對汽車轉向系統各功能要求與其相應機構運行原理的分析基礎上，根據轉向機構最終帶動轉向節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向系統控制機構。此設計方案可使控制更直接，動態響應更快，又省去了大部分機械或液壓部件，使結構更簡捷，且利用直線步進電機的控制特點，即可方便地充分滿足轉向力隨車速變化的各控制要求，又提高了轉向精度。該設計方案的實施還有助于提高高性能汽車四輪轉向系統的性價比。
作者簡介
王貴明(1950-) 男 高級工程師，研究方向：數控伺服技術，電動汽車、智能交通等相關技術及機電一體化。
參考文獻
[1] 王貴明，王金懿．電動汽車及其性能優化[m]．北京：機械工業出版社，2010．
[2] 王貴明，王金懿．電動汽車用四輪轂電機驅動實現四輪轉向的電子差速轉向控制系統[p]．中國：200910152933.1，2010.6.2．
[3] 王貴明．用恒溫直線電機驅動的位移控制裝置[p]．中國：cn86107217，1987.6.10．
[4] 王貴明．直線電機進給系統特點及改進方案[j]．制造技術與機床．1999.6．
