基于直线电机控制转向力的汽车转向系统探讨

　　一、汽车转向系功能要求与其相应机构的分析

　　汽车转向系统性能即很大程度地决定了对汽车操纵的轻便舒适性和安全行驶的稳定平顺性，也是减少交通事故和提高道路通行能力的重要因素。随着现代汽车及其相关技术的发展，对汽车转向系统的功能提出了越来越高的要求，现结合其相应机构的运行原理分析如下：

　　1.对转向盘的操纵要求即轻便灵活又有稳定的操作感受

　　由于车轮转向时轮胎与地面的摩擦阻尼随车速降低而增大。即在汽车低速转向时，对无助力传统机械转向系的方向盘操纵会相当费力，为此目前基本已均采用了动力转向系。并对转向助力的控制要求随车速增加而减小。而在车速很高时由于方向盘的转动力会很轻，为避免对转向盘微小的干扰力而引起汽车偏离方向，削减因路面不平撞击转向轮的冲击传到转向盘而造成“打手”现象，并在转向结束时转向盘能有自动回正功能使汽车保持稳定直线行驶，使驾驶员通过转向盘对转向过程中车轮与地面之间的运动状况能始终保持适当的“路感”，在汽车高速行驶时又希望能对转向系统有一种“反向”助力，即适当增加转向系的阻尼。

　　2.对转向操控有较高的灵敏性并能简化其结构以减小能耗

　　对转向系操纵时要求车轮快速响应使车身能及时转向。这除了尽可能减小转向系各传动机构的空行程间隙外，还要求用于转向助力的动力控制装置响应快。目前所用的动力转向系统主要有液压、气压和电动三种，前两种存在能耗大、响应慢等缺点。虽然液压助力转向系统是目前传统汽车较为普遍采用的装置。但随电动汽车的发展，以及按各相关控制的特点[1]，需采用电子控制电动助力转向系统(EPS,Electric Power Steering)较为合适。由于省去了液压动力转向系所须的常运转油泵、储油罐、管路等，电机只在需转向期间才接通电源转动，即降低了能耗又使结构紧凑减轻车载自重，并不必补充油液和担心漏油等，使工作更可靠。这对车载能源不富裕的纯电动汽车尤为适用。而现有电动助力转向系统EPS采用的是旋转电动机，需经电磁离合器、齿轮减速传动等机械机构，还存在机构庞杂，占用空间大，响应速度较慢等缺点。根据转向机构最终带动转向节臂的横拉杆均为左右直线运动等特点，为此本文提出用直线步进电机直接带动左右横拉杆，使控制更直接，动态响应更快。

　　3.要求转向车轮的运动规律正确稳定

　　即要求内、外侧转向轮的偏转角以及驱动轮的差速比正确稳定，两者的比值与转向盘的转角始终保持一定的关系，以确保在转向时各个车轮只有滚动而无滑动现象。通过对汽车转向时其内、外侧转向轮和驱动轮的运动过程分析，为保证各车轮只滚动无滑动，要求四车轮均应绕同一圆心转动。设L为汽车轴距，B为汽车轮距，α、β分别为外、内侧转向轮的偏转角，则要求车轮作纯滚动条件为：。说明了外转向轮偏转角ɑ须小于内转向轮偏转角β，并同时要求内、外侧驱动轮还需满足相应的差速条件[2]。为满足内、外侧转向轮的偏转角要求，需使其转向机构的左、右横拉杆与转向节臂成相应角度的梯形即非平行四边形关系，这也是各类转向系普遍采用的基本方法。为满足驱动轮差速要求有采用机械差速和电子差速两种。机械差速是传统汽车普遍采用的方法，其机构庞大而复杂。而电子差速系统EDS是采用电子控制来实现，有诸多优点，随电动汽车的发展，特别是轮毂电机的应用，它将是汽车驱动轮差速控制的发展方向。