汽車電子的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及其動(dòng)力學(xué)分析

在汽車系統(tǒng)中，由轉(zhuǎn)向盤到車輪的動(dòng)力傳遞系統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。眾所周知，車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來保持或者改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)；當(dāng)駕駛員通過手力控制前輪轉(zhuǎn)角時(shí)，保證車輛按照駕駛員的意志改變行駛方向。另外在車輛行駛過程中，車輪與路面之間產(chǎn)生的“路感”通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳遞給駕駛員，使駕駛員可以感知當(dāng)前車輛的行駛狀態(tài)。

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按照轉(zhuǎn)向器分類大體分為機(jī)械式和動(dòng)力式，其中機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)依靠駕駛員手力轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，而動(dòng)力轉(zhuǎn)向系可以減輕駕駛員的手力緩解駕駛員緊張情緒。本文將對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及其動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析：

從動(dòng)力學(xué)方面來說當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，全部車輪應(yīng)繞瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)不應(yīng)有側(cè)滑，否則會(huì)加速輪胎磨損降低汽車的行駛穩(wěn)定性；汽車轉(zhuǎn)向行駛后，在駕駛員松開轉(zhuǎn)向盤條件下轉(zhuǎn)向輪應(yīng)該能自動(dòng)返回直線行駛位置；轉(zhuǎn)向系還應(yīng)保證汽車有較高機(jī)動(dòng)性，具有迅速和小轉(zhuǎn)彎行駛能力等。

機(jī)械式轉(zhuǎn)向器分為齒輪齒條式和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器其結(jié)構(gòu)是一對相互嚙合的齒輪齒條。工作原理如下：轉(zhuǎn)向軸帶動(dòng)小齒輪旋轉(zhuǎn)，齒條便做直線運(yùn)動(dòng)?？魁X條來帶動(dòng)橫拉桿，就可使轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器由兩級(jí)傳動(dòng)副、殼體、鋼球和間隙調(diào)整裝置等組成。工作原理如下：第一級(jí)傳動(dòng)副是螺桿—螺母傳動(dòng)副，第二級(jí)是齒條—齒扇傳動(dòng)副，轉(zhuǎn)向螺桿與轉(zhuǎn)向軸連接，轉(zhuǎn)向螺母既是第一級(jí)傳動(dòng)副從動(dòng)件，又是第二級(jí)傳動(dòng)副主動(dòng)件。

汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向加力裝置可分為氣壓式、液壓式以及電動(dòng)式。下面主要介紹電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，近年來，EPS在乘用車上面得到了大量的應(yīng)用，并且還具有一些額外的附加功能：如抗噪聲能力以及過載保護(hù)能力等。相比較機(jī)械式傳動(dòng)系統(tǒng)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還包括電動(dòng)機(jī)、電池、傳感器以及控制線束。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可以分為以下三類：

圖6.EPS組成與工作原理

其工作原理如下：當(dāng)駕駛員對方向盤施加扭矩試圖轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，扭矩傳感器將轉(zhuǎn)動(dòng)角位移信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)傳遞到ECU，同時(shí)此時(shí)車速也傳入ECU。根據(jù)以上的信號(hào)輸入，ECU計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大小和方向并輸出信號(hào)，最后輸出信號(hào)通過電流驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

對于現(xiàn)在的汽車實(shí)驗(yàn)研究來說，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型是必不可少的，其作用是用來描述方向盤轉(zhuǎn)角與前輪轉(zhuǎn)角以及方向盤回正力矩之間的關(guān)系。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型關(guān)系到汽車動(dòng)力學(xué)的仿真精度。此模型應(yīng)該具備如下特性比如：根據(jù)輸入指令保證汽車整體的方向控制并反饋方向盤的力感響應(yīng)等。下面通過介紹一種線性二自由度汽車模型的分析過程。

圖7 線性二自由度汽車模型

當(dāng)然此模型的建立忽略了很多條件，比如忽略了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以及懸架的作用，但是依然可以通過此模型建立線性二自由度汽車的運(yùn)動(dòng)微分方程組，對車輛加速度在汽車坐標(biāo)系中分解后，通過列出運(yùn)動(dòng)平衡方程組可以得到外力、外力矩以及汽車運(yùn)動(dòng)參數(shù)的關(guān)系式，式中參數(shù)分別表示車輛的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

通過求解方程組得出某些性能指標(biāo)就能夠客觀地分析車輛的某些性能例如操縱穩(wěn)定性。表征車輛轉(zhuǎn)向特性的一個(gè)重要參數(shù)穩(wěn)定性因數(shù)K便是通過此獲得：當(dāng)K值為0，車輛具有中性轉(zhuǎn)向特性；當(dāng)K值為正，車輛具有不足轉(zhuǎn)向特性；當(dāng)K值為負(fù)，車輛具有過度轉(zhuǎn)向特性。