基于直線(xiàn)電機控制轉向力的汽車(chē)轉向系統探討
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汽車(chē)轉向系統性能即很大程度地決定了對汽車(chē)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(zhù)現代汽車(chē)及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對汽車(chē)轉向系統的功能提出了越來(lái)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(pán)的操縱要求即輕便靈活又有穩定的操作感受
由于車(chē)輪轉向時(shí)輪胎與地面的摩擦阻尼隨車(chē)速降低而增大。即在汽車(chē)低速轉向時(shí)，對無(wú)助力傳統機械轉向系的方向盤(pán)操縱會(huì )相當費力，為此目前基本已均采用了動(dòng)力轉向系。并對轉向助力的控制要求隨車(chē)速增加而減小。而在車(chē)速很高時(shí)由于方向盤(pán)的轉動(dòng)力會(huì )很輕，為避免對轉向盤(pán)微小的干擾力而引起汽車(chē)偏離方向，削減因路面不平撞擊轉向輪的沖擊傳到轉向盤(pán)而造成“打手”現象，并在轉向結束時(shí)轉向盤(pán)能有自動(dòng)回正功能使汽車(chē)保持穩定直線(xiàn)行駛，使駕駛員通過(guò)轉向盤(pán)對轉向過(guò)程中車(chē)輪與地面之間的運動(dòng)狀況能始終保持適當的“路感”，在汽車(chē)高速行駛時(shí)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(jiǎn)化其結構以減小能耗
對轉向系操縱時(shí)要求車(chē)輪快速響應使車(chē)身能及時(shí)轉向。這除了盡可能減小轉向系各傳動(dòng)機構的空行程間隙外，還要求用于轉向助力的動(dòng)力控制裝置響應快。目前所用的動(dòng)力轉向系統主要有液壓、氣壓和電動(dòng)三種，前兩種存在能耗大、響應慢等缺點(diǎn)。雖然液壓助力轉向系統是目前傳統汽車(chē)較為普遍采用的裝置。但隨電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，以及按各相關(guān)控制的特點(diǎn)[1]，需采用電子控制電動(dòng)助力轉向系統(eps，electric power steering)較為合適。由于省去了液壓動(dòng)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(dòng)，即降低了能耗又使結構緊湊減輕車(chē)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(chē)載能源不富裕的純電動(dòng)汽車(chē)尤為適用。而現有電動(dòng)助力轉向系統eps采用的是旋轉電動(dòng)機，需經(jīng)電磁離合器、齒輪減速傳動(dòng)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(diǎn)。根據轉向機構最終帶動(dòng)轉向節臂的橫拉桿均為左右直線(xiàn)運動(dòng)等特點(diǎn)，為此本文提出用直線(xiàn)步進(jìn)電機直接帶動(dòng)左右橫拉桿，使控制更直接，動(dòng)態(tài)響應更快。
要求轉向車(chē)輪的運動(dòng)規律正確穩定
即要求內、外側轉向輪的偏轉角以及驅動(dòng)輪的差速比正確穩定，兩者的比值與轉向盤(pán)的轉角始終保持一定的關(guān)系，以確保在轉向時(shí)各個(gè)車(chē)輪只有滾動(dòng)而無(wú)滑動(dòng)現象。通過(guò)對汽車(chē)轉向時(shí)其內、外側轉向輪和驅動(dòng)輪的運動(dòng)過(guò)程分析，為保證各車(chē)輪只滾動(dòng)無(wú)滑動(dòng)，要求四車(chē)輪均應繞同一圓心轉動(dòng)。設l為汽車(chē)軸距，b為汽車(chē)輪距，α、β分別為外、內側轉向輪的偏轉角，則要求車(chē)輪作純滾動(dòng)條件為：ctgα=ctgβ+b/l。說(shuō)明了外轉向輪偏轉角α須小于內轉向輪偏轉角β，并同時(shí)要求內、外側驅動(dòng)輪還需滿(mǎn)足相應的差速條件[2]。為滿(mǎn)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(guān)系，這也是各類(lèi)轉向系普遍采用的基本方法。為滿(mǎn)足驅動(dòng)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(chē)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(lái)實(shí)現，有諸多優(yōu)點(diǎn)，隨電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，特別是輪轂電機的應用，它將是汽車(chē)驅動(dòng)輪差速控制的發(fā)展方向。
有相應的安全可靠性
當汽車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)，轉向盤(pán)等裝置應能減輕或避免對駕駛員的傷害。而當動(dòng)力轉向系統失效或發(fā)生故障時(shí)，應能保證通過(guò)人力轉向仍能進(jìn)行轉向操縱。
盡可能減小轉彎半徑和提高高速轉向時(shí)的穩定性
為減小低速轉向時(shí)的轉彎半徑，便于低速選位停車(chē)或窄道轉向行駛；以及改善高速轉向或在側向風(fēng)作用時(shí)的行駛穩定性，還需采用高性能的四輪轉向[2]來(lái)滿(mǎn)足。
通過(guò)上述分析，根據轉向機構最終帶動(dòng)轉向節臂的橫拉桿均為左右直線(xiàn)運動(dòng)等特點(diǎn)，為提高轉向系的快速響應性和滿(mǎn)足在不同車(chē)速下有相應的助力等功能要求，在此特提出用直線(xiàn)步進(jìn)電機直接帶動(dòng)左右橫拉桿的兩種汽車(chē)轉向系統控制機構。為說(shuō)明其轉向系的結構原理，還得對直線(xiàn)控制電機先作必要說(shuō)明。
直線(xiàn)控制電機簡(jiǎn)介
所謂直線(xiàn)電動(dòng)機其實(shí)就是把旋轉電動(dòng)機沿徑向剖開(kāi)拉直演變而成，它是由電能直接轉換成直線(xiàn)機械運動(dòng)的一種推力裝置。就控制理論來(lái)說(shuō)直線(xiàn)電動(dòng)機用于直線(xiàn)位移機構，將使控制變得更直接，動(dòng)態(tài)響應更快，并且由于省去許多機械傳動(dòng)件，使其機械結構更簡(jiǎn)捷，消除了機械間隙，有利于提高精度、傳動(dòng)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(xiàn)電機驅動(dòng)的數控伺服裝置的發(fā)明專(zhuān)利[3]。而相隔十幾年后，用直線(xiàn)電機驅動(dòng)的各類(lèi)超高速精密數控機床[4]就開(kāi)始不斷涌現，如在1996年芝加哥國際制造技術(shù)博覽會(huì )(imts-96’)等先后展出，世界行內專(zhuān)家把該類(lèi)機床稱(chēng)為“下一代新機床”。
從直線(xiàn)電機的工作原理來(lái)講，它與旋轉電機一樣，同樣也有直流、交流、步進(jìn)、永磁等類(lèi)型。而從結構來(lái)講，它又有動(dòng)圈式、動(dòng)鐵式、平板型、圓筒型等多種形式，即直線(xiàn)電機可演變生化出比旋轉電機更多的種類(lèi)。大到磁懸浮列車(chē)、直線(xiàn)打樁機……小到遙控電動(dòng)窗簾、繪圖儀位移機構等各種技術(shù)領(lǐng)域都可有其應用實(shí)例。并且電機的結構形式可按其應用機構的需要來(lái)選擇更適應的方案。隨著(zhù)現代電機直接轉矩控制技術(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(xiàn)電機的應用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。多種技術(shù)相互交叉、滲透、融為一體地應用于某一領(lǐng)域，是當今技術(shù)發(fā)展的重要趨勢之一。
圖1 三相直線(xiàn)步進(jìn)電機的結構示意圖
如圖1所示為三相直線(xiàn)步進(jìn)電機的結構示意圖。直線(xiàn)電機的動(dòng)件、定件相當于旋轉電機的轉子、定子。動(dòng)、定件上均開(kāi)有如圖所示的齒槽，并用硅鋼片沖制疊壓而成。動(dòng)件、定件的齒距須滿(mǎn)足一定的關(guān)系式，設電機相數為m，動(dòng)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(xiàn)方便，通常做成動(dòng)鐵式，即帶繞組線(xiàn)圈的為定件，它固定在電機外殼上，而動(dòng)件可采用直線(xiàn)滾動(dòng)導軌來(lái)上下固定，使其能左右移動(dòng)，也可直接與被驅動(dòng)進(jìn)行直線(xiàn)位移的機械部件相連。電機的外形根據需要可做成長(cháng)矩形或圓筒形等多種形式。步進(jìn)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(dòng)件相對定件的位置時(shí)，給a相繞組通電勵磁，則a相磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)力就會(huì )力求使磁路磁阻減少，即對動(dòng)件產(chǎn)生向右移的磁拉力，使得動(dòng)件的凸極齒盡可能多地與a相磁極的凸齒對齊，于是動(dòng)件在其磁拉力的作用下向右移動(dòng)了1/3動(dòng)件齒距b(即圖示c相與動(dòng)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(dòng)件向右位移；而通電順序為b→a→c時(shí)，動(dòng)件就向左位移。按制造工藝及精度使動(dòng)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(shí)際使用時(shí)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(xiàn)步進(jìn)電機控制的汽車(chē)轉向系統結構原理
用直線(xiàn)步進(jìn)電機控制的轉向系統是在前述所提到的電子控制電動(dòng)助力轉向系統eps[1]基礎上進(jìn)一步改進(jìn)而成，即用直線(xiàn)步進(jìn)電機來(lái)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(dòng)件，使其結構更緊湊、控制更直接、響應更快。也為更方便地實(shí)施高性能的四輪轉向(4ws)機構，在此提出兩種結構：由直線(xiàn)步進(jìn)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(xiàn)步進(jìn)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(shuō)明如下。
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