汽車先進(jìn)的主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

魏政君，李廣龍

華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510640

1 概述

1.1 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的概述

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來(lái)按駕駛者的意圖以改變或保持車輛行駛方向的機(jī)構(gòu)。汽車發(fā)展到當(dāng)代，其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也從最初的純機(jī)械式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)發(fā)展到如今的助力轉(zhuǎn)向及主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

1.2 對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提出的要求

1）當(dāng)車速較高時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)比較大，車速較低時(shí)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)比較小；

2）汽車轉(zhuǎn)向行駛后，在駕駛員松開(kāi)轉(zhuǎn)向盤的條件下，轉(zhuǎn)向輪能自動(dòng)回正；

3）車輛在正常行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向車輪得自振或偏擺，方向盤穩(wěn)定無(wú)擺動(dòng)；

4）轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和懸架導(dǎo)向裝置共同工作時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)使車輪產(chǎn)生的擺動(dòng)應(yīng)最小；

5）轉(zhuǎn)向車輪遇到路障后，反向傳遞給轉(zhuǎn)向盤的沖擊力須盡可能小。

1.3 傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

對(duì)于機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，是以駕駛員的體力作為轉(zhuǎn)向能源，其中所有傳力部件都是機(jī)械的。因此在駕駛過(guò)程中，給駕駛員帶來(lái)諸多不便及疲勞，特別是在低速行駛或原地轉(zhuǎn)向時(shí)，需要較大的人力。但機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)僅由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三部分組成，因此故障率低，維修簡(jiǎn)單。

而對(duì)于助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，目前常采用的是液壓式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動(dòng)式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

圖1 電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

對(duì)于傳統(tǒng)的液壓式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其液壓助力泵由汽車發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)之后，無(wú)論是否有轉(zhuǎn)向動(dòng)作，這套液壓助力系統(tǒng)都要工作，而且助力大小與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，因此導(dǎo)致動(dòng)力浪費(fèi)或高速行駛時(shí)方向過(guò)飄。鑒于此缺點(diǎn)，人們?cè)诖嘶A(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，開(kāi)發(fā)出了更節(jié)省能耗的電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電子液壓助力的原理與機(jī)械液壓助力基本相同，區(qū)別在于油泵由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并加裝了電控系統(tǒng)，使得轉(zhuǎn)向助力的大小不但與轉(zhuǎn)向角度有關(guān)，還與車速相關(guān)。電子液壓助力傳承了液壓助力的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還降低了能耗，反應(yīng)也更加靈敏，轉(zhuǎn)向助力大小也能根據(jù)轉(zhuǎn)角、車速等參數(shù)自行調(diào)節(jié)，更加人性化，實(shí)現(xiàn)了助力隨車速而變。但是電子液壓助力系統(tǒng)引入了很多電子部件，其制造維修、成本也會(huì)相應(yīng)增加，使用穩(wěn)定性有所下降。

對(duì)于上述采用油液加壓的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)助力的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其力的傳遞不夠直接且過(guò)多的消耗動(dòng)力，由此電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)里不再有油液、管路，取而代之的是直接干脆的電子線路和設(shè)備。

從結(jié)構(gòu)原理上看，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，質(zhì)量小，占用空間少；只消耗電力，能耗低；電子系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，動(dòng)作直接、迅速，而且也能做到助力隨速控制。不過(guò)，由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，只能提供有限的助力力度，難以在大型車輛上推廣。同時(shí)其電子部件較多，系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性都不如前者。

2 寶馬主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

相對(duì)于上述傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，寶馬的主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，有著更加人性化的優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是具有可變轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比。

2.1 主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖2 主動(dòng)轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)

如圖2所示，主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)執(zhí)行單元的核心組件是帶有兩個(gè)輸入軸和一個(gè)輸出軸的疊加減速器。第一個(gè)輸入是與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相同，通過(guò)轉(zhuǎn)向軸連接。第二個(gè)輸入由電機(jī)通過(guò)一個(gè)自鎖蝸桿減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)一個(gè)渦輪，該渦輪將駕駛員輸入的前車輪轉(zhuǎn)角疊加起來(lái)。多級(jí)星形齒輪將上部太陽(yáng)輪與下部太陽(yáng)輪以機(jī)械方式連接起來(lái)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪移動(dòng)時(shí)，多級(jí)行星齒輪圍繞兩個(gè)太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。由于多級(jí)行星齒輪的齒數(shù)不同，因此太陽(yáng)輪之間彼此相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。方向盤和蝸桿的運(yùn)動(dòng)共同作用在下部太陽(yáng)輪上并通過(guò)驅(qū)動(dòng)小齒輪傳遞到齒條上。通過(guò)推移齒條即可產(chǎn)生一個(gè)附加的轉(zhuǎn)向角。低速時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的行星架轉(zhuǎn)動(dòng)方向與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)相同，疊加后增加了實(shí)際的轉(zhuǎn)向角度，從而減小轉(zhuǎn)向力的需求。高速時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的行星架轉(zhuǎn)動(dòng)方向與轉(zhuǎn)向盤角度相反，疊加后減少了實(shí)際的轉(zhuǎn)向角度，轉(zhuǎn)向過(guò)程會(huì)變得更為間接，提高了汽車的穩(wěn)定性和安全性。

2.2 主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制

與駕駛員無(wú)關(guān)的對(duì)前輪的轉(zhuǎn)向干預(yù)需要一個(gè)復(fù)雜的控制方案。該控制方案是通過(guò)底盤控制單元、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制單元等，利用總線共享橫擺速度，橫向加速度和車輪轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電控單元根據(jù)信號(hào)作出是否要改變轉(zhuǎn)向盤角度或要改變多少度的決定。

圖3 主動(dòng)轉(zhuǎn)向的控制過(guò)程

該系統(tǒng)另一調(diào)節(jié)為偏航控制，通過(guò)自動(dòng)微量的轉(zhuǎn)向干預(yù)，達(dá)到穩(wěn)定安全行駛。其過(guò)程是將汽車行駛參量，橫擺角加速度和橫向加速度與駕駛員設(shè)定的轉(zhuǎn)向盤角度和汽車行駛速度進(jìn)行比較。主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制對(duì)車輛在剛開(kāi)始出現(xiàn)偏航動(dòng)作時(shí)，便通過(guò)自動(dòng)微量的反方向轉(zhuǎn)向，對(duì)其進(jìn)行緩沖補(bǔ)償，從而達(dá)到穩(wěn)定車輛的目的。

2.3 主動(dòng)轉(zhuǎn)向的不足

雖然主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)滿足了很多人性化的要求。但主動(dòng)轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性功能，也就是偏航控制功能，只能稍微自動(dòng)調(diào)整過(guò)度轉(zhuǎn)向時(shí)的工況。該工況下，通過(guò)抵消轉(zhuǎn)向角，自動(dòng)減小前輪轉(zhuǎn)向角，甚至使反轉(zhuǎn)一個(gè)小角度，從而使過(guò)度轉(zhuǎn)向的趨勢(shì)有所減少。同時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)向干預(yù)來(lái)穩(wěn)定車輛是有限的，最終還是要通過(guò)制動(dòng)干預(yù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。而在轉(zhuǎn)向不足工況下，則不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整。

另外，與常規(guī)液壓助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)相比，主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要求較高的車輪轉(zhuǎn)向角速度。較高車輪角速度要求液壓系統(tǒng)內(nèi)的液壓功率必須較高。雖然其改進(jìn)方案是采用可調(diào)式液壓泵，但大尺寸的葉片泵通常功率損失也較大，因此會(huì)增加油耗。

3 結(jié)論

通過(guò)以上轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的對(duì)比分析，雖然也有類似隨速助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能多方面滿足駕駛要求，但主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過(guò)雙行星齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了可變轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比功能，很好地滿足了低速時(shí)要求轉(zhuǎn)向靈活輕便與高速時(shí)保持方向穩(wěn)定性的人性化要求，并能實(shí)現(xiàn)過(guò)度轉(zhuǎn)向時(shí)的偏航預(yù)控制，進(jìn)一步提高了行駛的穩(wěn)定性。主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供的理想的靈敏性，舒適性和主動(dòng)行駛安全性的理念及方向都是非常有研究?jī)r(jià)值和參考借鑒的，同時(shí)應(yīng)該在以后的優(yōu)化設(shè)計(jì)中避免重蹈其缺陷。

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