可變傳動比式轉向系統的設計及控制研究

馮浩軒，屈小貞

（121001 遼寧省 錦州市 遼寧工業大學 汽車與交通工程學院）

0 引言

隨著汽車技術的發展，汽車的安全穩定性日益重要，作為操控汽車行駛方向的轉向系統對汽車行駛安全性極為重要。在常規轉向系統中，轉向盤與轉向輪的轉向傳動比是固定不變的。實際行車中，我們期望的汽車轉向系統既要在低速下具有靈活的轉向特性，又要在高速下具有很好的轉向穩定性。與常規轉向系統相比，可變傳動比式轉向系統具有多個不同的轉向傳動比，可根據車速變化切換到理想的轉向傳動比[1-3]。本文提出的可變傳動比式轉向系統可同時滿足轉向系統在汽車低速下的靈活性和高速下的穩定性需求。

1 主動式可變轉向系統結構設計

可變傳動比式轉向系統的結構總成布置如圖1所示。該轉向系統通過轉向盤轉動帶動轉向軸轉動，由驅動電機通過減速齒輪實現電動助力轉向?？勺儌鲃颖葯C構是通過液壓系統與控制電路協同控制，根據汽車行駛車速變換實時調節自身傳動比，以滿足不同車速下轉向時所需的最佳轉向傳動比。

圖1 主動式可變轉向系統的結構總成布置圖Fig.1 Structural assembly layout of active variable steering system

可變傳動比機構是由如圖2 所示的內部結構和如圖3 所示的外殼結構組成，其兩端分別由端蓋密封支撐。外殼內壁上設置有6 條均勻分布的直線凹槽，直線凹槽貫穿外殼的內壁兩端，且每條直線凹槽的槽溝深度與鋼球三分之一處的圓周直徑相等。套筒以過盈配合方式固定在轉向齒輪軸右端。套筒外壁與外殼內壁分別設置有六條對應的曲線凹槽和直線凹槽。曲線凹槽縱跨套筒的圓周角度不小于720°。

圖2 可變傳動比機構內部結構圖Fig.2 Internal structure of variable transmission ratio mechanism

圖3 可變傳動比機構外殼結構圖Fig.3 Shell structure of variable transmission ratio mechanism

如圖4 所示的鋼球環形架安裝在套筒外壁上的中間位置，鋼球環形架圓周上均勻裝配6 顆鋼球，其上下各1/3 球體結構分別與外殼內壁上的直線凹槽和套筒外壁上的曲線凹槽的槽溝深度吻合，鋼球中間1/3 結構裝配在鋼球環形架內，且鋼球可在鋼球環形架內轉動。鋼球環形架圓周上設置有6 個均勻分布的單向球閥，其呈間隔布置且相鄰的球閥安裝方向相反。環形架內外側兩端增加油封，降低鋼球環形架左右滑移時在套筒外壁與外殼內壁之間油液產生的縫隙流動效應。

可變傳動比機構由端蓋及密封圈構成一個密封裝置，內部被鋼球環形架分割為左右2 個密封空腔。左端電磁鐵和右端電磁鐵分別固定連接在左端蓋和右端蓋上。為保障兩端電磁鐵在轉動過程中其螺旋線圈供電順暢，兩端電磁鐵的螺旋線圈接頭通過對應的端蓋分別引出連接到對應的電路滑片導線上。左右兩端電磁鐵是由如圖5 所示的內、外兩層圓環形導磁體和兩層之間的超導線圈構成，兩端電磁鐵通過軸承支撐在轉向齒輪軸上，電磁鐵和端蓋同步轉動并與轉向齒輪軸之間可以實現相對轉動。

鋼球環形架通過左右兩端電磁鐵的磁力變化及左右油腔內油液壓力變化來實現左右滑移。初始位置時，左右兩側油腔內油液壓力相等，鋼球環形架保持在套筒的中間位置靜止不動，當鋼球環形架在兩側磁力作用下移動時，受壓側油腔內油液壓力逐漸增大，單向球閥開啟，受壓側油腔內油液經單向球閥流入另一側油腔內。油箱內的油液經油泵泵入壓力減小的油腔內以補充鋼球環形架滑移后的空腔，溢流閥保障油液壓力不大于受壓側油腔內油液壓力。通過減壓閥溢出受壓側油腔內的多余油液以降低其油腔內油液壓力，來保障鋼球環形架在到達目標位置之前受壓側油腔內的油液壓力始終小于電磁鐵與鋼球環形架之間的磁力，最終實現鋼球環形架相對套筒的滑轉目的，進而實現轉向柱與轉向齒輪軸的相對轉角變換，以實現不同車速下的轉向傳動比的變換需求。

2 主動式可變轉向系統的控制研究

2.1 液壓系統

套筒上的供給油孔與轉向齒輪軸的供給油孔完全對應重疊，2 條連接油道布置在轉向齒輪軸內。左右兩油腔內的油液量是通過齒輪軸前端2個環形凹槽內的油孔來補給或溢出。轉向齒輪軸上的環形凹槽與其支撐裝置中的供給油道位置重疊，并通過如圖6 所示的電磁換向閥連接到供給油箱，以保障其隨轉向齒輪軸轉動時油孔連接油路順暢。

圖6 電磁換向閥連通左位通道示意圖Fig.6 Schematic diagram of solenoid directional valve connecting the left channel

電子控制單元會根據汽車實時工況控制電磁換向閥來改變閥芯的位置。控制電磁換向閥左位、中位、右位的2 個通道分別與轉向齒輪軸上的2個油孔連接，進而改變油路中油液流向和油壓大小。在電磁換向閥切換通道之前，溢流閥和減壓閥會自動開啟以平衡兩側油腔內的油液油壓，直至左右兩側油腔內的油液油壓能保持鋼球環形架處于相對靜止平衡狀態[4]。

2.2 控制電路

控制電路是由圖7 中所示的單片機端口、三極管、與門非門、螺旋線圈和可變電阻等一同連接到車用電源。當使能信號ENABLE 輸出信號1，DIR1 信號端輸出信號0，DIR2 信號端輸出信號1。電流從電源端先后經過三極管Q1、螺旋線圈L1和L2、三極管Q4，此時流經螺旋線圈的電流方向規定為正向。其中螺旋線圈L1 與L2 的線圈纏繞方向需保障左端電磁鐵和右端電磁鐵的兩端磁極變化，如圖8 所示。

圖7 控制電路圖Fig.7 Control circuit diagram

圖8 正向電流磁極變化示意圖Fig.8 Forward current polarity changes

當使能信號ENABLE 輸出信號1，DIR1 信號端輸出信號1，DIR2 信號端輸出信號0。電流從電源端先后經過三極管Q3、螺旋線圈L2 和L1、三極管Q2，此時流經螺旋線圈的電流方向規定為反向。電流通過螺旋線圈L1 與L2 使左端電磁鐵和右端電磁鐵的兩端磁極與上種情況相反。

通過可變電阻R1 和R2 可以調節控制電路中流經螺旋線圈L1 和L2 的電流大小，以改變左端電磁鐵和右端電磁鐵的磁力大小，來控制與永磁鐵鋼球環形架之間的相互作用力，達到調控鋼球環形架滑移速度的目的。當使能信號端ENABLE，DIR1 與DIR2 輸出均為信號0 時，三極管全部為斷路，電路中無電流產生，左端電磁鐵和右端電磁鐵的磁力消失。

2.3 磁力的計算

通過如圖7 所示的控制電路來改變電流方向進而改變左端電磁鐵和右端電磁鐵的兩端磁極變換，同時，通過改變纏繞線圈匝數和流通電流大小來保障左端電磁鐵和右端電磁鐵的磁力大小，其對應的磁力公式為[5]

式中：I——線圈電流，A；W——線圈匝數；μ0——油液磁導系數；δ——工作氣隙長度，mm；R1，R2——電磁鐵導磁體外圓環的外半徑和內半徑；R3，R4——電磁鐵導磁體內圓環的外半徑和內半徑，mm。

2.4 轉向傳動比的變換范圍

根據汽車穩態轉向模型，可以得到轉向系統的理想傳動比為[6]

式中：V——車速；L——汽車軸距；KS可根據駕駛員習慣確定，通常在低速行駛時KS取大一些，這有利于低速時的轉向靈敏度，同時減小駕駛員轉向負擔；高速行駛時KS取小一些，以保證轉向安全；對于普通駕駛員可取0.120～0.371/s，熟練駕駛員取0.120 0～0.417 1/s。Ku——轉向不足系數，表示為

式中：a——質心到前輪的距離；b——質心到后輪的距離；m——整車質量；Cf——前軸的側偏剛度；Cr——后軸的側偏剛度。

根據式（2）可得轉向系統理想傳動比與車速的變化曲線如圖9 所示。

圖9 理想轉向傳動比隨車速變化曲線Fig.9 Ideal steering gear ratio and speed curve

由圖9 知，不同車型對應的理想傳動比是不同的，轎車相對于SUV 在低速時需要更加靈活的轉向特性。車速低于30 km/h 時，保持轉向系統固有的最小轉向傳動比不變；車速為30～70 km/h時，通過調節可變傳動比機構來獲得較大的轉向傳動比，以兼顧中高速行駛時的操縱輕便性和穩定性需求；而當車速大于70 km/h 時，可變傳動比機構為轉向系統提供最大的轉向傳動比，以保障車輛高速行駛時的操縱穩定性需求。

2.5 控制原理

以圖9 中轎車車型為例，車輛在低于30 km/h時速下行駛時，可變傳動比機構中的鋼球環形架處于初始中間位置，控制電路處于斷開狀態，無電流通過，電磁換向閥連接中位通道，左右兩側油腔內油液壓力相等，外殼與套筒或轉向齒輪軸之間沒有相對轉動。此時轉動轉向盤，轉向盤角輸入經轉向軸直接傳遞到轉向器，可變傳動比機構在轉向系統中是作為一個整體結構隨轉向軸同步轉動，可變傳動比機構的傳動比保持不變；當車速行駛超過30 km/h 時，可變傳動比機構的傳動比值需增大，以獲得相同轉向盤轉角輸入下較小的車輪轉角；當車速在30～70 km/h 區間，駕駛員向右轉動轉向盤時，車輛控制單元控制可變傳動比機構中的鋼球環形架向左滑移。當駕駛員向左轉動轉向盤時，車輛控制單元控制可變傳動比機構中的鋼球環形架向右滑移。此時轉向盤角輸入對應較小的轉向輪轉向角，以滿足車輛行駛的操縱穩定性需求；當車速超過70 km/h 時，左右轉動轉向盤時，轉向系統工作流程與上一個速度區間的工作流程相一致。不同的是，車輛控制單元控制可變傳動比機構中的鋼球環形架滑移的速度不同，導致轉向齒輪軸和轉向齒輪相對于轉向軸轉過角度不同，改變了可變傳動比式轉向系統的轉向傳動比。

反之，當車速高速行駛到低速行駛變化時，可變傳動比機構的傳動比值需減小以獲得相同轉向盤轉角輸入下較大的車輪轉角。在向右轉動轉向盤時，車輛控制單元控制可變傳動比機構中的鋼球環形架向右滑移；向右轉動轉向盤時控制鋼球環形架向左滑移。此時，相同工況下的轉向盤角輸入對應較大的轉向輪轉向角，以滿足車輛行駛的操縱輕便性需求。

車輛控制單元會根據不同傳感器檢測的實時車速、發動機工況等參數，通過車速變化和行車需求實時控制電路中電流方向以改變電磁鐵磁極變化和控制電磁換向閥連接通道，改變兩側油腔內油液油壓變化，來驅動鋼球環形架實現左右滑移，進而改變可變傳動比機構的傳動比，最終實現不同車速下轉向傳動比的變換需求，以滿足行車轉向需求。

3 結語

本文設計的可變傳動比式轉向系統結構簡單、操縱方便，且易實現操控。為保障車輛轉向系統實現轉向傳動比與車速變化的協調，減少駕駛員對車輛轉向特性變化的補償修正，通過磁力作用驅動鋼球環形架左右滑移來實現不同車速下的可變轉向傳動比需求，使轉向傳動比隨車速變化始終處于理想狀態，以保障汽車轉向系統在低速下的靈活性和高速下的操控穩定性。該可變傳動比式轉向系統具有重要的實際意義和應用前景。