智能化汽車主動轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計(jì)*

文少波，周 盼，吳金國，彭 泉

(南京工程學(xué)院 汽車與軌道交通學(xué)院,江蘇 南京 211167)

0 引 言

隨著科技的不斷進(jìn)步，人們對于汽車的期望不再僅僅滿足于簡單的出行，如何將現(xiàn)代科技與傳統(tǒng)汽車結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)出符合現(xiàn)代人需求的汽車迫在眉睫[1]。智能化汽車作為一種新興概念越來越受到人們的重視，在當(dāng)前電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展下，將各種智能化系統(tǒng)加載到汽車上，讓汽車像智能手機(jī)一樣做到人機(jī)交互正在逐步實(shí)現(xiàn)[2]。從長遠(yuǎn)發(fā)展的角度來看，智能化汽車作為新生事物將帶動社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展[3]。

作為汽車智能化的重要組成部分，主動轉(zhuǎn)向裝置也越來越受到工程人員的關(guān)注。主動轉(zhuǎn)向裝置是汽車控制系統(tǒng)中至關(guān)重要的部分，直接影響到汽車行駛的穩(wěn)定性、安全性、操縱性[4]。為此，根據(jù)給定車型參數(shù)，進(jìn)行主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和主動轉(zhuǎn)向裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并在UG軟件中進(jìn)行三維實(shí)體建模和虛擬裝配、運(yùn)動仿真分析，將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法用于傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)變得準(zhǔn)確而快捷。

1 主動轉(zhuǎn)向方案設(shè)計(jì)

1.1 主動轉(zhuǎn)向的要求

在汽車的智能化行駛中，根據(jù)轉(zhuǎn)向功能需要，主動轉(zhuǎn)向需滿足以下要求：①為了保證汽車的機(jī)動性，要具備小的轉(zhuǎn)向力和迅速的轉(zhuǎn)彎行駛能力；②汽車轉(zhuǎn)彎時，車輪不能有側(cè)滑，車輪中心要隨瞬時轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，否則會加速輪胎磨損、影響汽車的操作穩(wěn)定性；③駕駛員松開轉(zhuǎn)向盤后，轉(zhuǎn)向車輪能夠主動恢復(fù)到直線行駛狀態(tài)；④轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)要具備保護(hù)裝置。發(fā)生重大事故時，轉(zhuǎn)向盤管柱能夠潰縮，保證管柱不發(fā)生大的變形與偏移，起到保護(hù)駕駛?cè)藛T的作用；⑤汽車行駛過程中，轉(zhuǎn)向輪遇到障礙時，通過轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)傳給轉(zhuǎn)向盤的力要在合理范圍內(nèi)；⑥汽車行駛過程中，不管遇到什么狀況，轉(zhuǎn)向盤都不能出現(xiàn)擺動，轉(zhuǎn)向車輪不能產(chǎn)生自振現(xiàn)象；⑦整個主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要結(jié)構(gòu)簡單，操作輕便。

1.2 主動轉(zhuǎn)向方案

主動轉(zhuǎn)向方案原理如圖1所示，在原有的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，安裝轉(zhuǎn)向驅(qū)動電機(jī)，由ECU接收汽車車速、轉(zhuǎn)向柱位置、車輪位置、電機(jī)轉(zhuǎn)角等信息后，控制驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向原動力，經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)傳到轉(zhuǎn)向柱，再傳到轉(zhuǎn)向器，由轉(zhuǎn)向器控制轉(zhuǎn)向車輪，從而實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向。

圖1 主動轉(zhuǎn)向方案

2 主動轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計(jì)

2.1 汽車整車參數(shù)

智能化汽車主動轉(zhuǎn)向裝置的安裝平臺為選定的車型，整車參數(shù)如表1所列。

表1 智能化汽車整車參數(shù)

2.2 主動轉(zhuǎn)向裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)所給整車參數(shù)，轉(zhuǎn)向器選擇齒輪齒條式結(jié)構(gòu)形式，兩個轉(zhuǎn)向副分別為齒輪軸和齒條。其主要特點(diǎn)為：結(jié)構(gòu)簡單、體積小，轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角相對比較大；嚙合出現(xiàn)磨損后可通過彈簧主動調(diào)節(jié)，不會出現(xiàn)嚙合間隙[5]。

主動轉(zhuǎn)向裝置采用驅(qū)動電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的駕駛員轉(zhuǎn)向操作。驅(qū)動電機(jī)布置在駕駛室，通過減速機(jī)構(gòu)將電機(jī)的輸出軸與轉(zhuǎn)向柱連接起來，進(jìn)而驅(qū)動原有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，最后實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動車輪的操作。

2.2.1 轉(zhuǎn)向力矩計(jì)算

(1)原地轉(zhuǎn)向阻力矩

駕駛員為轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向輪需要克服的阻力包括車輪穩(wěn)定阻力、輪胎變形阻力以及轉(zhuǎn)向系中的內(nèi)摩擦阻力等等。在現(xiàn)實(shí)情況下很難精準(zhǔn)地測量這些力，因此選擇經(jīng)驗(yàn)公式確定原地轉(zhuǎn)向阻力矩MR：

(1)

式中：f為輪胎與地面之間滑動摩擦系數(shù)；G1為轉(zhuǎn)向橋載荷，單位為N；P輪胎氣壓，單位為MPa。

由公式(1)計(jì)算得汽車原地轉(zhuǎn)向阻力矩為254.9 N·m。

(2)轉(zhuǎn)向盤力

(2)

式中：L1為轉(zhuǎn)向搖臂長；L2為轉(zhuǎn)向節(jié)臂長；MR原地轉(zhuǎn)向阻力矩；DSW轉(zhuǎn)向盤直徑；i轉(zhuǎn)向器傳動比；η+轉(zhuǎn)向器正效率。

已知MR=254.9 N·m，DSW=320 mm，i=37.93，η+=90%。將相應(yīng)數(shù)據(jù)帶入公式(2)，可得轉(zhuǎn)向盤上的力約為46.7 N。

(3)轉(zhuǎn)向盤力矩

(3)

將相應(yīng)數(shù)據(jù)帶入公式(3)，可得轉(zhuǎn)向盤力矩約為7.47 N·m。

2.2.2 驅(qū)動電機(jī)選型

主動轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵部件是代替人力操作的驅(qū)動電機(jī)，對電機(jī)的要求：在汽車高速行駛狀態(tài)下，需要提供小的轉(zhuǎn)動角度，確保操作穩(wěn)定性和行駛平順性。在汽車低速行駛狀態(tài)下，需要電機(jī)有較強(qiáng)的靈敏性，能在短時間內(nèi)達(dá)到期望轉(zhuǎn)動角度。

步進(jìn)電機(jī)有著高精度、高效率、低成本和簡單的控制模式[6]，符合主動轉(zhuǎn)向驅(qū)動電機(jī)的需求。

根據(jù)轉(zhuǎn)向柱的轉(zhuǎn)速和力矩要求進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)選取。汽車轉(zhuǎn)向過程中，轉(zhuǎn)向盤最大轉(zhuǎn)向速度為1.68 rad/s左右，大約相當(dāng)于轉(zhuǎn)向盤每分鐘轉(zhuǎn)16圈[7]，由上面可知轉(zhuǎn)向柱力矩不小于7.47 N·m。為此，選擇86byg250-65型兩相步進(jìn)電機(jī)作為主動轉(zhuǎn)向驅(qū)動動力，主要參數(shù)如表2所列。

表2 兩相步進(jìn)電機(jī)86byg250-65主要參數(shù)

2.2.3 減速機(jī)構(gòu)

減速機(jī)構(gòu)的作用是降低步進(jìn)電機(jī)的輸出速度、增加輸出扭矩。目前主流減速機(jī)構(gòu)有齒輪、渦輪蝸桿、滾珠螺桿螺母和行星齒輪機(jī)構(gòu)等。采用結(jié)構(gòu)簡單的齒輪副作為減速機(jī)構(gòu)，主動齒輪與電機(jī)軸同軸連接，從動齒輪與轉(zhuǎn)向柱同軸連接。

為了滿足轉(zhuǎn)向柱力矩需求，主動齒輪齒數(shù)為23，從動齒輪齒數(shù)67，減速比為2.91。

3 主動轉(zhuǎn)向裝置三維實(shí)體建模

在UG軟件中先建立各零部件的三維實(shí)體模型，主要包括汽車轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向驅(qū)動電機(jī)、齒輪副、轉(zhuǎn)向柱、齒輪齒條副、萬向節(jié)等。然后進(jìn)行虛擬裝配。在裝配過程中，可進(jìn)行各零部件的設(shè)計(jì)、編輯、配對和定位，同時還可以進(jìn)行零件之間的干涉檢查[8]。主動轉(zhuǎn)向裝置的裝配模型如圖2所示。

4 主動轉(zhuǎn)向裝置運(yùn)動仿真

UG軟件中的運(yùn)動分析模塊(Scenario For Motion)用于建立運(yùn)動機(jī)構(gòu)模型、分析運(yùn)動規(guī)律，可以跟蹤零件的運(yùn)動軌跡，分析機(jī)構(gòu)中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等[9]。

創(chuàng)建連桿：根據(jù)運(yùn)動分析仿真的需求，建立5個連桿，分別為：轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向柱、電機(jī)齒輪、齒條和齒輪軸。

創(chuàng)建運(yùn)動副：①將轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向柱分別設(shè)置為旋轉(zhuǎn)副；②設(shè)置2個萬向節(jié)副，分別位于轉(zhuǎn)向盤下方和轉(zhuǎn)向柱之間，轉(zhuǎn)向柱和轉(zhuǎn)向器主動齒輪之間；③設(shè)置2個耦合副，分別是電機(jī)齒輪與管柱齒輪相嚙合的齒輪耦合副、齒輪齒條相嚙合的齒輪齒條副。運(yùn)動分析的具體方案如圖3所示。

圖2 主動轉(zhuǎn)向裝置裝配模型 圖3 主動轉(zhuǎn)向裝置運(yùn)動方案

汽車正常行駛時，為了保證行駛操作穩(wěn)定性，汽車轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動速度一般在0.26～1.68 rad/s之間[7]。為了真實(shí)地模擬行車過程，現(xiàn)在給轉(zhuǎn)向盤加載一個0.32 rad/s的初速度和0.16 rad/s2的加速度，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動到極限位置所需要的時間為4.4 s。對模型進(jìn)行運(yùn)動仿真，得到轉(zhuǎn)向器橫向齒條的速度、加速度隨時間關(guān)系如圖4、5所示。

圖4 橫向齒條速度隨時間關(guān)系

圖5 橫向齒條加速度隨時間關(guān)系

從轉(zhuǎn)向器橫向齒條速度、加速度隨時間關(guān)系可以看出，隨著轉(zhuǎn)向操作時間的增加，轉(zhuǎn)向角增大，橫向齒條速度、加速度上下波動差值也在不斷地增大。在第4～4.4 s之間，橫向齒條移動速度波動達(dá)8.3～28.7 mm/s，加速度波動達(dá)-121～138 mm/s2。由此可以得出，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動時，隨著轉(zhuǎn)向角的增大，轉(zhuǎn)向器橫向齒條和齒輪之間的嚙合的波動也在不斷的加大。

5 結(jié) 論

文中對智能化汽車主動轉(zhuǎn)向裝置進(jìn)行了研究，利用UG軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模、裝配和運(yùn)動仿真，以此來論證該主動轉(zhuǎn)向裝置的可行性，為汽車智能轉(zhuǎn)向操作的研究提供依據(jù)。研究重點(diǎn)內(nèi)容如下。

(1)確定了主動轉(zhuǎn)向方案。根據(jù)給定車型參數(shù)及其運(yùn)行特性，采用驅(qū)動電機(jī)在轉(zhuǎn)向柱加載的形式并配合齒輪齒條轉(zhuǎn)向器作為主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)。

(2)計(jì)算了轉(zhuǎn)向盤所需的力和轉(zhuǎn)向柱所需的力矩，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了步進(jìn)電機(jī)選型。

(3)基于UG軟件建立了主動轉(zhuǎn)向裝置實(shí)體模型，利用其運(yùn)動仿真模塊對主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)動仿真，分析了轉(zhuǎn)向角的變化對轉(zhuǎn)向波動的影響。