基于直線電機控制轉向力的汽車轉向系統(tǒng)探討
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汽車轉向系統(tǒng)性能即很大程度地決定了對汽車操縱的輕便舒適性和安全行駛的穩(wěn)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。隨著現(xiàn)代汽車及其相關技術的發(fā)展，對汽車轉向系統(tǒng)的功能提出了越來越高的要求，現(xiàn)結合其相應機構的運行原理分析如下。
對轉向盤的操縱要求即輕便靈活又有穩(wěn)定的操作感受
由于車輪轉向時輪胎與地面的摩擦阻尼隨車速降低而增大。即在汽車低速轉向時，對無助力傳統(tǒng)機械轉向系的方向盤操縱會相當費力，為此目前基本已均采用了動力轉向系。并對轉向助力的控制要求隨車速增加而減小。而在車速很高時由于方向盤的轉動力會很輕，為避免對轉向盤微小的干擾力而引起汽車偏離方向，削減因路面不平撞擊轉向輪的沖擊傳到轉向盤而造成“打手”現(xiàn)象，并在轉向結束時轉向盤能有自動回正功能使汽車保持穩(wěn)定直線行駛，使駕駛員通過轉向盤對轉向過程中車輪與地面之間的運動狀況能始終保持適當?shù)摹奥犯小?，在汽車高速行駛時又希望能對轉向系統(tǒng)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化其結構以減小能耗
對轉向系操縱時要求車輪快速響應使車身能及時轉向。這除了盡可能減小轉向系各傳動機構的空行程間隙外，還要求用于轉向助力的動力控制裝置響應快。目前所用的動力轉向系統(tǒng)主要有液壓、氣壓和電動三種，前兩種存在能耗大、響應慢等缺點。雖然液壓助力轉向系統(tǒng)是目前傳統(tǒng)汽車較為普遍采用的裝置。但隨電動汽車的發(fā)展，以及按各相關控制的特點[1]，需采用電子控制電動助力轉向系統(tǒng)(eps，electric power steering)較為合適。由于省去了液壓動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，即降低了能耗又使結構緊湊減輕車載自重，并不必補充油液和擔心漏油等，使工作更可靠。這對車載能源不富裕的純電動汽車尤為適用。而現(xiàn)有電動助力轉向系統(tǒng)eps采用的是旋轉電動機，需經(jīng)電磁離合器、齒輪減速傳動等機械機構，還存在機構龐雜，占用空間大，響應速度較慢等缺點。根據(jù)轉向機構最終帶動轉向節(jié)臂的橫拉桿均為左右直線運動等特點，為此本文提出用直線步進電機直接帶動左右橫拉桿，使控制更直接，動態(tài)響應更快。
要求轉向車輪的運動規(guī)律正確穩(wěn)定
即要求內(nèi)、外側轉向輪的偏轉角以及驅動輪的差速比正確穩(wěn)定，兩者的比值與轉向盤的轉角始終保持一定的關系，以確保在轉向時各個車輪只有滾動而無滑動現(xiàn)象。通過對汽車轉向時其內(nèi)、外側轉向輪和驅動輪的運動過程分析，為保證各車輪只滾動無滑動，要求四車輪均應繞同一圓心轉動。設l為汽車軸距，b為汽車輪距，α、β分別為外、內(nèi)側轉向輪的偏轉角，則要求車輪作純滾動條件為：ctgα=ctgβ+b/l。說明了外轉向輪偏轉角α須小于內(nèi)轉向輪偏轉角β，并同時要求內(nèi)、外側驅動輪還需滿足相應的差速條件[2]。為滿足內(nèi)、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(jié)臂成相應角度的梯形即非平行四邊形關系，這也是各類轉向系普遍采用的基本方法。為滿足驅動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(tǒng)汽車普遍采用的方法，其機構龐大而復雜。而電子差速系統(tǒng)eds是采用電子控制來實現(xiàn)，有諸多優(yōu)點，隨電動汽車的發(fā)展，特別是輪轂電機的應用，它將是汽車驅動輪差速控制的發(fā)展方向。
有相應的安全可靠性
當汽車發(fā)生碰撞時，轉向盤等裝置應能減輕或避免對駕駛員的傷害。而當動力轉向系統(tǒng)失效或發(fā)生故障時，應能保證通過人力轉向仍能進行轉向操縱。
盡可能減小轉彎半徑和提高高速轉向時的穩(wěn)定性
為減小低速轉向時的轉彎半徑，便于低速選位停車或窄道轉向行駛；以及改善高速轉向或在側向風作用時的行駛穩(wěn)定性，還需采用高性能的四輪轉向[2]來滿足。
通過上述分析，根據(jù)轉向機構最終帶動轉向節(jié)臂的橫拉桿均為左右直線運動等特點，為提高轉向系的快速響應性和滿足在不同車速下有相應的助力等功能要求，在此特提出用直線步進電機直接帶動左右橫拉桿的兩種汽車轉向系統(tǒng)控制機構。為說明其轉向系的結構原理，還得對直線控制電機先作必要說明。
直線控制電機簡介
所謂直線電動機其實就是把旋轉電動機沿徑向剖開拉直演變而成，它是由電能直接轉換成直線機械運動的一種推力裝置。就控制理論來說直線電動機用于直線位移機構，將使控制變得更直接，動態(tài)響應更快，并且由于省去許多機械傳動件，使其機械結構更簡捷，消除了機械間隙，有利于提高精度、傳動剛度、能量轉換效率以及降低噪聲等。為提高數(shù)控伺服系統(tǒng)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電機驅動的數(shù)控伺服裝置的發(fā)明專利[3]。而相隔十幾年后，用直線電機驅動的各類超高速精密數(shù)控機床[4]就開始不斷涌現(xiàn)，如在1996年芝加哥國際制造技術博覽會(imts-96’)等先后展出，世界行內(nèi)專家把該類機床稱為“下一代新機床”。
從直線電機的工作原理來講，它與旋轉電機一樣，同樣也有直流、交流、步進、永磁等類型。而從結構來講，它又有動圈式、動鐵式、平板型、圓筒型等多種形式，即直線電機可演變生化出比旋轉電機更多的種類。大到磁懸浮列車、直線打樁機……小到遙控電動窗簾、繪圖儀位移機構等各種技術領域都可有其應用實例。并且電機的結構形式可按其應用機構的需要來選擇更適應的方案。隨著現(xiàn)代電機直接轉矩控制技術、機電一體化及相關技術的不斷發(fā)展完善，將使直線電機的應用領域越來越廣泛。多種技術相互交叉、滲透、融為一體地應用于某一領域，是當今技術發(fā)展的重要趨勢之一。
圖1 三相直線步進電機的結構示意圖
如圖1所示為三相直線步進電機的結構示意圖。直線電機的動件、定件相當于旋轉電機的轉子、定子。動、定件上均開有如圖所示的齒槽，并用硅鋼片沖制疊壓而成。動件、定件的齒距須滿足一定的關系式，設電機相數(shù)為m，動件齒距為b，則定件的齒距p=(k+1/m)b，k為任意正整數(shù)。為電機繞組引線方便，通常做成動鐵式，即帶繞組線圈的為定件，它固定在電機外殼上，而動件可采用直線滾動導軌來上下固定，使其能左右移動，也可直接與被驅動進行直線位移的機械部件相連。電機的外形根據(jù)需要可做成長矩形或圓筒形等多種形式。步進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。如在圖中所示動件相對定件的位置時，給a相繞組通電勵磁，則a相磁極所產(chǎn)生的磁場力就會力求使磁路磁阻減少，即對動件產(chǎn)生向右移的磁拉力，使得動件的凸極齒盡可能多地與a相磁極的凸齒對齊，于是動件在其磁拉力的作用下向右移動了1/3動件齒距b(即圖示c相與動件齒對齊的位置)。如果依次輪流對a→b→c三相繞組通電，則動件向右位移；而通電順序為b→a→c時，動件就向左位移。按制造工藝及精度使動件的齒距做得越小，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，實際使用時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。
用直線步進電機控制的汽車轉向系統(tǒng)結構原理
用直線步進電機控制的轉向系統(tǒng)是在前述所提到的電子控制電動助力轉向系統(tǒng)eps[1]基礎上進一步改進而成，即用直線步進電機來替代eps用旋轉電機對轉向器中齒條的助力，省去了電磁離合器、減速機構及其傳動件，使其結構更緊湊、控制更直接、響應更快。也為更方便地實施高性能的四輪轉向(4ws)機構，在此提出兩種結構：由直線步進電機控制轉向助力的系統(tǒng)可用于傳統(tǒng)二輪轉向(2ws)系統(tǒng)或四輪轉向(4ws)的前輪轉向機構；由直線步進電機控制轉向力的系統(tǒng)主要用于四輪轉向的后輪轉向機構?，F(xiàn)分別說明如下。
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