基于直線電機(jī)控制轉(zhuǎn)向力的汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)探討
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汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能即很大程度地決定了對(duì)汽車(chē)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(chē)及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能提出了越來(lái)越高的要求，現(xiàn)結(jié)合其相應(yīng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行原理分析如下。
對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)的操縱要求即輕便靈活又有穩(wěn)定的操作感受
由于車(chē)輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向時(shí)，對(duì)無(wú)助力傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系的方向盤(pán)操縱會(huì)相當(dāng)費(fèi)力，為此目前基本已均采用了動(dòng)力轉(zhuǎn)向系。并對(duì)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動(dòng)力會(huì)很輕，為避免對(duì)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向輪的沖擊傳到轉(zhuǎn)向盤(pán)而造成“打手”現(xiàn)象，并在轉(zhuǎn)向結(jié)束時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)能有自動(dòng)回正功能使汽車(chē)保持穩(wěn)定直線行駛，使駕駛員通過(guò)轉(zhuǎn)向盤(pán)對(duì)轉(zhuǎn)向過(guò)程中車(chē)輪與地面之間的運(yùn)動(dòng)狀況能始終保持適當(dāng)?shù)摹奥犯小保谄?chē)高速行駛時(shí)又希望能對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有一種“反向”助力，即適當(dāng)增加轉(zhuǎn)向系的阻尼。
對(duì)轉(zhuǎn)向操控有較高的靈敏性并能簡(jiǎn)化其結(jié)構(gòu)以減小能耗
對(duì)轉(zhuǎn)向系操縱時(shí)要求車(chē)輪快速響應(yīng)使車(chē)身能及時(shí)轉(zhuǎn)向。這除了盡可能減小轉(zhuǎn)向系各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的空行程間隙外，還要求用于轉(zhuǎn)向助力的動(dòng)力控制裝置響應(yīng)快。目前所用的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要有液壓、氣壓和電動(dòng)三種，前兩種存在能耗大、響應(yīng)慢等缺點(diǎn)。雖然液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是目前傳統(tǒng)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(zhuǎn)向系統(tǒng)(eps，electric power steering)較為合適。由于省去了液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系所須的常運(yùn)轉(zhuǎn)油泵、儲(chǔ)油罐、管路等，電機(jī)只在需轉(zhuǎn)向期間才接通電源轉(zhuǎn)動(dòng)，即降低了能耗又使結(jié)構(gòu)緊湊減輕車(chē)載自重，并不必補(bǔ)充油液和擔(dān)心漏油等，使工作更可靠。這對(duì)車(chē)載能源不富裕的純電動(dòng)汽車(chē)尤為適用。而現(xiàn)有電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)eps采用的是旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，需經(jīng)電磁離合器、齒輪減速傳動(dòng)等機(jī)械機(jī)構(gòu)，還存在機(jī)構(gòu)龐雜，占用空間大，響應(yīng)速度較慢等缺點(diǎn)。根據(jù)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)最終帶動(dòng)轉(zhuǎn)向節(jié)臂的橫拉桿均為左右直線運(yùn)動(dòng)等特點(diǎn)，為此本文提出用直線步進(jìn)電機(jī)直接帶動(dòng)左右橫拉桿，使控制更直接，動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快。
要求轉(zhuǎn)向車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律正確穩(wěn)定
即要求內(nèi)、外側(cè)轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角以及驅(qū)動(dòng)輪的差速比正確穩(wěn)定，兩者的比值與轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)角始終保持一定的關(guān)系，以確保在轉(zhuǎn)向時(shí)各個(gè)車(chē)輪只有滾動(dòng)而無(wú)滑動(dòng)現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)其內(nèi)、外側(cè)轉(zhuǎn)向輪和驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)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(yīng)繞同一圓心轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)l為汽車(chē)軸距，b為汽車(chē)輪距，α、β分別為外、內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角α須小于內(nèi)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角β，并同時(shí)要求內(nèi)、外側(cè)驅(qū)動(dòng)輪還需滿足相應(yīng)的差速條件[2]。為滿足內(nèi)、外側(cè)轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角要求，需使其轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的左、右橫拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)臂成相應(yīng)角度的梯形即非平行四邊形關(guān)系，這也是各類轉(zhuǎn)向系普遍采用的基本方法。為滿足驅(qū)動(dòng)輪差速要求有采用機(jī)械差速和電子差速兩種。機(jī)械差速是傳統(tǒng)汽車(chē)普遍采用的方法，其機(jī)構(gòu)龐大而復(fù)雜。而電子差速系統(tǒng)eds是采用電子控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，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(jī)的應(yīng)用，它將是汽車(chē)驅(qū)動(dòng)輪差速控制的發(fā)展方向。
有相應(yīng)的安全可靠性
當(dāng)汽車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)，轉(zhuǎn)向盤(pán)等裝置應(yīng)能減輕或避免對(duì)駕駛員的傷害。而當(dāng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效或發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)能保證通過(guò)人力轉(zhuǎn)向仍能進(jìn)行轉(zhuǎn)向操縱。
盡可能減小轉(zhuǎn)彎半徑和提高高速轉(zhuǎn)向時(shí)的穩(wěn)定性
為減小低速轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)彎半徑，便于低速選位停車(chē)或窄道轉(zhuǎn)向行駛；以及改善高速轉(zhuǎn)向或在側(cè)向風(fēng)作用時(shí)的行駛穩(wěn)定性，還需采用高性能的四輪轉(zhuǎn)向[2]來(lái)滿足。
通過(guò)上述分析，根據(jù)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)最終帶動(dòng)轉(zhuǎn)向節(jié)臂的橫拉桿均為左右直線運(yùn)動(dòng)等特點(diǎn)，為提高轉(zhuǎn)向系的快速響應(yīng)性和滿足在不同車(chē)速下有相應(yīng)的助力等功能要求，在此特提出用直線步進(jìn)電機(jī)直接帶動(dòng)左右橫拉桿的兩種汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)。為說(shuō)明其轉(zhuǎn)向系的結(jié)構(gòu)原理，還得對(duì)直線控制電機(jī)先作必要說(shuō)明。
直線控制電機(jī)簡(jiǎn)介
所謂直線電動(dòng)機(jī)其實(shí)就是把旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)沿徑向剖開(kāi)拉直演變而成，它是由電能直接轉(zhuǎn)換成直線機(jī)械運(yùn)動(dòng)的一種推力裝置。就控制理論來(lái)說(shuō)直線電動(dòng)機(jī)用于直線位移機(jī)構(gòu)，將使控制變得更直接，動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快，并且由于省去許多機(jī)械傳動(dòng)件，使其機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)捷，消除了機(jī)械間隙，有利于提高精度、傳動(dòng)剛度、能量轉(zhuǎn)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(yīng)性，作者早在1986年就提出了用恒溫直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)的各類超高速精密數(shù)控機(jī)床[4]就開(kāi)始不斷涌現(xiàn)，如在1996年芝加哥國(guó)際制造技術(shù)博覽會(huì)(imts-96’)等先后展出，世界行內(nèi)專家把該類機(jī)床稱為“下一代新機(jī)床”。
從直線電機(jī)的工作原理來(lái)講，它與旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣，同樣也有直流、交流、步進(jìn)、永磁等類型。而從結(jié)構(gòu)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，即直線電機(jī)可演變生化出比旋轉(zhuǎn)電機(jī)更多的種類。大到磁懸浮列車(chē)、直線打樁機(jī)……小到遙控電動(dòng)窗簾、繪圖儀位移機(jī)構(gòu)等各種技術(shù)領(lǐng)域都可有其應(yīng)用實(shí)例。并且電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式可按其應(yīng)用機(jī)構(gòu)的需要來(lái)選擇更適應(yīng)的方案。隨著現(xiàn)代電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)、機(jī)電一體化及相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展完善，將使直線電機(jī)的應(yīng)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(yīng)用于某一領(lǐng)域，是當(dāng)今技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。
圖1 三相直線步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖
如圖1所示為三相直線步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。直線電機(jī)的動(dòng)件、定件相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)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、定件的齒距須滿足一定的關(guān)系式，設(shè)電機(jī)相數(shù)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(shù)。為電機(jī)繞組引線方便，通常做成動(dòng)鐵式，即帶繞組線圈的為定件，它固定在電機(jī)外殼上，而動(dòng)件可采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌來(lái)上下固定，使其能左右移動(dòng)，也可直接與被驅(qū)動(dòng)進(jìn)行直線位移的機(jī)械部件相連。電機(jī)的外形根據(jù)需要可做成長(zhǎng)矩形或圓筒形等多種形式。步進(jìn)電機(jī)是按變磁阻原理運(yùn)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(duì)定件的位置時(shí)，給a相繞組通電勵(lì)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(duì)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(duì)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(duì)齊的位置)。如果依次輪流對(duì)a→b→c三相繞組通電，則動(dòng)件向右位移；而通電順序?yàn)閎→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(dāng)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?yàn)椋篴→ab→b→bc→c→ca→a；三相雙三拍通電順序?yàn)椋篴b→bc→ca→ab。三相六拍的脈沖當(dāng)量比三相三拍小一半。
用直線步進(jìn)電機(jī)控制的汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
用直線步進(jìn)電機(jī)控制的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在前述所提到的電子控制電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)eps[1]基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)而成，即用直線步進(jìn)電機(jī)來(lái)替代eps用旋轉(zhuǎn)電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)向器中齒條的助力，省去了電磁離合器、減速機(jī)構(gòu)及其傳動(dòng)件，使其結(jié)構(gòu)更緊湊、控制更直接、響應(yīng)更快。也為更方便地實(shí)施高性能的四輪轉(zhuǎn)向(4ws)機(jī)構(gòu)，在此提出兩種結(jié)構(gòu)：由直線步進(jìn)電機(jī)控制轉(zhuǎn)向助力的系統(tǒng)可用于傳統(tǒng)二輪轉(zhuǎn)向(2ws)系統(tǒng)或四輪轉(zhuǎn)向(4ws)的前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)；由直線步進(jìn)電機(jī)控制轉(zhuǎn)向力的系統(tǒng)主要用于四輪轉(zhuǎn)向的后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)分別說(shuō)明如下。
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評(píng)論