汽車(chē)轉(zhuǎn)向管柱可變傾角的實(shí)現(xiàn)

王迪 鄭宇

摘 要：在社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科技飛速進(jìn)步的背景下，汽車(chē)成為了人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫幕A(chǔ)交通工具之一。汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是保證其運(yùn)行平穩(wěn)、轉(zhuǎn)向流暢的主要環(huán)節(jié)，作為設(shè)計(jì)和生產(chǎn)企業(yè)都必須加以重視。汽車(chē)轉(zhuǎn)向要求能夠?qū)崿F(xiàn)不同傾角的可變調(diào)節(jié)，有利于提升汽車(chē)整體的使用感和安全性。因此，本文系統(tǒng)性地介紹了汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的概念可實(shí)施可變傾角調(diào)節(jié)的必要性，根據(jù)不同的功能模塊詳細(xì)討論如何實(shí)現(xiàn)這一需求。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)設(shè)計(jì);轉(zhuǎn)向管柱;可變傾角

一、汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

汽車(chē)的轉(zhuǎn)向操作就是方向盤(pán)帶動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)汽車(chē)在不同方向上的轉(zhuǎn)換的整個(gè)過(guò)程。在進(jìn)行汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮的因素較多，如車(chē)速、轉(zhuǎn)動(dòng)角度和響應(yīng)等，都會(huì)影響在不同情況下汽車(chē)轉(zhuǎn)向功能的實(shí)現(xiàn)。首先，當(dāng)車(chē)速過(guò)快時(shí)，原本的小角度轉(zhuǎn)動(dòng)也可能會(huì)在加速度的影響之下產(chǎn)生較大的位移，且汽車(chē)的整體行駛呈現(xiàn)出非線(xiàn)性時(shí)變，使駕駛?cè)藛T很難把握[1]。有時(shí)駕駛?cè)藛T手部的輕微轉(zhuǎn)動(dòng)就可能會(huì)引發(fā)汽車(chē)漂移，所以需要在方向盤(pán)的底部增加一個(gè)防誤觸的元件，保證行車(chē)的安全性。其次，根據(jù)汽車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的材質(zhì)和使用年限等不同，汽車(chē)本身對(duì)于方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的響應(yīng)也會(huì)存在一定的偏差。如新車(chē)和年限較長(zhǎng)的車(chē)方向盤(pán)的調(diào)節(jié)角度大，但車(chē)輪的響應(yīng)較小，而保養(yǎng)過(guò)后的車(chē)整體響應(yīng)更加靈敏精確。

二、轉(zhuǎn)向管柱可變傾角調(diào)節(jié)必要性

在行車(chē)過(guò)程中有時(shí)會(huì)存在不同的轉(zhuǎn)向需求，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中保障汽車(chē)的轉(zhuǎn)向管柱能夠?qū)崿F(xiàn)可變傾角的調(diào)節(jié)具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。一方面，在駕駛過(guò)程中如果出現(xiàn)緊急剎車(chē)或需要躲避障礙物等情況時(shí)，一般需要調(diào)節(jié)較大角度的轉(zhuǎn)向，否則可能會(huì)出現(xiàn)交通事故。但是受到車(chē)速和其他車(chē)道車(chē)輛的影響等，對(duì)于汽車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)躲避的角度有一定的限制。在汽車(chē)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中通過(guò)可變角度的調(diào)節(jié)，可以由駕駛?cè)藛T結(jié)合實(shí)際情況自主掌握，更有利于躲避危險(xiǎn)事故的發(fā)生[2]。另一方面，在倒車(chē)、停車(chē)等情況下時(shí)，需要對(duì)車(chē)輛進(jìn)行小角度的轉(zhuǎn)動(dòng)和調(diào)節(jié)，如果方向偏大則可能會(huì)出現(xiàn)刮蹭事故。要求在設(shè)計(jì)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)不同角度的變化調(diào)節(jié)，增加駕駛?cè)藛T的操作掌握和體驗(yàn)感，使整體設(shè)計(jì)更加人性化、科學(xué)化。

三、轉(zhuǎn)向管柱可變傾角調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)

在設(shè)計(jì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向管柱可變傾角調(diào)節(jié)時(shí)，必須要明確不同模塊的劃分可主要功能，分別進(jìn)行模型建立討論和設(shè)計(jì)分析，突出可變傾角調(diào)節(jié)功能的落實(shí)。

（一）轉(zhuǎn)向操作實(shí)現(xiàn)

在轉(zhuǎn)向操作中，駕駛?cè)藛T主要控制的對(duì)象是方向旁，向左、右兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)分別可以帶動(dòng)車(chē)輪響應(yīng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。對(duì)于角度和位移的控制主要是通過(guò)連接的軸線(xiàn)進(jìn)行傳遞的，該部分的材料為鋼制結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到其鋼體的特性和扭矩等計(jì)算問(wèn)題。假設(shè)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)后發(fā)生的慣量和阻尼分別為J1、c1，通過(guò)連接桿（K1）、減速器（G1）、電機(jī)（M）的傳遞后最終的輸出為J2、c2。在這個(gè)傳導(dǎo)的過(guò)程中，由于駕駛?cè)藛T力的作用，還會(huì)給連接桿造成一定的摩擦影響，整個(gè)系統(tǒng)可以視為是鋼體結(jié)構(gòu)，電機(jī)中使用了直流電流造成了一定的電磁轉(zhuǎn)矩[3]。通過(guò)建立動(dòng)力學(xué)的模型，可以更好地分析方向盤(pán)的輸入和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的輸出之間的關(guān)系。

（二）轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊

轉(zhuǎn)向指令的執(zhí)行即將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)作為輸入端，通過(guò)齒輪的咬合帶動(dòng)輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向需求的過(guò)程。電機(jī)（M）端的參數(shù)信息為J2、c2，通過(guò)減速器（G2）后帶動(dòng)下端的齒輪發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和咬合，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)受到摩擦力的影響。電機(jī)的機(jī)芯內(nèi)部也存在慣量和阻尼，根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算可以得到齒輪上受到的動(dòng)力大小，并建立轉(zhuǎn)向輪的動(dòng)力方程，從中得到傳輸給輪胎的力學(xué)參數(shù)。在轉(zhuǎn)向指令執(zhí)行的過(guò)程中完全依靠汽車(chē)內(nèi)部的各類(lèi)零件實(shí)現(xiàn)，本身與駕駛員的作用力影響較小。通過(guò)力學(xué)分析，可以得到方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和輪胎響應(yīng)之間的關(guān)系，更通過(guò)對(duì)零件參數(shù)的合理選擇和調(diào)試，可以使執(zhí)行指令更加符合人體的認(rèn)知習(xí)慣。

（三）故障容錯(cuò)模塊

故障容錯(cuò)是指為了防止在汽車(chē)高速行駛的過(guò)程中因?yàn)轳{駛?cè)藛T的誤觸等造成了方向盤(pán)小角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而引發(fā)汽車(chē)的偏移等安全問(wèn)題。容錯(cuò)模塊主要是通過(guò)補(bǔ)償器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可以根據(jù)人體工程學(xué)，找到在駕駛過(guò)程中手臂、手腕的肌肉信息，從力學(xué)傳遞的函數(shù)中找到傳遞響應(yīng)的最小值，并將其作為方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的容錯(cuò)限度。當(dāng)駕駛?cè)藛T的手臂因?yàn)樽陨磙D(zhuǎn)動(dòng)需求而引發(fā)的偏轉(zhuǎn)一定大于正常狀態(tài)下的肌肉信息，則可以實(shí)現(xiàn)駕駛時(shí)的防誤觸功能。

（四）中控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中控系統(tǒng)是汽車(chē)內(nèi)的一套智能控制模塊，可以更加靈活地調(diào)節(jié)上述三種模塊的響應(yīng)和工作。汽車(chē)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要是機(jī)械響應(yīng)，整個(gè)過(guò)程中一般不會(huì)存在人為的影響。中控系統(tǒng)的工作主要是保證各個(gè)模塊之間的連接順暢能夠?qū)崿F(xiàn)汽車(chē)的轉(zhuǎn)向需求。當(dāng)方向盤(pán)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)后會(huì)將這一數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)街锌仄脚_(tái)里，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)輪胎相應(yīng)偏轉(zhuǎn)后，會(huì)向中控平臺(tái)回釋一個(gè)反饋信號(hào)，有中控平臺(tái)合理判斷本次轉(zhuǎn)動(dòng)響應(yīng)的完成，防止電機(jī)和其他連接轉(zhuǎn)到部位的移動(dòng)，保持汽車(chē)的轉(zhuǎn)動(dòng)恒定。

四、結(jié)束語(yǔ)

總之，可以將汽車(chē)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)劃分為不同的模塊，在設(shè)計(jì)和制造的過(guò)程中能夠更有針對(duì)性。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操作主要是通過(guò)方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其與轉(zhuǎn)動(dòng)執(zhí)行模塊之間的連接系數(shù)需要結(jié)合動(dòng)力學(xué)的模型和人體習(xí)慣進(jìn)行分析。汽車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度主要是依靠電機(jī)點(diǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，其中的慣量和阻尼會(huì)會(huì)角度造成一定的影響，在控制時(shí)要結(jié)合轉(zhuǎn)矩計(jì)算合理設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 昌小波.基于單片機(jī)的汽車(chē)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角顯示的設(shè)計(jì)[J].科技風(fēng)，2020（06）：13.

[2] 楊南.基于CAE技術(shù)的汽車(chē)轉(zhuǎn)向管柱支架壓鑄工藝分析[J].熱加工工藝，2017（09）：115-118+122.