可變傳動(dòng)比式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及控制研究

馮浩軒，屈小貞

（121001 遼寧省 錦州市 遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院）

0 引言

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，汽車的安全穩(wěn)定性日益重要，作為操控汽車行駛方向的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)汽車行駛安全性極為重要。在常規(guī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比是固定不變的。實(shí)際行車中，我們期望的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)既要在低速下具有靈活的轉(zhuǎn)向特性，又要在高速下具有很好的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。與常規(guī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，可變傳動(dòng)比式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有多個(gè)不同的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比，可根據(jù)車速變化切換到理想的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比[1-3]。本文提出的可變傳動(dòng)比式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可同時(shí)滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車低速下的靈活性和高速下的穩(wěn)定性需求。

1 主動(dòng)式可變轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

可變傳動(dòng)比式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)總成布置如圖1所示。該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過(guò)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)減速齒輪實(shí)現(xiàn)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向。可變傳動(dòng)比機(jī)構(gòu)是通過(guò)液壓系統(tǒng)與控制電路協(xié)同控制，根據(jù)汽車行駛車速變換實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)自身傳動(dòng)比，以滿足不同車速下轉(zhuǎn)向時(shí)所需的最佳轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比。

圖1 主動(dòng)式可變轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)總成布置圖Fig.1 Structural assembly layout of active variable steering system

可變傳動(dòng)比機(jī)構(gòu)是由如圖2 所示的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和如圖3 所示的外殼結(jié)構(gòu)組成，其兩端分別由端蓋密封支撐。外殼內(nèi)壁上設(shè)置有6 條均勻分布的直線凹槽，直線凹槽貫穿外殼的內(nèi)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(guò)盈配合方式固定在轉(zhuǎn)向齒輪軸右端。套筒外壁與外殼內(nèi)壁分別設(shè)置有六條對(duì)應(yīng)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(dòng)比機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Internal structure of variable transmission ratio mechanism

圖3 可變傳動(dòng)比機(jī)構(gòu)外殼結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Shell structure of variable transmission ratio mechanism

如圖4 所示的鋼球環(huán)形架安裝在套筒外壁上的中間位置，鋼球環(huán)形架圓周上均勻裝配6 顆鋼球，其上下各1/3 球體結(jié)構(gòu)分別與外殼內(nèi)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(jié)構(gòu)裝配在鋼球環(huán)形架內(nèi)，且鋼球可在鋼球環(huán)形架內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。鋼球環(huán)形架圓周上設(shè)置有6 個(gè)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(huán)形架內(nèi)外側(cè)兩端增加油封，降低鋼球環(huán)形架左右滑移時(shí)在套筒外壁與外殼內(nèi)壁之間油液產(chǎn)生的縫隙流動(dòng)效應(yīng)。

可變傳動(dòng)比機(jī)構(gòu)由端蓋及密封圈構(gòu)成一個(gè)密封裝置，內(nèi)部被鋼球環(huán)形架分割為左右2 個(gè)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(zhuǎn)動(dòng)過(guò)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(guò)對(duì)應(yīng)的端蓋分別引出連接到對(duì)應(yīng)的電路滑片導(dǎo)線上。左右兩端電磁鐵是由如圖5 所示的內(nèi)、外兩層圓環(huán)形導(dǎo)磁體和兩層之間的超導(dǎo)線圈構(gòu)成，兩端電磁鐵通過(guò)軸承支撐在轉(zhuǎn)向齒輪軸上，電磁鐵和端蓋同步轉(zhuǎn)動(dòng)并與轉(zhuǎn)向齒輪軸之間可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

鋼球環(huán)形架通過(guò)左右兩端電磁鐵的磁力變化及左右油腔內(nèi)油液壓力變化來(lái)實(shí)現(xiàn)左右滑移。初始位置時(shí)，左右兩側(cè)油腔內(nèi)油液壓力相等，鋼球環(huán)形架保持在套筒的中間位置靜止不動(dòng)，當(dāng)鋼球環(huán)形架在兩側(cè)磁力作用下移動(dòng)時(shí)，受壓側(cè)油腔內(nèi)油液壓力逐漸增大，單向球閥開(kāi)啟，受壓側(cè)油腔內(nèi)油液經(jīng)單向球閥流入另一側(cè)油腔內(nèi)。油箱內(nèi)的油液經(jīng)油泵泵入壓力減小的油腔內(nèi)以補(bǔ)充鋼球環(huán)形架滑移后的空腔，溢流閥保障油液壓力不大于受壓側(cè)油腔內(nèi)油液壓力。通過(guò)減壓閥溢出受壓側(cè)油腔內(nèi)的多余油液以降低其油腔內(nèi)油液壓力，來(lái)保障鋼球環(huán)形架在到達(dá)目標(biāo)位置之前受壓側(cè)油腔內(nèi)的油液壓力始終小于電磁鐵與鋼球環(huán)形架之間的磁力，最終實(shí)現(xiàn)鋼球環(huán)形架相對(duì)套筒的滑轉(zhuǎn)目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向柱與轉(zhuǎn)向齒輪軸的相對(duì)轉(zhuǎn)角變換，以實(shí)現(xiàn)不同車速下的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比的變換需求。

2 主動(dòng)式可變轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制研究

2.1 液壓系統(tǒng)

套筒上的供給油孔與轉(zhuǎn)向齒輪軸的供給油孔完全對(duì)應(yīng)重疊，2 條連接油道布置在轉(zhuǎn)向齒輪軸內(nèi)。左右兩油腔內(nèi)的油液量是通過(guò)齒輪軸前端2個(gè)環(huán)形凹槽內(nèi)的油孔來(lái)補(bǔ)給或溢出。轉(zhuǎn)向齒輪軸上的環(huán)形凹槽與其支撐裝置中的供給油道位置重疊，并通過(guò)如圖6 所示的電磁換向閥連接到供給油箱，以保障其隨轉(zhuǎn)向齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)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(huì)根據(jù)汽車實(shí)時(shí)工況控制電磁換向閥來(lái)改變閥芯的位置?？刂齐姶艙Q向閥左位、中位、右位的2 個(gè)通道分別與轉(zhuǎn)向齒輪軸上的2個(gè)油孔連接，進(jìn)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(huì)自動(dòng)開(kāi)啟以平衡兩側(cè)油腔內(nèi)的油液油壓，直至左右兩側(cè)油腔內(nèi)的油液油壓能保持鋼球環(huán)形架處于相對(duì)靜止平衡狀態(tài)[4]。

2.2 控制電路

控制電路是由圖7 中所示的單片機(jī)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(dāng)使能信號(hào)ENABLE 輸出信號(hào)1，DIR1 信號(hào)端輸出信號(hào)0，DIR2 信號(hào)端輸出信號(hào)1。電流從電源端先后經(jīng)過(guò)三極管Q1、螺旋線圈L1和L2、三極管Q4，此時(shí)流經(jīng)螺旋線圈的電流方向規(guī)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(dāng)使能信號(hào)ENABLE 輸出信號(hào)1，DIR1 信號(hào)端輸出信號(hào)1，DIR2 信號(hào)端輸出信號(hào)0。電流從電源端先后經(jīng)過(guò)三極管Q3、螺旋線圈L2 和L1、三極管Q2，此時(shí)流經(jīng)螺旋線圈的電流方向規(guī)定為反向。電流通過(guò)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(guò)可變電阻R1 和R2 可以調(diào)節(jié)控制電路中流經(jīng)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(lái)控制與永磁鐵鋼球環(huán)形架之間的相互作用力，達(dá)到調(diào)控鋼球環(huán)形架滑移速度的目的。當(dāng)使能信號(hào)端ENABLE，DIR1 與DIR2 輸出均為信號(hào)0 時(shí)，三極管全部為斷路，電路中無(wú)電流產(chǎn)生，左端電磁鐵和右端電磁鐵的磁力消失。

2.3 磁力的計(jì)算

通過(guò)如圖7 所示的控制電路來(lái)改變電流方向進(jìn)而改變左端電磁鐵和右端電磁鐵的兩端磁極變換，同時(shí)，通過(guò)改變纏繞線圈匝數(shù)和流通電流大小來(lái)保障左端電磁鐵和右端電磁鐵的磁力大小，其對(duì)應(yīng)的磁力公式為[5]

式中：I——線圈電流，A；W——線圈匝數(shù)；μ0——油液磁導(dǎo)系數(shù)；δ——工作氣隙長(zhǎng)度，mm；R1，R2——電磁鐵導(dǎo)磁體外圓環(huán)的外半徑和內(nèi)半徑；R3，R4——電磁鐵導(dǎo)磁體內(nèi)圓環(huán)的外半徑和內(nèi)半徑，mm。

2.4 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比的變換范圍

根據(jù)汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向模型，可以得到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的理想傳動(dòng)比為[6]

式中：V——車速；L——汽車軸距；KS可根據(jù)駕駛員習(xí)慣確定，通常在低速行駛時(shí)KS取大一些，這有利于低速時(shí)的轉(zhuǎn)向靈敏度，同時(shí)減小駕駛員轉(zhuǎn)向負(fù)擔(dān)；高速行駛時(shí)KS取小一些，以保證轉(zhuǎn)向安全；對(duì)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(zhuǎn)向不足系數(shù)，表示為

式中：a——質(zhì)心到前輪的距離；b——質(zhì)心到后輪的距離；m——整車質(zhì)量；Cf——前軸的側(cè)偏剛度；Cr——后軸的側(cè)偏剛度。

根據(jù)式（2）可得轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理想傳動(dòng)比與車速的變化曲線如圖9 所示。

圖9 理想轉(zhuǎn)向傳動(dòng)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(duì)應(yīng)的理想傳動(dòng)比是不同的，轎車相對(duì)于SUV 在低速時(shí)需要更加靈活的轉(zhuǎn)向特性。車速低于30 km/h 時(shí)，保持轉(zhuǎn)向系統(tǒng)固有的最小轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比不變；車速為30～70 km/h時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)可變傳動(dòng)比機(jī)構(gòu)來(lái)獲得較大的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比，以兼顧中高速行駛時(shí)的操縱輕便性和穩(wěn)定性需求；而當(dāng)車速大于70 km/h 時(shí)，可變傳動(dòng)比機(jī)構(gòu)為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供最大的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比，以保障車輛高速行駛時(shí)的操縱穩(wěn)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(shí)速下行駛時(shí)，可變傳動(dòng)比機(jī)構(gòu)中的鋼球環(huán)形架處于初始中間位置，控制電路處于斷開(kāi)狀態(tài)，無(wú)電流通過(guò)，電磁換向閥連接中位通道，左右兩側(cè)油腔內(nèi)油液壓力相等，外殼與套筒或轉(zhuǎn)向齒輪軸之間沒(méi)有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤，轉(zhuǎn)向盤角輸入經(jīng)轉(zhuǎn)向軸直接傳遞到轉(zhuǎn)向器，可變傳動(dòng)比機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中是作為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)隨轉(zhuǎn)向軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，可變傳動(dòng)比機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比保持不變；當(dāng)車速行駛超過(guò)30 km/h 時(shí)，可變傳動(dòng)比機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比值需增大，以獲得相同轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入下較小的車輪轉(zhuǎn)角；當(dāng)車速在30～70 km/h 區(qū)間，駕駛員向右轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)，車輛控制單元控制可變傳動(dòng)比機(jī)構(gòu)中的鋼球環(huán)形架向左滑移。當(dāng)駕駛員向左轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)，車輛控制單元控制可變傳動(dòng)比機(jī)構(gòu)中的鋼球環(huán)形架向右滑移。此時(shí)轉(zhuǎn)向盤角輸入對(duì)應(yīng)較小的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角，以滿足車輛行駛的操縱穩(wěn)定性需求；當(dāng)車速超過(guò)70 km/h 時(shí)，左右轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作流程與上一個(gè)速度區(qū)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(dòng)比機(jī)構(gòu)中的鋼球環(huán)形架滑移的速度不同，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向齒輪軸和轉(zhuǎn)向齒輪相對(duì)于轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)過(guò)角度不同，改變了可變傳動(dòng)比式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比。

反之，當(dāng)車速高速行駛到低速行駛變化時(shí)，可變傳動(dòng)比機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比值需減小以獲得相同轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入下較大的車輪轉(zhuǎn)角。在向右轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)，車輛控制單元控制可變傳動(dòng)比機(jī)構(gòu)中的鋼球環(huán)形架向右滑移；向右轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)控制鋼球環(huán)形架向左滑移。此時(shí)，相同工況下的轉(zhuǎn)向盤角輸入對(duì)應(yīng)較大的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角，以滿足車輛行駛的操縱輕便性需求。

車輛控制單元會(huì)根據(jù)不同傳感器檢測(cè)的實(shí)時(shí)車速、發(fā)動(dòng)機(jī)工況等參數(shù)，通過(guò)車速變化和行車需求實(shí)時(shí)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(cè)油腔內(nèi)油液油壓變化，來(lái)驅(qū)動(dòng)鋼球環(huán)形架實(shí)現(xiàn)左右滑移，進(jìn)而改變可變傳動(dòng)比機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比，最終實(shí)現(xiàn)不同車速下轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比的變換需求，以滿足行車轉(zhuǎn)向需求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的可變傳動(dòng)比式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操縱方便，且易實(shí)現(xiàn)操控。為保障車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比與車速變化的協(xié)調(diào)，減少駕駛員對(duì)車輛轉(zhuǎn)向特性變化的補(bǔ)償修正，通過(guò)磁力作用驅(qū)動(dòng)鋼球環(huán)形架左右滑移來(lái)實(shí)現(xiàn)不同車速下的可變轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比需求，使轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比隨車速變化始終處于理想狀態(tài)，以保障汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在低速下的靈活性和高速下的操控穩(wěn)定性。該可變傳動(dòng)比式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有重要的實(shí)際意義和應(yīng)用前景。