一、汽車(chē)轉(zhuǎn)向系功能要求與其相應(yīng)機(jī)構(gòu)的分析

    　汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)" title="轉(zhuǎn)向系統(tǒng)">轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能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：

    　1.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)?ldquo;路感”，在汽車(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,。

    　2.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,。

    　3.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：    ,。說(shuō)明了外轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角ɑ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(mǎn)足相應(yīng)的差速條件[2],。為滿(mǎn)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(lèi)轉(zhuǎn)向系普遍采用的基本方法,。為滿(mǎn)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。

    　4.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,。

    　5.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(mǎn)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(mǎn)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)" title="直線控制電機(jī)">直線控制電機(jī)先作必要說(shuō)明,。

二、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(zhuān)利[3]。而相隔十幾年后,，用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的各類(lèi)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(zhuān)家把該類(lèi)機(jī)床稱(chēng)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(lèi)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(lèi),。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,。

　　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(mǎn)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)锽→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)椋篈→AB→B→BC→C→CA→A,；三相雙三拍通電順序?yàn)椋篈B→BC→CA→AB。三相六拍的脈沖當(dāng)量比三相三拍小一半,。

三,、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：

    　1.用直線步進(jìn)電機(jī)控制轉(zhuǎn)向助力的汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

　　如圖2所示，其直線步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)件直接與轉(zhuǎn)向器齒條相連,，整個(gè)直線步進(jìn)電機(jī)套裝在轉(zhuǎn)向器齒條機(jī)構(gòu)上,，幾乎不占用空間。它也是在原先結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的無(wú)助力機(jī)械轉(zhuǎn)向系中增加一臺(tái)直線步進(jìn)電機(jī),，由直線步進(jìn)電機(jī)的直線推力來(lái)直接助力駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向器的操縱力矩,，由于對(duì)轉(zhuǎn)向器的助力并不很大，齒條的直線位移量也不長(zhǎng),，用一臺(tái)小型直線步進(jìn)電機(jī)足以驅(qū)動(dòng),。其控制原理與EPS基本類(lèi)同，只不過(guò)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)需改用前述步進(jìn)電機(jī)脈沖分配方式,。具體實(shí)施可參照有關(guān)EPS[1]中的電子控制器ECU與其控制邏輯等進(jìn)行,，并借用EPS中相關(guān)傳感器。即根據(jù)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)控制直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位移量,，利用轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,，精確控制其位移量，根據(jù)車(chē)速進(jìn)行相應(yīng)的助力,。在低速時(shí)給予較大助力，隨車(chē)速提高而減小助力,，車(chē)速高到一定范圍時(shí)停止助力,，而在汽車(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,。這一點(diǎn)對(duì)于現(xiàn)有的轉(zhuǎn)向系較難做到,，而采用直線步進(jìn)電機(jī)助力就很容易實(shí)現(xiàn)，根據(jù)直線步進(jìn)電機(jī)工作原理可知,，只要保持其電機(jī)的通電狀態(tài)即可使該直線位移裝置具有一定自鎖力,，控制其通電電流大小即可改變定、動(dòng)件之間的磁拉力大小,。從而可按車(chē)速信號(hào)根據(jù)要求來(lái)控制其轉(zhuǎn)向助力的大小,，隨著車(chē)速的提高即減小繞組通電電流，其轉(zhuǎn)向助力也隨之減小,；當(dāng)車(chē)速高于相應(yīng)速度（一般為30km/h）時(shí)就取消給轉(zhuǎn)向系助力,，即停止給直線步進(jìn)電機(jī)供電；而當(dāng)車(chē)速高到一定程度時(shí),，希望能給轉(zhuǎn)向系逐漸增加其阻尼,，可使直線步進(jìn)電機(jī)繞組保持通電狀態(tài)而產(chǎn)生自鎖力，控制其電流大小即能改變對(duì)轉(zhuǎn)向系的阻尼大小,。達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)的操縱即輕便靈敏又穩(wěn)定可靠,。

　　　2.用直線步進(jìn)電機(jī)控制轉(zhuǎn)向力的汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

　　　如圖3所示，它進(jìn)一步簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)向系的結(jié)構(gòu),，去掉轉(zhuǎn)向盤(pán)至橫拉桿中間的所有傳動(dòng)鏈,，包括齒輪輸入軸扭桿及齒輪齒條付。轉(zhuǎn)向盤(pán)內(nèi)安裝有轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器,，并適當(dāng)增加其轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼,，獨(dú)立安置于駕駛室內(nèi)。而直線步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)件兩端直接與左右橫拉桿相連,，電子控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)向角度信號(hào)及車(chē)速信號(hào),，來(lái)控制直線步進(jìn)電機(jī)動(dòng)件進(jìn)行左右位移，經(jīng)橫拉桿,、轉(zhuǎn)向節(jié)臂傳動(dòng),，進(jìn)而控制車(chē)輪轉(zhuǎn)向。在確保系統(tǒng)可靠性的前提下,，該方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單,、所占體積更小、成本低,、控制更直接,、響應(yīng)更快。但一旦系統(tǒng)發(fā)生故障,，汽車(chē)就無(wú)法轉(zhuǎn)向,。而用在四輪轉(zhuǎn)向4WS系統(tǒng)的后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中卻是優(yōu)選的方案。它的應(yīng)用有望使汽車(chē)四輪轉(zhuǎn)向4WS系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比進(jìn)一步得以提高,。