【摘要】通過(guò)分析汽車(chē)轉(zhuǎn)向系各功能要求與其相應(yīng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行原理的關(guān)系，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)，提出了用直線步進(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，且省去了大部分機(jī)械或液壓部件，使結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)捷，利用直線步進(jìn)電機(jī)的控制特點(diǎn)，即可方便地充分滿足轉(zhuǎn)向力隨車(chē)速變化的各控制要求，又提高了轉(zhuǎn)向精度，它的實(shí)施還有助于高性能汽車(chē)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性價(jià)比提高。

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)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：

      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)摹奥犯小?，在汽?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。

      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。

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。

      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)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??；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)的性價(jià)比進(jìn)一步得以提高。