汽車轉向系統淺析

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在汽車系統中，由轉向盤到車輪的動力傳遞系統稱為轉向系統。眾所周知，車輛轉向系統是用來保持或者改變汽車行駛方向的機構；當駕駛員通過手力控制前輪轉角時，保證車輛按照駕駛員的意志改變行駛方向。另外在車輛行駛過程中，車輪與路面之間產生的「路感」通過轉向系統傳遞給駕駛員，使駕駛員可以感知當前車輛的行駛狀態。

汽車轉向系統按照轉向器分類大體分為機械式和動力式，其中機械轉向系統依靠駕駛員手力轉動方向盤，而動力轉向系可以減輕駕駛員的手力緩解駕駛員緊張情緒。本文將對轉向系統及其動力學進行分析：

圖1 機械轉向系統

圖2 動力轉向系統

一、汽車轉向系統動力學分析

從動力學方面來說當汽車轉彎行駛時，全部車輪應繞瞬時轉向中心旋轉不應有側滑，否則會加速輪胎磨損降低汽車的行駛穩定性；汽車轉向行駛後，在駕駛員鬆開轉向盤條件下轉向輪應該能自動返回直線行駛位置；轉向系還應保證汽車有較高機動性，具有迅速和小轉彎行駛能力等。

機械式轉向器分為齒輪齒條式和循環球式轉向器，齒輪齒條式轉向器其結構是一對相互嚙合的齒輪齒條。工作原理如下：轉向軸帶動小齒輪旋轉，齒條便做直線運動。靠齒條來帶動橫拉杆，就可使轉向輪轉向。循環球式轉向器由兩級傳動副、殼體、鋼球和間隙調整裝置等組成。工作原理如下：第一級傳動副是螺桿—螺母傳動副，第二級是齒條—齒扇傳動副，轉向螺桿與轉向軸連接，轉向螺母既是第一級傳動副從動件，又是第二級傳動副主動件。

圖3.齒輪齒條式轉向器

圖4.循環球式轉向器

二、電動助力轉向系統（EPS）

汽車動力轉向系統的轉向加力裝置可分為氣壓式、液壓式以及電動式。下面主要介紹電動助力轉向機構，近年來，EPS在乘用車上面得到了大量的應用，並且還具有一些額外的附加功能：如抗雜訊能力以及過載保護能力等。相比較機械式傳動系統，電動助力轉向系統還包括電動機、電池、感測器以及控制線束。電動助力轉向機構可以分為以下三類：

圖5. 電動助力轉型機構分類

圖6.EPS組成與工作原理

其工作原理如下：當駕駛員對方向盤施加扭矩試圖轉動時，扭矩感測器將轉動角位移信號轉變為電信號傳遞到ECU，同時此時車速也傳入ECU。根據以上的信號輸入，ECU計算出電動機的輸出轉矩大小和方向並輸出信號，最後輸出信號通過電流驅動電路驅動電動機。

三、汽車轉向系統模型

對於現在的汽車實驗研究來說，轉向系統模型是必不可少的，其作用是用來描述方向盤轉角與前輪轉角以及方向盤迴正力矩之間的關係。轉向系統模型關係到汽車動力學的模擬精度。此模型應該具備如下特性比如：根據輸入指令保證汽車整體的方向控制並反饋方向盤的力感響應等。下面通過介紹一種線性二自由度汽車模型的分析過程。

圖7 線性二自由度汽車模型

當然此模型的建立忽略了很多條件，比如忽略了轉向系統以及懸架的作用，但是依然可以通過此模型建立線性二自由度汽車的運動微分方程組，對車輛加速度在汽車坐標系中分解後，通過列出運動平衡方程組可以得到外力、外力矩以及汽車運動參數的關係式，式中參數分別表示車輛的結構參數以及運動參數。

通過求解方程組得出某些性能指標就能夠客觀地分析車輛的某些性能例如操縱穩定性。表徵車輛轉向特性的一個重要參數穩定性因數K便是通過此獲得：當K值為0，車輛具有中性轉向特性；當K值為正，車輛具有不足轉向特性；當K值為負，車輛具有過度轉向特性。

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