基于直线电机控制转向力的汽车转向系统探讨
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用直线步进电机控制转向助力的汽车转向系统
图2 用直线步进电机控制转向助力的汽车转向系统结构原理
如图2所示，其直线步进电机的动件直接与转向器齿条相连，整个直线步进电机套装在转向器齿条机构上，几乎不占用空间。它也是在原先结构最简单的无助力机械转向系中增加一台直线步进电机，由直线步进电机的直线推力来直接助力驾驶员对转向器的操纵力矩，由于对转向器的助力并不很大，齿条的直线位移量也不长，用一台小型直线步进电机足以驱动。其控制原理与eps基本类同，只不过对电机的驱动需改用前述步进电机脉冲分配方式。具体实施可参照有关eps[1]中的电子控制器ecu与其控制逻辑等进行，并借用eps中相关传感器。即根据转向盘转角信号控制直线步进电动机位移量，利用转向轮转角信号来实现闭环控制，精确控制其位移量，根据车速进行相应的助力。在低速时给予较大助力，随车速提高而减小助力，车速高到一定范围时停止助力，而在汽车高速行驶时又希望能对转向系统有一种“反向”助力，即适当增加转向系的阻尼。这一点对于现有的转向系较难做到，而采用直线步进电机助力就很容易实现，根据直线步进电机工作原理可知，只要保持其电机的通电状态即可使该直线位移装置具有一定自锁力，控制其通电电流大小即可改变定、动件之间的磁拉力大小。从而可按车速信号根据要求来控制其转向助力的大小，随着车速的提高即减小绕组通电电流，其转向助力也随之减小；当车速高于相应速度(一般为30km/h)时就取消给转向系助力，即停止给直线步进电机供电；而当车速高到一定程度时，希望能给转向系逐渐增加其阻尼，可使直线步进电机绕组保持通电状态而产生自锁力，控制其电流大小即能改变对转向系的阻尼大小。达到对转向盘的操纵即轻便灵敏又稳定可靠。
用直线步进电机控制转向力的汽车转向系统
图3 用直线步进电机控制转向力的汽车转向系统结构原理
如图3所示，它进一步简化了转向系的结构，去掉转向盘至横拉杆中间的所有传动链，包括齿轮输入轴扭杆及齿轮齿条付。转向盘内安装有转向盘转角传感器，并适当增加其转动阻尼，独立安置于驾驶室内。而直线步进电机的动件两端直接与左右横拉杆相连，电子控制器根据转向盘的转向角度信号及车速信号，来控制直线步进电机动件进行左右位移，经横拉杆、转向节臂传动，进而控制车轮转向。在确保系统可靠性的前提下，该方案的优点是结构更简单、所占体积更小、成本低、控制更直接、响应更快。但一旦系统发生故障，汽车就无法转向。而用在四轮转向4ws系统的后轮转向机构中却是优选的方案。它的应用有望使汽车四轮转向4ws系统的性价比进一步得以提高。
结语
文中阐述了为提高汽车转向系统的快速响应性和满足在不同车速下有相应的助力等功能要求，在对汽车转向系统各功能要求与其相应机构运行原理的分析基础上，根据转向机构最终带动转向节臂的横拉杆均为左右直线运动等特点，提出了用直线步进电机直接带动左右横拉杆的两种汽车转向系统控制机构。此设计方案可使控制更直接，动态响应更快，又省去了大部分机械或液压部件，使结构更简捷，且利用直线步进电机的控制特点，即可方便地充分满足转向力随车速变化的各控制要求，又提高了转向精度。该设计方案的实施还有助于提高高性能汽车四轮转向系统的性价比。
作者简介
王贵明(1950-) 男 高级工程师，研究方向：数控伺服技术，电动汽车、智能交通等相关技术及机电一体化。
参考文献
[1] 王贵明，王金懿．电动汽车及其性能优化[m]．北京：机械工业出版社，2010．
[2] 王贵明，王金懿．电动汽车用四轮毂电机驱动实现四轮转向的电子差速转向控制系统[p]．中国：200910152933.1，2010.6.2．
[3] 王贵明．用恒温直线电机驱动的位移控制装置[p]．中国：cn86107217，1987.6.10．
[4] 王贵明．直线电机进给系统特点及改进方案[j]．制造技术与机床．1999.6．
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