汽車轉向管柱可變傾角的實現

王迪 鄭宇

摘 要：在社會經濟與科技飛速進步的背景下，汽車成為了人們日常生活中常用的基礎交通工具之一。汽車轉向系統的設計是保證其運行平穩、轉向流暢的主要環節，作為設計和生產企業都必須加以重視。汽車轉向要求能夠實現不同傾角的可變調節，有利于提升汽車整體的使用感和安全性。因此，本文系統性地介紹了汽車轉向系統的概念可實施可變傾角調節的必要性，根據不同的功能模塊詳細討論如何實現這一需求。

關鍵詞：汽車設計;轉向管柱;可變傾角

一、汽車轉向系統設計概述

汽車的轉向操作就是方向盤帶動車輪轉動，從而實現汽車在不同方向上的轉換的整個過程。在進行汽車轉向系統的設計時，需要考慮的因素較多，如車速、轉動角度和響應等，都會影響在不同情況下汽車轉向功能的實現。首先，當車速過快時，原本的小角度轉動也可能會在加速度的影響之下產生較大的位移，且汽車的整體行駛呈現出非線性時變，使駕駛人員很難把握[1]。有時駕駛人員手部的輕微轉動就可能會引發汽車漂移，所以需要在方向盤的底部增加一個防誤觸的元件，保證行車的安全性。其次，根據汽車轉動軸的材質和使用年限等不同，汽車本身對于方向盤轉動角度的響應也會存在一定的偏差。如新車和年限較長的車方向盤的調節角度大，但車輪的響應較小，而保養過后的車整體響應更加靈敏精確。

二、轉向管柱可變傾角調節必要性

在行車過程中有時會存在不同的轉向需求，在設計和生產過程中保障汽車的轉向管柱能夠實現可變傾角的調節具有較強的現實意義。一方面，在駕駛過程中如果出現緊急剎車或需要躲避障礙物等情況時，一般需要調節較大角度的轉向，否則可能會出現交通事故。但是受到車速和其他車道車輛的影響等，對于汽車轉動躲避的角度有一定的限制。在汽車的轉向系統中通過可變角度的調節，可以由駕駛人員結合實際情況自主掌握，更有利于躲避危險事故的發生[2]。另一方面，在倒車、停車等情況下時，需要對車輛進行小角度的轉動和調節，如果方向偏大則可能會出現刮蹭事故。要求在設計時能夠實現不同角度的變化調節，增加駕駛人員的操作掌握和體驗感，使整體設計更加人性化、科學化。

三、轉向管柱可變傾角調節的實現

在設計汽車轉向管柱可變傾角調節時，必須要明確不同模塊的劃分可主要功能，分別進行模型建立討論和設計分析，突出可變傾角調節功能的落實。

（一）轉向操作實現

在轉向操作中，駕駛人員主要控制的對象是方向旁，向左、右兩個方向的轉動分別可以帶動車輪響應發生偏轉。對于角度和位移的控制主要是通過連接的軸線進行傳遞的，該部分的材料為鋼制結構，在設計時需要考慮到其鋼體的特性和扭矩等計算問題。假設方向盤轉動后發生的慣量和阻尼分別為J1、c1，通過連接桿（K1）、減速器（G1）、電機（M）的傳遞后最終的輸出為J2、c2。在這個傳導的過程中，由于駕駛人員力的作用，還會給連接桿造成一定的摩擦影響，整個系統可以視為是鋼體結構，電機中使用了直流電流造成了一定的電磁轉矩[3]。通過建立動力學的模型，可以更好地分析方向盤的輸入和電機轉動的輸出之間的關系。

（二）轉向執行模塊

轉向指令的執行即將電動機的轉動作為輸入端，通過齒輪的咬合帶動輪胎的轉動，最終實現轉向需求的過程。電機（M）端的參數信息為J2、c2，通過減速器（G2）后帶動下端的齒輪發生轉動和咬合，在這個過程中會受到摩擦力的影響。電機的機芯內部也存在慣量和阻尼，根據電磁轉矩的計算可以得到齒輪上受到的動力大小，并建立轉向輪的動力方程，從中得到傳輸給輪胎的力學參數。在轉向指令執行的過程中完全依靠汽車內部的各類零件實現，本身與駕駛員的作用力影響較小。通過力學分析，可以得到方向盤的轉動角度和輪胎響應之間的關系，更通過對零件參數的合理選擇和調試，可以使執行指令更加符合人體的認知習慣。

（三）故障容錯模塊

故障容錯是指為了防止在汽車高速行駛的過程中因為駕駛人員的誤觸等造成了方向盤小角度的轉動，從而引發汽車的偏移等安全問題。容錯模塊主要是通過補償器來實現的，可以根據人體工程學，找到在駕駛過程中手臂、手腕的肌肉信息，從力學傳遞的函數中找到傳遞響應的最小值，并將其作為方向盤轉動角度的容錯限度。當駕駛人員的手臂因為自身轉動需求而引發的偏轉一定大于正常狀態下的肌肉信息，則可以實現駕駛時的防誤觸功能。

（四）中控系統設計

中控系統是汽車內的一套智能控制模塊，可以更加靈活地調節上述三種模塊的響應和工作。汽車的轉向系統主要是機械響應，整個過程中一般不會存在人為的影響。中控系統的工作主要是保證各個模塊之間的連接順暢能夠實現汽車的轉向需求。當方向盤發生轉動后會將這一數據信息傳輸到中控平臺里，通過電機帶動輪胎相應偏轉后，會向中控平臺回釋一個反饋信號，有中控平臺合理判斷本次轉動響應的完成，防止電機和其他連接轉到部位的移動，保持汽車的轉動恒定。

四、結束語

總之，可以將汽車的轉向系統劃分為不同的模塊，在設計和制造的過程中能夠更有針對性。轉向系統的操作主要是通過方向盤的轉動來實現的，其與轉動執行模塊之間的連接系數需要結合動力學的模型和人體習慣進行分析。汽車轉動的角度主要是依靠電機點動實現的，其中的慣量和阻尼會會角度造成一定的影響，在控制時要結合轉矩計算合理設計。

參考文獻

[1] 昌小波.基于單片機的汽車轉向輪轉角顯示的設計[J].科技風，2020（06）：13.

[2] 楊南.基于CAE技術的汽車轉向管柱支架壓鑄工藝分析[J].熱加工工藝，2017（09）：115-118+122.