基于行星齒輪的主動式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計及控制研究

屈小貞，馮浩軒

（121001 遼寧省 錦州市 遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院）

0 引言

汽車主動式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相對于常規(guī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以自由施加轉(zhuǎn)向角度，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向傳動比隨著車速明顯變化而改變的轉(zhuǎn)向特性，保障不同車速下的轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向車輪轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)向比始終處于最佳比值[1-2]。主動式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能保障車輛在中低車速范圍內(nèi)的操控性和靈敏性明顯提高，在較高車速范圍內(nèi)會使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操控變得更加穩(wěn)定可靠[3-5]。因此，本文提出的基于行星齒輪實現(xiàn)的主動式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可實現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)向傳動比功能，以保障汽車低速工況下的操控輕便性和高速工況下的操控穩(wěn)定性需求。

1 主動式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

一種基于行星齒輪機構(gòu)實現(xiàn)的主動式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如圖1 所示。行星齒輪機構(gòu)置于轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向器之間，轉(zhuǎn)向軸通過行星齒輪機構(gòu)的輸入軸帶動行星齒輪機構(gòu)內(nèi)的齒輪轉(zhuǎn)動，再由行星齒輪機構(gòu)的輸出軸帶動轉(zhuǎn)向器工作。

圖1 主動式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置圖Fig.1 Structural layout of active steering system

行星齒輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖2—圖4 所示。小太陽輪和大太陽輪分別固定在輸入軸和輸出軸的內(nèi)端，小太陽輪和大太陽輪的圓周上分別均布有與其嚙合的3 個短行星輪和3 個長行星輪，且短行星輪同時與長行星輪嚙合。同時，行星架的兩端通過軸承分別安裝在輸入軸和輸出軸上，且由軸向定位裝置限制其軸向滑移。齒圈內(nèi)圈與3 個長行星輪同時嚙合，且齒圈的外圈輪齒與安裝在底殼內(nèi)的蝸桿嚙合。蝸桿兩端通過軸承固定在底殼內(nèi)，并與齒圈的外圈嚙合組成蝸輪蝸桿機構(gòu)，且蝸桿一端延伸至殼體外通過電磁離合器連接到伺服電機上，而電磁離合器由電路控制實現(xiàn)蝸桿與伺服電機的連接或分離。

圖2 行星齒輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural layout of planetary gear mechanism

圖3 行星齒輪機構(gòu)的行星齒輪結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural layout of planetary gears in planetary gear mechanism

圖4 行星齒輪布置簡圖Fig.4 Layout of planetary gears

根據(jù)行星齒輪組機構(gòu)運動特性，當(dāng)某一部件被約束或鎖止時，行星齒輪組中的長短行星輪則會繞銷做同步自轉(zhuǎn)運動，從而產(chǎn)生小太陽輪與大太陽輪的相對滑轉(zhuǎn)，實現(xiàn)輸出軸相對于輸入軸的差速轉(zhuǎn)動；而當(dāng)約束行星架和小太陽輪為同步鎖止部件時，整個行星齒輪組作為一個整體機構(gòu)同步轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)輸入軸和輸出軸的同步等速轉(zhuǎn)動。

行星齒輪組機構(gòu)作為一個整體機構(gòu)同步轉(zhuǎn)動時，長行星輪公轉(zhuǎn)的同時帶動齒圈做同步轉(zhuǎn)動，齒圈轉(zhuǎn)動進而驅(qū)動蝸桿同步轉(zhuǎn)動。為保證實現(xiàn)蝸輪蝸桿的自由逆向傳動，蝸桿參數(shù)設(shè)計需滿足如下條件：

（1）蝸輪蝸桿傳動不能自鎖的條件為蝸桿的展開螺旋角λ大于渦輪蝸桿接觸的摩擦角δ，參數(shù)如圖5 所示。

圖5 蝸桿結(jié)構(gòu)參數(shù)圖Fig.5 Diagram of worm structure parameters

（2）根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)與硬質(zhì)合金結(jié)構(gòu)的摩擦情況，且保證不發(fā)生自鎖的情況須滿足tanδ取值0.45～0.6，為滿足上一條件此方案設(shè)計中取tanλ=0.6。

（3）為保證蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)尺寸符合實際需求，取蝸輪蝸桿齒輪模數(shù)為3，蝸桿頭數(shù)Z1為3。

根據(jù)式（1）可得蝸桿的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，由此設(shè)計的蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)可滿足逆向傳動需求。

式中：Pa1——軸向齒距；Z1——蝸桿頭數(shù)；d1——蝸桿節(jié)徑。

行星架左端與永磁摩擦片通過鉚釘固定連接，并能繞輸入軸同步轉(zhuǎn)動。永磁摩擦片形狀為圓盤形，材料屬性為強永磁材料。電磁摩擦片安裝在輸入軸上的花鍵軸部位，并置于永磁摩擦片左側(cè)，其只能沿輸入軸軸向方向滑移并隨輸入軸同步轉(zhuǎn)動。電磁摩擦片外側(cè)通過伸縮導(dǎo)線連接到控制電路中，并通過控制電路中的電流方向和大小來改變電磁摩擦片的兩端磁極方向及磁力大小，以實現(xiàn)與永磁摩擦片的嚙合或分離。

2 主動式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制設(shè)計

電磁摩擦片會根據(jù)控制電路實現(xiàn)電磁效應(yīng)，進而出現(xiàn)與永磁摩擦片的同極相斥或異極相吸。因永磁摩擦片與行星架在軸向方向上固定，電磁摩擦片只能隨電磁效應(yīng)而沿輸入軸花鍵部位軸向滑移，進而實現(xiàn)行星架和小太陽輪的約束鎖止或分離狀態(tài)變換。

約束行星架的電磁摩擦片和連接蝸桿的電磁離合器均由如圖6 所示的控制電路控制其為嚙合或分離狀態(tài)。控制電路是由單片機端口、三極管、與門非門、螺旋線圈和可變電阻等一同連接到車用電源。當(dāng)使能信號ENABLE 輸出信號1，DIR1 信號端輸出信號0，DIR2 信號端輸出信號1，DIR3 信號端輸出信號0。非門U1A 將信號0轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?，與門U3A 將輸出信號1，三極管Q1 通路。與門U4A 輸出信號0，三極管Q2 斷路。與門U6A 輸出信號1，三極管Q4 通路，非門U2A 將DIR2 輸出的信號1 轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?，與門U5A 輸出信號0，三極管Q3 斷路。此時電流方向規(guī)定為正向，電流從電源端先后經(jīng)過三極管Q1、電磁摩擦片中的螺旋線圈，三極管Q4，使電磁摩擦片與永磁摩擦片的相對端面因異極相吸并鎖止為一體。此時三極管Q5 斷路，電磁離合器處于斷路狀態(tài)不結(jié)合。

圖6 控制電路圖Fig.6 Control circuit diagram

當(dāng)使能信號ENABLE 輸出信號1，DIR1 信號端輸出信號1，DIR2 信號端輸出信號0，DIR3信號端輸出信號0。非門U1A 將信號1 轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?，與門U3A 將輸出信號0，三極管Q1 斷路。與門U4A 輸出信號1，三極管Q2 通路。與門U6A 輸出信號0，三極管Q4 斷路，非門U2A 將DIR2 輸出的信號0 轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?，與門U5A 輸出信號1，三極管Q3 通路。此時電流方向規(guī)定為反向，電流從電源端先后經(jīng)過三極管Q3、電磁摩擦片的螺旋線圈、三極管Q2，使電磁摩擦片與永磁摩擦片的相對端面因同極相斥并逐漸分離。與此同時控制電路中的DIR3 信號端輸出信號為1，ENABLE，DIR1，DIR2 信號輸出端均為0，只有三極管Q5 通路，電磁離合器處于通路狀態(tài)結(jié)合。

當(dāng)使能信號端ENABLE，DIR1，DIR2，DIR3 輸出均為信號0 時，三極管全部為斷路，電路中無電流產(chǎn)生。

通過可變電阻R1 調(diào)節(jié)控制電路中流經(jīng)螺旋線圈的電流大小，以改變電磁摩擦片的磁力大小來控制與固定在行星架上的永磁摩擦片之間的相互作用力，達到調(diào)控二者相互嚙合或分離時的磁力沖擊。

在汽車起動初始工作狀態(tài)時，電磁摩擦片處于通電狀態(tài)，其與永磁摩擦片通過磁極作用同極相吸并鎖止在一起，進而連接行星架和小太陽輪處于同步轉(zhuǎn)動狀態(tài)。此時齒圈隨輸入軸同步轉(zhuǎn)動，繼而帶動蝸桿同步轉(zhuǎn)動。因蝸桿一端連接的電磁離合器處于斷電狀態(tài)，即蝸桿處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，且電磁離合器外端連接的伺服電機同樣處于斷電狀態(tài)。此時轉(zhuǎn)動輸入軸時，整個行星齒輪組作為一個整體機構(gòu)隨輸入軸和小太陽輪做同步轉(zhuǎn)動，最終輸出軸與輸入軸做等速轉(zhuǎn)動其實現(xiàn)的傳動比值為1。

當(dāng)需要轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出軸與輸入軸做不等速轉(zhuǎn)動時，電磁摩擦片需瞬時由控制電路改變電流方向并逐漸減小電流，直至電磁摩擦片與永磁摩擦片徹底分離，此時行星齒輪機構(gòu)內(nèi)部件可相對自由轉(zhuǎn)動；同時，由控制電路控制電磁離合器處于通路結(jié)合狀態(tài)，并由伺服電機通過電磁離合器驅(qū)動蝸桿轉(zhuǎn)動，根據(jù)轉(zhuǎn)向需求增大或減緩蝸桿的轉(zhuǎn)速，進而改變齒圈的轉(zhuǎn)速。齒圈轉(zhuǎn)速的改變，會改變長行星輪的自轉(zhuǎn)速度，進而改變短行星輪的自身轉(zhuǎn)速，最終實現(xiàn)小太陽輪與大太陽輪的轉(zhuǎn)速差速，即輸入軸和輸出軸的差速轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)改變傳動比的目的。

3 主動式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理

車輛控制單元還會根據(jù)不同傳感器檢測的實時車速、發(fā)動機輸出等參數(shù)，通過車速變化和行車需求適時調(diào)整電磁摩擦片和電磁離合器的控制模式切換，并通過伺服電機控制蝸桿的轉(zhuǎn)速來改變行星齒輪機構(gòu)的差速傳動，以實現(xiàn)不同的傳動比變換，來滿足不同車速下的轉(zhuǎn)向傳動比需求。

為保證車輛轉(zhuǎn)向時的穩(wěn)定性需求，始終保證車輛轉(zhuǎn)向時的橫擺角速度增益處于穩(wěn)定范圍，根據(jù)汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向模型，車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的理想轉(zhuǎn)向比[6]為

式中：i0——轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的初始轉(zhuǎn)向比；ig——行星齒輪機構(gòu)的傳動比；V——汽車車速；L——汽車的軸距；a——質(zhì)心到前輪的距離；b——質(zhì)心到后輪的距離；m ——整車質(zhì)量；cf——前輪側(cè)偏剛度；cr——后輪側(cè)偏剛度。KS根據(jù)駕駛員的習(xí)慣進行決定，對于普通駕駛員取值為0.120～0.371/s，對于熟練駕駛員取值為0.120 0～0.417 1/s。

當(dāng)車輛在起步或較低車速范圍內(nèi)行駛時，電磁摩擦片處于通路狀態(tài)，電磁離合器處于斷路狀態(tài)。轉(zhuǎn)向盤角輸入經(jīng)行星齒輪機構(gòu)作用到轉(zhuǎn)向器上，行星齒輪機構(gòu)作為一個整體機構(gòu)與輸入軸和輸出軸做同步轉(zhuǎn)動，以實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)向傳動比，保持原有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動比不變。

當(dāng)車輛行駛車速逐漸增大至某區(qū)間車速范圍時，控制電路瞬時完成切換電磁摩擦片和電磁離合器的通電狀態(tài)。與此同時，伺服電機通過電磁離合器驅(qū)動蝸桿帶動齒圈瞬時完成同向增速旋轉(zhuǎn)運動，以減緩大太陽輪相對于齒圈的圓周轉(zhuǎn)速，最終實現(xiàn)大太陽輪和輸出軸相對于輸入軸的差動減速，此時行星齒輪機構(gòu)起到增大傳動比的作用，使相同的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入對應(yīng)相對較小的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角，以滿足車輛動態(tài)轉(zhuǎn)向的操縱穩(wěn)定性需求。

反之，當(dāng)車輛行駛逐漸降低至低速區(qū)間或停車時，控制電路瞬時控制切換電磁摩擦片和電磁離合器的通電狀態(tài)，由伺服電機通過電磁離合器驅(qū)動蝸桿瞬時完成同向減速旋轉(zhuǎn)運動，以加快大太陽輪相對于齒圈的圓周轉(zhuǎn)速，使蝸桿驅(qū)動齒圈和大太陽輪回到初始位置。齒圈恢復(fù)初始位置，控制電路切換至初始電路，此時行星齒輪機構(gòu)恢復(fù)到初始位置并作為一個整體機構(gòu)隨輸入軸同步轉(zhuǎn)動。

4 結(jié)語

本文設(shè)計研究的主動式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、操控方便等特點，其基于行星齒輪機構(gòu)的差速運動來實現(xiàn)相同轉(zhuǎn)向角輸入對應(yīng)不同車速下的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角需求，使汽車轉(zhuǎn)向比隨車速變化始終處于理想狀態(tài)，以保障汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)同時滿足低速下的操控輕便性和高速下的操控穩(wěn)定性需求。