智能化汽車主動轉向裝置設計*

文少波，周 盼，吳金國，彭 泉

(南京工程學院 汽車與軌道交通學院,江蘇 南京 211167)

0 引 言

隨著科技的不斷進步，人們對于汽車的期望不再僅僅滿足于簡單的出行，如何將現代科技與傳統汽車結合在一起，設計出符合現代人需求的汽車迫在眉睫[1]。智能化汽車作為一種新興概念越來越受到人們的重視，在當前電子信息技術的飛速發展下，將各種智能化系統加載到汽車上，讓汽車像智能手機一樣做到人機交互正在逐步實現[2]。從長遠發展的角度來看，智能化汽車作為新生事物將帶動社會經濟的持續發展[3]。

作為汽車智能化的重要組成部分，主動轉向裝置也越來越受到工程人員的關注。主動轉向裝置是汽車控制系統中至關重要的部分，直接影響到汽車行駛的穩定性、安全性、操縱性[4]。為此，根據給定車型參數，進行主動轉向系統的方案設計和主動轉向裝置結構設計，并在UG軟件中進行三維實體建模和虛擬裝配、運動仿真分析，將現代設計方法用于傳統的機械設計，使得設計變得準確而快捷。

1 主動轉向方案設計

1.1 主動轉向的要求

在汽車的智能化行駛中，根據轉向功能需要，主動轉向需滿足以下要求：①為了保證汽車的機動性，要具備小的轉向力和迅速的轉彎行駛能力；②汽車轉彎時，車輪不能有側滑，車輪中心要隨瞬時轉向中心旋轉，否則會加速輪胎磨損、影響汽車的操作穩定性；③駕駛員松開轉向盤后，轉向車輪能夠主動恢復到直線行駛狀態；④轉向機構要具備保護裝置。發生重大事故時，轉向盤管柱能夠潰縮，保證管柱不發生大的變形與偏移，起到保護駕駛人員的作用；⑤汽車行駛過程中，轉向輪遇到障礙時，通過轉向機構傳給轉向盤的力要在合理范圍內；⑥汽車行駛過程中，不管遇到什么狀況，轉向盤都不能出現擺動，轉向車輪不能產生自振現象；⑦整個主動轉向系統要結構簡單，操作輕便。

1.2 主動轉向方案

主動轉向方案原理如圖1所示，在原有的汽車轉向系統的基礎上，安裝轉向驅動電機，由ECU接收汽車車速、轉向柱位置、車輪位置、電機轉角等信息后，控制驅動電機產生轉向原動力，經過減速機構傳到轉向柱，再傳到轉向器，由轉向器控制轉向車輪，從而實現汽車轉向。

圖1 主動轉向方案

2 主動轉向裝置的設計

2.1 汽車整車參數

智能化汽車主動轉向裝置的安裝平臺為選定的車型，整車參數如表1所列。

表1 智能化汽車整車參數

2.2 主動轉向裝置結構設計

根據所給整車參數，轉向器選擇齒輪齒條式結構形式，兩個轉向副分別為齒輪軸和齒條。其主要特點為：結構簡單、體積小，轉向輪的轉角相對比較大；嚙合出現磨損后可通過彈簧主動調節，不會出現嚙合間隙[5]。

主動轉向裝置采用驅動電機代替傳統的駕駛員轉向操作。驅動電機布置在駕駛室，通過減速機構將電機的輸出軸與轉向柱連接起來，進而驅動原有轉向系統，最后實現轉動車輪的操作。

2.2.1 轉向力矩計算

(1)原地轉向阻力矩

駕駛員為轉動轉向輪需要克服的阻力包括車輪穩定阻力、輪胎變形阻力以及轉向系中的內摩擦阻力等等。在現實情況下很難精準地測量這些力，因此選擇經驗公式確定原地轉向阻力矩MR：

(1)

式中：f為輪胎與地面之間滑動摩擦系數；G1為轉向橋載荷，單位為N；P輪胎氣壓，單位為MPa。

由公式(1)計算得汽車原地轉向阻力矩為254.9 N·m。

(2)轉向盤力

(2)

式中：L1為轉向搖臂長；L2為轉向節臂長；MR原地轉向阻力矩；DSW轉向盤直徑；i轉向器傳動比；η+轉向器正效率。

已知MR=254.9 N·m，DSW=320 mm，i=37.93，η+=90%。將相應數據帶入公式(2)，可得轉向盤上的力約為46.7 N。

(3)轉向盤力矩

(3)

將相應數據帶入公式(3)，可得轉向盤力矩約為7.47 N·m。

2.2.2 驅動電機選型

主動轉向的關鍵部件是代替人力操作的驅動電機，對電機的要求：在汽車高速行駛狀態下，需要提供小的轉動角度，確保操作穩定性和行駛平順性。在汽車低速行駛狀態下，需要電機有較強的靈敏性，能在短時間內達到期望轉動角度。

步進電機有著高精度、高效率、低成本和簡單的控制模式[6]，符合主動轉向驅動電機的需求。

根據轉向柱的轉速和力矩要求進行步進電機選取。汽車轉向過程中，轉向盤最大轉向速度為1.68 rad/s左右，大約相當于轉向盤每分鐘轉16圈[7]，由上面可知轉向柱力矩不小于7.47 N·m。為此，選擇86byg250-65型兩相步進電機作為主動轉向驅動動力，主要參數如表2所列。

表2 兩相步進電機86byg250-65主要參數

2.2.3 減速機構

減速機構的作用是降低步進電機的輸出速度、增加輸出扭矩。目前主流減速機構有齒輪、渦輪蝸桿、滾珠螺桿螺母和行星齒輪機構等。采用結構簡單的齒輪副作為減速機構，主動齒輪與電機軸同軸連接，從動齒輪與轉向柱同軸連接。

為了滿足轉向柱力矩需求，主動齒輪齒數為23，從動齒輪齒數67，減速比為2.91。

3 主動轉向裝置三維實體建模

在UG軟件中先建立各零部件的三維實體模型，主要包括汽車轉向盤、轉向驅動電機、齒輪副、轉向柱、齒輪齒條副、萬向節等。然后進行虛擬裝配。在裝配過程中，可進行各零部件的設計、編輯、配對和定位，同時還可以進行零件之間的干涉檢查[8]。主動轉向裝置的裝配模型如圖2所示。

4 主動轉向裝置運動仿真

UG軟件中的運動分析模塊(Scenario For Motion)用于建立運動機構模型、分析運動規律，可以跟蹤零件的運動軌跡，分析機構中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等[9]。

創建連桿：根據運動分析仿真的需求，建立5個連桿，分別為：轉向盤、轉向柱、電機齒輪、齒條和齒輪軸。

創建運動副：①將轉向盤和轉向柱分別設置為旋轉副；②設置2個萬向節副，分別位于轉向盤下方和轉向柱之間，轉向柱和轉向器主動齒輪之間；③設置2個耦合副，分別是電機齒輪與管柱齒輪相嚙合的齒輪耦合副、齒輪齒條相嚙合的齒輪齒條副。運動分析的具體方案如圖3所示。

圖2 主動轉向裝置裝配模型 圖3 主動轉向裝置運動方案

汽車正常行駛時，為了保證行駛操作穩定性，汽車轉向盤的轉動速度一般在0.26～1.68 rad/s之間[7]。為了真實地模擬行車過程，現在給轉向盤加載一個0.32 rad/s的初速度和0.16 rad/s2的加速度，轉向盤轉動到極限位置所需要的時間為4.4 s。對模型進行運動仿真，得到轉向器橫向齒條的速度、加速度隨時間關系如圖4、5所示。

圖4 橫向齒條速度隨時間關系

圖5 橫向齒條加速度隨時間關系

從轉向器橫向齒條速度、加速度隨時間關系可以看出，隨著轉向操作時間的增加，轉向角增大，橫向齒條速度、加速度上下波動差值也在不斷地增大。在第4～4.4 s之間，橫向齒條移動速度波動達8.3～28.7 mm/s，加速度波動達-121～138 mm/s2。由此可以得出，當轉向盤轉動時，隨著轉向角的增大，轉向器橫向齒條和齒輪之間的嚙合的波動也在不斷的加大。

5 結 論

文中對智能化汽車主動轉向裝置進行了研究，利用UG軟件進行三維實體建模、裝配和運動仿真，以此來論證該主動轉向裝置的可行性，為汽車智能轉向操作的研究提供依據。研究重點內容如下。

(1)確定了主動轉向方案。根據給定車型參數及其運行特性，采用驅動電機在轉向柱加載的形式并配合齒輪齒條轉向器作為主動轉向系統基礎。

(2)計算了轉向盤所需的力和轉向柱所需的力矩，以此為基礎進行了步進電機選型。

(3)基于UG軟件建立了主動轉向裝置實體模型，利用其運動仿真模塊對主動轉向系統進行了運動仿真，分析了轉向角的變化對轉向波動的影響。