冯浩轩，屈小贞

（121001 辽宁省 锦州市 辽宁工业大学 汽车与交通工程学院）

0 引言

随着汽车技术的发展，汽车的安全稳定性日益重要，作为操控汽车行驶方向的转向系统对汽车行驶安全性极为重要。在常规转向系统中，转向盘与转向轮的转向传动比是固定不变的。实际行车中，我们期望的汽车转向系统既要在低速下具有灵活的转向特性，又要在高速下具有很好的转向稳定性。与常规转向系统相比，可变传动比式转向系统具有多个不同的转向传动比，可根据车速变化切换到理想的转向传动比[1-3]。本文提出的可变传动比式转向系统可同时满足转向系统在汽车低速下的灵活性和高速下的稳定性需求。

1 主动式可变转向系统结构设计

可变传动比式转向系统的结构总成布置如图1所示。该转向系统通过转向盘转动带动转向轴转动，由驱动电机通过减速齿轮实现电动助力转向。可变传动比机构是通过液压系统与控制电路协同控制，根据汽车行驶车速变换实时调节自身传动比，以满足不同车速下转向时所需的最佳转向传动比。

图1 主动式可变转向系统的结构总成布置图Fig.1 Structural assembly layout of active variable steering system

可变传动比机构是由如图2 所示的内部结构和如图3 所示的外壳结构组成，其两端分别由端盖密封支撑。外壳内壁上设置有6 条均匀分布的直线凹槽，直线凹槽贯穿外壳的内壁两端，且每条直线凹槽的槽沟深度与钢球三分之一处的圆周直径相等。套筒以过盈配合方式固定在转向齿轮轴右端。套筒外壁与外壳内壁分别设置有六条对应的曲线凹槽和直线凹槽。曲线凹槽纵跨套筒的圆周角度不小于720°。

图2 可变传动比机构内部结构图Fig.2 Internal structure of variable transmission ratio mechanism

图3 可变传动比机构外壳结构图Fig.3 Shell structure of variable transmission ratio mechanism

如图4 所示的钢球环形架安装在套筒外壁上的中间位置，钢球环形架圆周上均匀装配6 颗钢球，其上下各1/3 球体结构分别与外壳内壁上的直线凹槽和套筒外壁上的曲线凹槽的槽沟深度吻合，钢球中间1/3 结构装配在钢球环形架内，且钢球可在钢球环形架内转动。钢球环形架圆周上设置有6 个均匀分布的单向球阀，其呈间隔布置且相邻的球阀安装方向相反。环形架内外侧两端增加油封，降低钢球环形架左右滑移时在套筒外壁与外壳内壁之间油液产生的缝隙流动效应。

可变传动比机构由端盖及密封圈构成一个密封装置，内部被钢球环形架分割为左右2 个密封空腔。左端电磁铁和右端电磁铁分别固定连接在左端盖和右端盖上。为保障两端电磁铁在转动过程中其螺旋线圈供电顺畅，两端电磁铁的螺旋线圈接头通过对应的端盖分别引出连接到对应的电路滑片导线上。左右两端电磁铁是由如图5 所示的内、外两层圆环形导磁体和两层之间的超导线圈构成，两端电磁铁通过轴承支撑在转向齿轮轴上，电磁铁和端盖同步转动并与转向齿轮轴之间可以实现相对转动。

钢球环形架通过左右两端电磁铁的磁力变化及左右油腔内油液压力变化来实现左右滑移。初始位置时，左右两侧油腔内油液压力相等，钢球环形架保持在套筒的中间位置静止不动，当钢球环形架在两侧磁力作用下移动时，受压侧油腔内油液压力逐渐增大，单向球阀开启，受压侧油腔内油液经单向球阀流入另一侧油腔内。油箱内的油液经油泵泵入压力减小的油腔内以补充钢球环形架滑移后的空腔，溢流阀保障油液压力不大于受压侧油腔内油液压力。通过减压阀溢出受压侧油腔内的多余油液以降低其油腔内油液压力，来保障钢球环形架在到达目标位置之前受压侧油腔内的油液压力始终小于电磁铁与钢球环形架之间的磁力，最终实现钢球环形架相对套筒的滑转目的，进而实现转向柱与转向齿轮轴的相对转角变换，以实现不同车速下的转向传动比的变换需求。

2 主动式可变转向系统的控制研究

2.1 液压系统

套筒上的供给油孔与转向齿轮轴的供给油孔完全对应重叠，2 条连接油道布置在转向齿轮轴内。左右两油腔内的油液量是通过齿轮轴前端2个环形凹槽内的油孔来补给或溢出。转向齿轮轴上的环形凹槽与其支撑装置中的供给油道位置重叠，并通过如图6 所示的电磁换向阀连接到供给油箱，以保障其随转向齿轮轴转动时油孔连接油路顺畅。

图6 电磁换向阀连通左位通道示意图Fig.6 Schematic diagram of solenoid directional valve connecting the left channel

电子控制单元会根据汽车实时工况控制电磁换向阀来改变阀芯的位置。控制电磁换向阀左位、中位、右位的2 个通道分别与转向齿轮轴上的2个油孔连接，进而改变油路中油液流向和油压大小。在电磁换向阀切换通道之前，溢流阀和减压阀会自动开启以平衡两侧油腔内的油液油压，直至左右两侧油腔内的油液油压能保持钢球环形架处于相对静止平衡状态[4]。

2.2 控制电路

控制电路是由图7 中所示的单片机端口、三极管、与门非门、螺旋线圈和可变电阻等一同连接到车用电源。当使能信号ENABLE 输出信号1，DIR1 信号端输出信号0，DIR2 信号端输出信号1。电流从电源端先后经过三极管Q1、螺旋线圈L1和L2、三极管Q4，此时流经螺旋线圈的电流方向规定为正向。其中螺旋线圈L1 与L2 的线圈缠绕方向需保障左端电磁铁和右端电磁铁的两端磁极变化，如图8 所示。

图7 控制电路图Fig.7 Control circuit diagram

图8 正向电流磁极变化示意图Fig.8 Forward current polarity changes

当使能信号ENABLE 输出信号1，DIR1 信号端输出信号1，DIR2 信号端输出信号0。电流从电源端先后经过三极管Q3、螺旋线圈L2 和L1、三极管Q2，此时流经螺旋线圈的电流方向规定为反向。电流通过螺旋线圈L1 与L2 使左端电磁铁和右端电磁铁的两端磁极与上种情况相反。

通过可变电阻R1 和R2 可以调节控制电路中流经螺旋线圈L1 和L2 的电流大小，以改变左端电磁铁和右端电磁铁的磁力大小，来控制与永磁铁钢球环形架之间的相互作用力，达到调控钢球环形架滑移速度的目的。当使能信号端ENABLE，DIR1 与DIR2 输出均为信号0 时，三极管全部为断路，电路中无电流产生，左端电磁铁和右端电磁铁的磁力消失。

2.3 磁力的计算

通过如图7 所示的控制电路来改变电流方向进而改变左端电磁铁和右端电磁铁的两端磁极变换，同时，通过改变缠绕线圈匝数和流通电流大小来保障左端电磁铁和右端电磁铁的磁力大小，其对应的磁力公式为[5]

式中：I——线圈电流，A；W——线圈匝数；μ0——油液磁导系数；δ——工作气隙长度，mm；R1，R2——电磁铁导磁体外圆环的外半径和内半径；R3，R4——电磁铁导磁体内圆环的外半径和内半径，mm。

2.4 转向传动比的变换范围

根据汽车稳态转向模型，可以得到转向系统的理想传动比为[6]

式中：V——车速；L——汽车轴距；KS可根据驾驶员习惯确定，通常在低速行驶时KS取大一些，这有利于低速时的转向灵敏度，同时减小驾驶员转向负担；高速行驶时KS取小一些，以保证转向安全；对于普通驾驶员可取0.120～0.371/s，熟练驾驶员取0.120 0～0.417 1/s。Ku——转向不足系数，表示为

式中：a——质心到前轮的距离；b——质心到后轮的距离；m——整车质量；Cf——前轴的侧偏刚度；Cr——后轴的侧偏刚度。

根据式（2）可得转向系统理想传动比与车速的变化曲线如图9 所示。

图9 理想转向传动比随车速变化曲线Fig.9 Ideal steering gear ratio and speed curve

由图9 知，不同车型对应的理想传动比是不同的，轿车相对于SUV 在低速时需要更加灵活的转向特性。车速低于30 km/h 时，保持转向系统固有的最小转向传动比不变；车速为30～70 km/h时，通过调节可变传动比机构来获得较大的转向传动比，以兼顾中高速行驶时的操纵轻便性和稳定性需求；而当车速大于70 km/h 时，可变传动比机构为转向系统提供最大的转向传动比，以保障车辆高速行驶时的操纵稳定性需求。

2.5 控制原理

以图9 中轿车车型为例，车辆在低于30 km/h时速下行驶时，可变传动比机构中的钢球环形架处于初始中间位置，控制电路处于断开状态，无电流通过，电磁换向阀连接中位通道，左右两侧油腔内油液压力相等，外壳与套筒或转向齿轮轴之间没有相对转动。此时转动转向盘，转向盘角输入经转向轴直接传递到转向器，可变传动比机构在转向系统中是作为一个整体结构随转向轴同步转动，可变传动比机构的传动比保持不变；当车速行驶超过30 km/h 时，可变传动比机构的传动比值需增大，以获得相同转向盘转角输入下较小的车轮转角；当车速在30～70 km/h 区间，驾驶员向右转动转向盘时，车辆控制单元控制可变传动比机构中的钢球环形架向左滑移。当驾驶员向左转动转向盘时，车辆控制单元控制可变传动比机构中的钢球环形架向右滑移。此时转向盘角输入对应较小的转向轮转向角，以满足车辆行驶的操纵稳定性需求；当车速超过70 km/h 时，左右转动转向盘时，转向系统工作流程与上一个速度区间的工作流程相一致。不同的是，车辆控制单元控制可变传动比机构中的钢球环形架滑移的速度不同，导致转向齿轮轴和转向齿轮相对于转向轴转过角度不同，改变了可变传动比式转向系统的转向传动比。

反之，当车速高速行驶到低速行驶变化时，可变传动比机构的传动比值需减小以获得相同转向盘转角输入下较大的车轮转角。在向右转动转向盘时，车辆控制单元控制可变传动比机构中的钢球环形架向右滑移；向右转动转向盘时控制钢球环形架向左滑移。此时，相同工况下的转向盘角输入对应较大的转向轮转向角，以满足车辆行驶的操纵轻便性需求。

车辆控制单元会根据不同传感器检测的实时车速、发动机工况等参数，通过车速变化和行车需求实时控制电路中电流方向以改变电磁铁磁极变化和控制电磁换向阀连接通道，改变两侧油腔内油液油压变化，来驱动钢球环形架实现左右滑移，进而改变可变传动比机构的传动比，最终实现不同车速下转向传动比的变换需求，以满足行车转向需求。

3 结语

本文设计的可变传动比式转向系统结构简单、操纵方便，且易实现操控。为保障车辆转向系统实现转向传动比与车速变化的协调，减少驾驶员对车辆转向特性变化的补偿修正，通过磁力作用驱动钢球环形架左右滑移来实现不同车速下的可变转向传动比需求，使转向传动比随车速变化始终处于理想状态，以保障汽车转向系统在低速下的灵活性和高速下的操控稳定性。该可变传动比式转向系统具有重要的实际意义和应用前景。