汽车电子的转向系统及其动力学分析

在汽车系统中，由转向盘到车轮的动力传递系统称为转向系统。众所周知，车辆转向系统是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构；当驾驶员通过手力控制前轮转角时，保证车辆按照驾驶员的意志改变行驶方向。另外在车辆行驶过程中，车轮与路面之间产生的“路感”通过转向系统传递给驾驶员，使驾驶员可以感知当前车辆的行驶状态。

汽车转向系统按照转向器分类大体分为机械式和动力式，其中机械转向系统依靠驾驶员手力转动方向盘，而动力转向系可以减轻驾驶员的手力缓解驾驶员紧张情绪。本文将对转向系统及其动力学进行分析：

从动力学方面来说当汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转不应有侧滑，否则会加速轮胎磨损降低汽车的行驶稳定性；汽车转向行驶后，在驾驶员松开转向盘条件下转向轮应该能自动返回直线行驶位置；转向系还应保证汽车有较高机动性，具有迅速和小转弯行驶能力等。

机械式转向器分为齿轮齿条式和循环球式转向器，齿轮齿条式转向器其结构是一对相互啮合的齿轮齿条。工作原理如下：转向轴带动小齿轮旋转，齿条便做直线运动。靠齿条来带动横拉杆，就可使转向轮转向。循环球式转向器由两级传动副、壳体、钢球和间隙调整装置等组成。工作原理如下：第一级传动副是螺杆—螺母传动副，第二级是齿条—齿扇传动副，转向螺杆与转向轴连接，转向螺母既是第一级传动副从动件，又是第二级传动副主动件。

汽车动力转向系统的转向加力装置可分为气压式、液压式以及电动式。下面主要介绍电动助力转向机构，近年来，EPS在乘用车上面得到了大量的应用，并且还具有一些额外的附加功能：如抗噪声能力以及过载保护能力等。相比较机械式传动系统，电动助力转向系统还包括电动机、电池、传感器以及控制线束。电动助力转向机构可以分为以下三类：

图6.EPS组成与工作原理

其工作原理如下：当驾驶员对方向盘施加扭矩试图转动时，扭矩传感器将转动角位移信号转变为电信号传递到ECU，同时此时车速也传入ECU。根据以上的信号输入，ECU计算出电动机的输出转矩大小和方向并输出信号，最后输出信号通过电流驱动电路驱动电动机。

对于现在的汽车实验研究来说，转向系统模型是必不可少的，其作用是用来描述方向盘转角与前轮转角以及方向盘回正力矩之间的关系。转向系统模型关系到汽车动力学的仿真精度。此模型应该具备如下特性比如：根据输入指令保证汽车整体的方向控制并反馈方向盘的力感响应等。下面通过介绍一种线性二自由度汽车模型的分析过程。

图7 线性二自由度汽车模型

当然此模型的建立忽略了很多条件，比如忽略了转向系统以及悬架的作用，但是依然可以通过此模型建立线性二自由度汽车的运动微分方程组，对车辆加速度在汽车坐标系中分解后，通过列出运动平衡方程组可以得到外力、外力矩以及汽车运动参数的关系式，式中参数分别表示车辆的结构参数以及运动参数。

通过求解方程组得出某些性能指标就能够客观地分析车辆的某些性能例如操纵稳定性。表征车辆转向特性的一个重要参数稳定性因数K便是通过此获得：当K值为0，车辆具有中性转向特性；当K值为正，车辆具有不足转向特性；当K值为负，车辆具有过度转向特性。