豐澤康

（三峽大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

1 研究背景

近年來(lái)，人們對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)行駛時(shí)的靈活性和輕捷性的要求越來(lái)越高，急需發(fā)明新的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，推動(dòng)機(jī)動(dòng)車(chē)的發(fā)展[1]。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的出現(xiàn)解決了這一難題，其廣泛應(yīng)用節(jié)約了大量的能源，遏制了全球氣候的惡化，具有跨時(shí)代的意義。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）可以說(shuō)非常緊湊、輕便，幾乎不需要維護(hù)。它們很容易設(shè)計(jì)和包裝成模塊化的形式，可以很容易地調(diào)整到特定尺寸，符合駕駛員的習(xí)慣。另外，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還能減小車(chē)輪與地面間的沖擊力，在過(guò)載條件下還具有過(guò)載保護(hù)的功能。近年來(lái)，EPS的引入數(shù)量逐漸增多。盡管電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)比液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢(shì)[2]，但直到最近，電動(dòng)馬達(dá)技術(shù)和控制才得以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。新一代的材料、復(fù)雜的計(jì)算機(jī)電子控制系統(tǒng)和動(dòng)力管理的進(jìn)步都促使電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)。

1.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的農(nóng)用車(chē)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，內(nèi)部的零件都是靠純機(jī)械傳動(dòng)，所以方向盤(pán)很重。而液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供輔助動(dòng)力，使轉(zhuǎn)向更靈活。為克服液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的缺陷，日本高洋公司于1983年設(shè)計(jì)了一種附加速度信號(hào)的電液動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)?？偠灾娍貏?dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS）是動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS）與電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的過(guò)渡產(chǎn)品。1988年，日本高麗公司設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向柱式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安裝在鈴木公司的一款名叫Cervo的小型機(jī)動(dòng)車(chē)上。電子控制單元（ECU）根據(jù)方向盤(pán)的扭矩來(lái)控制輔助動(dòng)力，ECU同時(shí)通過(guò)車(chē)速控制駕駛員的路感，在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向比是恒定的。轉(zhuǎn)向機(jī)中的動(dòng)力從轉(zhuǎn)向軸流向旋轉(zhuǎn)閥，然后通過(guò)行星齒輪系、轉(zhuǎn)向齒條和橫拉桿轉(zhuǎn)向前輪[3]。行星齒輪架有外齒，可通過(guò)蝸輪由電動(dòng)執(zhí)行器馬達(dá)旋轉(zhuǎn)。因此，任意驅(qū)動(dòng)角可以疊加在駕駛員的方向盤(pán)輸入上。農(nóng)用車(chē)低速行駛時(shí)，執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)的行星架旋轉(zhuǎn)方向與方向盤(pán)方向一致。智能化自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)（AFS）還具有穩(wěn)定控制功能。該功能通過(guò)橫擺角速度控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。在危險(xiǎn)情況下，提高了車(chē)輛的主動(dòng)安全性。

1.2 EPS的發(fā)展趨勢(shì)

EPS系統(tǒng)已經(jīng)從研究發(fā)展和測(cè)驗(yàn)過(guò)程過(guò)渡到量產(chǎn)階段，成為新時(shí)代農(nóng)用車(chē)配件中的新科技產(chǎn)物。隨著電控技術(shù)的發(fā)展，EPS取代EHPS成為必然。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)的專(zhuān)家和學(xué)者開(kāi)始研究電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。由于未來(lái)農(nóng)用車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的巨大市場(chǎng)潛力，開(kāi)發(fā)電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將是一項(xiàng)值得推進(jìn)的工作。

2 電子控制動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

2.1 構(gòu)成和類(lèi)別

電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以分為液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動(dòng)式動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩類(lèi)[4]。液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通過(guò)減小方向盤(pán)所需的輸入扭矩，調(diào)節(jié)方向盤(pán)角位移與前輪角位移的比值，來(lái)輔助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向。液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由許多零部件組成，包括方向盤(pán)、輸入軸、齒條和小齒輪、泵、液壓缸支架、液壓軟管、橫拉桿連桿等。雖然這是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，但仍存在著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓和機(jī)械部件之間的動(dòng)力耦合有關(guān)的噪聲和振動(dòng)問(wèn)題。為了獲得理想的增壓特性，保證農(nóng)用車(chē)在行駛過(guò)程中的安全駕駛，開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用的旋轉(zhuǎn)式滑閥和變傳動(dòng)比齒輪齒條裝置。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，增加了電控單元、電源、電機(jī)、轉(zhuǎn)向傳感器等[5]。此系統(tǒng)是基于駕駛員在方向盤(pán)上的轉(zhuǎn)向力矩，通過(guò)助力電機(jī)提供輔助轉(zhuǎn)向力來(lái)克服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)阻力。

2.2 EPS系統(tǒng)

EPS是在以往轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，加裝了電動(dòng)助力機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向助力控制系統(tǒng)。電動(dòng)式電子控制動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由幾大部分構(gòu)成，分別是轉(zhuǎn)向盤(pán)、電控單元、電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向齒條、橫拉桿、轉(zhuǎn)向輪、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向齒輪、扭力桿、轉(zhuǎn)矩傳感器、輸出軸等[6]。

2.3 EHPS系統(tǒng)

現(xiàn)如今使用的農(nóng)用車(chē)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在第一次引進(jìn)后，經(jīng)過(guò)了近50年的發(fā)展，才能顯得如此自然、得體。在此之前，司機(jī)們需要努力在農(nóng)田中操縱車(chē)輛低速停車(chē)。在相對(duì)高速下，還存在著尋找正確靈敏度和穩(wěn)定性的問(wèn)題。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率的增加和車(chē)輛的增大，駕駛員為使車(chē)輛靈活地轉(zhuǎn)向，所需付出的力氣幾乎達(dá)到了超人的程度。在農(nóng)村公路或者農(nóng)田里，司機(jī)駕駛車(chē)輛行駛在崎嶇不平的地面顯得格外吃力。因此，引進(jìn)動(dòng)力輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)顯得越來(lái)越緊迫。美國(guó)通用汽車(chē)公司（Generals Motors）和澳大利亞畢曉普公司（Bishop）在20世紀(jì)50年代開(kāi)發(fā)并引進(jìn)了此套轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

2.4 線(xiàn)控電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

線(xiàn)控電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種裝有線(xiàn)控轉(zhuǎn)向和四個(gè)獨(dú)立電動(dòng)輪輞驅(qū)動(dòng)裝置的車(chē)輛運(yùn)動(dòng)控制器。運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)作用于車(chē)輛重心，將控制與特定的執(zhí)行器設(shè)置分離。采用實(shí)際執(zhí)行器動(dòng)力學(xué)的近似方法，分析不同運(yùn)動(dòng)控制器在線(xiàn)性和非線(xiàn)性驅(qū)動(dòng)區(qū)域的性能。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于非線(xiàn)性控制方法的精確車(chē)輛運(yùn)動(dòng)跟蹤運(yùn)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)控制器與由輪胎、輪胎載荷和半徑計(jì)算以及UKF（一種算法）組成的非線(xiàn)性車(chē)輛狀態(tài)觀測(cè)器相結(jié)合，用于車(chē)輛狀態(tài)的估計(jì)。將觀測(cè)器結(jié)構(gòu)與非線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)控制器相結(jié)合，可以獲得非常精確的控制性能。利用可調(diào)模擬量控制信號(hào)（DI）為運(yùn)動(dòng)控制器生成不同的平滑軌跡。仿真研究表明，在車(chē)輛敏捷性和穩(wěn)定性之間保持良好的平衡是必要的，因此未來(lái)的研究將集中在更復(fù)雜的DI設(shè)計(jì)上。執(zhí)行器飽和輪胎附著力的利用將通過(guò)重新制定控制分配作為分析或數(shù)值優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行研究。線(xiàn)控轉(zhuǎn)向消除了在農(nóng)用車(chē)工作中對(duì)司機(jī)的傷害；從農(nóng)田到方向盤(pán)沒(méi)有振動(dòng)，因?yàn)榉较虮P(pán)和轉(zhuǎn)向柱之間的機(jī)械連接已拆下，這樣可以減輕駕駛員的轉(zhuǎn)向負(fù)擔(dān)；方向盤(pán)可以安裝在必要的位置。當(dāng)電控單元發(fā)生故障時(shí)，線(xiàn)控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效，不能保證車(chē)輛的轉(zhuǎn)向。此外，線(xiàn)控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)本身也非常昂貴，所以它不能廣泛應(yīng)用于家用機(jī)動(dòng)車(chē)上。但是，隨著控制技術(shù)的發(fā)展和電子元件功能的發(fā)揮，線(xiàn)控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將在機(jī)動(dòng)車(chē)上得到廣泛的應(yīng)用。

3 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

3.1 EPS工作原理與特點(diǎn)

EPS系統(tǒng)利用電動(dòng)機(jī)作為助力器，根據(jù)車(chē)速和轉(zhuǎn)向參數(shù)等，由電子控制單元完成助力控制[7]。在轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)的時(shí)候，傳感器收錄電流信號(hào)，傳遞給ECU。在完成一系列的控制后，ECU反饋其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)信號(hào)，確定其轉(zhuǎn)矩的大小和電流轉(zhuǎn)向。隨后開(kāi)始所需協(xié)調(diào)輔助動(dòng)力，獲得適合工況的轉(zhuǎn)向力。電動(dòng)式EPS系統(tǒng)有以往轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所不具備的諸多優(yōu)點(diǎn)。多個(gè)部件組裝成一個(gè)整體，沒(méi)有管路和控制閥，機(jī)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，通用電動(dòng)EPS系統(tǒng)質(zhì)量比液壓EPS系統(tǒng)輕25%左右。普通旋轉(zhuǎn)式液壓轉(zhuǎn)向泵不需要液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)只會(huì)在其必要時(shí)開(kāi)啟，并且將動(dòng)力消耗和油耗降到最低。另外，油壓系統(tǒng)被淘汰，因此無(wú)需再給轉(zhuǎn)向泵補(bǔ)充油液，也無(wú)需擔(dān)心漏油，并且可以設(shè)置車(chē)輛的動(dòng)力特性，精準(zhǔn)完成助力控制。

3.2 助力電動(dòng)機(jī)總成

轉(zhuǎn)向器的作用是把來(lái)自方向盤(pán)的轉(zhuǎn)向力和轉(zhuǎn)向角進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q，再輸出給轉(zhuǎn)向拉桿機(jī)構(gòu)，從而使汽車(chē)轉(zhuǎn)向，所以轉(zhuǎn)向器本質(zhì)上只是減速傳動(dòng)裝置[8]。助力電動(dòng)機(jī)總成由直流電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)組成。助力電動(dòng)機(jī)能夠提供轉(zhuǎn)向助力，能在很大程度上節(jié)省駕駛員的體力，使轉(zhuǎn)向更加輕便。而且助力電動(dòng)機(jī)安裝在轉(zhuǎn)向器外殼上，既能避免造成相互之間的干擾，又能保證轉(zhuǎn)向性能。電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的直流電動(dòng)機(jī)，其裝置輸出的扭矩經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)傳遞給齒輪機(jī)構(gòu)，從而加大其操縱力。

3.3 轉(zhuǎn)矩傳感器

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)比液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢(shì)[9]，當(dāng)農(nóng)用車(chē)輛以合理的速度在農(nóng)田中行駛或不需要轉(zhuǎn)向時(shí)，可以減小動(dòng)力，消除損耗。蓄電池提供轉(zhuǎn)彎或低速停車(chē)所需的所有轉(zhuǎn)向動(dòng)力。電路能夠?qū)⒋诵畔⒅欣^到電子控制單元（ECU）中。控制算法產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供轉(zhuǎn)向輔助的信號(hào)。電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力來(lái)自蓄電池，它是電子控制的，不會(huì)造成很大損失。扭矩傳感器的主要部件是扭力桿，它記錄桿兩端之間的差異（或相對(duì)）角位移。桿的扭轉(zhuǎn)量或彎曲量可通過(guò)多種方式作為電子信號(hào)來(lái)提取。因此，開(kāi)發(fā)了多種類(lèi)型的扭矩傳感器。理想情況下，扭力桿是小齒輪和方向盤(pán)之間轉(zhuǎn)向桿的一部分，因此其位置可供選擇。其目的是不影響傳感器輸出信號(hào)隨后傳遞給電機(jī)控制器，以產(chǎn)生協(xié)助駕駛員所需的扭矩。所需扭矩的大小由控制回路中的駕駛員確定。扭矩傳感器的輸出與電機(jī)產(chǎn)生的扭矩應(yīng)呈線(xiàn)性關(guān)系。駕駛員對(duì)車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)做出響應(yīng)，方向盤(pán)的微調(diào)會(huì)引起轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中零部件的變化，從而改變轉(zhuǎn)矩傳感器的特性。當(dāng)轉(zhuǎn)矩傳感器的特性發(fā)生變化時(shí)，會(huì)向轉(zhuǎn)向控制單元輸出。直行狀態(tài)時(shí)機(jī)動(dòng)車(chē)不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，扭桿不轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器不發(fā)生改變。

在農(nóng)田中處于轉(zhuǎn)向狀態(tài)的農(nóng)用車(chē)，扭桿扭轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，一段時(shí)間后轉(zhuǎn)矩平衡。經(jīng)過(guò)演算得出助力轉(zhuǎn)矩值、傳遞電流，并且在齒輪上產(chǎn)生轉(zhuǎn)向助力。轉(zhuǎn)向穩(wěn)定狀態(tài)的農(nóng)用車(chē)，不轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)的時(shí)候，處于平衡狀態(tài)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)保持初步的穩(wěn)定。轉(zhuǎn)向控制單元根據(jù)各個(gè)傳感器的信號(hào)和方向盤(pán)操縱力、速度計(jì)算助力電流值。當(dāng)傳感器發(fā)生異常的時(shí)候，通常狀態(tài)下，電源會(huì)斷開(kāi)，助力在這個(gè)時(shí)候就會(huì)停止，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在這個(gè)時(shí)候進(jìn)入機(jī)械式轉(zhuǎn)向狀態(tài)[10]。在轉(zhuǎn)向桿機(jī)械強(qiáng)度的情況下，產(chǎn)生約1.8倍的扭矩，以獲得傳感器輸出信號(hào)。需要注意的是，扭桿的兩端可以自由旋轉(zhuǎn)約兩圈，這意味著連接在扭桿兩端圓盤(pán)上的所有電子設(shè)備都可以通過(guò)軟電纜連接到電源和其他外部電路。除了相對(duì)位移角外，還可能需要感測(cè)方向盤(pán)的絕對(duì)角位置和速度，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向主要是一種節(jié)能方案。這是一項(xiàng)創(chuàng)新，即將被引入全世界的農(nóng)用機(jī)動(dòng)車(chē)之中。幾年后，它將被廣泛使用，進(jìn)一步的優(yōu)化可能包括轉(zhuǎn)向系統(tǒng)位置的靈活性增強(qiáng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的調(diào)整以滿(mǎn)足特定農(nóng)用機(jī)動(dòng)車(chē)或單個(gè)駕駛員的需要。

4 結(jié)論

筆者闡述了在農(nóng)用車(chē)中轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓式電子控制動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)到電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)依次進(jìn)行了介紹。首先介紹了機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，分析了該系統(tǒng)的自身結(jié)構(gòu)和工作原理，由于自身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此不是很普及；其次介紹了農(nóng)用車(chē)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比于機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)成熟了一些，本身的優(yōu)點(diǎn)也比較明顯，操作精準(zhǔn)，可靠性高，制造成本低，信息反饋豐富；最后介紹了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，分析了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，例如轉(zhuǎn)向器、助力電動(dòng)機(jī)總成、轉(zhuǎn)矩傳感器，并對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)要的概括。仿真結(jié)果表明，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在輸出其內(nèi)在的功率時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)其中的最佳供油規(guī)律，直觀地了解電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，凸顯了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各方面的優(yōu)點(diǎn)。