王迪 鄭宇

摘 要：在社會經(jīng)濟與科技飛速進步的背景下，汽車成為了人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫幕A(chǔ)交通工具之一。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計是保證其運行平穩(wěn)、轉(zhuǎn)向流暢的主要環(huán)節(jié)，作為設(shè)計和生產(chǎn)企業(yè)都必須加以重視。汽車轉(zhuǎn)向要求能夠?qū)崿F(xiàn)不同傾角的可變調(diào)節(jié)，有利于提升汽車整體的使用感和安全性。因此，本文系統(tǒng)性地介紹了汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的概念可實施可變傾角調(diào)節(jié)的必要性，根據(jù)不同的功能模塊詳細討論如何實現(xiàn)這一需求。

關(guān)鍵詞：汽車設(shè)計;轉(zhuǎn)向管柱;可變傾角

一、汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計概述

汽車的轉(zhuǎn)向操作就是方向盤帶動車輪轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)汽車在不同方向上的轉(zhuǎn)換的整個過程。在進行汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計時，需要考慮的因素較多，如車速、轉(zhuǎn)動角度和響應等，都會影響在不同情況下汽車轉(zhuǎn)向功能的實現(xiàn)。首先，當車速過快時，原本的小角度轉(zhuǎn)動也可能會在加速度的影響之下產(chǎn)生較大的位移，且汽車的整體行駛呈現(xiàn)出非線性時變，使駕駛?cè)藛T很難把握[1]。有時駕駛?cè)藛T手部的輕微轉(zhuǎn)動就可能會引發(fā)汽車漂移，所以需要在方向盤的底部增加一個防誤觸的元件，保證行車的安全性。其次，根據(jù)汽車轉(zhuǎn)動軸的材質(zhì)和使用年限等不同，汽車本身對于方向盤轉(zhuǎn)動角度的響應也會存在一定的偏差。如新車和年限較長的車方向盤的調(diào)節(jié)角度大，但車輪的響應較小，而保養(yǎng)過后的車整體響應更加靈敏精確。

二、轉(zhuǎn)向管柱可變傾角調(diào)節(jié)必要性

在行車過程中有時會存在不同的轉(zhuǎn)向需求，在設(shè)計和生產(chǎn)過程中保障汽車的轉(zhuǎn)向管柱能夠?qū)崿F(xiàn)可變傾角的調(diào)節(jié)具有較強的現(xiàn)實意義。一方面，在駕駛過程中如果出現(xiàn)緊急剎車或需要躲避障礙物等情況時，一般需要調(diào)節(jié)較大角度的轉(zhuǎn)向，否則可能會出現(xiàn)交通事故。但是受到車速和其他車道車輛的影響等，對于汽車轉(zhuǎn)動躲避的角度有一定的限制。在汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中通過可變角度的調(diào)節(jié)，可以由駕駛?cè)藛T結(jié)合實際情況自主掌握，更有利于躲避危險事故的發(fā)生[2]。另一方面，在倒車、停車等情況下時，需要對車輛進行小角度的轉(zhuǎn)動和調(diào)節(jié)，如果方向偏大則可能會出現(xiàn)刮蹭事故。要求在設(shè)計時能夠?qū)崿F(xiàn)不同角度的變化調(diào)節(jié)，增加駕駛?cè)藛T的操作掌握和體驗感，使整體設(shè)計更加人性化、科學化。

三、轉(zhuǎn)向管柱可變傾角調(diào)節(jié)的實現(xiàn)

在設(shè)計汽車轉(zhuǎn)向管柱可變傾角調(diào)節(jié)時，必須要明確不同模塊的劃分可主要功能，分別進行模型建立討論和設(shè)計分析，突出可變傾角調(diào)節(jié)功能的落實。

（一）轉(zhuǎn)向操作實現(xiàn)

在轉(zhuǎn)向操作中，駕駛?cè)藛T主要控制的對象是方向旁，向左、右兩個方向的轉(zhuǎn)動分別可以帶動車輪響應發(fā)生偏轉(zhuǎn)。對于角度和位移的控制主要是通過連接的軸線進行傳遞的，該部分的材料為鋼制結(jié)構(gòu)，在設(shè)計時需要考慮到其鋼體的特性和扭矩等計算問題。假設(shè)方向盤轉(zhuǎn)動后發(fā)生的慣量和阻尼分別為J1、c1，通過連接桿（K1）、減速器（G1）、電機（M）的傳遞后最終的輸出為J2、c2。在這個傳導的過程中，由于駕駛?cè)藛T力的作用，還會給連接桿造成一定的摩擦影響，整個系統(tǒng)可以視為是鋼體結(jié)構(gòu)，電機中使用了直流電流造成了一定的電磁轉(zhuǎn)矩[3]。通過建立動力學的模型，可以更好地分析方向盤的輸入和電機轉(zhuǎn)動的輸出之間的關(guān)系。

（二）轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊

轉(zhuǎn)向指令的執(zhí)行即將電動機的轉(zhuǎn)動作為輸入端，通過齒輪的咬合帶動輪胎的轉(zhuǎn)動，最終實現(xiàn)轉(zhuǎn)向需求的過程。電機（M）端的參數(shù)信息為J2、c2，通過減速器（G2）后帶動下端的齒輪發(fā)生轉(zhuǎn)動和咬合，在這個過程中會受到摩擦力的影響。電機的機芯內(nèi)部也存在慣量和阻尼，根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩的計算可以得到齒輪上受到的動力大小，并建立轉(zhuǎn)向輪的動力方程，從中得到傳輸給輪胎的力學參數(shù)。在轉(zhuǎn)向指令執(zhí)行的過程中完全依靠汽車內(nèi)部的各類零件實現(xiàn)，本身與駕駛員的作用力影響較小。通過力學分析，可以得到方向盤的轉(zhuǎn)動角度和輪胎響應之間的關(guān)系，更通過對零件參數(shù)的合理選擇和調(diào)試，可以使執(zhí)行指令更加符合人體的認知習慣。

（三）故障容錯模塊

故障容錯是指為了防止在汽車高速行駛的過程中因為駕駛?cè)藛T的誤觸等造成了方向盤小角度的轉(zhuǎn)動，從而引發(fā)汽車的偏移等安全問題。容錯模塊主要是通過補償器來實現(xiàn)的，可以根據(jù)人體工程學，找到在駕駛過程中手臂、手腕的肌肉信息，從力學傳遞的函數(shù)中找到傳遞響應的最小值，并將其作為方向盤轉(zhuǎn)動角度的容錯限度。當駕駛?cè)藛T的手臂因為自身轉(zhuǎn)動需求而引發(fā)的偏轉(zhuǎn)一定大于正常狀態(tài)下的肌肉信息，則可以實現(xiàn)駕駛時的防誤觸功能。

（四）中控系統(tǒng)設(shè)計

中控系統(tǒng)是汽車內(nèi)的一套智能控制模塊，可以更加靈活地調(diào)節(jié)上述三種模塊的響應和工作。汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要是機械響應，整個過程中一般不會存在人為的影響。中控系統(tǒng)的工作主要是保證各個模塊之間的連接順暢能夠?qū)崿F(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向需求。當方向盤發(fā)生轉(zhuǎn)動后會將這一數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)街锌仄脚_里，通過電機帶動輪胎相應偏轉(zhuǎn)后，會向中控平臺回釋一個反饋信號，有中控平臺合理判斷本次轉(zhuǎn)動響應的完成，防止電機和其他連接轉(zhuǎn)到部位的移動，保持汽車的轉(zhuǎn)動恒定。

四、結(jié)束語

總之，可以將汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)劃分為不同的模塊，在設(shè)計和制造的過程中能夠更有針對性。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操作主要是通過方向盤的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)的，其與轉(zhuǎn)動執(zhí)行模塊之間的連接系數(shù)需要結(jié)合動力學的模型和人體習慣進行分析。汽車轉(zhuǎn)動的角度主要是依靠電機點動實現(xiàn)的，其中的慣量和阻尼會會角度造成一定的影響，在控制時要結(jié)合轉(zhuǎn)矩計算合理設(shè)計。

參考文獻

[1] 昌小波.基于單片機的汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角顯示的設(shè)計[J].科技風，2020（06）：13.

[2] 楊南.基于CAE技術(shù)的汽車轉(zhuǎn)向管柱支架壓鑄工藝分析[J].熱加工工藝，2017（09）：115-118+122.