現(xiàn)今，車(chē)輛可以輕松進(jìn)行彎道行駛以及急轉(zhuǎn)彎，似乎現(xiàn)代助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)沒(méi)有多少改進(jìn)空間。然而，瑞典 KTH 皇家綜合交通研究實(shí)驗(yàn)室(ITRL)專(zhuān)注于過(guò)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的工程師并不這樣認(rèn)為。他們正致力于研究使用小型機(jī)電技術(shù)替代傳統(tǒng)液壓轉(zhuǎn)向技術(shù)能否在性能、成本、維護(hù)、可持續(xù)性和靈活性方面帶來(lái)優(yōu)勢(shì)。
當(dāng)今的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有什么問(wèn)題?
目前，大多數(shù)車(chē)輛中的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都是圍繞著轉(zhuǎn)向柱構(gòu)建的，轉(zhuǎn)向柱在車(chē)輛駕駛員側(cè)占據(jù)了很大的空間。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)，駕駛員直接控制高壓液壓油流向前輪組件上的執(zhí)行器，使得車(chē)輪能夠在將其與懸掛系統(tǒng)連接的球形接頭上向左或向右轉(zhuǎn)動(dòng)。這種裝置在一定程度上運(yùn)行良好，但是存在很多限制。
一方面，轉(zhuǎn)向柱需要占據(jù)大量空間并且會(huì)增加機(jī)械系統(tǒng)的重量，而該機(jī)械系統(tǒng)十分復(fù)雜并且維護(hù)成本高昂。例如，如果轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在碰撞中受損，維修或者更換成本費(fèi)用不菲。另一方面，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還需要定期維護(hù)。助力轉(zhuǎn)向液必須定期補(bǔ)充，因?yàn)闈撛谛孤?huì)損害轉(zhuǎn)向性能，從而危及安全。
能效是一個(gè)時(shí)下熱點(diǎn)問(wèn)題?！皞鹘y(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過(guò)直接連接發(fā)動(dòng)機(jī)獲得動(dòng)力，因此在怠速時(shí)，車(chē)輛將停止向轉(zhuǎn)向系統(tǒng)供電，然而在高速駕駛時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)處于過(guò)載狀態(tài)?！苯煌▌?chuàng)新專(zhuān)家，ITRL 主管 Peter Georén 說(shuō)道，“最新設(shè)計(jì)趨勢(shì)是將發(fā)動(dòng)機(jī)更多地用于推進(jìn)，而不是用于為子系統(tǒng)供電?！?/FONT>
傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向器的另一個(gè)限制是只有前輪旋轉(zhuǎn)，因此轉(zhuǎn)動(dòng)角度受限。例如，這使得擠進(jìn)狹小的停車(chē)空間變得極具挑戰(zhàn)性，需要進(jìn)行一系列被稱(chēng)為平行停車(chē)的可怕操作。盡管一些較新的車(chē)型可以為我們完成這項(xiàng)操作，但是該功能仍然在車(chē)輛可以垂直進(jìn)入停車(chē)點(diǎn)時(shí)才更加有效。除了停車(chē)外，配備多個(gè)轉(zhuǎn)向執(zhí)行器能夠更好地控制汽車(chē)，減少滾動(dòng)和轉(zhuǎn)彎阻力，使得駕駛更加愉快、安全。
盡管現(xiàn)在并非轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一部分，外傾角的調(diào)整、車(chē)輪與車(chē)廂的垂直對(duì)準(zhǔn)是非常精密的操作，每當(dāng)坑洼或者其他損傷導(dǎo)致其受到影響時(shí)都必須使用專(zhuān)用設(shè)備進(jìn)行調(diào)整。如果該調(diào)整可以更方便地完成(甚至自動(dòng)化完成)，則可以節(jié)省時(shí)間和成本，實(shí)現(xiàn)更平穩(wěn)的駕駛和更少的輪胎磨損，并且在需要時(shí)可提高側(cè)向抓地力，從而提高安全性。
使用電線替代管道
線控轉(zhuǎn)向是KTH和ITRL正在努力解決的一系列更廣泛的環(huán)境和可持續(xù)交通挑戰(zhàn)的一部分。ITRL 正在對(duì)其 400 kg 的研究概念車(chē)(RCV)進(jìn)行測(cè)試，該概念車(chē)可搭載兩名乘客并達(dá)到 70 km/h 的車(chē)速。圖 1。
RCV 的每個(gè)車(chē)輪上都配備了一個(gè)由直線執(zhí)行器控制的轉(zhuǎn)向裝置。傳統(tǒng)上，轉(zhuǎn)向力通過(guò)液壓管道輸送高壓動(dòng)力液提供，然而在 ITRL 的研究概念車(chē)(RCV)中，電線替代了液壓管道并且激活內(nèi)置在執(zhí)行器外殼中的小型電機(jī)。駕駛員通過(guò)方向盤(pán)控制電信號(hào)，相比于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向柱和管道系統(tǒng)，這更像是電子游戲的控制器。
為了配備用于測(cè)試過(guò)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的系統(tǒng)，ITRL 團(tuán)隊(duì)確定 RCV 需要 8 個(gè)電動(dòng)推桿：每個(gè)車(chē)輪上 2 個(gè)驅(qū)動(dòng)器，其中一個(gè)用于控制轉(zhuǎn)向，另一個(gè)用于控制外傾角。尋找適當(dāng)?shù)闹本€執(zhí)行器需要一些時(shí)間。他們向許多供應(yīng)商提交了技術(shù)參數(shù)，但大多數(shù)供應(yīng)商都只能在更高電壓或者 AC(交流)下滿(mǎn)足參數(shù)要求。然而 Thomson Industries 可以滿(mǎn)足所需的全部技術(shù)參數(shù)。Thomson 提供了 4 個(gè)高速 Max Jac MX24-B8M10E0 執(zhí)行器來(lái)執(zhí)行轉(zhuǎn)向功能，以及 4 個(gè) Pro 系列執(zhí)行器來(lái)改變車(chē)輪外傾角。
正如預(yù)期的一樣，新的電動(dòng)推桿比液壓執(zhí)行器響應(yīng)速度更快，因?yàn)殡娏ρ仉娋€傳輸?shù)乃俣雀臁４送?，?shù)字控制器與專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)相結(jié)合，提供了傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)無(wú)法達(dá)到的靈活性水平。例如，這種能力可以用垂直停車(chē)替代平行停車(chē)，或者在未來(lái)實(shí)現(xiàn)駕駛過(guò)程中的自動(dòng)重新校準(zhǔn)，減少滾動(dòng)阻力或者撞擊坑洼后的調(diào)整。
壓力測(cè)試
測(cè)試方案涉及車(chē)輛的滿(mǎn)載行駛和連續(xù)轉(zhuǎn)彎。靜態(tài)轉(zhuǎn)向?qū)ο到y(tǒng)的壓力要比車(chē)輛行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向更大，而且在運(yùn)行接近連接配置的限制之前不久就開(kāi)始受到影響。執(zhí)行器電機(jī)上的繞組變得過(guò)熱并開(kāi)始燒毀。
無(wú)法選擇使用不同的執(zhí)行器，因?yàn)橐呀?jīng)確定只有 Thomson 執(zhí)行器能夠滿(mǎn)足所需的性能參數(shù)。因此，注意力轉(zhuǎn)向隨執(zhí)行器提供的庫(kù)存電機(jī)，因?yàn)樗⒉皇菍?zhuān)為ITRL 測(cè)試中的極端條件設(shè)計(jì)的。Georén 和他的團(tuán)隊(duì)測(cè)試了一個(gè)想法，繞線方式不同的電機(jī)可能會(huì)提供所需的性能而且不會(huì)燒毀。
電機(jī)對(duì)比
測(cè)試是通過(guò)特別合作完成的，參與人員包括 KTH 實(shí)習(xí)生 Bruno Verde 和 Thomson 工程師。他們對(duì)多款備選電機(jī)的幾何和電氣約束進(jìn)行了評(píng)估，并且考慮了能夠?qū)崿F(xiàn)高轉(zhuǎn)向力下連續(xù)運(yùn)行的相關(guān)事項(xiàng)。選擇因素包括了特定轉(zhuǎn)向力輸出所需的輸入扭矩、電機(jī)發(fā)熱特性和匹配當(dāng)前底座的能力。
圖 2 顯示了所選電機(jī)的測(cè)試結(jié)果，該電機(jī)具有可兼容外形尺寸，以及通過(guò)更低繞組電阻獲得的更高扭矩和熱性能。
在 1080N 負(fù)載下，替代電機(jī)只需 2.8A 電流即可實(shí)現(xiàn)所需扭矩，因此能夠在發(fā)熱限制范圍內(nèi)連續(xù)運(yùn)行。經(jīng)過(guò)幾乎 1000 秒后，電機(jī)外殼溫度僅僅達(dá)到 45°C，并且沒(méi)有燃燒的跡象。23 分鐘后，溫度上升到 50°C，仍然沒(méi)有燃燒跡象。Verde 計(jì)算出當(dāng)電流消耗始終為 2.7A 時(shí)，電機(jī)繞組處的穩(wěn)態(tài)溫度將達(dá)到 80°C，這正好在電機(jī)的參數(shù)范圍內(nèi)。這證實(shí)了將替代電機(jī)用于線控轉(zhuǎn)向應(yīng)用的可行性。
上路測(cè)試 替代電機(jī)并不是庫(kù)存電機(jī)的直接替換件，因?yàn)樗枰@ 3 個(gè)新孔。必須訂購(gòu)新的小齒輪并進(jìn)行加工，以適應(yīng)新電機(jī)的電機(jī)軸。改裝后的執(zhí)行器被安裝在車(chē)輛的一角，以便通過(guò)測(cè)試循環(huán)和控制器來(lái)測(cè)試靜態(tài)轉(zhuǎn)向性能。團(tuán)隊(duì)分別在空載、承載一名乘客和兩名乘客的情況下對(duì)車(chē)輛進(jìn)行了測(cè)試。如下圖所示，承載兩名乘客時(shí)執(zhí)行器電流為 1.5A RMS，這大致對(duì)應(yīng)于 600N 的執(zhí)行器輸出力，并且可在該電機(jī) 100%占空比下保持。
電機(jī)隨后被連接到 RCV 轉(zhuǎn)向控制器，以便測(cè)試其與整個(gè)系統(tǒng)的性能。該款更強(qiáng)力的電機(jī)將轉(zhuǎn)向角提高了大約 5 度。
演進(jìn)執(zhí)行器改裝實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高功率系統(tǒng)，可滿(mǎn)足更高的性能目標(biāo)，其產(chǎn)生的作用力是先前產(chǎn)品的兩倍，響應(yīng)速度更快而且不會(huì)過(guò)熱。研究人員相信對(duì)于短時(shí)間爆發(fā)，更高的轉(zhuǎn)向力(例如，5 amp 時(shí)的 200N)也是可能的，然而，需要進(jìn)行更廣泛的測(cè)試和系統(tǒng)分析來(lái)確定機(jī)械安全限制。
Georén 估計(jì)：“距離線控轉(zhuǎn)向技術(shù)真正上路可能還需要 5 年，第一例實(shí)際應(yīng)用很可能是在操控性非常重要的工業(yè)領(lǐng)域，例如叉車(chē)和貨車(chē)。盡管如此，Thomson 執(zhí)行器仍為這一重要里程碑的創(chuàng)建做出了貢獻(xiàn)。”
“許多公司都在談?wù)撆c學(xué)生和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)合作，但是實(shí)際做法則是另一回事。 Thomson 應(yīng)該非常自豪;他們集眾人之力開(kāi)發(fā)出了一款真正的好產(chǎn)品。”
（轉(zhuǎn)載）
