汽车转向管柱可变倾角的实现

王迪 郑宇

摘 要：在社会经济与科技飞速进步的背景下，汽車成为了人们日常生活中常用的基础交通工具之一。汽车转向系统的设计是保证其运行平稳、转向流畅的主要环节，作为设计和生产企业都必须加以重视。汽车转向要求能够实现不同倾角的可变调节，有利于提升汽车整体的使用感和安全性。因此，本文系统性地介绍了汽车转向系统的概念可实施可变倾角调节的必要性，根据不同的功能模块详细讨论如何实现这一需求。

关键词：汽车设计;转向管柱;可变倾角

一、汽车转向系统设计概述

汽车的转向操作就是方向盘带动车轮转动，从而实现汽车在不同方向上的转换的整个过程。在进行汽车转向系统的设计时，需要考虑的因素较多，如车速、转动角度和响应等，都会影响在不同情况下汽车转向功能的实现。首先，当车速过快时，原本的小角度转动也可能会在加速度的影响之下产生较大的位移，且汽车的整体行驶呈现出非线性时变，使驾驶人员很难把握[1]。有时驾驶人员手部的轻微转动就可能会引发汽车漂移，所以需要在方向盘的底部增加一个防误触的元件，保证行车的安全性。其次，根据汽车转动轴的材质和使用年限等不同，汽车本身对于方向盘转动角度的响应也会存在一定的偏差。如新车和年限较长的车方向盘的调节角度大，但车轮的响应较小，而保养过后的车整体响应更加灵敏精确。

二、转向管柱可变倾角调节必要性

在行车过程中有时会存在不同的转向需求，在设计和生产过程中保障汽车的转向管柱能够实现可变倾角的调节具有较强的现实意义。一方面，在驾驶过程中如果出现紧急刹车或需要躲避障碍物等情况时，一般需要调节较大角度的转向，否则可能会出现交通事故。但是受到车速和其他车道车辆的影响等，对于汽车转动躲避的角度有一定的限制。在汽车的转向系统中通过可变角度的调节，可以由驾驶人员结合实际情况自主掌握，更有利于躲避危险事故的发生[2]。另一方面，在倒车、停车等情况下时，需要对车辆进行小角度的转动和调节，如果方向偏大则可能会出现刮蹭事故。要求在设计时能够实现不同角度的变化调节，增加驾驶人员的操作掌握和体验感，使整体设计更加人性化、科学化。

三、转向管柱可变倾角调节的实现

在设计汽车转向管柱可变倾角调节时，必须要明确不同模块的划分可主要功能，分别进行模型建立讨论和设计分析，突出可变倾角调节功能的落实。

（一）转向操作实现

在转向操作中，驾驶人员主要控制的对象是方向旁，向左、右两个方向的转动分别可以带动车轮响应发生偏转。对于角度和位移的控制主要是通过连接的轴线进行传递的，该部分的材料为钢制结构，在设计时需要考虑到其钢体的特性和扭矩等计算问题。假设方向盘转动后发生的惯量和阻尼分别为J1、c1，通过连接杆（K1）、减速器（G1）、电机（M）的传递后最终的输出为J2、c2。在这个传导的过程中，由于驾驶人员力的作用，还会给连接杆造成一定的摩擦影响，整个系统可以视为是钢体结构，电机中使用了直流电流造成了一定的电磁转矩[3]。通过建立动力学的模型，可以更好地分析方向盘的输入和电机转动的输出之间的关系。

（二）转向执行模块

转向指令的执行即将电动机的转动作为输入端，通过齿轮的咬合带动轮胎的转动，最终实现转向需求的过程。电机（M）端的参数信息为J2、c2，通过减速器（G2）后带动下端的齿轮发生转动和咬合，在这个过程中会受到摩擦力的影响。电机的机芯内部也存在惯量和阻尼，根据电磁转矩的计算可以得到齿轮上受到的动力大小，并建立转向轮的动力方程，从中得到传输给轮胎的力学参数。在转向指令执行的过程中完全依靠汽车内部的各类零件实现，本身与驾驶员的作用力影响较小。通过力学分析，可以得到方向盘的转动角度和轮胎响应之间的关系，更通过对零件参数的合理选择和调试，可以使执行指令更加符合人体的认知习惯。

（三）故障容错模块

故障容错是指为了防止在汽车高速行驶的过程中因为驾驶人员的误触等造成了方向盘小角度的转动，从而引发汽车的偏移等安全问题。容错模块主要是通过补偿器来实现的，可以根据人体工程学，找到在驾驶过程中手臂、手腕的肌肉信息，从力学传递的函数中找到传递响应的最小值，并将其作为方向盘转动角度的容错限度。当驾驶人员的手臂因为自身转动需求而引发的偏转一定大于正常状态下的肌肉信息，则可以实现驾驶时的防误触功能。

（四）中控系统设计

中控系统是汽车内的一套智能控制模块，可以更加灵活地调节上述三种模块的响应和工作。汽车的转向系统主要是机械响应，整个过程中一般不会存在人为的影响。中控系统的工作主要是保证各个模块之间的连接顺畅能够实现汽车的转向需求。当方向盘发生转动后会将这一数据信息传输到中控平台里，通过电机带动轮胎相应偏转后，会向中控平台回释一个反馈信号，有中控平台合理判断本次转动响应的完成，防止电机和其他连接转到部位的移动，保持汽车的转动恒定。

四、结束语

总之，可以将汽车的转向系统划分为不同的模块，在设计和制造的过程中能够更有针对性。转向系统的操作主要是通过方向盘的转动来实现的，其与转动执行模块之间的连接系数需要结合动力学的模型和人体习惯进行分析。汽车转动的角度主要是依靠电机点动实现的，其中的惯量和阻尼会会角度造成一定的影响，在控制时要结合转矩计算合理设计。

参考文献

[1] 昌小波.基于单片机的汽车转向轮转角显示的设计[J].科技风，2020（06）：13.

[2] 杨南.基于CAE技术的汽车转向管柱支架压铸工艺分析[J].热加工工艺，2017（09）：115-118+122.