在汽車系統(tǒng)中，由轉(zhuǎn)向盤到車輪的動力傳遞系統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。眾所周知，車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來保持或者改變汽車行駛方向的機構(gòu)；當駕駛員通過手力控制前輪轉(zhuǎn)角時，保證車輛按照駕駛員的意志改變行駛方向。另外在車輛行駛過程中，車輪與路面之間產(chǎn)生的“路感”通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳遞給駕駛員，使駕駛員可以感知當前車輛的行駛狀態(tài)。

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按照轉(zhuǎn)向器分類大體分為機械式和動力式，其中機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)依靠駕駛員手力轉(zhuǎn)動方向盤，而動力轉(zhuǎn)向系可以減輕駕駛員的手力緩解駕駛員緊張情緒。本文將對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及其動力學進行分析：

圖1機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

圖2動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

一、汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學分析

從動力學方面來說當汽車轉(zhuǎn)彎行駛時，全部車輪應(yīng)繞瞬時轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)不應(yīng)有側(cè)滑，否則會加速輪胎磨損降低汽車的行駛穩(wěn)定性；汽車轉(zhuǎn)向行駛后，在駕駛員松開轉(zhuǎn)向盤條件下轉(zhuǎn)向輪應(yīng)該能自動返回直線行駛位置；轉(zhuǎn)向系還應(yīng)保證汽車有較高機動性，具有迅速和小轉(zhuǎn)彎行駛能力等。

機械式轉(zhuǎn)向器分為齒輪齒條式和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器其結(jié)構(gòu)是一對相互嚙合的齒輪齒條。工作原理如下：轉(zhuǎn)向軸帶動小齒輪旋轉(zhuǎn)，齒條便做直線運動?？魁X條來帶動橫拉桿，就可使轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器由兩級傳動副、殼體、鋼球和間隙調(diào)整裝置等組成。工作原理如下：第一級傳動副是螺桿—螺母傳動副，第二級是齒條—齒扇傳動副，轉(zhuǎn)向螺桿與轉(zhuǎn)向軸連接，轉(zhuǎn)向螺母既是第一級傳動副從動件，又是第二級傳動副主動件。

圖3.齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器

圖4.循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器

二、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)

汽車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向加力裝置可分為氣壓式、液壓式以及電動式。下面主要介紹電動助力轉(zhuǎn)向機構(gòu)，近年來，EPS在乘用車上面得到了大量的應(yīng)用，并且還具有一些額外的附加功能：如抗噪聲能力以及過載保護能力等。相比較機械式傳動系統(tǒng)，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還包括電動機、電池、傳感器以及控制線束。電動助力轉(zhuǎn)向機構(gòu)可以分為以下三類：

圖5.電動助力轉(zhuǎn)型機構(gòu)分類

圖6.EPS組成與工作原理

其工作原理如下：當駕駛員對方向盤施加扭矩試圖轉(zhuǎn)動時，扭矩傳感器將轉(zhuǎn)動角位移信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杺鬟f到ECU，同時此時車速也傳入ECU。根據(jù)以上的信號輸入，ECU計算出電動機的輸出轉(zhuǎn)矩大小和方向并輸出信號，最后輸出信號通過電流驅(qū)動電路驅(qū)動電動機。

三、汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型

對于現(xiàn)在的汽車實驗研究來說，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型是必不可少的，其作用是用來描述方向盤轉(zhuǎn)角與前輪轉(zhuǎn)角以及方向盤回正力矩之間的關(guān)系。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型關(guān)系到汽車動力學的仿真精度。此模型應(yīng)該具備如下特性比如：根據(jù)輸入指令保證汽車整體的方向控制并反饋方向盤的力感響應(yīng)等。下面通過介紹一種線性二自由度汽車模型的分析過程。

圖7線性二自由度汽車模型

當然此模型的建立忽略了很多條件，比如忽略了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以及懸架的作用，但是依然可以通過此模型建立線性二自由度汽車的運動微分方程組，對車輛加速度在汽車坐標系中分解后，通過列出運動平衡方程組可以得到外力、外力矩以及汽車運動參數(shù)的關(guān)系式，式中參數(shù)分別表示車輛的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及運動參數(shù)。

通過求解方程組得出某些性能指標就能夠客觀地分析車輛的某些性能例如操縱穩(wěn)定性。表征車輛轉(zhuǎn)向特性的一個重要參數(shù)穩(wěn)定性因數(shù)K便是通過此獲得：當K值為0，車輛具有中性轉(zhuǎn)向特性；當K值為正，車輛具有不足轉(zhuǎn)向特性；當K值為負，車輛具有過度轉(zhuǎn)向特性。

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