浅谈汽车的转向系统

浅谈汽车的转向系统黄安华，卜宪卫中N,民解放军65066部队，辽宁大连I16100摘要转向系统是任何车辆都不可或缺的组成部分，其设计制造质量的优劣直接关系到车辆的操纵稳定性、安全性等技术性能。笔者阐述了汽车转向系统技术发展的状况，指出了各种转向系统的结构特点、工作原理及优缺点，并展望了汽车转向系统未来的发展方向。关键词转向系统；电子控制；助力转向SIMPLEDISCUSSIONONTHEVEHICLESTEERINGSYSTEMHUANGANHUABUXIANWEI65066ARMY，DALIANLIAONING116100，CHINAABSTRACTSTEERINGSYSTEMISTHEINTERGRALPARTOFTHEVEHICLETHEDESIGNANDMANUFACTURINGQUALITYOFTHESTEERINGSYSTEMISRELATEDTOTHESTABILITYCONTROL，SAFETYANDOTHERTECHNICALPERFORMANCEDIRECTLYTHETECHNICALDEVELOPMENTOFTHEVEHICLESTEERINGSYSTEMWASDESCRIBED，THESTMCTUALCHARACTERISTICS，WORKINGPRINCILE，THEADVANTAGESANDDISADVANTAGESOFVARIOUSSTEERINGSYSTEMWEREPOINTEDOUT，ANDITLOOKFORWARDTOTHEFUTUREOFTHEVEHICLESTEERINGSYSTEMKEYWORSTEERINGSYSTEM；ELECTRONICCONTROL；POWERSTEERING0引言汽车转向系统的功能就是按照驾驶员的意愿控制汽车的行驶方向，它不仅是汽车上必不可少的一个最基本的部件，也是汽车上的一个核心的安全部件，其设计制造的好坏、质量性能的优劣直接决定着汽车的操控稳定性和行驶安全性。它从汽车诞生的那天起，就随着汽车的发展而发展，至今经历了传统机械转向系统、液压助力转向系统、电液助力转向系统和电动助力转向系统四个发展阶段，未来则有可能向线控动力转向系统发展。目前汽车转向系统正处在液压助力转向系统、电液助力转向系统向电动助力转向系统发展的过渡阶段。国外汽车的转向系统以液压助力转向系统为主，约占汽车总量的50，传统机械转向系统仅占5并日趋淘汰，电液助力转向系统约占15，近年来发展迅速的电动助力转向系统约占30。国产汽车也接近这个发展阶段，发展水平相对要低一些，但发展速度较快，代表目前最高水平的电动助力转向系统每年以30的速度在增长，2008年，电动助力转向系统装车量约为110万辆，约占汽车总量的118。1传统机械转向系统I1结构特点及工作原理传统机械转向系统MS主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成。转向操纵机构是驾驶员操纵转向器工作的机构，包括从方向盘到转向器输入端的零部件。转向器是把方向盘传来的转矩按一定传动比放大并输出的增力装置，转向器最早采用的是蜗轮蜗杆式，以后陆续出现了螺杆螺母式、齿轮齿条式、循环球式等形式。转向传动机构是把转向器输出的力矩传递给转向车轮的机构，包括从转向摇臂到转向车轮的零部件。当汽车需要改变行驶方向时，驾驶员通过转动方向盘。转向力矩经由转向轴、转向器、直拉杆、横拉杆和梯形臂等机件使转向节偏转。实现汽车方向的改变。12优缺点201001AUTOMOBILEPARTS081研究与开童传统机械转向系统的优点是结构简单、工作可靠、生产成本低。其缺点也非常明显一是尽管通过转向器后增大了转向力矩，降低了驾驶员的劳动强度，但是随着汽车速度的提高和汽车质量的增大，转向操纵难度增大，转向越来越费力；二是由于方向盘和转向车轮之间是机械连接，其传动比是固定的，即角传递特性无法改变，导致汽车的转向响应特性无法控制，传动比无法随汽车转向过程中的车速、侧向加速度等参数的变化而进行补偿，驾驶员必须在转向之前就对汽车的转向响应特性进行定的操作补偿，使汽车按照驾驶员的意愿行驶，这样无形中增加了驾驶员的精神和体力负担。13应用情况目前，该系统主要应用在一部分转向操纵力不大、对操控性能要求不高的低档商用车和乘用车上，如部分轻型汽车、低速汽车即农用汽车和微型汽车微型货车和交叉型汽车。2液压助力转向系统21结构特点及工作原理液压助力转向系统HPS是在传统机械转向系统基础上额外加装了一套液压助力系统，一般由油泵、V形带轮、油管、供油装置、助力装置和控制阀等机件组成。它以液压油为动力传递介质，通过液压泵产生的动力来推动机械转向器工作，从而实现汽车的转向。22优缺点由于该系统通过液压力作用来推动传统机械转向机构的转向运动，从而减轻了驾驶员的劳动强度，解决了传统机械转向系统随着汽车质量越大转向越费力的问题，在一定程度上解决了传统机械转向系统由于转向器传动比固定而造成的转向“轻便”与“灵敏”之间的矛盾。该系统存在着以下缺点一是汽车的助力特性不能改变。在低速转向需要较大助力时，往往因发动机转速低而助力效果差，而在高速转向需要较小助力时，会因发动机转速高而助力作用大，导致转向过于灵敏，驾驶员没有较好的路感，汽车的操纵稳定性变差。二是不管汽车转不转向，只要发动机工作，液压助力泵就会在发动机的带动下工作，这样会额外消耗发动机的能量，增加油耗。三是液压系统本身所固有的液压油泄漏问题，不仅对环境造成污染，而且容易使其他零部件损坏。四是在低温条件下，液压系统的工作性能较差。23应用情况由于液压助力转向系统工作可靠、技术成熟，能提供大的转向助力，目前在部分乘用车、绝大部分商用车特别是中重型车辆上广泛应用。3电液助力转向系统与前两种转向系统不同，电液助力转向系统的转向助力特性在工作时可以改变，它一般采用电子控制，主要有两种类型，电控液压助力转向系统和电动液压助力转向系统。目前汽车上应用最多的是电动液压助力转向系统。31电控液压助力转向系统电控液压助力转向系统ECHPS是在液压助力转向系统基础上增加了控制液体流量的电磁阀、转矩传感器、车速传感器以及转向控制单元等机件。在转向过程中，通过转矩传感器、车速传感器等感应器件将转向速率、车速等参数传递给转向控制单元，经解算后，控制电磁阀使液体流量随车速的变化而改变，进而改变助力矩的大小，使驾驶员的转向手力根据车速和行驶条件变化而改变，即在低速行驶或转急弯时能以很小的转向手力进行操作，在高速行驶时能以稍重的转向手力进行稳定操作，使操纵轻便性和稳定性达到和谐统一。32电动液压助力转向系统电动液压助力转向系统EHPS也是在液压助力转向系统基础上发展起来的，其特点是将原来由发动机驱动的液压助力泵改由电动机驱动，并且增加了车速传感器、转向角速度传感器以及转向控制单元等电控装置。该系统的液压储油罐、油泵、电动机和转向控制单元都集成在电动机油泵组内。工作时，转向控制单元根据汽车的行驶速度和方向盘转向角度等输入信号计算出理想的输出信号，控制电动机输出适当的功率，驱动液压助力泵工作，通过液压油为转向器提供助力。当汽车低速行驶时，转向控制单元控制电动机输出较大的功率，使驾驶者可以轻松地转动方向盘；当汽车高速行驶时，转向控制单元控制电动机输出较小的功率，这样驾驶者在操纵方向盘时就比较稳定。由于电动机的转速可调，可以即时关闭，与液压助力转向系统相比，它节省了发动机的燃油消耗，提高了汽车的燃油经济性。33电液助力转向系统的优缺点电液助力转向系统尽管在液压助力转向系统基础上有了较大的技术改进，但液压装置的存在使得该系统仍有难以克服的缺点，如存在渗油的问题，不便于安装维修和检测等。虽然实现了变助力特性，但该系统在液压助力系统基础上又增加了电子控制装置，使得系统结构复杂，成本增加。由于电液助力转向系统技术较为成熟，可以实现整车电控系统的一体化，作为传统液压助力转向系统向电动助力转向系统过渡的中间技术，在一定时间内还将继续得到应用和发展。4电动助力转向系统41结构特点及工作原理电动助力转向系统EPS是在传统机械转向系统基础上发展起来的，通常由转矩传感器、车速传感器、电子控制单元、电动机、电磁离合器和减速机构等组成。电动助力转向系统没有复杂的控制机构，只是根据需要改变电动机电流大小和方向，就能实现转向助力的自动控制。汽车处于起动或者低速行驶状态时，操纵方向盘转向，装在转向柱上的转矩传感器不断检测作用于转向柱扭杆上的扭矩，并将此信号与车速信号同时输入电子控制单元，处理器对输入信号进行运算处理，确定助力矩的大小和方向，进而控制电动机的电流大小和转向，电动机经电磁离合器及减速机构将转矩传递给转向器，最终起到为驾驶员提供辅助转向力的功效；当车速超过定的临界值或者出现故障时。为保持汽车高速时的操控稳定性，电动助力转向系统退出助力工作模式，转向系统转入手动转向模式。不转向的情况下，电动机不工作。42优缺点电动助力转向系统的优点很多一是系统助力矩的大小由电子控制单元实时调节和控制，能够在各种行驶工况下提供最佳的助力，有效改善汽车的转向助力特性，保证汽车在低速行驶时转向轻便灵活，高速行驶时转向稳定可靠，可以很好地解决汽车转向时轻与灵的矛盾。二是该系统只在转向时电动机才提供助力，因而能减少能量消耗。三是该系统取消了液压装置，使得其结构更紧凑，质量更轻，而且彻底根除了液压助力转向系统和电液助力转向系统中液压油泄漏的问题，可大大降低保修成本，减小对环境的污染。四是该系统由于直接由电动机提供助力，而电动机由蓄电池供电，因此该系统在发动机熄火或出现故障时也能提供助力。电动助力转向系统已成为目前汽车转向系统技术发展的主流，但是该系统也有其局限性，由于汽车发电动机的发电功率和提供的转向助力也很有限，如果车身较重，转向系统需要有较大的驱动力量，电动助力转向系统就显得力不从心了。所以该系统多用于小型汽车上，目前已大量装备到中高级轿车上，并逐渐向普通型轿车和小型商用汽车发展。5线控动力转向系统51结构特点及工作原理线控动力转向系统SBW是随着汽车电子技术发展的最新成果而成长起来的一种全新转向系统，它通过电线传递信号控制执行机构动作来取代传统转向系统的机械传动和机械连接，助力矩由主控制器在相应参数进行解算之后向转向执行电动机下达指令，由转向助力电动机提供。线控动力转向系统取消了方向盘与转向轮之间的机械连接，改由方向盘模块、转向执行模块和主控制器ECU三个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助模块组成。系统工作研究与开发AUTOMOBILEPANS21111111丽互、时，用传感器检测驾驶员的转向数据，然后通过数据总线将信号传递给车上的ECU，并从转向控制系统获得反馈命令。转向控制系统也从转向操纵机构获得驾驶员的转向指令，并从转向系统获得车轮情况，从而指挥整个转向系统的运动。转向系统控制车轮转到需要的角度，并将车轮的转角和转动转矩反馈到系统的其余部分，比如转向操纵机构，以使驾驶员获得路感，这种路感的大小可以根据不同的情况由转向控制系统控制。52优缺点该系统具有以下优点一是提高汽车安全性能。去除了转向柱等机械连接，完全避免了撞车事故中转向柱对驾驶员的伤害。二是改善驾驶特性，增强操纵性。低速行驶时，可以减少转弯或停车时方向盘转动的角度；高速行驶时，获得更好的直线行驶条件。当汽车处于极限工况时，能够自动对汽车进行稳定控制。三是改善驾驶员的路感。由于方向盘和转向车轮之间无机械连接，驾驶员“路感”通过模拟生成，可以从信号中提出最能够反应汽车实际行驶状态和路面状况的信息，作为万向盘回正力矩的控制变量，为驾驶员提供更为真实的“路感”。四是增强汽车舒适性。由于消除了机械结构连接，地面的不平和转向轮的不平衡不会传递到方向盘上，从而减轻了驾驶员的疲劳。目前线控动力转向系统仅用于一些概念车，还没有进行批量生产和安装，其可靠性和成本是阻挠其发展的主要原因。主要表现在如果微控制器出现问题，转向系统将完全失灵，它不像电动助力转向系统、电液助力转向系统和液压助力转向系统，在电动机或者液压系统出现问题时，还可以以人力来控制汽车。该系统的微控制器出现故障的话，因为没有机械系统连接方向盘和转向器，因此根本不可能控制汽车的转向。但是尽管如此，线控动力转向系统依然是未来汽车转向系统的发展方向之一。6结束语纯机械转向系统结构简单、工作可靠、造价低廉，目前在一部分转向操纵力不大、对操控性能要求不高的车型上仍有使用；液压助力转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力，在中重型车辆上广泛应用；电液助力转向系统作为液压助力转向系统向电动助力转向系统的过渡技术，在未来一定时间还将存在和发展；电动助力转向系统以其特有的优越性而得到青睐是目前汽车转向系统技术发展的主流，将作为标准配置装备到汽车上；线控动力转向系统由于有利于提高汽车被动安全性、有利于汽车设计制造、有利于提高汽车乘坐舒适性和汽车操控稳定性，将成为未来汽车转向系统技术发展的方向。参考文献【1】肖永清，畅忠敏汽午的发腱未来M北京化学工业出版社2004121舒华等，姚同半汽车新技术M北京国防工业出版社，200531王情，旃毅，汽车动转系统的发展J农业装备与车辆工程，200934546【4】土常友，董爱杰汽车转向系统的状及发展J北京汽车，20073710作者简介越安1972一，男，汉族，LU东日照人，讲师，主要进行汽车运JH秤研究及教LLI乜EM