汽车转向系统论文：汽车助力转向系统及其相关标准分析.pdf

汽车转向系统作为整车构造中重要的系统之一， 一直是全世界汽车行业研究的重点。汽车转向系统的 好坏直接影响到汽车的驾驶舒适性、安全性和能耗， 甚至影响到环境 。汽车助力转向系统在经历了长足的 发展后已得到了整个汽车行业的认可和应用，在g b 7 2 5 8 - 2 0 0 4中专门规定：车辆转向轴最大设计轴荷大 于4 0 0 0 k g 时，必须采用转向助力装置。由此可见，助 力转向系统在汽车转向系统中的重要性和必要性。汽 车助力转向系统经历了机械液压助力转向系统、电子 液压助力转向系统以及最新的电动助力转向系统三个 阶段。目前这三种系统都有不同程度的应用。 机械式液压助力转向系统主要由液压泵、油管、 压力流体控制阀、v 型传动皮带、储油罐等组成。其作 用是在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机带动液压 泵产生的液体压力驱动力来产生转向动力，从而实现 车轮转向。它解决了原始的机械转向系统，仅靠驾驶 员操纵转向盘的转向力来实现车轮转向而导致劳动强 度大、操纵轻便性非常不理想，特别是对于大型车辆 起步时的转向操纵非常吃力的问题。从我中心长期的 试验结果来看，在g b1 7 6 7 5 - 1 9 9 9的试验条件下，大 型车辆转向盘转向力在没有助力转向装置的情况下， 比有助力转向装置要大2 0 0 n 以上。 1 2 3 1 机械液压助力转向系统 1 . 1 机械液压助力转向系统的优缺点 1 . 2 机械液压助力转向系统相关标准 1 ）优点。机械液压助力转向系统由于具有转向操 纵灵活、轻便；在设计汽车时对转向器结构形式的选 择灵活性大；能吸收路面对前轮产生的冲击；转向盘 与转向轮之间全部是机械部件连接，操控安全可靠、 路感直接、信息反馈丰富；液压泵由发动机驱动，转 向动力充沛，大小车辆都适用；技术成熟，平均制造 成本低等优点，已在各国的汽车制造中普遍采用。 2 ）缺点。只具有固定的动力放大倍率，不能同时 满足汽车高、低速行驶时的转向助力要求；由于需要 依靠发动机动力来驱动油泵，不论是否需要转向助 力，系统总要处于工作状态，能耗较高；液压系统的 管路结构复杂，各种控制阀数量较多，后期的保养维 护成本较高；整套油路经常保持高温高压状态，使用 寿命会受到影响；高压高温的液压油在管路中流过时 有不同程度的渗漏，造成环境污染和资源浪费。 目前机械液压助力转向系统的主要标准有：q c / t 5 2 9 - 2 0 0 0、q c / t5 3 0 - 2 0 0 0、q c / t3 0 5 - 1 9 9 9、q c / t 3 0 6 - 1 9 9 9、q c / t2 9 9 - 1 9 9 9、q c / t3 0 0 - 1 9 9 9、q c / t 3 0 1 - 1 9 9 9 、q c / t3 0 2 - 1 9 9 9 和q c / t3 0 3 - 1 9 9 9 等。 标准对液压助力转向器系统及主要部件的制造和装配 质量；转向控制阀和活塞的装配调整质量；抗路面的反 冲击能力；系统及零部件寿命等方面做出了规范要求。 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 汽车助力转向系统及其相关标准分析 万科 （重庆车辆检测研究院 国家客车质量监督检验中心，重庆4 0 1 1 2 2 ） 摘要： 关键词： 中图分类号：文献标识码：文章编号： 对汽车用机械液压助力转向系统、电子液压助力转向系统和电动助力转向系统的原理、优 点、缺点及相关标准进行了阐述和分析。 汽车；助力转向系统；标准分析 u 4 6 3 . 4b1 0 0 6 - 3 3 3 1 （2 0 1 0 ）0 5 - 0 0 4 7 - 0 3 a b s t r a c t : k e y w o r d s : the author analyzes the principles, advantages, defects and the relevant standards of mechanical hydraulic pressure power steering system, electron hydraulic pressure power steering system and electrical power steering system. vehicle; powersteering system; standards analysis 客车技术与研究 b u s t e c h n o l o g y a n d r e s e a r c h第 5 期n o . 5 2 0 1 04 7 经过近1 0 年的发展和对新技术及试验方法的引 进，我国已开始对q c / t5 2 9 - 2 0 0 0和q c / t5 3 0 - 2 0 0 0 两个总成标准进行修订，现在已完成了征求意见、会 审上报。这次修订的标准与现有的标准主要差别有： 将q c / t5 2 9 - 2 0 0 0、q c / t5 3 0 - 2 0 0 0两个标准合并为 汽车液压助力转向器技术条件与试验方法一个标 准；修订后的标准增加了对齿轮齿条式动力转向器的 规范要求；在空载转动力矩测定试验中根据国外先进 标准增加了有动力条件下的转动力矩试验使得试验更 接近实际工况；在转向特性试验中增加了特性曲线限 定框图，只要转向力特性曲线在限定框图内即可判定 产品达到质量要求，可简单、快捷、准确地保障产品 出厂质量，提高劳动生产效率，对液压动力转向器批 量生产具有指导意义；逆向疲劳试验中的加载条件采 用不同于现有标准（单一载荷）的2 阶梯载荷，使试验 更接近实际工况的同时还能避免产品功能过剩或不 足；再有就是增加了环境试验以考核系统对不同环境 变化的承受能力。总成试验的主要设备有液压动力转 向系统性能试验台和可靠性试验台。 由于机械液压助力较多地消耗发动机动力，所以 在此基础上改进开发出了更节能的电子液压助力转向 系统（下称e c h p s 系统）。这种系统的转向油泵不由 发动机皮带直接驱动，而由电动机驱动，并且在液压 助力系统的基础上加装了电控系统，使得转向辅助力 的大小不光与转向角度有关，还与车速相关；机械结 构上增加了液压反应装置和液流分配阀；新增的电控 系统包括车速传感器、电磁阀、转向e c u 等。 1 ）优点。e c h p s 系统具有机械液压助力的大部分 优点，而且最主要的是能够根据转角、车速等参数通 过电子控制单元控制电磁阀，从而使转向助力大小自 行调节，能够满足高、低速时的转向助力变化要求， 更加人性化；同时，e c h p s 系统还能降低能耗，反应 也更加灵敏。随着技术的不断成熟，如今e c h p s 系统 已经成为很多家用车型的标准配置。 2 ）缺点。引入了很多电子单元，其制造、维修成 4 5 4 5 2 电子液压助力转向系统 2 . 1 电子液压助力转向系统的优缺点 客车技术与研究4 82 0 1 0 年 1 0 月 本会相应增加，使用稳定性目前也不如机械液压式； 由于仍采用液压系统，结构相对复杂，液压油渗漏问 题也未得到根本解决，造成环境污染和资源浪费也在 所难免。 虽然这几年e c h p s 系统在我国逐渐广泛应用起来， 但我国直到2 0 0 9 年才起草了汽车电控液压助力转向 器总成技术条件及试验方法行业标准的征求意见 稿。该意见稿主要参考了日本丰田公司和德国z f 公司 相关技术资料，以及前述1 . 2 中修订的行业标准汽车 液压助力转向器技术条件与试验方法和我国已形成 报批稿的若干电动助力转向器（e p s ）标准（见3 . 2 ） 等，其主要内容是，在汽车液压助力转向器技术条 件与试验方法（修订稿）的基础上，提出了对e c h p s 系统电控装置的自检、显示功能，对电源电压波动的 适应能力，耐电源极性反接及过电压性能，抗跌落、 振动性能，电磁兼容性能和适应恶劣环境变化性能的 规范要求。主要试验设备除了相关液压系统的性能及 可靠性试验台外，还需要：电磁兼容瞬态传导抗扰度 测试系统、屏蔽室，以及各种环境试验舱。 但笔者对征求意见稿的第6 . 2 . 6 . 2 . 1 条认为存在问题。 因为按照其所述的“符合g b / t 2 1 4 3 7 . 2 的有关规定”的 试验目的应该是，发脉冲波形到零部件的电源线上， 看部件在电源上有脉冲电压干扰时，部件的工作正常 与否，是做传导抗干扰；而后面一句话“采用自由场 法在屏蔽室内进行实验，抗扰性电平限值为3 0v / m ” 所叙述的试验目的应该是用天线来发射，形成强的电 磁场环境，考察部件处于这种环境中工作能不能正 常，是标准g b / t 1 7 6 1 9 - 1 9 9 8 所规定，是做辐射抗干 扰。前后两句话的内容不一致。 电动助力转向系统（下称e p s 系统）与前两种转 向系统的最大区别之一是，该系统完全独立于发动机 而利用直流蓄电池作为动力源。与液压助力转向系统 的结构对比可以看出，e p s 系统没有复杂的油液管路和 油泵，取而代之的是相对简单的电子线路和设备，结 构简图见图1 。e p s 系统是通过电子控制单元根据转向 2 . 2 电子液压动力转向系统相关标准 1 3 3 电动助力转向系统 第 5 期4 9万科：汽车助力转向系统及其相关标准分析 参数和车速等信号，控制电动机扭矩的大小和方向， 电动机再由电磁离合器通过减速机构减速增扭后，加 在汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的 转向作用力，从而实现汽车的转向。 e c u 车速 电流 转角 转矩 电动机 离合器 转矩传感器 转向轴 减速机构 齿轮齿条转向器 图1 e p s 系统结构简图 3 . 1 电动助力转向系统的优缺点 3 . 2 电动助力转向系统相关标准 1 ）优点。e p s 系统相对于液压式助力转向系统的 优点是：结构简单，操作简便；汽车在各种速度下都 能得到满意的转向助力，同时还可以通过调整电动助 力转向系统控制器的软件，得到最佳的回正性，从而 改善汽车操纵的稳定性和舒适性，使汽车高速行驶时 保持良好的转向性能。另外，e p s 系统以蓄电池为能 源，以电机为动力元件，独立于发动机工作，效率 高，相对于机械液压助力转向系统和电子液压助力转 向系统可以减少汽车燃油消耗量3 5 ；e p s 系统也 不存在液压助力转向系统的液压油泄漏和噪声高的问 题，对环境几乎没有污染，所以从节能、环保角度 讲，电动助力转向系统也要优于传统的液压助力转向 系统。 2 ）缺点。虽然e p s 系统较传统的液压助力转向系 统有很多优点，但是其也有不尽如人意的地方，如制 造、维修成本高，容易受到电磁干扰，使用稳定性不 强；电动机直接驱动转向机构，只能提供有限的辅助 力度，难以在大型车辆上使用；电动机较大惯性、摩 擦力所带来的路感信息匮乏，使实际驾驶中的操控乐 趣大大降低等，这些都是其现阶段的缺点。 e p s 系统最近几年在国内汽车领域被逐渐应用， 部分转向器企业已开始生产自主品牌的e p s 系统产品， 我国也陆续发布了汽车电动助力转向装置技术条件 与台架试验方法、汽车电动助力转向系统用电动 机技术条件、汽车电动助力转向电子控制器技术 条件与台架试验方法以及汽车电动助力转向扭矩 用传感器技术条件与台架试验方法等行业标准的征 求意见稿，对e p s 系统总成及主要部件的性能及可靠性 做出了规范要求。标准主要是从e p s 系统的总成、控制 器、传感器、转向电机及故障诊断等方面进行考核， 其中系统总成主要试验项目见表1 。主要试验设备有： 电动助力转向系统性能试验台和可靠性试验台、电磁 辐射抗扰度测试系统、电磁骚扰测试系统、静电放电 测试系统、电波暗室及各种环境试验舱。 （下转第5 8 页） 表1 e p s 系统的总成主要试验项目 输入输出力矩曲线 4刚度 0 转角时的 转向力矩/ 力矩梯度 转向力矩与转角曲线 5 环境试验 （高、低温， 湿度试验） 系统是否正常工作 - 6疲劳试验系统是否正常工作 - 7冲击响应时间/ 转向盘转角脉冲响应曲线 8振动试验系统是否正常工作 - 9故障报警试验系统是否正常工作 - 1 0噪声试验系统最大噪声噪声频谱曲线族 1 1助力特性 左右转最大输出 电流/ 助力增益 助力电流与转矩曲线 1 2回正特性 回正启动转角/ 回正启动力矩 回正电流与转角曲线 回正残留转角/ 回正残留力矩 回正增益 回正电流特性回正电流曲线族 最大主动回正力矩 不同转角条件下，车 速和回正力矩曲线 1 3 过载保护 功能试验 输入力矩/ 输入电流 输入力矩与 输入电流曲线 阻尼启动车速 阻尼最大电流 1 4 静电放电抗扰度试验： 系统是否正常工作 - 射频电磁场辐射 抗扰度试验：系统 是否正常工作 - 电磁骚扰特性： 系统最大电磁噪声 幅频特性曲线 项目名称评价参数试验曲线 1功能试验转矩波动量转向力矩与转角曲线 2空载转动力矩 最大转动力矩/ 转矩波动量 转向力矩与转角曲线 3输入输出特性 曲线对称度/ 滞环力矩 序号 电磁兼容性 参考文献： 1 陈家瑞. 汽车构造 m . 北京: 机械工业出版社, 2 0 0 5 . 2 张维刚. 汽车碰撞安全性设计与改进技术 d . 长沙: 湖南大 学, 2 0 0 2 . 3 李建功. 轿车碰撞性能试验分析及车身结构安全性研究 d . 武汉: 武汉理工大学, 2 0 0 9 . 4 汪卫东. 大中型客车的安全性设计现状及发展 j . 城市车 辆, 2 0 0 5 , ( 6 ) 5 刘百洲. 利用s u p e r s a p 进行客车车身结构的有限元分析 j . 客车技术与研究, 1 9 9 4 , ( 2 ) : 9 2 - 9 7 . 6 谷安涛, 元成浩. 大客车车身结构强度的研究用有限 元法分析车身结构强度及车身构件刚度 j . 汽车技术, 1 9 8 3 , ( 9 ) 7 吉学刚, 马兰彪, 李永霞. 国内客车防腐技术应用探讨 j . 客 车技术与研究, 2 0 0 7 . 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