汽修专业毕业论文-汽车的常用转向系统的性能分析

摘要转向系统的性能直接影响车辆的操纵性和稳定性。它在保证车辆安全行驶、减少交通事故、改善驾驶员工作条件等方面发挥着重要作用。本文综述了常用汽车转向系统的性能，包括机械转向系统、液压转向系统、动力转向系统和四轮转向系统。分析各转向系统的结构、工作原理和性能。汽车电子化是汽车技术发展的必然趋势。汽车电动助力转向系统正逐步取代传统的液压助力转向系统。电动助力转向是转向系统中一项较新的技术，在国内外发展迅速。其性能和可靠性测试没有统一的方法和评价标准。根据电动助力转向的结构特点，分析了电动助力转向对汽车转向系统的影响。讨论了汽车电动转向系统的发展趋势。关键词：转向系统；性能；助力转向；电动转向

引言转向系统是关系到汽车主动安全性的重要系统，其操纵稳定性对汽车性能有很大影响。机动性是指车辆准确地跟踪驾驶员的驾驶意图；稳定性需要危险的工作条件（高速行驶、大的横向加速度、大的离心力以及超过轮胎侧滑力时的大侧滑；粘着系数小的路面侧滑；在轮胎在开路面上的左右侧偏力不相等以及侧风引起的偏航情况下，车辆仍能稳定运行）。为了提高操纵稳定性，出现了ESP（电子稳定程序）、主动转向、4WS（四轮转向）等。当ESP判断转向不足或转向过度时，后轮和前轮会产生制动力，产生偏航力矩，即偏差修正力矩。四轮转向的后轮也参与转向。低速时，后轮和前轮反向转动，以减小转弯半径并提高机动性。高速行驶时，后轮与前轮转向相同，以提高车辆的稳定性。控制目标是质心的侧滑角为零。然而，这些汽车转向系统处于机械传动阶段。由于转向传动比固定，车辆的转向响应特性随车速变化。因此，驾驶员必须提前补偿车辆转向特性的幅值和相位变化，以控制车辆按照自己的意愿行驶。如果驾驶员的转向操作可以通过信号和控制器与方向盘连接，则驾驶员的转向操作只是向车辆输入自己的驾驶指令，控制器根据驾驶员的指令、当前车辆状态和路况确定合理的前轮角度，从而实现转向系统的智能控制，将大大提高车辆的操纵稳定性，减轻驾驶员的操纵负担，提高人车闭环系统的性能。传统转向系统概述汽车的发展趋势是安全、节能、环保。转向系统是关系到车辆主动安全性的重要系统，其操纵稳定性对车辆性能有很大影响。机动性是指车辆准确地跟踪驾驶员的驾驶意图；稳定性是指需要危险工作条件的侧滑(高高速行驶，横向加速度大，分离力大，且大于轮胎侧偏力）；粘着系数小的道路侧滑；对于开路面在上部轮胎左右侧偏压力不相等以及侧风引起的偏航的情况下，车辆仍能稳定运行）。为了提高操纵稳定性，出现了ESP（电子稳定程序）、4WS（四轮转向）等。根据转向能量的不同，汽车转向系统可分为机械转向系统和助力转向系统。机械转向系统简介机械转向系以⼈的体力作为转向动力，其中所有传力件都是机械机构，它由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。转向操纵机构从转向盘到转向传动轴这一系列零部件属于转向操纵机构。它包括转向盘、转向柱管、转向轴、上下万向节、转向传动轴等。当汽车发生碰撞时，从安全考虑，不仅要求转向盘具有柔软的外表⽪，起到缓冲作用，而且还要求转向盘在撞车时，其⾻架能产生一定的变形，以吸收冲击能量，减缓驾驶员受伤的程度。对于轿车，除了要求装有吸能式转向盘外，还要求转向管柱也必须备有缓和冲击的吸能装置。其基本原理是，当受到巨大冲击时，转向轴产生轴向位移，使⽀架或某些⽀撑件产生塑性变形，从而吸收冲击能量。转向器（1）循环球式转向器循环球式转向器是由两套传动副组成的，一套是螺杆螺⺟传动副，另一套是齿条齿扇传动副或滑块曲柄指销传动副。转向螺⺟直径大于螺杆直径，故能松套在螺杆上。在螺杆和螺⺟的内外圆面上，制出断面近似为半面圆形的螺旋槽，⼆者的槽相配合构成了圆形截面的螺旋形通道。螺⺟侧面有两对通孔，可将钢球从此孔塞入螺旋形通道内。转向螺⺟外有两个钢球导管，每个导管的两端分别插入螺⺟侧面的一对通孔中，以组成两条管状的封闭循环通道，这样实现了螺杆与螺⺟之间的滚动摩擦，从而减少了摩擦阻力。循环球式转向器的正传动效率很高，故操纵轻便，使用寿命长，工作稳定、可靠。但其逆效率也很高，容易将路面冲击力传到转向盘。不过，对于前轴载质量不大而⼜经常在平坦路面上行使的汽车而⾔，这一缺点影响不大。（2）齿轮齿条式转向器转向传动机构包括左、右横拉杆、转向减振器等组成。汽车转向时，转向器中齿条作横向移动，使左右横拉杆一个受压、一个受拉地移动。横拉杆外端的球头铰链带动左、右转向节臂和转向节绕主销转动，使得转向轮偏转一定角度。由于齿轮齿条式转向器具有结构简单、紧凑、质量轻、刚性大、转向灵敏，制造容易，成本低，正逆效率都高以及便于布置等优点，而且特别适合与烛式和麦弗逊式悬架配用。因此，目前它在轿车和微型、轻型货车上得到⼴泛应用。例如，一汽的红旗CA7220型轿车、奥迪100型轿车、捷达轿车、上海桑塔纳轿车、夏利轿车等。转向传动机构分为与非独非立悬架配用转向传动机构和与独立悬架转向传动机构。（1）与非独立悬架配用的转向传动机构与非独立悬架配用的转向传动机构主要包括转向摇臂、转向直拉杆转向节臂和转向梯形。在前桥仅为转向桥的情况下，由转向横拉杆和左、右梯形臂组成的转向梯形一般布置在前桥之后。当转向轮处于与汽车直线行驶相应的中立位置时，梯形臂与横拉杆在与道路平行的平面(水平面)内的交角＞90°。在发动机位置较低或转向桥兼充驱动桥的情况下，为避免运动干涉，往往将转向梯形布置在前桥之前，此时上述交角＜90°。若转向摇臂不是在汽车纵向平面内前后摆动，而是在与道路平行的平面向左右摇动，则可将转向直拉杆横置，并借球头销直接带动转向横拉杆，从而推使两侧梯形臂转动。（2）与独立悬架配用的转向传动机构当转向轮独立悬挂时，每个转向轮都需要相对于车架作独立运动，因而转向桥必须是断开式的。与此相应，转向传动机构中的转向梯形也必须是断开式的。助力转向系统简介重型汽车或装有超低压胎的轿车转向时阻力较大，为了减轻驾驶员的疲劳程度，改善转向系统的技术性能，采用动力转向装置。采用动力转向的汽车转向时，所需的能量在正常情况下，只有小部分是驾驶员提供的体能，而大部分是发动机驱动转向油泵旋转，将发动机输出的部分机械能转化为压力能，并在驾驶员控制下，对转向传动装置或转动器中某一传动件施加不同方向的随动渐进压力，从而实现转向。助力转向分类按助力能源分：液压助力转向、气压助力转向（仅限于重型且采用气压制动的车）、电动助力转。液压助力转向系统液压助力转向系统（HydraulicpowerSteering,简称HPS）。⾃1953年通用汽车公司在凯迪拉克和别克轿车上⾸次批量使用液压动力转向系统以来，液压动力转向系统给汽车的发展带来了巨大的变化，使驾驶员的转向操纵力大大降低，转向的灵敏性得到了提高。随着生产技术的发展，动力转向系统在体积、价格和所消耗的功率等方面都取得了惊⼈的进步。在20世纪80年代后期，⼜出现了电控液压动力转向系统。液压助力转向系统是在机械转向系统的基础上加设一套液压转向加力装置形成的。其中属于转向加力装置的部件主要有：转向油罐、转向液压泵、转向控制阀和转向动力缸。分析可知，当车辆维持较低的速度前进时，转向盘开始转向，其转角逐渐增大，驾驶员开始施加外力，增大转矩，这时油压反力室压力上升，引发供油量增加，进而提供助力。由于采用机械配合电子控制，其可靠性往往非常高，但受液压系统先天条件限制，在使用过程中可能出现漏油、震动、稳定性随时间延长而降低等缺点。电动助力转向系统电动助力系统的输出助力与电极电流正相关，因此只需要探明该电流大小与转矩-车速的关系急了。相较传统的转向系统，其操作更稳定，输出助力可随时调节，经济节能而且空间占用小。基于以上优点，该装置在现阶段使用广泛，私家车中大部分转向装置都用到该系统。电动助力转向系统概述⾃1953年通用汽车公司在凯迪拉克和别克轿车上⾸次批量使用液压动力转向系统以来，液压动力转向系统给汽车的发展带来了巨大的变化，使驾驶员的转向操纵力大大降低，转向的灵敏性得到了提高。随着生产技术的发展，动力转向系统在体积、价格和所消耗的功率等方面都取得了惊⼈的进步。在20世纪80年代后期，⼜开发了变减速比、电控液压动力转向系统。但是动力转向系统的技术⾰新都是基于液压动力转向系统的，⽆法消除HPS系统在布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面的缺陷。直到1988年日本铃木公司⾸次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统，才真正摆脱了液压动力转向系统的束缚。电动助力转向（ElectricpowerAidedsteering,简称EPS）系统是一种直接依靠电动机提供辅助转矩的动力转向系统，是为了满足⼈们对假释轻便性的要求而产生的。它可以根据不同的使用工况控制电动机提供不同的辅助动力，这也符合当前电控技术与汽车技术相结合的趋势。电动助力转向系统的组成电动转向系统（Steering-By-WireSystem，SBWS）由转向盘模块、转向执行模块和主控制器（ECU）3个主要部分以及⾃动防故障系统、电源等辅助模块组成。转向盘模块包括转向盘、转向盘转角传感器、转矩传感器和转向盘回正力矩电动机。其主要功能是将驾驶员的转向意图（通过测量转向盘转角）转换成数字信号并传递给主控制器;同时接收主控制器送来的力矩信号，产生转向盘回正力矩，以提供给驾驶员相应的路感信息。电动助力转向EPS的原理电子控制动力转向系统是利用电动机作为助力源，根据转向参数和车速等，由微机完成助力工作的，其原理可概述如下。不转向时，电动机不工作；当操纵转向盘时，装在转向盘轴上的转矩传感器不断检测转向轴上的转矩，并由此产生一个电压信号，该信号与车速信号同时输入电子控制器，由控制器中的微机根据这些输入信号进行运算处理，确定助力转矩的大小和方向，即选定电动机的电流和转向，调整转向的辅助动力。电动机的转矩由电磁离合器通过减速机构减速增矩后，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。电子控制电动助力转向控制系统的核⼼是一个4kBROM和256kBRAM的8位微机。转向盘转矩信号和车速信号经过输入接口送入微机，随着车速的提高，通过微机控制相应地降低助力电动机电流，以减少助力转矩。发动机转速信号也被送入微机，当发动机处于怠速时，由于供电不足，助力电动机和离合器不工作。点⽕开关的通断（on/off）信号经A/D转换接口送入微机，当点⽕开关断开时，电动机和离合器不能工作。微机控制指令经D/A转换后送入电动机和离合器的驱动放大电路中，控制电动机的旋转方向和离合器的结合。电动机的电流经驱动放大回路、电流表A、A/D转换接口反馈给微机，将电动机的实际电流与按微机指令应给的电流相比较，调节电动机的实际电流，使两者接近一致。汽车转向系统现阶段的发展目前新兴的线控转向系统，虽然同样采用电动机作为动力源，但却根本不需要直接连接在方向盘与相应车轮间，因此转向过程不再受人力及机械稳定性的影响，其稳定性非常高。其优点主要表现在：首先，地面反馈作用力不会影响到驾驶员，大幅削减了长时间驾驶的疲劳感；其次，转向无干涉，便于后续集成化；再次，转向力矩可自动化调整，完全脱离了其它干扰；最后，进一步减轻了车身重量，拓展了可使用车身空间。四轮转向技术的发展汽车的四轮转向系统在20世纪80年代中期开始发展，其主要目的是提高汽车在高速行驶或侧向风力作用时的操纵稳定性，改善在低速时的操纵轻便性，以及减小在停车场调车时的转弯半径。此外，在汽车高速行驶时还易于由一个车道向另一个车道调整。四轮转向技术性能4WS车辆在高速行驶时，当受到侧风或侧向路面的干扰时，车身姿态变化不大，便于方向盘的校正。高速行驶时，后轮与前轮同相转动，角度小。从方向盘到后轮的转向时间很短，转弯时车身姿态变化不大，即对目标行驶路线的跟踪性能良好。车身方向与实际行驶方向相差不大，高速行驶时有一种稳定感。传统的2WS汽车只在转弯开始时转动前轮。前轮转动和后轮转动之间存在时间差。在这个小时差中，由于后轮没有侧向力，因此车轮后部将向外偏移。对于4WS车辆，后轮的旋转方向与前轮相同，因此后轮也会产生侧向力，因此车身的侧偏角很小，甚至为零。这样，车辆可以平稳地变换车道，从而提高车辆的操纵稳定性。结束语随着时代的发展，目前广泛应用的电子液压动力转向系统、电动动力转向系统和相对新颖的线控转向系统有三种。它们各自的特点都有各自的优势，而有线系统具有最广泛的适用性，这是最值得我们深入研究的。通过对三种转向系统的比较可以发现，液压动力系统作为早期主流转向系统，稳定性很好，但会带来油损失，在低温下使用需要加热，污染环境，集成度低，安装困难；电动转向系统各方面都有所改进，但稳定性有所降低；因此，我们需要进一步探索线控转向系统的使用特点，并加以推广。参考文献[1]池保忠.微型车电动助力转向控制策略的研究与设计[J].长沙铁道学院学报(社会科学版)，2011(01).[2]向丹，李玉