汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展綜述

楊 越，王猛猛，吳明濤

Yang Yue, Wang Mengmeng, Wu Mingtao

（北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車上的重要構(gòu)件，其性能的好壞直接決定汽車操縱穩(wěn)定性能的好壞，作為人與汽車之間的重要連接工具，它隨著汽車整體的發(fā)展和新技術(shù)的出現(xiàn)而推陳出新，改善了駕駛員的駕駛環(huán)境。

1 機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

機(jī)械轉(zhuǎn)向系是以駕駛員的體力作為轉(zhuǎn)向能源，其中所有傳力件都是機(jī)械，其廣泛應(yīng)用于早期汽車以及現(xiàn)代的簡(jiǎn)易車輛上。

齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器在 1885年首次被應(yīng)用在“本茨”汽車上。因?yàn)槠渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，質(zhì)量輕，剛性大，轉(zhuǎn)向靈敏，制造容易，成本低，正、逆效率都高的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于輕型車輛上。例如：紅旗 CA7220型轎車，天津 TJ1010型微型轎車。

循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器是國(guó)內(nèi)工廠采用較多的轉(zhuǎn)向器，它具有傳動(dòng)效率高（正傳動(dòng)效率高達(dá)90%～95%），嚙合平穩(wěn)、剛性好、轉(zhuǎn)向輕便、靈活的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類各級(jí)汽車上。例如：解放CA1040型系列輕型載貨汽車，北京BJ1041輕型載貨汽車等。

蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器通常用于轉(zhuǎn)向力較大的載貨汽車和拖拉機(jī)上。例如：東風(fēng)EQ1090E型汽車，豐收-300型拖拉機(jī)等。

機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從汽車誕生到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)歷了100多年的發(fā)展，結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新使得現(xiàn)在的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更穩(wěn)定、更易操作、更安全。

2 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雖然具有工作可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低的優(yōu)點(diǎn)，但在操作拖拉機(jī)等大型車輛時(shí)，往往會(huì)使人感到疲勞，操作不靈敏。為了追求更加輕便的操作方式，充分發(fā)揮助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，車輛上出現(xiàn)了機(jī)械式液壓助力轉(zhuǎn)向、電液助力轉(zhuǎn)向和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向等助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

2.1 機(jī)械式液壓助力轉(zhuǎn)向系 HPS（Hydraulic Power Steering）

液壓助力轉(zhuǎn)向是利用液壓傳力的原理，駕駛員只需要對(duì)機(jī)械作用一個(gè)較小的力就能在轉(zhuǎn)向輪上產(chǎn)生一個(gè)較大的效果。

與傳統(tǒng)機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，機(jī)械式液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)容易安裝，布置靈活，整個(gè)原件幾乎沒有需要潤(rùn)滑的部分，不存在磨損問題，保養(yǎng)簡(jiǎn)單，且其轉(zhuǎn)向力是由液壓產(chǎn)生，因此可以實(shí)現(xiàn)助力；但是無論駕駛員轉(zhuǎn)向與否，液壓系統(tǒng)一直處于工作狀態(tài)，低溫工作性較差。

機(jī)械式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用在不同車輛上有幾種不同的類型，如并聯(lián)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（圖1）、串聯(lián)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（圖2）、分置式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（圖3）。近年來，機(jī)械式液壓助力轉(zhuǎn)向在國(guó)外得到越來越廣泛的應(yīng)用。美國(guó)查爾林恩公司、丹麥丹佛斯公司生產(chǎn)的種奧爾比特全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，英國(guó)的裴麗斯公司生產(chǎn)的全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，美國(guó)若斯公司生產(chǎn)的新型全液壓轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等，都是基于液壓技術(shù)發(fā)展起來的[1]。

2.2 電液助力轉(zhuǎn)向系 EHPS（Electric Hydraulic Power Steering）

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)以電子技術(shù)為指導(dǎo)的電控助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)成為一個(gè)新的發(fā)展方向。

電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是從液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展而來，該系統(tǒng)采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向泵，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速可調(diào)、可以即時(shí)關(guān)閉，所以也能夠起到降低功率消耗的功效；但是它沒有解決液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在系統(tǒng)布置、安裝、密封性、操縱靈敏度、能量消耗、磨損與噪聲等方面的缺陷，同時(shí)也存在著液壓油泄漏，不便安裝維修和檢測(cè)的缺點(diǎn)（圖4和圖5分別為電液助力轉(zhuǎn)向的工作原理圖和實(shí)物圖）[2]。

電子液壓助力從20世紀(jì)90年代后期開始逐漸普及，福特、大眾、豐田、本田、馬自達(dá)、標(biāo)致、雪鐵龍等品牌均有使用電子液壓助力系統(tǒng)的車型。馬自達(dá)3、凱旋等車型使用的都是這樣的系統(tǒng)。但是，電液助力成本高、助力力度有限、可靠性不及機(jī)械液壓助力，所以電液助力轉(zhuǎn)向無法取代機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向。

2.3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS（Electric Power Steering）

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不同于電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它是在傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加信號(hào)傳感器裝置、電子控制裝置和轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)等。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，在調(diào)整和檢測(cè)、裝配自動(dòng)化方面有明顯的優(yōu)勢(shì)；零件較少，質(zhì)量較輕，與機(jī)械轉(zhuǎn)向系和液壓助力轉(zhuǎn)向相比具有較低噪聲；而且電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向?qū)Νh(huán)境影響小，不存在液壓助力轉(zhuǎn)向中的滲油問題，低溫工作性較好；電控助力轉(zhuǎn)向目前還處于開發(fā)階段，有待進(jìn)一步開發(fā)與研究[3]。

根據(jù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩施加位置和機(jī)械結(jié)構(gòu)不同，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向可分為管柱式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、小齒輪式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向和齒條式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向3類。管柱式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（C-EPS）如圖 6所示，助力電機(jī)安裝于轉(zhuǎn)向管柱上，電機(jī)助力轉(zhuǎn)矩作用于轉(zhuǎn)向管柱上；齒輪式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（P-EPS）如圖7所示，助力電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)布置在轉(zhuǎn)向齒輪上，電機(jī)助力轉(zhuǎn)矩作用于轉(zhuǎn)向齒輪上；齒條式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（R-EPS）如圖8所示，助力電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)布置在轉(zhuǎn)向齒條上，電機(jī)助力轉(zhuǎn)矩作用于轉(zhuǎn)向齒條上[4]。

1988年2月日本鈴木公司首次在其Cervo 車上裝備汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向。在此之后，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)迅速發(fā)展。大發(fā)、三菱、本田、德爾福汽車系統(tǒng)公司先后研制出電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)并裝配在其產(chǎn)品上。當(dāng)前電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向已經(jīng)在輕型車上得到應(yīng)用，其性能已經(jīng)得到人們的普遍認(rèn)可，隨著直流電機(jī)性能的改進(jìn)，電動(dòng)助力能力的提高，其應(yīng)用范圍將進(jìn)一步拓寬。

3 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Steer-by-wire）

汽車線控技術(shù)是將駕駛員的操縱動(dòng)作經(jīng)過傳感器變成電信號(hào)，通過電纜直接傳輸?shù)綀?zhí)行機(jī)構(gòu)的一種系統(tǒng)[5]。作為目前最先進(jìn)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它幾乎具備了機(jī)械轉(zhuǎn)向、助力轉(zhuǎn)向的所有優(yōu)點(diǎn)，成為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中令人耳目一新的技術(shù)。

線控轉(zhuǎn)向技術(shù)具有轉(zhuǎn)動(dòng)效率高，響應(yīng)時(shí)間短的特點(diǎn)，能根據(jù)車速、牽引力等參數(shù)實(shí)時(shí)改變轉(zhuǎn)向比率，提高了汽車碰撞安全性和整車主動(dòng)安全性，具有良好的操縱性，但是目前這一技術(shù)主要應(yīng)用在概念車上。

德國(guó)奔馳公司在 1990年開始了前輪線控轉(zhuǎn)向的研究，并將它開發(fā)的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用于概念車 F400Carving上。隨后，Daimler-Chrysler推出線控驅(qū)動(dòng)概念車R129。這項(xiàng)控制技術(shù)被列為 2000年汽車十大新技術(shù)之一。美國(guó)通用汽車公司展示了概念車“Autonomy”，并在Autonomy基礎(chǔ)上開發(fā)了全球首輛可駕駛的線控燃料電池車Hy-Wire概念車。2003年，豐田也展示了采用線控技術(shù)的 Fine-S燃料電池概念車；在 2005年北美車展上，通用推出了新一代氫燃料電池和線控技術(shù)概念車Sequel[6]。隨著電子元件成本的降低、電源技術(shù)的發(fā)展以及可靠性和控制算法的提高，線控轉(zhuǎn)向技術(shù)以及其他線控技術(shù)會(huì)在不久的將來全面替代傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

從1885年汽車發(fā)明至今，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一直隨汽車技術(shù)的革新而改變，它既保留了傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向的巧妙設(shè)計(jì)，又結(jié)合了液壓、電子技術(shù)的應(yīng)用，發(fā)展出多樣的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，并在汽車市場(chǎng)上得到了合理的應(yīng)用。隨著當(dāng)今采集、控制、無線傳輸、物聯(lián)網(wǎng)、無人駕駛等技術(shù)的發(fā)展，汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)也將出現(xiàn)更多新的改進(jìn)。

[1]一機(jī)部機(jī)械院農(nóng)機(jī)所三室.液壓轉(zhuǎn)向機(jī)介紹[J].糧油加工與食品機(jī)械, 1973, (08): 42-53.

[2]徐冉.汽車電控助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[J].機(jī)電工程技術(shù), 2010, 39(08): 18-199.

[3]林逸，施國(guó)標(biāo).汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].公路交通科技, 2001, (03): 79-87.

[4]劉自凱，徐偉，林務(wù)田.汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展[J].汽車工程師，2011, (12): 53-55.

[5]李華寧，陳小龍.汽車電子應(yīng)用中的線控技術(shù)[J].蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, (03): 54-57.

[6]劉齊.汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展綜述[J].蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2009, (02): 10-13.