汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展簡述

丁志剛 宋洪烈

?

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展簡述

丁志剛 宋洪烈

福建工程學(xué)院機電及自動化工程系

本文綜述了汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展，包括傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和下一代線控電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。闡述了汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的狀況，指出了各種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點、工作原理及優(yōu)缺點，并展望了汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。

汽車；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；發(fā)展趨勢

引言

近年來，隨著社會生活的汽車化，汽車的保有量不斷增加，由此造成交通情況錯綜復(fù)雜，使得駕駛員轉(zhuǎn)向盤的操作頻率增大，這就需要減輕駕駛疲勞，提高操縱的輕便性和靈活性，因此對動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求也越來越高。

至今，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)歷了傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)4個發(fā)展階段，未來則可能向線控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展。目前汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正處在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)向電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的過渡階段[1]。

1 傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（MS）主要由轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)3部分組成。轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)是駕駛員操縱轉(zhuǎn)向器工作的機構(gòu)，包括從方向盤到轉(zhuǎn)向器輸入端的零部件。轉(zhuǎn)向器是把方向盤傳來的轉(zhuǎn)矩按一定傳動比放大并輸出的增力裝置,轉(zhuǎn)向器最早采用的是蝸輪蝸桿式，以后陸續(xù)出現(xiàn)了螺桿螺母式、齒輪齒條式、循環(huán)球式等形式。轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)是把轉(zhuǎn)向器輸出的力矩傳遞給轉(zhuǎn)向車輪的機構(gòu)，包括從轉(zhuǎn)向搖臂到轉(zhuǎn)向車輪的零部件[2]。當(dāng)汽車需要改變行駛方向時，駕駛員通過轉(zhuǎn)動方向盤，轉(zhuǎn)向力矩經(jīng)由轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向器、直拉桿、橫拉桿和梯形臂等機件使轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)汽車方向的改變。

傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、生產(chǎn)成本低。其缺點也非常明顯：①隨著汽車速度的提高和汽車質(zhì)量的增大，轉(zhuǎn)向操縱難度增大，轉(zhuǎn)向越來越費力。②是其傳動比是固定的，即角傳遞特性無法改變，導(dǎo)致汽車的轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性無法控制，傳動比無法隨汽車轉(zhuǎn)向過程中的車速、側(cè)向加速度等參數(shù)的變化而進行補償，駕駛員必須在轉(zhuǎn)向之前就對汽車的轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性進行一定的操作補償，這樣無形中增加了駕駛員的精神和體力負擔(dān)[2]。

2　液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS）是在傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上額外加裝了一套液壓助力系統(tǒng)，一般由油泵、V形帶輪、油管、供油裝置、助力裝置和控制閥等組成。它以液壓油為動力，通過液壓泵產(chǎn)生的動力來推動機械轉(zhuǎn)向器工作。

由于該系統(tǒng)通過液壓力作用來推動傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向機構(gòu)的轉(zhuǎn)向運動，從而減輕了駕駛員的勞動強度，在一定程度上解決了傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于傳動比固定而造成的轉(zhuǎn)向“輕便”與“靈敏”之間的矛盾。但是，這類動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是靠方向盤轉(zhuǎn)動時帶動扭桿直接改變液壓系統(tǒng)油路的通道面積來提供可變的助力。即助力大小與車速的高低沒有關(guān)系，只與轉(zhuǎn)向角度有關(guān)。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)過的角度越大，液壓系統(tǒng)提供的助力也越大。同時，該系統(tǒng)存在著以下缺點：①不管汽車轉(zhuǎn)不轉(zhuǎn)向，只要發(fā)動機工作，液壓助力泵就會在發(fā)動機帶動下工作，額外消耗發(fā)動機的能量。②轉(zhuǎn)向助力特性不可調(diào)，高速和低速時助力特性相同。在低速轉(zhuǎn)向需要較大助力時，往往因發(fā)動機轉(zhuǎn)速低而助力效果差，而在高速轉(zhuǎn)向需要較小助力時，會因發(fā)動機轉(zhuǎn)速高而助力作用大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向過于靈敏，使汽車的操縱穩(wěn)定性變差。③液壓系統(tǒng)本身所固有的液壓油泄漏問題和轉(zhuǎn)向噪聲使得轉(zhuǎn)向舒適性大大下降，同時對環(huán)境造成污染。

由于液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作可靠、技術(shù)成熟，能提供大的轉(zhuǎn)向助力，目前被廣泛應(yīng)用。

3　電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向助力特性在工作時可以改變。它主要有2種類型：電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(ECHPS)和電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EHPS)。目前汽車上應(yīng)用最多的是電動液壓助力轉(zhuǎn)自系統(tǒng)。

3.1 電子控制式液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ECHPS）是在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了控制液體流量的電磁閥、轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器以及轉(zhuǎn)向控制單元等元件。理想情況下，汽車在原地轉(zhuǎn)向時要求轉(zhuǎn)向盡量輕便，在汽車以不同的速度運行時，能實時提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)向助力以克服該運行速度下的轉(zhuǎn)向阻力，使駕駛員既能輕便地操縱方向盤，又有足夠的路感。

在轉(zhuǎn)向過程中，通過轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器等感應(yīng)器件將轉(zhuǎn)向速率、車速等參數(shù)傳遞給轉(zhuǎn)向控制單元。經(jīng)解算后，控制電磁閥使液體流量隨車速的變化而改變，進而改變助力矩的大小，使駕駛員的轉(zhuǎn)向手力根據(jù)車速和行駛條件變化而改變，使操縱輕便性和穩(wěn)定性達到和諧統(tǒng)一。但同時，ECHPS也存在著由于油泵的持續(xù)工作所造成的多余能量消耗，整個液壓系統(tǒng)占用空間大、容易泄漏、噪聲大等缺點，而且增加了車速檢測控制裝置。而且控制閥的結(jié)構(gòu)較HPS復(fù)雜且成本較高，目前主要應(yīng)用于高級轎車及運動型乘用車上。

3.2 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS）也是在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其特點是將原來由發(fā)動機驅(qū)動的液壓助力泵改由電動機驅(qū)動，并且增加了車速傳感器、轉(zhuǎn)向角速度傳感器以及轉(zhuǎn)向控制單元等電控裝置。該系統(tǒng)的液壓儲油罐、油泵、電動機和轉(zhuǎn)向控制單元都集成在電動機油泵組內(nèi)。工作時轉(zhuǎn)向控制單元根據(jù)汽車的行駛速度和方向盤轉(zhuǎn)向角度等輸入信號計算出理想的輸出信號，控制電動機輸出適當(dāng)?shù)墓β剩?qū)動液壓助力泵工作。通過液壓油為轉(zhuǎn)向器提供助力[3]。

當(dāng)汽車低速行駛時，轉(zhuǎn)向控制單元控制電動機輸出較大的轉(zhuǎn)矩，使駕駛者可以輕松地轉(zhuǎn)動方向盤；當(dāng)汽車高速行駛時，轉(zhuǎn)向控制單元控制電動機輸出較小的轉(zhuǎn)矩，這樣駕駛者在操縱方向盤時就比較穩(wěn)定。由于電動機的轉(zhuǎn)速可調(diào)，可以即時關(guān)閉，與液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，它節(jié)省了發(fā)動機的燃油消耗，提高了經(jīng)濟性。

電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)盡管在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上有了較大的技術(shù)改進，但液壓裝置的存在使得該系統(tǒng)仍有難以克服的缺點，如存在滲油、不便于安裝維修等。雖然實現(xiàn)了變助力特性，但該系統(tǒng)在液壓助力系統(tǒng)基礎(chǔ)上又增加了電子控制裝置，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本增加。由于電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)較為成熟，可以實現(xiàn)整車電控系統(tǒng)的一體化，作為傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)向電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)過渡的中間技術(shù)，在一定時間內(nèi)還將繼續(xù)得到應(yīng)用和發(fā)展。

4　電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPAS或EPS)

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了傳感器裝置、電子控制裝置和轉(zhuǎn)向助力機構(gòu)等。其特點是使用電動執(zhí)行機構(gòu)在不同的駕駛條件下為駕駛員提供合適的助力。系統(tǒng)主要由電子控制單元ECU、扭矩傳感器、車速傳感器、電動機、離合器和轉(zhuǎn)向柱總成等組成(圖1)。

圖l 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡圖

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理是：駕駛員操縱方向盤轉(zhuǎn)向時，傳感器將駕駛員作用于方向盤上的扭矩信號、車速信號、發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號輸入ECU，ECU對輸入信號進行運算，查詢助力表格，確定目標電流的大小和方向，從而控制電動機的電流和方向，電動機經(jīng)減速機構(gòu)及離合器將扭矩傳遞給轉(zhuǎn)向機構(gòu)，從而為駕駛員提供合適的助力；當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，EPS系統(tǒng)不助力。不轉(zhuǎn)向的情況下，電動機不工作。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以實時地在不同的車速下為汽車轉(zhuǎn)向提供不同的助力，保證汽車在低速行駛時輕便靈活，高速行駛時穩(wěn)定可靠。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總體上包括機械部分和控制部分。機械部分主要包括傳動單元(離合器、轉(zhuǎn)向柱總成)和執(zhí)行單元(電機)等?？刂撇糠种饕歉鶕?jù)傳感器測得的車速和扭矩信號進行運算處理發(fā)出控制指令，驅(qū)動電機從而為轉(zhuǎn)向提供助力。

EPS與HPS相比，除節(jié)省能源外，由于取消了液壓系統(tǒng)而提高了環(huán)保性能，很好地解決了液壓傳動帶來的種種弊端。整套系統(tǒng)由生產(chǎn)廠家一起提供給整車生產(chǎn)廠，可以直接安裝。對不同車型、不同工況以及不同駕駛員所需的不同轉(zhuǎn)向助力特性，可通過軟件修改，方便快捷。完整的EPS系統(tǒng)還包括故障診斷與安全保護系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)生故障時，能停止助力，自動恢復(fù)到手動控制方式并發(fā)出警報信號，同時顯示所記憶的異常內(nèi)容如扭矩傳感器本身異常、車速傳感器異常以及電動機工作異常、蓄電池異常等等[5]。

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已成為目前汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主流，但是該系統(tǒng)也有其局限性，由于電動機的發(fā)電功率和提供的轉(zhuǎn)向助力也很有限，如果車身較重，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要有較大的驅(qū)動力量，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就顯得力不從心了。所以該系統(tǒng)多用于小型汽車上，目前已大量裝備到中高級轎車上，并逐漸向普通型轎車和小型商用汽車發(fā)展。

5 線控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

隨著動力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展，線控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Steering By Wire，簡稱SBW)是隨著汽車電子技術(shù)發(fā)展的最新成果而成長起來的一種全新轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。它通過電線傳遞信號，控制執(zhí)行機構(gòu)動作來取代傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機械傳動和機械連接，助力矩由主控制器在相應(yīng)參數(shù)進行解算之后，向轉(zhuǎn)向執(zhí)行電動機下達指令，由轉(zhuǎn)向助力電動機提供。

SBW取消了轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機械連接裝置，改由方向盤模塊、轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊和主控制器ECU，3個主要部分以及自動防故障系統(tǒng)、電源等輔助模塊組成。它是由一個實時總線結(jié)構(gòu)（例如CAN，TTP或FlexRay）連接到設(shè)備[6]?？梢院芊奖愕暮推渌到y(tǒng)集成、統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。系統(tǒng)工作時，傳感器檢測駕駛員的轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)總線將信號傳遞給車上的ECU，并從轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)獲得反饋命令[7]。轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)也從轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)獲得駕駛員的轉(zhuǎn)向指令，并從轉(zhuǎn)向系統(tǒng)獲得車輪情況，從而指揮整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運動。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制車輪轉(zhuǎn)到需要的角度，并將車輪的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩反饋到系統(tǒng)的其余部分，比如轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)，以使駕駛員獲得路感，這種路感的大小可以根據(jù)不同的情況由轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)控制。該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有許多優(yōu)點[8]：①消除轉(zhuǎn)向干涉問題；②去掉了原來轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各個模塊之間的剛性機械連接，大大方便了系統(tǒng)的總布置；③舒適性提高；④可以個性化地適合特定的駕駛者和駕駛環(huán)境，與轉(zhuǎn)向有關(guān)的駕駛行為都可以通過軟件來實現(xiàn)；⑤消除了撞車事故中轉(zhuǎn)向柱傷害駕駛員的可能性，不必設(shè)置轉(zhuǎn)向防傷機構(gòu)；⑥駕駛員腿部活動空間增加，出入更方便。

由于轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向柱之間無機械連接，生成讓駕駛員能夠感知汽車實際行駛狀態(tài)和路面狀況的“路感”比較困難，所以目前線控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)僅用于一些概念車。還沒有進行批量生產(chǎn)和安裝，其可靠性和成本是阻撓其發(fā)展的主要原因。主要表現(xiàn)在如果微控制器出現(xiàn)問題，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將完全失靈，它不像電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在電動機或者液壓系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，還可以以人力來控制汽車[9]。該系統(tǒng)的微控制器如果出現(xiàn)故障，因為沒有機械系統(tǒng)連接方向盤和轉(zhuǎn)向器，所以根本不可能控制汽車的轉(zhuǎn)向。

6 對線控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的展望

盡管線控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)現(xiàn)在不盡如人意，但SBW仍然清楚的是汽車發(fā)展方向。SBW系統(tǒng)消除了機械之間的聯(lián)系，方向盤，輪胎的設(shè)計就會大大簡化了。不僅提高了設(shè)計的效率,而且提高了汽車的經(jīng)濟性,并從整體上提高安全性。SBW系統(tǒng)的工作主要由電子元器件承擔(dān)。電子元件的應(yīng)用標志著相當(dāng)數(shù)量的機械零件的減少,以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)整個尺寸和重量的減輕。轉(zhuǎn)向的整個過程由電子器件來實現(xiàn)，這大大提高了車輛的燃料利用率。因為只有在需要轉(zhuǎn)向的時候，才有能量消耗?；谒矔r驅(qū)動的條件，控制單元接收其他系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)，執(zhí)行機構(gòu)只供給輪胎所需的力。轉(zhuǎn)向性能的提高是依賴于傳感器所接收到的速度、牽引力控制系統(tǒng)及其他有關(guān)的變量。當(dāng)事故發(fā)生時，對司機最危險的是方向盤的碰撞。在裝有SBW系統(tǒng)的汽車上，許多由于方向盤的傷害和死亡都可以消除。

由于取消了機械連接，所以轉(zhuǎn)向的高可靠性是絕對必要的。在歐洲，已經(jīng)有相關(guān)的標準，如IEC 61508和EN 61511[10]。單純的電子系統(tǒng)不能保證的失效的條件概率小于10次故障/小時。由于此而設(shè)計出的容錯的體系結(jié)構(gòu)，以及準確的處理策略方法都是必要的。在控制策略方面的故障避免、丟棄錯誤數(shù)據(jù)、主動檢測、自我診斷和保護將用于實現(xiàn)安全和可靠性[11]?？梢灶A(yù)見對于SWB系統(tǒng)的容錯的分析和設(shè)計，將會成為SWB普及前的一個重要課題。

[1] 舒華,姚國平.汽車新技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005.

[2] 朱華.汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及其研究現(xiàn)狀[J].汽車零部件,2009,3 (6): 76-78.

[3] 周淑輝,李幼德等. 汽車電子控制轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展趨勢[J].汽車電器, 2006 (11):1-3.

[4] 黃安華,卜憲衛(wèi).淺談汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[J].Automobile Parts,2010,1(1):81-82.

[5] 朱華.汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及趨勢[J].技術(shù)與應(yīng)用APA, 2010, 1(1):34-38.

[6] WALLENTOWITZ, H., AND REIF, K. Handbuch Kraftfahrzeugelektronik. Vieweg+Teubner, 2006:1-3.

[7] 陳奎元,馬小平,季學(xué)武.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制技術(shù)的研究[ J ]. 江蘇大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2004, 25 (1): 21-24.

[8] 周名,余卓平,趙治國.動力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展[J].輕型汽車技術(shù), 2004(10): 9-10.

[9] 王常友,董愛杰.汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].北京汽車,2007(3): 7-10.

[10] Nico A. Kelling and Patrick Leteinturier,“X-by-Wire: Opportunities,Challenges and Trends, 2003-01-0113, SAE World Congress, Detroit,MI, March :3-6.

[11] E. Fischer, “Standard multi-body system software in the vehicle development process”,Vol. 221 (1), (2007).

Brief Description on Automotive Steering Systems

DING Zhi-gang , SONG Hong-lie

(Electromechanical and Automation Engineering Department, Fu jian University of Technology, Fu zhou 350108, China)

As an important component of the car, Automotive steering system is to determine the key automotive active safety assembly. This article summarizes the vehicle power steering system development. Including traditional mechanical steering system (MS), hydraulic power steering system (HPS), electro-hydraulic power steering systems (EPS) and next-generation wire electric power steering system (SBW).And described the development of the automobile steering system, points out the structural characteristics of various steering system, working principle and the advantages and disadvantages, and the prospect of steering the future development of the SWB .

Automotive; Steering System; Development trend.

福建省科技平臺建設(shè)項目（2008J1002），福建省科技平臺建設(shè)項目（2007H2009）。