汽車助力轉(zhuǎn)向技術(shù)及其控制策略的研究

廖抒華，楊彩紅

（廣西工學(xué)院汽車工程系，廣西 柳州 545006）

傳統(tǒng)機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)依靠人力進(jìn)行轉(zhuǎn)向，操縱笨重，轉(zhuǎn)向不靈活。為了使轉(zhuǎn)向更靈敏輕便，提高車輛的操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性，出現(xiàn)了一系列的轉(zhuǎn)向助力形式，包括液壓助力、電控液壓、電動助力、四輪轉(zhuǎn)向、主動轉(zhuǎn)向、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和操縱手柄式，各種系統(tǒng)的控制技術(shù)都是為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)向系和其它系統(tǒng)的良好匹配，提高整車的綜合性能。

1 液壓助力轉(zhuǎn)向

20世紀(jì)40年代起，為減輕駕駛員體力負(fù)擔(dān)，在機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了液壓助力系統(tǒng) （Hydrau1ic Power Steering， 簡稱HPS）， 1951年開始在轎車上采用液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，標(biāo)志著動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開端［1］。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是利用油泵建立油壓，經(jīng)過控制閥調(diào)節(jié)油量輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向助力，流量控制閥是液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心部件。

最早被應(yīng)用的流量控制閥是滑閥，滑閥的閥體在轉(zhuǎn)向軸的帶動下沿軸線移動來控制油液流量。黃河JN1181C13型汽車上用螺母下部的板狀凸緣作為滑閥位置改變的撥板，通過螺母位置的改變帶動閥體的移動［2］，此系統(tǒng)減少了系統(tǒng)零件，結(jié)構(gòu)簡單，易于布置。

之后的轉(zhuǎn)向系用轉(zhuǎn)閥控制油路，轉(zhuǎn)閥式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用扭桿作為閥芯和閥體相對轉(zhuǎn)動的載體，扭桿直接與轉(zhuǎn)向軸相連，產(chǎn)生的油壓隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的大小變化。

但是小齒輪和轉(zhuǎn)向軸之間需產(chǎn)生5°的轉(zhuǎn)角才 能 實 現(xiàn) 轉(zhuǎn) 向［3］， 這 就產(chǎn)生了轉(zhuǎn)向上的滯后，靈敏度不夠高。上海大眾公司采用的PCF閥有效地緩解了這一問題［3］。PCF閥結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是在扭桿位置增加了一個拉力彈簧，拉力彈簧缺口處的銷子壓緊彈簧，用以產(chǎn)生相應(yīng)的預(yù)載荷，汽車高速行駛時，彈簧的預(yù)載荷就可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，低速行駛時轉(zhuǎn)閥也工作，助力增大。但液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍在安裝、密封性、操縱靈敏度、能量消耗等方面存在不足。

2 電控液壓轉(zhuǎn)向

由于流量控制閥的參數(shù)一旦確定，液壓助力特性曲線就難以改變，這樣電控液壓系統(tǒng)將車速信號引入，增加了控制單元，形成了車速感應(yīng)型助力特性。上海大眾Po1o轎車裝備了TRY公司生產(chǎn)的電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，當(dāng)時在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。

為了較為精確地調(diào)節(jié)控制閥的流量，增加轉(zhuǎn)向系的剛度，提高轉(zhuǎn)向系的靈敏性，在系統(tǒng)中增加一個電磁節(jié)流閥，如圖2所示。

控制器控制節(jié)流閥，改變通流面積調(diào)節(jié)流量，保證輸出的助力隨車速增加而減小。但是因為節(jié)流閥的通流面積小，增加了高壓油流過的粘性阻力，與液壓助力式一樣，轉(zhuǎn)向剛度降低，產(chǎn)生滯后。

另一種是采用文獻(xiàn)［3］中兩個彈簧并聯(lián)的方法，形如懸架，采用主副彈簧來增加彈簧剛度。附加彈簧同扭力桿同心安裝，節(jié)流閥產(chǎn)生的壓力將彈簧座壓起，扭桿有所松開，變形增大，形成了比較寬的助力特性曲線，如圖3所示。

同傳統(tǒng)轉(zhuǎn)閥相比，同樣大小助力的情況下，變剛度彈簧系統(tǒng)的油壓較小。因此緊急情況下，駕駛員就不必?fù)?dān)心因油量不足，轉(zhuǎn)向器受力的一側(cè)不能被油液迅速填充而發(fā)生事故，提高了安全性。

3 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

液壓助力結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功率消耗大、能量浪費較多，因此汽車工程師一直在尋求一種更好的助力方式，以獲得較強的路感、較輕的操縱力、較好的回正性、較高的抗干擾能力和較快的響應(yīng)性。20世紀(jì)80年代開始，人們開始研究電子控制式電動助力轉(zhuǎn)向 （E1ectric Power Steering， 簡稱EPS）。 最早應(yīng)用是在1988年日本鈴木Cervo汽車上，隨后還安裝在A1to上，國內(nèi)廣州本田飛度、思迪、昌河北斗星是最早裝備EPS系統(tǒng)的車型，EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

最常用的EPS是基于齒條齒輪系統(tǒng)的，有轉(zhuǎn)向柱助力型、齒輪助力型、齒條助力型。

3.1 轉(zhuǎn)向柱式系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向柱助力型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是將電動機安裝在轉(zhuǎn)向柱上，通過減速機構(gòu)與轉(zhuǎn)向柱相連，輸出的助力直接傳遞給轉(zhuǎn)向柱。由于是驅(qū)動轉(zhuǎn)向柱，需將電動機安裝到駕駛艙內(nèi)，這樣就受到駕駛艙空間的限制，電動機體積相對減小，只能輸出較小的助力，現(xiàn)在只用于緊湊車上；另一方面電動機的振動、噪聲、扭矩變化嚴(yán)重影響駕駛員的舒適性，會引起駕駛疲勞。五十鈴公司的A1to汽車采用的是這種布置方案，它的控制單元安裝在駕駛員座椅下［4］。

3.2 齒輪助力式

齒輪助力型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電動機和減速機構(gòu)與小齒輪相連，輸出的扭矩直接傳到齒輪上。由于電動機直接與小齒輪相連，這樣減小了傳動損失，可獲得較高的助力，而且不受空間和位置限制，隨意性比較大。三菱公司的Minica微型汽車采用了這種方案，它的控制單元安裝在前排乘客一側(cè)［4］。

3.3 齒條助力式

齒條助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是將電動機和減速機構(gòu)與齒條相連，直接控制齒條，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。這種控制方式與齒輪式相似，不用考慮空間和位置的影響，還可以產(chǎn)生較大助力。大發(fā)公司Mira微型汽車采用的就是這種方案［4］。

3.4 其它控制策略

開始發(fā)展的電動助力系統(tǒng)都是基于車速和扭矩信號的，車速和扭矩增大，產(chǎn)生的助力在減小。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，考慮到轉(zhuǎn)向系和電動機的摩擦力，很多學(xué)者將轉(zhuǎn)向角、橫擺加速度、電動機摩擦等信息考慮進(jìn)來，產(chǎn)生了許多控制策略，如回正控制、阻尼控制、狀態(tài)反饋控制等。并且，國內(nèi)多個高校都對電動助力轉(zhuǎn)向控制策略作了相關(guān)研究，清華大學(xué)對EPS控制系統(tǒng)的基本助力控制、回正控制和阻尼控制進(jìn)行了研究，設(shè)計了基于PID算法的控制策略［5］。江蘇大學(xué)對EPS系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，回正控制算法等進(jìn)行了研究［6］。

4 主動轉(zhuǎn)向

在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向盤到前輪的轉(zhuǎn)向傳動比是固定的。定傳動比設(shè)計的不足主要表現(xiàn)為：低速或停車工況下駕駛員需要大角度地轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，而高速時又不能滿足低轉(zhuǎn)向靈敏度的要求，否則車輛的穩(wěn)定性和安全性會隨之下降。因此，同時滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在低速時的靈活性要求與高速時的穩(wěn)定性要求是車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計的核心問題之一。德國寶馬公司和ZF公司聯(lián)合開發(fā)的主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)很好地解決了這一問題，變傳動比的設(shè)計既提高了低速時的靈活性，又提高了高速時的安全性和穩(wěn)定性，大大提高了汽車的設(shè)計水平，以下的幾種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就是變傳動比系統(tǒng)。

5 四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

由于車輛具有柔性轉(zhuǎn)向，當(dāng)后輪為負(fù)前束時，要保證汽車有不足轉(zhuǎn)向，前輪必須有更大的負(fù)前束，這樣雖然抗干擾的穩(wěn)定性提高了，但駕駛員打舵轉(zhuǎn)彎時很吃力，不是理想的特性。但若后輪是正前束或前束為零，既擴大了轉(zhuǎn)彎能力，又同時實現(xiàn)了穩(wěn)定性和操縱性，四輪轉(zhuǎn)向系就是基于這種思想發(fā)展起來的［7］， 德爾福QUADRASTEER后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是最早的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)［8］。 四輪轉(zhuǎn)向有同相位轉(zhuǎn)向和異相位轉(zhuǎn)向兩種方式，如圖5所示。

同相位轉(zhuǎn)向能增加車輛的不足轉(zhuǎn)向，提高高速穩(wěn)定性；異相位轉(zhuǎn)向能減小轉(zhuǎn)彎半徑，提高機動性和靈活性。國內(nèi)多位學(xué)者對四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了研究［9-11］，結(jié)果說明了四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性很好。

6 后輪隨動轉(zhuǎn)向

隨動轉(zhuǎn)向是利用后懸架在輪胎側(cè)向力作用下的變形轉(zhuǎn)向特性，使整個后軸跟隨前輪產(chǎn)生相同方向的轉(zhuǎn)向運動的一種被動四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)。一般來說，車輛在轉(zhuǎn)彎時，后輪通常是隨前輪的被動拖導(dǎo)而轉(zhuǎn)彎的，車身因重心偏移而傾斜，不僅跑偏甩尾，也容易側(cè)翻。后輪隨動轉(zhuǎn)向技術(shù)巧妙地利用轉(zhuǎn)彎時的離心力讓后輪跟隨前輪產(chǎn)生一個微小的偏轉(zhuǎn)角度，配合扭力桿橫向布置的應(yīng)用，使其在轉(zhuǎn)彎時，尤其是高速時，重心偏移度大大減小，汽車因此而 “頭不重，腳不輕”，行駛的穩(wěn)定性大大增強，不易側(cè)翻，安全系數(shù)也隨之增加。駕車者感覺自己的操縱更加靈活自如，乘車者的乘坐舒適感也大為改善。雪鐵龍富康是最早采用此技術(shù)的車型，大大提高了汽車操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性，但不足之處是在低速時后輪隨動轉(zhuǎn)向不起作用。

7 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

線控轉(zhuǎn)向 （Steer-By-Wire）是線控技術(shù) （XBy-Wire）的一種。By-Wire意味電子控制，X代表汽車中各個系統(tǒng)。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)完全取消了機械連接，完全由電子元件來實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向，其結(jié)構(gòu)如圖6所示?？刂破鞲鶕?jù)得到的信號計算前輪轉(zhuǎn)角，向回正電動機和執(zhí)行電動機發(fā)出信號，實現(xiàn)前輪理想轉(zhuǎn)向。系統(tǒng)自行檢測故障并進(jìn)行處理，保證行駛安全性。

目前國外多個國家都在對容錯技術(shù)、總線技術(shù)、電源技術(shù)和路感模擬等方面進(jìn)行研究。國內(nèi)，同濟大學(xué)、武漢理工大學(xué)、吉林大學(xué)都對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了研究，但還處在初級階段［12］。相信經(jīng)過不斷發(fā)展，線控技術(shù)會被廣泛應(yīng)用到汽車上，成為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主流。

8 操縱手柄式系統(tǒng)

通俗來說，操縱手柄式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就是無轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。美國克萊斯勒公司研制的新一代汽車用操縱手柄取代轉(zhuǎn)向盤和腳踏板，操縱手柄通過計算機邏輯運算控制汽車的加速、轉(zhuǎn)向和制動。

取消了轉(zhuǎn)向盤和腳踏板，汽車內(nèi)有更大的空間，駕駛座的設(shè)計就有更大的自由，提高了駕駛員的舒適性，不會因為長時間把握轉(zhuǎn)向盤感到疲憊。這種新型技術(shù)具有智能性，能夠檢測出汽車方向的改變并及時進(jìn)行修正，它將會成為人們青睞的對象。

9 結(jié)束語

本文對各種助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制技術(shù)及控制策略進(jìn)行了研究，液壓助力轉(zhuǎn)向存在轉(zhuǎn)向不靈敏、操縱笨重等問題，但因為產(chǎn)生的操縱力大，安全性高，仍被應(yīng)用于一些商用車，尤其是重型車。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)過20多年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)很成熟，被廣泛應(yīng)用到各種車型上。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是主動轉(zhuǎn)向的一種，對變傳動比的要求一直是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)追求的目標(biāo)，但由于線控系統(tǒng)的不可靠性，只是應(yīng)用到了概念車上。操縱手柄式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是新型技術(shù)，因為這種系統(tǒng)的方便和靈活性，它將會成為轉(zhuǎn)向系的發(fā)展趨勢。

［1］施國標(biāo)，林 逸，張 昕.動力轉(zhuǎn)向技術(shù)及其發(fā)展［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2006，（10）：173-175.

［2］陳家瑞.汽車構(gòu)造［M］.北京：人民交通出版社，2005：277-284.

［3］馬扎根.淺談轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展［J］.汽車技術(shù)，1996，（3）： 4-10.

［4］陳家瑞，馬天飛.汽車構(gòu)造［M］.北京：人民交通出版社，2009：298-300.

［5］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， （1）： 21-24.

［6］徐建平，何 仁，苗立東，等.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正控制算法研究［J］. 汽車工程， 2004， （5）： 557-559.

［7］宇野高明.汽車行駛性能和底盤機構(gòu)［J］.汽車運用，1994， （8）： 26-31.

［8］劉戰(zhàn)芳.四輪轉(zhuǎn)向汽車技術(shù)研究［J］.技術(shù)與研究，2007， （4）： 28-29.

［9］冷曉鳳.四輪轉(zhuǎn)向汽車運動穩(wěn)定性分析［J］.工業(yè)技術(shù)，2008， （29）： 94.

［10］王 敬，王 勇.汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制技術(shù)淺談［J］. 黑龍江科技信息， 2009， （32）： 73.

［11］韓忠浩.汽車四輪轉(zhuǎn)向與兩輪轉(zhuǎn)向的瞬態(tài)響應(yīng)比較［J］. 機槭設(shè)計與制造， 2001， （1）： 77-78.

［12］于蕾艷，林 逸，施國標(biāo).汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)概述［J］. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程， 2007， （5）： 3-6.