汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展歷程及展望

戚航

摘要：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(jī)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(dòng)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(diǎn)、工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)，并展望了汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：汽車；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，隨著社會(huì)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(cuò)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(duì)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。至今，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)歷了傳統(tǒng)機(jī)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(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)4個(gè)發(fā)展階段，未來(lái)則可能向線控動(dòng)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(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的過(guò)渡階段。

一、傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（MS）主要由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3部分組成。轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)是駕駛員操縱轉(zhuǎn)向器工作的機(jī)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(lái)的轉(zhuǎn)矩按一定傳動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)是把轉(zhuǎn)向器輸出的力矩傳遞給轉(zhuǎn)向車輪的機(jī)構(gòu)，包括從轉(zhuǎn)向搖臂到轉(zhuǎn)向車輪的零部件。當(dāng)汽車需要改變行駛方向時(shí)，駕駛員通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)件使轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)汽車方向的改變。

傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、生產(chǎn)成本低。其缺點(diǎn)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(lái)越費(fèi)力。②是其傳動(dòng)比是固定的，即角傳遞特性無(wú)法改變，導(dǎo)致汽車的轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性無(wú)法控制，傳動(dòng)比無(wú)法隨汽車轉(zhuǎn)向過(guò)程中的車速、側(cè)向加速度等參數(shù)的變化而進(jìn)行補(bǔ)償，駕駛員必須在轉(zhuǎn)向之前就對(duì)汽車的轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性進(jìn)行一定的操作補(bǔ)償，這樣無(wú)形中增加了駕駛員的精神和體力負(fù)擔(dān)。

二、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(jī)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(dòng)力，通過(guò)液壓泵產(chǎn)生的動(dòng)力來(lái)推動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)向器工作。

由于該系統(tǒng)通過(guò)液壓力作用來(lái)推動(dòng)傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，從而減輕了駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，在一定程度上解決了傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于傳動(dòng)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(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是靠方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)扭桿直接改變液壓系統(tǒng)油路的通道面積來(lái)提供可變的助力。即助力大小與車速的高低沒(méi)有關(guān)系，只與轉(zhuǎn)向角度有關(guān)。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)過(guò)的角度越大，液壓系統(tǒng)提供的助力也越大。同時(shí)，該系統(tǒng)存在著以下缺點(diǎn)：①不管汽車轉(zhuǎn)不轉(zhuǎn)向，只要發(fā)動(dòng)機(jī)工作，液壓助力泵就會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下工作，額外消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的能量。②轉(zhuǎn)向助力特性不可調(diào)，高速和低速時(shí)助力特性相同。在低速轉(zhuǎn)向需要較大助力時(shí)，往往因發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低而助力效果差，而在高速轉(zhuǎn)向需要較小助力時(shí)，會(huì)因發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高而助力作用大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向過(guò)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(wèn)題和轉(zhuǎn)向噪聲使得轉(zhuǎn)向舒適性大大下降，同時(shí)對(duì)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。

三、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(shí)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(dòng)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(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)自系統(tǒng)。

（一）電子控制式液壓動(dòng)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(shí)要求轉(zhuǎn)向盡量輕便，在汽車以不同的速度運(yùn)行時(shí)，能實(shí)時(shí)提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)向助力以克服該運(yùn)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(guò)程中，通過(guò)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(jìn)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(dá)到和諧統(tǒng)一。但同時(shí)，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(gè)液壓系統(tǒng)占用空間大、容易泄漏、噪聲大等缺點(diǎn)，而且增加了車速檢測(cè)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(jí)轎車及運(yùn)動(dòng)型乘用車上。

（二）電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

電動(dòng)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(lái)的。其特點(diǎn)是將原來(lái)由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓助力泵改由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(chǔ)油罐、油泵、電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)向控制單元都集成在電動(dòng)機(jī)油泵組內(nèi)。工作時(shí)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(hào)計(jì)算出理想的輸出信號(hào)，控制電動(dòng)機(jī)輸出適當(dāng)?shù)墓β?，?qū)動(dòng)液壓助力泵工作。通過(guò)液壓油為轉(zhuǎn)向器提供助力。當(dāng)汽車低速行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向控制單元控制電動(dòng)機(jī)輸出較大的轉(zhuǎn)矩，使駕駛者可以輕松地轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤；當(dāng)汽車高速行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向控制單元控制電動(dòng)機(jī)輸出較小的轉(zhuǎn)矩，這樣駕駛者在操縱方向盤時(shí)就比較穩(wěn)定。由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可調(diào)，可以即時(shí)關(guān)閉，與液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，它節(jié)省了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗，提高了經(jīng)濟(jì)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(jìn)，但液壓裝置的存在使得該系統(tǒng)仍有難以克服的缺點(diǎn)，如存在滲油、不便于安裝維修等。雖然實(shí)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(shí)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(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)過(guò)渡的中間技術(shù)，在一定時(shí)間內(nèi)還將繼續(xù)得到應(yīng)用和發(fā)展。

四、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPAS或EPS）

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機(jī)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(jī)構(gòu)等。其特點(diǎn)是使用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)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(dòng)機(jī)、離合器和轉(zhuǎn)向柱總成等組成。

電動(dòng)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(shí)，傳感器將駕駛員作用于方向盤上的扭矩信號(hào)、車速信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)輸AECU，ECU對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，查詢助力表格，確定目標(biāo)電流的大小和方向，從而控制電動(dòng)機(jī)的電流和方向，電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速機(jī)構(gòu)及離合器將扭矩傳遞給轉(zhuǎn)向機(jī)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(shí)，EPS系統(tǒng)不助力。不轉(zhuǎn)向的情況下，電動(dòng)機(jī)不工作。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)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(shí)輕便靈活，高速行駛時(shí)穩(wěn)定可靠。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總體上包括機(jī)械部分和控制部分。機(jī)械部分主要包括傳動(dòng)單元（離合器、轉(zhuǎn)向柱總成）和執(zhí)行單元（電機(jī)）等。控制部分主要是根據(jù)傳感器測(cè)得的車速和扭矩信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理發(fā)出控制指令，驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dòng)帶來(lái)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(duì)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(guò)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(hù)系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，能停止助力，自動(dòng)恢復(fù)到手動(dòng)控制方式并發(fā)出警報(bào)信號(hào)，同時(shí)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(dòng)機(jī)工作異常、蓄電池異常等等。

五、線控動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

隨著動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展，線控動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SteeringBy Wire，簡(jiǎn)稱SBW）是隨著汽車電子技術(shù)發(fā)展的最新成果而成長(zhǎng)起來(lái)的一種全新轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。它通過(guò)電線傳遞信號(hào)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作來(lái)取代傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)和機(jī)械連接，助力矩由主控制器在相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行解算之后，向轉(zhuǎn)向執(zhí)行電動(dòng)機(jī)下達(dá)指令，由轉(zhuǎn)向助力電動(dòng)機(jī)提供。SBW取消了轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)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(gè)主要部分以及自動(dòng)防故障系統(tǒng)、電源等輔助模塊組成。它是由一個(gè)實(shí)時(shí)總線結(jié)構(gòu)（例CAN，TTP或FlexRay）連接到設(shè)備。可以很方便的和其他系統(tǒng)集成、統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。系統(tǒng)工作時(shí)，傳感器檢測(cè)駕駛員的轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)總線將信號(hào)傳遞給車上的ECU，并從轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)獲得反饋命令。轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)也從轉(zhuǎn)向操縱機(jī)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(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。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(dòng)轉(zhuǎn)矩反饋到系統(tǒng)的其余部分，比如轉(zhuǎn)向操縱機(jī)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。

六、對(duì)線控動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的展望

盡管線控動(dòng)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(jī)械之間的聯(lián)系，方向盤，輪胎的設(shè)計(jì)就會(huì)大大簡(jiǎn)化了。不僅提高了設(shè)計(jì)的效率，而且提高了汽車的經(jīng)濟(jì)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(biāo)志著相當(dāng)數(shù)量的機(jī)械零件的減少，以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)整個(gè)尺寸和重量的減輕。轉(zhuǎn)向的整個(gè)過(guò)程由電子器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，這大大提高了車輛的燃料利用率。因?yàn)橹挥性谛枰D(zhuǎn)向的時(shí)候，才有能量消耗?；谒矔r(shí)驅(qū)動(dòng)的條件，控制單元接收其他系統(tǒng)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，執(zhí)行機(jī)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(shí)，對(duì)司機(jī)最危險(xiǎn)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。在控制策略方面的故障避免、丟棄錯(cuò)誤數(shù)據(jù)、主動(dòng)檢測(cè)、自我診斷和保護(hù)將用于實(shí)現(xiàn)安全和可靠性?？梢灶A(yù)見(jiàn)對(duì)于SWB系統(tǒng)的容錯(cuò)的分析和設(shè)計(jì)，將會(huì)成為SWB普及前的一個(gè)重要課題。