汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)淺析

鄭忠輝　李賽　陳泰吉

摘 要：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是車輛不可或缺的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到車輛的操作穩(wěn)定性。本文介紹了汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理，在此基礎(chǔ)上探討了多種形式的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要組成及功能，通過淺析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向系統(tǒng);工作原理;助力轉(zhuǎn)向

1 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用于改變或者保持汽車行駛方向的專門機(jī)構(gòu)，通過汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)駕駛員能保證汽車按照個人的意愿順利完成直線行駛或者轉(zhuǎn)向。為實(shí)現(xiàn)這一功能，需避免車輪在轉(zhuǎn)向過程中相對地面產(chǎn)生滑動阻力，盡可能保證車輪相對地面做純滾動運(yùn)動，這就需要汽車的各個車輪均按照自身對應(yīng)的不同半徑做圓周運(yùn)動。具體圖1所示。

通過圖示可知，轉(zhuǎn)動中心O處于后軸中心線的延長線上，且左、右兩前輪也需圍繞中心點(diǎn)O做圓周運(yùn)動，左、右前輪偏轉(zhuǎn)角關(guān)系見式1[1]。

車輪轉(zhuǎn)彎半徑是指：轉(zhuǎn)動中心O與外轉(zhuǎn)向輪與地面接觸點(diǎn)的距離，在理想情況下，最小轉(zhuǎn)彎半徑Rmin與Rmax的關(guān)系為：Rmin=。

2 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要經(jīng)歷了機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)幾個階段。車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的智能化、人性化發(fā)展，給駕駛員操縱汽車的靈活性帶來了極大的便捷。

2.1 機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

汽車機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，是指不借助外在動力，依靠駕駛?cè)藛T操作的一種裝置，其主要結(jié)構(gòu)包括方向盤、轉(zhuǎn)向軸、十字萬向節(jié)、中間軸、轉(zhuǎn)向器等[2]，具體如圖2所示。

在汽車轉(zhuǎn)向時，駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤，通過轉(zhuǎn)向軸將力矩傳遞到轉(zhuǎn)向器，經(jīng)轉(zhuǎn)向器降速增矩后，通過轉(zhuǎn)向搖臂與轉(zhuǎn)向直拉桿傳遞到轉(zhuǎn)向節(jié)臂上，使左轉(zhuǎn)向節(jié)以及與其固定的左轉(zhuǎn)向輪繞主銷進(jìn)行偏轉(zhuǎn)運(yùn)動。同時，左轉(zhuǎn)向節(jié)及裝于其上的左轉(zhuǎn)向輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)會將運(yùn)動通過左轉(zhuǎn)向梯形臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿以及右轉(zhuǎn)向梯形臂的傳遞到右轉(zhuǎn)向節(jié)，使得右轉(zhuǎn)向節(jié)以及與其固定的右轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生相同的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向功能。作為完全依靠人力的機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在車輛行駛過程中，人力和機(jī)械雙重動作的配合，為保證汽車靈活和穩(wěn)定的形式起到關(guān)鍵作用。

2.2 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用液壓作為動力，實(shí)際操作中轉(zhuǎn)向動作依舊是通過駕駛員來控制完成，但作用于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上的動力能源由完全依靠人力改為由動力裝置提供，一定程度上降低了駕駛員的勞動強(qiáng)度。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)構(gòu)如圖3所示。

轉(zhuǎn)向液壓泵安裝在汽車發(fā)動機(jī)上，由曲軸通過皮帶驅(qū)動向外輸出油壓，轉(zhuǎn)向油杯有進(jìn)、出油管接頭，通過油管分別和轉(zhuǎn)向液壓泵和轉(zhuǎn)向控制閥連接。通過液壓泵加壓油液，實(shí)現(xiàn)利用液壓泵產(chǎn)生的動力推動機(jī)械轉(zhuǎn)向器工作，從而達(dá)到轉(zhuǎn)向控制的目的。

2.3 電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了傳感器、轉(zhuǎn)向控制單元等，傳感器的運(yùn)用將車速引入到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向控制單元的運(yùn)用使電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)不同的行車狀態(tài)來控制電動機(jī)，從而控制電動液壓泵的輸出來達(dá)到控制整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動作的目的。電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如圖4所示。

電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要包括電動機(jī)、控制器、轉(zhuǎn)角傳感器、齒輪泵、儲油罐和轉(zhuǎn)向機(jī)等，其中儲油罐、齒輪泵、電機(jī)、轉(zhuǎn)向控制單元集成一體，通過CAN與整車中央控制單元總線交換必要信息數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)向機(jī)結(jié)構(gòu)與液壓助力轉(zhuǎn)向機(jī)相同，齒輪泵為電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供液壓助力，齒輪泵由小慣量、內(nèi)轉(zhuǎn)子、三相無刷直流電機(jī)驅(qū)動，電源來自汽車12V蓄電池。與液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有更好的轉(zhuǎn)向感及更低的能耗。

2.4 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種智能化的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通常由扭矩傳感器、速度傳感器、電子控制器、電動機(jī)等機(jī)構(gòu)組成，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

車輛啟動以后系統(tǒng)正式開始工作，當(dāng)車速低于某一速度時，系統(tǒng)會將車速信號反饋到控制模塊，控制模塊通過接收到方向盤扭矩值、行駛方向和車輛行駛速度等數(shù)據(jù)向伺服電機(jī)發(fā)出控制信號，伺服電機(jī)就會根據(jù)接收到的指令輸出相應(yīng)的扭矩以產(chǎn)生助動力。當(dāng)車輛直線行駛不轉(zhuǎn)向時，控制單元不會將扭矩信號發(fā)送給伺服電機(jī)，伺服電機(jī)的電流接近于零。因此在直行駕駛而又不需要轉(zhuǎn)向時，將不會消耗動力。當(dāng)車速高于某一速度時，伺服電機(jī)的電流也接近于零，所以助力是隨著車速的增高而減小。基于以上情況，無論車輛行駛中是處于高速還是低速狀態(tài)，汽車都具有很好的穩(wěn)定性。

3 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、以及電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等都是通過在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原有基礎(chǔ)上增加不同種類動力能源來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，因此無論車輛使用的那種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其最基本的機(jī)械結(jié)構(gòu)依然可歸于機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。下面通過三個方面淺析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需要注意的關(guān)鍵點(diǎn)。

3.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動比確定

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動比確定的目的是為了增加轉(zhuǎn)向器的輸出扭矩，減小駕駛員的輸入扭矩，合適的傳動比也會使整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠合理使用有限的空間資源，滿足整車總布置和整車轉(zhuǎn)向性能的需要。

建立轉(zhuǎn)向盤力Fh（N）與轉(zhuǎn)向盤直徑、轉(zhuǎn)向器角傳動比、轉(zhuǎn)向垂臂長度、轉(zhuǎn)向節(jié)臂長度的關(guān)系，見式2。

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，考慮到空間布置等因素，可將l1與l2的比值近似為1，根據(jù)式2，在轉(zhuǎn)向力目標(biāo)值、轉(zhuǎn)向力矩一定的基礎(chǔ)上，只需要考慮轉(zhuǎn)向盤直徑以及轉(zhuǎn)向器角傳動比。

3.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置

在車身結(jié)構(gòu)已知的情況下，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置即看成是轉(zhuǎn)向器的空間位置確定。轉(zhuǎn)向器空間位置的確定直接直線影響到轉(zhuǎn)向垂臂和直拉桿以及轉(zhuǎn)向直拉桿和轉(zhuǎn)向節(jié)臂之間的夾角，進(jìn)而影響到駕駛員施加在轉(zhuǎn)向盤上力值的大小，因此轉(zhuǎn)向垂臂與轉(zhuǎn)向直拉桿夾角的設(shè)計(jì)非常重要。

3.3 轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)形式主要有整體式和斷開式，當(dāng)汽車前懸架為非獨(dú)立懸架時，應(yīng)當(dāng)采用整體式轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)，當(dāng)前懸架是獨(dú)立懸架設(shè)計(jì)時，一般采用斷開式轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)。

對于整體式轉(zhuǎn)向梯形，直拉桿可位于前軸后或前軸前。如果汽車發(fā)動機(jī)位置較低或者車輛采用前輪驅(qū)動，一般選擇前置梯形結(jié)構(gòu)。前置梯形結(jié)構(gòu)的梯形臂需向前外側(cè)方向延伸，會導(dǎo)致與制動底板或者車輪產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，所以在空間布置上存在著一定的困難。為防止直拉桿在車輛行駛于不平路面上遭到損傷，故直拉桿的設(shè)計(jì)位置應(yīng)盡可能高些，至少要超過前軸的高度。

對于斷開式轉(zhuǎn)向梯形，轉(zhuǎn)向特性由內(nèi)、外側(cè)轉(zhuǎn)向輪實(shí)際轉(zhuǎn)角差來衡量，影響最大的參數(shù)是梯形臂布置角，因此在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)優(yōu)化梯形臂布置角度，以使斷開式轉(zhuǎn)向梯形達(dá)到最佳性能。

4 結(jié)論

本文對汽車各種形式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)和機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了簡單的分析。機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單、工作可靠、成本較低，目前任然有使用，主要用于一些轉(zhuǎn)向操縱力要求較小、對操作性能要求比較低的車型上。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)相對比較成熟，可提供較大的轉(zhuǎn)向操縱助力，在輕卡、重卡等中重型車輛上應(yīng)用較為廣泛。電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)向電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的過渡技術(shù)，當(dāng)前在部分車型仍有使用。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為車輛的標(biāo)配，是目前技術(shù)發(fā)展的主流。在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，對于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動比、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置以及轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)等的優(yōu)化設(shè)計(jì)，將會有效提升轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能，確保車輛轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]淺談汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理 高永勝.

[2]汽車轉(zhuǎn)向系的工作原理及故障分析 趙永證.

[3]中型載貨汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分析研究與改進(jìn)設(shè)計(jì) 劉振成.