汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展史及未來展望

董云鵬 邱永威 連浩東

摘要：汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是隨著汽車發(fā)展逐漸完善起來的，最早的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是純機(jī)械構(gòu)造的，當(dāng)前汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要是線控系統(tǒng)。筆者通過對(duì)汽車轉(zhuǎn)向百年發(fā)展歷程的研究，梳理汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展脈絡(luò)，最后對(duì)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的未來進(jìn)行展望，以為以后汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng);發(fā)展歷程;未來展望

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不只是我們見到的方向盤等，還包括轉(zhuǎn)向安全系統(tǒng)等，駕駛者在駕駛過程中通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能感受到汽車轉(zhuǎn)向性能的優(yōu)劣。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是伴隨著第一臺(tái)真正意義上汽車的誕生而誕生，最早的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。隨著100多年的發(fā)展，汽車技術(shù)不斷發(fā)展成熟，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也日益完善。到現(xiàn)在為止，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)共經(jīng)歷了五代：機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向、電控液壓助力轉(zhuǎn)向、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向及線控轉(zhuǎn)向。筆者對(duì)上述轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行梳理，詳細(xì)介紹發(fā)展歷程。

一、機(jī)械式汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

眾所周知，世界上第一輛汽車是蒸汽驅(qū)動(dòng)車，真正燃油汽車最早形態(tài)是三輪的。蒸汽車由于體積較大，笨重且速度慢，它的轉(zhuǎn)向裝置是方向柱、方向節(jié)鏈接完成轉(zhuǎn)向的，人們?cè)隈{駛過程當(dāng)中轉(zhuǎn)向非常困難，如果操作不當(dāng)甚至?xí)霈F(xiàn)車毀人亡的悲劇。19世紀(jì)末，汽車行業(yè)的祖師爺奔馳公司開發(fā)了汽油燃料汽車，其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是由齒輪鏈條式的，在轉(zhuǎn)向過程中仍然依靠轉(zhuǎn)向竿來保持汽車向前開進(jìn)。正是奔馳公司對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)革新，推動(dòng)了汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。19世紀(jì)初，英國(guó)汽車制造商A.J.Drak從輪船的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)得到靈感，將方向盤、轉(zhuǎn)向柱移植到汽車轉(zhuǎn)向裝置，這時(shí)開始才有真正意義上的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

開始使用方向盤作為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝置時(shí)，轉(zhuǎn)向柱不是現(xiàn)在彎曲狀而是直的，所以人們?cè)隈{駛汽車時(shí)為了能保持駕駛視野，必須戰(zhàn)立才能更容易的完成轉(zhuǎn)向。十年之后，戴姆勒公司的工人無意中發(fā)現(xiàn)了把轉(zhuǎn)向柱傾斜，不僅能使駕駛更加舒適，還能保持駕駛視野，經(jīng)過多次調(diào)整完善，戴姆勒公司制造了第一輛轉(zhuǎn)向柱與方向盤傾斜的汽車。汽車的駕駛系統(tǒng)真正開始走上了的快速成熟的道路。

二、液壓式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

在傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本成熟后，由于其使用輕便，被廣泛使用在汽車上。但在一些大型汽車上，使用機(jī)械轉(zhuǎn)向器就會(huì)因?yàn)檩d量過重而阻力增大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向困難，為了進(jìn)一步完善和發(fā)展轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在20世紀(jì)初各汽車公司相繼開發(fā)了多種轉(zhuǎn)向裝置。

汽車助力轉(zhuǎn)向裝置的開發(fā)者已經(jīng)無法論證其姓名，這個(gè)小裝置設(shè)計(jì)于1896年，其助力動(dòng)力來源于電能，各種原因?qū)е铝诉@套裝置未被使用在轉(zhuǎn)向裝置上，所以其設(shè)計(jì)者更不被人所知。1900年前后，美國(guó)小伙Eobert E. Twyford驚人的發(fā)布了自己的設(shè)計(jì)的四驅(qū)車，而且申請(qǐng)了專利，其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采取的就是機(jī)械輔助轉(zhuǎn)向。兩年后，F(xiàn)rederick William Lanchester設(shè)計(jì)出了液壓輔助轉(zhuǎn)向裝置，并通過專利授權(quán)，但此時(shí)的液壓輔助轉(zhuǎn)向裝置未被產(chǎn)業(yè)化。1926年，還在美國(guó)的皮爾斯汽車公司工程師開發(fā)出了較為完善的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并隨后跳槽到通用公司，從1927年開始，通用的大貨車基本都使用了這種經(jīng)過改良的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，大貨車在轉(zhuǎn)向過程中再也不會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)向難而頭疼。

有一點(diǎn)值得強(qiáng)調(diào)一下，20世紀(jì)三四十年代，汽車工程師在輪船用轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上了，開發(fā)了五種汽車轉(zhuǎn)向裝置，并通過專利審核，為以后液壓助力的進(jìn)一步完善提供了前提。20世界50年代，克萊斯勒第六代汽車已經(jīng)使用了更為成熟的液壓助力汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并將這套系統(tǒng)取名為Hydraguide”，這套系統(tǒng)深受廣大駕駛者喜愛，凱迪拉克公司之后也開始使用這臺(tái)系統(tǒng)，1955年，這套系統(tǒng)成為了凱迪拉克汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置。隨后經(jīng)過多年的完善和發(fā)展，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)被加拿大、歐洲各國(guó)所認(rèn)可，20世紀(jì)80年代歐洲汽車基本都使用了這套轉(zhuǎn)向裝置。

三、電控液壓助力轉(zhuǎn)向與電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向

在液壓助力轉(zhuǎn)向裝置廣泛使用的同時(shí)，汽車整體也在發(fā)生著變化，整個(gè)汽車更加輕便，駕駛的舒適度也得到了提升。在轉(zhuǎn)向裝置上，由于液壓助力轉(zhuǎn)向裝置的動(dòng)力來源于發(fā)動(dòng)機(jī)，在一定程度上影響了汽車的行駛動(dòng)力;并且面對(duì)高速行駛的汽車，完成的低速轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員必須進(jìn)行大幅度轉(zhuǎn)矩才能完成相同角度轉(zhuǎn)向，這對(duì)于轉(zhuǎn)向效率來說，無疑是非常低的。20世紀(jì)60年代，通用集團(tuán)開始為自己的汽車配置可變比例液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

1970 年，法國(guó)雪鐵龍公司的工程師 Paul Magès 研究出了第一個(gè)市售的可變輔助動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置，名為“DIRAVI”，并將其配備于雪鐵龍 SM 等車系中。這一裝置取消了方向盤與車輪間的硬性連接，克服了傳統(tǒng)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向助力不能適應(yīng)車速變化的缺點(diǎn)，使汽車在不同車速下能產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)向助力，同時(shí)汽車在停止時(shí)轉(zhuǎn)向盤可以自動(dòng)回正，即使拿到現(xiàn)在來看，這一項(xiàng)技術(shù)也絲毫不落下風(fēng)。

同年，日本鈴木公司設(shè)計(jì)出了第一個(gè)電動(dòng)式助力轉(zhuǎn)向裝置，并將其裝備在 Cervo 車上，這就是我們目前最常用的 EPS 裝置。該裝置以電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)源，省去了液壓裝置中復(fù)雜的油路布置，并且根據(jù)通過 ECU 的控制來提供更加精確的轉(zhuǎn)向助力，一經(jīng)推出便贏得了各大汽車制造商的青睞。

可以說電控液壓助力裝置（EHPS）與電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向裝置（EPS）是同時(shí)期的科技產(chǎn)物，但是 EPS 憑借更加優(yōu)良的性能更受消費(fèi)者和制造者的喜愛，經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，目前已經(jīng)成為絕大部分汽車的標(biāo)配裝置。

四、線控轉(zhuǎn)向

汽車電子電器技術(shù)與控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展為我們指明了未來汽車的發(fā)展方向——汽車電子化?；诖?，有人便大膽地做出嘗試，將汽車的一些機(jī)械傳動(dòng)裝置換為電子裝置，以實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向的完全電動(dòng)化，這就是目前研究最火熱的線控轉(zhuǎn)向（SBW）。

裝備了 SBW 的汽車由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒有了機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，汽車可以實(shí)現(xiàn)極其精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)向，從而使汽車的操縱穩(wěn)定性得到大幅度提升。不僅如此，機(jī)械結(jié)構(gòu)的消除進(jìn)一步精簡(jiǎn)了汽車的外形，實(shí)現(xiàn)了汽車的輕量化，無形中也使車內(nèi)空間得到擴(kuò)充，汽車可以在內(nèi)部搭載更多安全裝置或者應(yīng)用娛樂裝置，使汽車安全性、實(shí)用性大大提升。

此外，SBW 可以通過 CAN 總線連接到ECU 上，與其他汽車電子電器設(shè)備協(xié)同作用，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛、自動(dòng)停車等功能，促進(jìn)了“車—路—人”一體化進(jìn)程，為智能無人駕駛汽車的到來創(chuàng)造了先決條件。

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