汽車轉向系統發展簡述

丁志剛 宋洪烈

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汽車轉向系統發展簡述

丁志剛 宋洪烈

福建工程學院機電及自動化工程系

本文綜述了汽車助力轉向系統的發展，包括傳統機械轉向系統，液壓助力轉向系統，電液助力轉向系統和下一代線控電動轉向系統。闡述了汽車轉向系統發展的狀況，指出了各種轉向系統的結構特點、工作原理及優缺點，并展望了汽車線控轉向系統未來的發展方向。

汽車；轉向系統；發展趨勢

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雜，使得駕駛員轉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，因此對動力轉向系統的要求也越來越高。

至今，汽車轉向系統經歷了傳統機械轉向系統、液壓助力轉向系統、電液助力轉向系統和電動助力轉向系統4個發展階段，未來則可能向線控動力轉向系統發展。目前汽車轉向系統正處在液壓助力轉向系統、電液助力轉向系統向電動助力轉向系統發展的過渡階段[1]。

1 傳統機械轉向系統

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

傳統機械轉向系統的優點是結構簡單、工作可靠、生產成本低。其缺點也非常明顯：①隨著汽車速度的提高和汽車質量的增大，轉向操縱難度增大，轉向越來越費力。②是其傳動比是固定的，即角傳遞特性無法改變，導致汽車的轉向響應特性無法控制，傳動比無法隨汽車轉向過程中的車速、側向加速度等參數的變化而進行補償，駕駛員必須在轉向之前就對汽車的轉向響應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[2]。

2　液壓助力轉向系統

液壓助力轉向系統（HPS）是在傳統機械轉向系統基礎上額外加裝了一套液壓助力系統，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，通過液壓泵產生的動力來推動機械轉向器工作。

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

由于液壓助力轉向系統工作可靠、技術成熟，能提供大的轉向助力，目前被廣泛應用。

3　電液助力轉向系統

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

3.1 電子控制式液壓動力轉向系統

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

在轉向過程中，通過轉矩傳感器、車速傳感器等感應器件將轉向速率、車速等參數傳遞給轉向控制單元。經解算后，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，使駕駛員的轉向手力根據車速和行駛條件變化而改變，使操縱輕便性和穩定性達到和諧統一。但同時，ECHPS也存在著由于油泵的持續工作所造成的多余能量消耗，整個液壓系統占用空間大、容易泄漏、噪聲大等缺點，而且增加了車速檢測控制裝置。而且控制閥的結構較HPS復雜且成本較高，目前主要應用于高級轎車及運動型乘用車上。

3.2 電動液壓助力轉向系統

電動液壓助力轉向系統（EHPS）也是在液壓助力轉向系統基礎上發展起來的。其特點是將原來由發動機驅動的液壓助力泵改由電動機驅動，并且增加了車速傳感器、轉向角速度傳感器以及轉向控制單元等電控裝置。該系統的液壓儲油罐、油泵、電動機和轉向控制單元都集成在電動機油泵組內。工作時轉向控制單元根據汽車的行駛速度和方向盤轉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的功率，驅動液壓助力泵工作。通過液壓油為轉向器提供助力[3]。

當汽車低速行駛時，轉向控制單元控制電動機輸出較大的轉矩，使駕駛者可以輕松地轉動方向盤；當汽車高速行駛時，轉向控制單元控制電動機輸出較小的轉矩，這樣駕駛者在操縱方向盤時就比較穩定。由于電動機的轉速可調，可以即時關閉，與液壓助力轉向系統相比，它節省了發動機的燃油消耗，提高了經濟性。

電液助力轉向系統盡管在液壓助力轉向系統基礎上有了較大的技術改進，但液壓裝置的存在使得該系統仍有難以克服的缺點，如存在滲油、不便于安裝維修等。雖然實現了變助力特性，但該系統在液壓助力系統基礎上又增加了電子控制裝置，使得系統結構復雜，成本增加。由于電液助力轉向系統技術較為成熟，可以實現整車電控系統的一體化，作為傳統液壓助力轉向系統向電動助力轉向系統過渡的中間技術，在一定時間內還將繼續得到應用和發展。

4　電動助力轉向系統(EPAS或EPS)

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

圖l 電動助力轉向系統簡圖

電動助力轉向系統工作原理是：駕駛員操縱方向盤轉向時，傳感器將駕駛員作用于方向盤上的扭矩信號、車速信號、發動機轉速信號輸入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，電動機經減速機構及離合器將扭矩傳遞給轉向機構，從而為駕駛員提供合適的助力；當轉向系統出現故障時，EPS系統不助力。不轉向的情況下，電動機不工作。電動助力轉向系統可以實時地在不同的車速下為汽車轉向提供不同的助力，保證汽車在低速行駛時輕便靈活，高速行駛時穩定可靠。電動助力轉向系統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、轉向柱總成)和執行單元(電機)等?？刂撇糠种饕歉鶕鞲衅鳒y得的車速和扭矩信號進行運算處理發出控制指令，驅動電機從而為轉向提供助力。

EPS與HPS相比，除節省能源外，由于取消了液壓系統而提高了環保性能，很好地解決了液壓傳動帶來的種種弊端。整套系統由生產廠家一起提供給整車生產廠，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向助力特性，可通過軟件修改，方便快捷。完整的EPS系統還包括故障診斷與安全保護系統。當發生故障時，能停止助力，自動恢復到手動控制方式并發出警報信號，同時顯示所記憶的異常內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]。

電動助力轉向系統已成為目前汽車轉向系統技術發展的主流，但是該系統也有其局限性，由于電動機的發電功率和提供的轉向助力也很有限，如果車身較重，轉向系統需要有較大的驅動力量，電動助力轉向系統就顯得力不從心了。所以該系統多用于小型汽車上，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展。

5 線控動力轉向系統

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

SBW取消了轉向盤和轉向輪之間的機械連接裝置，改由方向盤模塊、轉向執行模塊和主控制器ECU，3個主要部分以及自動防故障系統、電源等輔助模塊組成。它是由一個實時總線結構（例如CAN，TTP或FlexRay）連接到設備[6]。可以很方便的和其他系統集成、統一協調控制。系統工作時，傳感器檢測駕駛員的轉向數據，然后通過數據總線將信號傳遞給車上的ECU，并從轉向控制系統獲得反饋命令[7]。轉向控制系統也從轉向操縱機構獲得駕駛員的轉向指令，并從轉向系統獲得車輪情況，從而指揮整個轉向系統的運動。轉向系統控制車輪轉到需要的角度，并將車輪的轉角和轉動轉矩反饋到系統的其余部分，比如轉向操縱機構，以使駕駛員獲得路感，這種路感的大小可以根據不同的情況由轉向控制系統控制。該轉向系統具有許多優點[8]：①消除轉向干涉問題；②去掉了原來轉向系統各個模塊之間的剛性機械連接，大大方便了系統的總布置；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境，與轉向有關的駕駛行為都可以通過軟件來實現；⑤消除了撞車事故中轉向柱傷害駕駛員的可能性，不必設置轉向防傷機構；⑥駕駛員腿部活動空間增加，出入更方便。

由于轉向盤和轉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和路面狀況的“路感”比較困難，所以目前線控動力轉向系統僅用于一些概念車。還沒有進行批量生產和安裝，其可靠性和成本是阻撓其發展的主要原因。主要表現在如果微控制器出現問題，轉向系統將完全失靈，它不像電動助力轉向系統、電液助力轉向系統和液壓助力轉向系統，在電動機或者液壓系統出現問題時，還可以以人力來控制汽車[9]。該系統的微控制器如果出現故障，因為沒有機械系統連接方向盤和轉向器，所以根本不可能控制汽車的轉向。

6 對線控動力轉向系統的展望

盡管線控動力轉向系統現在不盡如人意，但SBW仍然清楚的是汽車發展方向。SBW系統消除了機械之間的聯系，方向盤，輪胎的設計就會大大簡化了。不僅提高了設計的效率,而且提高了汽車的經濟性,并從整體上提高安全性。SBW系統的工作主要由電子元器件承擔。電子元件的應用標志著相當數量的機械零件的減少,以及轉向系統整個尺寸和重量的減輕。轉向的整個過程由電子器件來實現，這大大提高了車輛的燃料利用率。因為只有在需要轉向的時候，才有能量消耗?；谒矔r驅動的條件，控制單元接收其他系統傳來的數據，執行機構只供給輪胎所需的力。轉向性能的提高是依賴于傳感器所接收到的速度、牽引力控制系統及其他有關的變量。當事故發生時，對司機最危險的是方向盤的碰撞。在裝有SBW系統的汽車上，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，所以轉向的高可靠性是絕對必要的。在歐洲，已經有相關的標準，如IEC 61508和EN 61511[10]。單純的電子系統不能保證的失效的條件概率小于10次故障/小時。由于此而設計出的容錯的體系結構，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、丟棄錯誤數據、主動檢測、自我診斷和保護將用于實現安全和可靠性[11]?？梢灶A見對于SWB系統的容錯的分析和設計，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[M].北京:國防工業出版社,2005.

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

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