汽車助力轉向技術及其控制策略的研究

廖抒華，楊彩紅

（廣西工學院汽車工程系，廣西 柳州 545006）

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

1 液壓助力轉向

20世紀40年代起，為減輕駕駛員體力負擔，在機械轉向系統基礎上增加了液壓助力系統 （Hydrau1ic Power Steering， 簡稱HPS）， 1951年開始在轎車上采用液壓助力轉向系統，標志著動力轉向系統的開端［1］。液壓助力轉向系統是利用油泵建立油壓，經過控制閥調節油量輸出相應的轉向助力，流量控制閥是液壓助力轉向系統的核心部件。

最早被應用的流量控制閥是滑閥，滑閥的閥體在轉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］，此系統減少了系統零件，結構簡單，易于布置。

之后的轉向系用轉閥控制油路，轉閥式轉向系統采用扭桿作為閥芯和閥體相對轉動的載體，扭桿直接與轉向軸相連，產生的油壓隨轉向盤轉角的大小變化。

但是小齒輪和轉向軸之間需產生5°的轉角才 能 實 現 轉 向［3］， 這 就產生了轉向上的滯后，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閥結構如圖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，用以產生相應的預載荷，汽車高速行駛時，彈簧的預載荷就可以實現轉向，低速行駛時轉閥也工作，助力增大。但液壓轉向系統仍在安裝、密封性、操縱靈敏度、能量消耗等方面存在不足。

2 電控液壓轉向

由于流量控制閥的參數一旦確定，液壓助力特性曲線就難以改變，這樣電控液壓系統將車速信號引入，增加了控制單元，形成了車速感應型助力特性。上海大眾Po1o轎車裝備了TRY公司生產的電控液壓動力轉向系統，當時在國內處于領先地位。

為了較為精確地調節控制閥的流量，增加轉向系的剛度，提高轉向系的靈敏性，在系統中增加一個電磁節流閥，如圖2所示。

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

另一種是采用文獻［3］中兩個彈簧并聯的方法，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，節流閥產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。

同傳統轉閥相比，同樣大小助力的情況下，變剛度彈簧系統的油壓較小。因此緊急情況下，駕駛員就不必擔心因油量不足，轉向器受力的一側不能被油液迅速填充而發生事故，提高了安全性。

3 電動助力轉向系統

液壓助力結構復雜、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性。20世紀80年代開始，人們開始研究電子控制式電動助力轉向 （E1ectric Power Steering， 簡稱EPS）。 最早應用是在1988年日本鈴木Cervo汽車上，隨后還安裝在A1to上，國內廣州本田飛度、思迪、昌河北斗星是最早裝備EPS系統的車型，EPS系統結構如圖4所示。

最常用的EPS是基于齒條齒輪系統的，有轉向柱助力型、齒輪助力型、齒條助力型。

3.1 轉向柱式系統

轉向柱助力型轉向系統是將電動機安裝在轉向柱上，通過減速機構與轉向柱相連，輸出的助力直接傳遞給轉向柱。由于是驅動轉向柱，需將電動機安裝到駕駛艙內，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

齒輪助力型轉向系統的電動機和減速機構與小齒輪相連，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［4］。

3.3 齒條助力式

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

3.4 其它控制策略

開始發展的電動助力系統都是基于車速和扭矩信號的，車速和扭矩增大，產生的助力在減小。隨著控制技術的發展，考慮到轉向系和電動機的摩擦力，很多學者將轉向角、橫擺加速度、電動機摩擦等信息考慮進來，產生了許多控制策略，如回正控制、阻尼控制、狀態反饋控制等。并且，國內多個高校都對電動助力轉向控制策略作了相關研究，清華大學對EPS控制系統的基本助力控制、回正控制和阻尼控制進行了研究，設計了基于PID算法的控制策略［5］。江蘇大學對EPS系統穩定性分析，回正控制算法等進行了研究［6］。

4 主動轉向

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

5 四輪轉向系統

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

同相位轉向能增加車輛的不足轉向，提高高速穩定性；異相位轉向能減小轉彎半徑，提高機動性和靈活性。國內多位學者對四輪轉向系統進行了研究［9-11］，結果說明了四輪轉向系統的操縱穩定性很好。

6 后輪隨動轉向

隨動轉向是利用后懸架在輪胎側向力作用下的變形轉向特性，使整個后軸跟隨前輪產生相同方向的轉向運動的一種被動四輪轉向技術。一般來說，車輛在轉彎時，后輪通常是隨前輪的被動拖導而轉彎的，車身因重心偏移而傾斜，不僅跑偏甩尾，也容易側翻。后輪隨動轉向技術巧妙地利用轉彎時的離心力讓后輪跟隨前輪產生一個微小的偏轉角度，配合扭力桿橫向布置的應用，使其在轉彎時，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”，行駛的穩定性大大增強，不易側翻，安全系數也隨之增加。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的車型，大大提高了汽車操縱穩定性和乘坐舒適性，但不足之處是在低速時后輪隨動轉向不起作用。

7 線控轉向系統

線控轉向 （Steer-By-Wire）是線控技術 （XBy-Wire）的一種。By-Wire意味電子控制，X代表汽車中各個系統。線控轉向系統完全取消了機械連接，完全由電子元件來實現汽車轉向，其結構如圖6所示。控制器根據得到的信號計算前輪轉角，向回正電動機和執行電動機發出信號，實現前輪理想轉向。系統自行檢測故障并進行處理，保證行駛安全性。

目前國外多個國家都在對容錯技術、總線技術、電源技術和路感模擬等方面進行研究。國內，同濟大學、武漢理工大學、吉林大學都對線控轉向系統進行了研究，但還處在初級階段［12］。相信經過不斷發展，線控技術會被廣泛應用到汽車上，成為轉向系統的主流。

8 操縱手柄式系統

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

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

9 結束語

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

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