現代汽車的全液壓式轉向機構設計

曾維　鄧樂樂

摘要：控制汽車行駛方向的轉向系統與汽車的操縱穩定性最為密切，而車的轉向系是用來改變或保持汽車行駛方向的裝置，由轉向控制機構、轉向傳動裝置、轉向輪和專用機構組成。為了提高轉向性能，當前現代汽車的全液壓式轉向機構應用比較多。本文首先概述了現代汽車轉向機構的設計要求，分析了全液壓式轉向機構的結構與工作特性，驗證了現代汽車的全液壓式轉向機構的助力特性，通過穩態回轉試驗探討了現代汽車的全液壓式轉向機構的價值。

關鍵詞：液壓傳動；汽車；轉向機構；設計

汽車的操縱穩定性不僅影響到汽車駕駛的操縱方便程度，而且也是決定高速汽車安全行駛的一個主要性能。而其中的汽車轉向性能是汽車的主要性能之一，它直接影響到汽車的操縱穩定性，對于確保車輛的安全行駛起著重要的作用[1]。動力轉向機是利用外部動力協助司機輕便操作轉向盤的裝置，隨著最近汽車發動機馬力的增大和扁平輪胎的普遍使用，使車重和轉向阻力都加大了，需要涉及合理的轉向機構[2]。液壓助力轉向系統是最早采用的助力轉向系統的形式，電子技術、電氣技術及新的控制策略的應用使得轉向系統發生了革命性的變化，助力轉向系統由傳統的液壓助力轉向系統向電控液壓助力轉向系統、電動液壓助力轉向系統、電動助力轉向系統發展，但是液壓系統也仍然具有很好的應用價值[3]。本文具體探討了現代汽車的全液壓式轉向機構設計，現報告如下。

1.現代汽車轉向機構的設計要求

汽車轉向系統可以分為無助力轉向系統和有助力轉向系統。隨著科技發展和新技術的采用，有助力轉向系統逐漸由傳統的液壓助力轉向系統（HPS）向電動液壓助力轉向系統（EHPS）和電動助力轉向系統（EPS）發展。汽車在轉向的時候，由于車輪與地面的摩擦，前橋載荷明顯提高，在沒有助力的情況下用手臂轉動轉向盤會感覺到比較沉重，所以需要采取助力轉向來解決轉向輕便性問題。值得注意的是，轉向助力不應是不變的，因為在高速行駛時，輪胎的橫向阻力小，轉向盤變得輕飄，很難捕捉路面的感覺，也容易造成轉向過于靈敏而使汽車不易控制[4]。所以在高速時要適當減低動力，但這種變化必須平順過度。

2.全液壓式轉向機構的結構與工作特性

2.1 .全液壓式轉向機構的結構

液壓式動力轉向裝置重量輕，結構緊湊，利于改善轉向操作感覺，但液體流量的增加會加重泵的負荷，需要保持怠速旋轉的機構。全液壓式轉向機構系統一般由液壓裝置和機械裝置兩部分組成，液壓部分有車速傳感器、方向盤角速度傳感器及控制單元等。機械裝置有電動泵總成、齒輪齒條轉向器、控制閥及油路等。控制系統在接收到汽車發動機工作信號并通過自檢以后，開始正常工作。全液壓式轉向機構系統通過車速傳感器和方向盤傳感器將車速信號和方向盤轉速信號傳遞給控制系統，控制電動泵轉速以改變系統的流量，從而改變系統的助力特性，使駕駛員的轉向手力根據車速和行駛條件變化而改變，即在低速行駛或急轉彎時能以很小的轉向手力進行操作，在高速行駛時能以稍重的轉向手力進行穩定操作，使操縱性和穩定性達到較好的平衡狀態。

2.2 .全液壓式轉向機構的工作特性

當前有學者開發了一種能實現使轉向殼繞轉向軸轉動的液壓作動裝置的小型化、且結構簡單的液壓式轉向機構。在車輛大體為直行狀態的平面圖中，安裝有液壓作動裝置的可動部件的第1液壓作動裝置安裝部比安裝有該液壓作動裝置的固定部件的第2液壓作動裝置安裝部更加遠離差動叉軸的軸線。液壓傳動更容易實現其運動參數和動力參數的控制，由于具有傳遞效率高，可進行恒功率輸出控制，功率利用充分，系統結構簡單，輸出轉速無級調速，可正、反向運轉，速度剛性大，動作實現容易等突出優點。

3. 現代汽車的全液壓式轉向機構的助力特性

根據全液壓式轉向機構系統轉向時的特點，利用車速信號和方向盤角速度信號來決定電機的轉速，帶動液壓泵以某一流量向轉向閥供油，轉向閥根據輸入液壓油的流量和閥的開度決定油缸工作腔液壓油的壓強，進而獲得合理的轉向助力。為此在同一車速下，隨著方向盤的角速度不同，全液壓式轉向機構系統電機的轉速不相同。方向盤的角速度越大，電機的轉速越高，注入到油缸工作腔的高壓油量越大，提供的轉向助力就越大；方向盤的速度越低，電機的轉速越低，注入到油缸工作腔的高壓油量越小，提供的轉向助力就越小。而車速不同，電動液壓助力轉向系統提供助力的比例系數不同。低車速、原地轉向時助力系數比高車速時助力系數高，目的是保證駕駛員在低車速或原地轉向時操作輕便和在高速時有良好路感的條件下，充分考慮電動液壓助力轉向系統節能。同一方向盤角速度下，車速不同，電機的轉速也會隨之做出調整。隨著車速的升高，電機轉速降低。

4.現代汽車的全液壓式轉向機構的實驗分析-穩態回轉試驗

操縱汽車以最低穩定速度沿所畫半徑為15m的圓周行駛，待安裝于汽車縱向對稱面上的車速傳感器在半圈內都能對準地面所畫圓周時，固定轉向盤不動，停車并開始記錄，記下各變量的零線。然后汽車起步，緩緩連續而均勻地加速，直至汽車的側向加速度達到6.5m/s為止，記錄整個過程。由圖1可知，曲線的斜率從總體來看是大于零的，由于實驗的誤差使效果不明顯。隨著側向加速度的增加，前后輪側偏角差值增加，轉向半徑增加，汽車具有不足轉向特性。

總之，當前全液壓傳動技術有了突飛猛進的發展，其在應用中的輸出助力的大小能夠隨車速和方向盤角速度的變化而變化，從而保障行車安全，仍然有一定的應用價值。

參考文獻：

[1]許賢良.液壓技術回顧和展望[J].液壓氣動與密封，2012，6.

[2]史進軍，胡子正，孫華.雙筒液壓減振器異響的計算機仿真研究[J].北華大學學報（自然科學版），2002，3（6）：537-539.

[3]楊華勇，周華，路勇祥.水液壓技術的研究現狀與發展趨勢[J].中國機械工程，2012，11.

[4]路甬祥.對流體傳動與控制技術的系統哲學思考[J].液壓氣動與密封，2005，5.