關于汽車液壓轉向助力系統的結構設計

郭丁漢（齊齊哈爾工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161005）

一、液壓助力轉向系統結構設計的研究意義

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。

安全、節能與環保是21世紀汽車發展的三大主題，而整個交通系統包括車-路-人三個部分，根據相關研究表明，其中人的因素是最主要的。由于人的性格、年齡、性別等方面的差異，使人的因素成為最難控制的因素。運用現代的科學技術，研制和開發車輛液壓助力轉向系統，由于該系統可實現變傳動比控制、抗干擾控制等功能，將大大降低駕駛員勞動強度和提高車輛主動安全性能，減少道路交通事故發生的可能，保護人民的生命安全和降低財產損失。同時開發性能可靠、價格合理的車輛液壓助力轉向系統也會帶來可觀的經濟效益，2009年我國已經超過美國成為全球第一大汽車生產國和汽車消費國，而且隨著我國國民收入的增長，消費者對于車輛的安全性能也提出了更高的需求，成熟的車輛液壓助力轉向系統將成為車輛購買時的選配之一，其市場前景極為廣闊。

車輛系統是一個集電子、計算機、機械等各種高新技術于一體的復雜系統，進行全方位的研究一般情況下存在實際困難。受經濟和科研條件限制，我國車輛整體研究要落后于世界先進水平。但這并不意味著我國在該領域將會永遠無所作為，一直跟在發達國家后面邯鄲學步。結合我國國情（經濟條件、工業條件、科研條件等），在某一方面或某些方面，進行深入、細致的研究，將為我國車輛主動轉向方面的研究提供有價值的理論和技術支持，為今后的發展及實際應用打下堅實的基礎。

二、液壓助力轉向系統存在的問題

液壓助力轉向系統是在傳統的機械轉向系統基礎上增加液壓系統，發動機帶動轉向油泵工作，轉向控制閥控制油液流動的方向和油液大小，提供轉向助力，減小駕駛員作用在轉向盤的轉矩，降低駕駛員的勞動強度。通常情況下，車輛轉向所需的轉矩是由發動機通過驅動油泵所提供。液壓助力轉向存在以下缺點：

（1）液壓助力轉向系統在汽車行駛時需要消耗一定的能量，增加了液壓油泵、液壓缸、油管和一些輔助裝置，增加的汽車行駛時的油耗，其燃油經濟性較差，一般轎車每行駛一百公里需要多消耗0.3-0.4升的燃料。

（2）助力特性不能隨著車輛速度的變化進行自動調節，無法兼顧車輛低速轉向的輕便性和高速轉向的轉向路感。

（3）轉向回正性差。液壓助力轉向系統在回正過程中，不可避免存在閥芯和閥套之間的殘余角，即轉向盤回到中間位置時助力壓差不能立即減少為零，形成阻礙回正的阻力矩，影響車輛轉向的回正特性。

國外的發展現狀

1.德爾福主動前輪轉向系統

德爾福的主動前輪轉向系統是在傳統液壓轉向系統基礎上進行了改進，在轉向管柱內集成一個小行星齒輪箱，電機控制行星齒輪箱，增加或減小前輪轉向角度。轉向助力的大小則通過單獨控制的模塊控制。通過這兩個部分協調控制前輪轉角和轉矩適應道路調節和駕駛員轉向意圖的要求。德爾福系統能有效改善車輛穩定控制并采用理想的可變轉向傳動比，同時可以較好地獲得來自路面的轉向阻力、轉向回位性能和轉向路感等。

2.光洋精工液壓助力轉向系統

日本光洋精工在2005年5月18日～20日于日本橫濱Pacif i co會展中心舉辦的“2005年人與車科技展”上，展出了正在開發的主動轉向裝置“差動裝置型液壓助力轉向系統”。其結構類似于寶馬采用的德國ZF Lenksysteme公司開發的裝置，使用多個行星齒輪裝置，改變輪胎的后傾角。配置在豎軸中間，與主動轉向裝置之外的油壓動力方向盤等助力裝置配合使用。

國內的發展現狀

主動轉向作為一項汽車主動安全技術具有很大的潛在市場需求，國內的相關研究主要集中在高校，尚處于控制技術的理論研究和實驗室原理樣機的開發階段。目前，吉林大學、同濟大學、北京理工大學、江蘇大學、上海交通大學和北京航空航天大學等高校開展了車輛液壓助力轉向系統方面的研究。

吉林大學對于汽車線控轉向控制進行較為深入的研究。在分析裝載機路感特性的基礎上，提出控制策略，設計了一種基于BP神經網絡整定的自適應PID控制器，實現了PID參數的在線調整；利用Riccati方程對汽車線控轉向傳感器故障進行了重構研究，同時利用雙自適應Kalman濾波對線控轉向傳感器進行故障診斷，并進行了容錯控制。

江蘇大學提出了基于穩態增益的液壓助力轉向系統可變傳動比模型，通過分析轉動前輪轉向系統雙行星齒輪機構的原理，根據前輪轉角和合成機理，分別建立了方向盤轉角和疊加轉角的運動學模型，通過比較單、雙行星齒輪機構輸出軸與輸入軸的轉速差，推導出基于雙行星齒輪機構的電機轉角隨方向盤轉角及傳動比的變化關系；為了改善汽車的動態轉向特性及其在高速直線行駛時的抗干擾能力，以車速為輸入變量，參考車輛系統穩態增益的變化范圍，構建了可變傳動比計算模型。

結論：由于技術和成本等諸方面的原因，目前液壓助力轉向系統只在少數世界著名品牌高端車上應用，國內自主品牌至今尚未應用，因此開發性能可靠，價格較低的車輛液壓助力轉向系統不但可以打破國外公司的技術壟斷，還可以降低整個系統的成本，使該系統安裝于我國自主品牌的高端車上，加速該系統的普及。

如何合理地設計轉向系統，使汽車具有良好的操作性能，始終是設計人員的重要的研究課題。液壓助力轉向系統是一種將液力轉向與電子控制技術相結合的新型機電一體化產品，作為中間產品起著承上啟下的作用，能提高轉向助力系統的工作性能，降低系統的能耗，而且可以較大的轉向助力，滯后時間短，可吸引來自路面的沖擊。希望此次研究可以為國內研發提供理論幫助和技術支持。