汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展史及未來(lái)展望

韓藝斐 齊浩男 王金來(lái) 李爽

摘 要：自最早的純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)到如今尚在襁褓的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，本文全面概述了近百年以來(lái)現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程，同時(shí)展望了未來(lái)汽車轉(zhuǎn)向的發(fā)展前景，為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究方向提供了參考依據(jù)。

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

1 引言

汽車轉(zhuǎn)向系與汽車的操縱穩(wěn)定性有直接關(guān)聯(lián)，駕駛員的駕駛感受直接受汽車轉(zhuǎn)向性能優(yōu)劣的影響。伴隨著世界上第一輛真正意義上的汽車的問(wèn)世，機(jī)械式的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開(kāi)始應(yīng)用于汽車。隨著一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，汽車工業(yè)逐漸趨于成熟，人們對(duì)于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求也越來(lái)越越高。到目前為止汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展有五代：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)向以及線控轉(zhuǎn)向，本文將對(duì)它們的發(fā)展歷程進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

2 機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

早在世界上第一輛汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)的三輪汽車誕生之前，人們已經(jīng)制造出了蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車。這種蒸汽汽車體積龐大，十分笨重，行駛速度緩慢，不僅如此，其所配備的轉(zhuǎn)向裝置中轉(zhuǎn)向柱與轉(zhuǎn)向節(jié)直接連接，使得汽車轉(zhuǎn)向十分困難，常常會(huì)造成因轉(zhuǎn)向不及時(shí)而車毀人亡的慘劇。

1885年10月，汽車工業(yè)的鼻祖Karl Benz制造出了世界上第一輛汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車，該汽車轉(zhuǎn)向裝置配有齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，因此，其所創(chuàng)立的奔馳公司也是世界上第一家采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的汽車公司。但是這種汽車依然是利用一根操縱桿來(lái)控制汽車的前進(jìn)方向，后來(lái)工程師在輪船的轉(zhuǎn)向盤(pán)上找到靈感，1896年英國(guó)的Frederiek Strickland與汽車制造商A.J.Drak將輪船上的轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向柱移植到汽車上，汽車方向盤(pán)才正式登上歷史舞臺(tái)。

在轉(zhuǎn)向盤(pán)剛被裝配到汽車上時(shí)，轉(zhuǎn)向柱是和地面垂直的，這就使得駕駛員在駕駛汽車時(shí)必須站立才能有良好的視野和輕便的操縱感覺(jué)。這個(gè)問(wèn)題在1897年得到解決，在這一年，戴姆勒工廠的一名工人意外地發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向柱與方向盤(pán)之間的傾斜會(huì)使視野更加開(kāi)闊，后來(lái)經(jīng)過(guò)多次的改良，Daimler Paririan制成了第一輛轉(zhuǎn)向柱與方向盤(pán)傾斜的汽車。至此，機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)才正式走向成熟。

3 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所配備的轉(zhuǎn)向器雖然使得轉(zhuǎn)向較為輕便，但是當(dāng)汽車載重過(guò)大或者一些其他的因素導(dǎo)致轉(zhuǎn)向阻力過(guò)大時(shí)同樣會(huì)讓汽車轉(zhuǎn)向變得困難，為了使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)滿足汽車發(fā)展的需要，自20世紀(jì)初期便出現(xiàn)了各種各樣的轉(zhuǎn)向助力裝置。

其實(shí)有據(jù)可查的最早的汽車轉(zhuǎn)向助力裝置是一個(gè)姓Fitts的人于1876年設(shè)計(jì)的，這套裝置采用電驅(qū)動(dòng)助力，出于種種原因這套裝置以及他的設(shè)計(jì)者并不為大眾熟知。

1900年4月23日，美國(guó)賓夕法尼亞州的一個(gè)叫Eobert E. Twyford的小伙子發(fā)布了他四驅(qū)系統(tǒng)的專利，其中就包括機(jī)械動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

1902年2月，F(xiàn)rederick William Lanchester研究出了“液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向”系統(tǒng)，并為其申請(qǐng)了專利，但是此時(shí)的液壓助力轉(zhuǎn)向并未真正投入商業(yè)化生產(chǎn)。直到1926年，尚在美國(guó)Pierce-Arrow汽車公司的Francis W. Davis研制出了真正實(shí)用的液壓助力轉(zhuǎn)向裝置。之后他跳槽到通用公司，并于1927年為通用的重型卡車配備上了他改進(jìn)的液壓助力系統(tǒng)，重型汽車的駕駛員終于不用再為轉(zhuǎn)向問(wèn)題苦惱了。

值得一提的是，F(xiàn)rancis W.Davis在1931年至1943年根據(jù)船用動(dòng)力轉(zhuǎn)向先后提出了五項(xiàng)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的專利，為之后乘用汽車的液壓助力轉(zhuǎn)向研究打下了基礎(chǔ)。

1951年克萊斯勒的第六代Imperia車系開(kāi)始應(yīng)用較為成熟的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并命名為“Hydraguide”—這套系統(tǒng)正是基于Francis W. Davis已經(jīng)過(guò)期的專利而設(shè)計(jì)的，一經(jīng)推出便受到廣泛好評(píng)。之后凱迪拉克公司也開(kāi)始陸續(xù)在他們的汽車上配備液壓助力裝置，到1954年已經(jīng)成為凱迪拉克汽車的標(biāo)配。

1958年美國(guó)人Charles F. Hammond對(duì)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提出了幾項(xiàng)優(yōu)化措施，并在加拿大知識(shí)產(chǎn)權(quán)局申請(qǐng)專利，液壓助力裝置正式走向成熟。隨后20世紀(jì)60年代北美大陸的汽車普遍配有液壓助力裝置，80年代流行于歐洲，發(fā)展至今天已經(jīng)是一個(gè)非常成熟的裝置了。

4 電控液壓助力轉(zhuǎn)向與電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向

隨著液壓助力轉(zhuǎn)向裝置的普及，汽車的轉(zhuǎn)向開(kāi)始變得輕便，駕駛員的駕駛體驗(yàn)也提升了很多。但是由于液壓裝置的動(dòng)力依靠發(fā)動(dòng)機(jī)提供，會(huì)在無(wú)形中拉低汽車的動(dòng)力性。而且由于汽車在不同車速下的轉(zhuǎn)向阻力不同，相對(duì)于高速轉(zhuǎn)向來(lái)說(shuō)，駕駛員在低速轉(zhuǎn)向時(shí)需要對(duì)方向盤(pán)施加更大的轉(zhuǎn)矩才能使汽車轉(zhuǎn)過(guò)相同的角度，這對(duì)于汽車的操縱舒適性來(lái)說(shuō)無(wú)疑是破壞性的—種種原因使得汽車工程師們依舊孜孜不倦地開(kāi)發(fā)著先進(jìn)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

在20世紀(jì)60年代末，通用汽車公司已經(jīng)為它旗下的Pontiac汽車裝備了可變比例動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置。

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(pán)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(pán)可以自動(dòng)回正，即使拿到現(xiàn)在來(lái)看，這一項(xiàng)技術(shù)也絲毫不落下風(fēng)。

1988年斯巴魯XT6裝備了一種名為“Cybrid”的自適應(yīng)電液助力裝置，該裝置依舊利用液壓輔助轉(zhuǎn)向，但是其液壓動(dòng)力依靠電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，而不是發(fā)動(dòng)機(jī)，而且該裝置能自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向助力，大大加強(qiáng)了汽車的動(dòng)力性與操縱舒適性。值得一提的是，深受國(guó)內(nèi)汽車愛(ài)好者喜愛(ài)的豐田第二代MR2正是配備了該類型的轉(zhuǎn)向助力裝置。

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(guò)ECU的控制來(lái)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(shuō)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(ài)，經(jīng)過(guò)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。

5 線控轉(zhuǎn)向

汽車電子電器技術(shù)與控制技術(shù)的的進(jìn)一步發(fā)展為我們指明了未來(lái)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(méi)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(wú)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(lè)裝置，使汽車安全性、實(shí)用性大大提升。

此外，SBW可以通過(guò)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(wú)人駕駛汽車的到來(lái)創(chuàng)造了先決條件。

6 結(jié)語(yǔ)

回看近百年的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程，總是伴隨著創(chuàng)造與改造。轉(zhuǎn)向裝置從幾個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)成為了各種復(fù)雜機(jī)械電子器件的總成，這其中包含了無(wú)數(shù)汽車工程師的智慧結(jié)晶。作為汽車上必不可少的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有著極為光明的發(fā)展前景，可以毫不夸張的說(shuō)，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)引領(lǐng)著未來(lái)汽車發(fā)展的方向。因此，掌握了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心，便是抓住了未來(lái)汽車的前進(jìn)道路上的方向盤(pán)。

參考文獻(xiàn)：

[1]曉青.汽車轉(zhuǎn)向裝置百年發(fā)展史[J].上海：上海汽車，2002：38-42.

[2]劉志剛.汽車發(fā)展史簡(jiǎn)述[J].汽車運(yùn)用，2000，（12）：15-16.

[3]Driving-gear for motor-carriages [P]- US patent 646477 A.

[4]周聰，肖劍.汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].控制工程，2012，（5）：828-830.

[5]Houston Branch，Wendell Smith： The unreasonable American： Francis W. Davis，inventor of power steering[M].Washington：Acropolis Books，1968.