1、汽车转向系统介绍汽车转向系统 概述 功用 要求 类型 四轮转向系统 汽车转向技术的发展趋势转向系概述在汽车行驶中，转向运动是最基本的运动。我们通过方向盘来操纵和控制汽车的行驶方向，从而实现自己的行驶意图。在现代汽车上，转向系统是必不可少的最基本的系统之一，它也是决定汽车主动安全性的关键总成。如何设计汽车的转向特性，使汽车具有良好的操纵性能，始终是各汽车厂家和科研机构的重要课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同的驾驶人群，汽车的操纵性设计显得尤为重要。转向系功用 汽车转向系的功用是改变和保持汽车的行驶方向。当汽车需要改变行驶方向时，必须使转向轮绕主销轴线偏转
2、一定角度，直到新的行驶方向符合驾驶员的要求时，再将转 向轮恢复到直线行驶位置。这种由驾驶员操纵转向轮偏转和回位的套机构，称为汽车转向系。合适的转向力与位置感具有回正功能节省能源工作可靠适当的路面反馈量良好的操纵性文本文本文本文本文本具体要求 转向系统要求安静、噪声小文本文本转向系类型 汽车转向系按转向能源的不同分为机械转向系和动力转向系两大类。根据转向盘和转向轮间有无机械连接，将转向系分为带机械连接的常规转向系和不带机械连接的线性转向系。助力转向系统简介 助力转向系统是指在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机通过液压泵产生的液体压力或电动机驱动力来实现车轮转向。助力转向是一种以驾驶员操纵转向盘（转
3、矩和转角）为输入信号，以转向车轮的角位移为输出信号的伺服机构。助力转向系统使转向操作灵活、轻便，在设计汽车时对转向器结构形式的选择灵活性增大，能吸收路面对前轮产生的冲击等优点，现代汽车上普遍采用助力转向系统助力转向系统于1955年在Buick上首次采用，解决了转向轻便性问题助力转向系统分类 机械式液压助力 电子液压助力 电动助力转向系统（Electric power steering 简称EPS）进化的机械式液压助力-增加电子控制单元+电磁阀 线性控制转向 机械式液压助力 原理 优点 缺点原理 机械式液压助力转向的主要原理是基于机械式的齿轮齿条转向机构基础上，增加了一整套液力系统，包括储液罐、
4、液压助力泵、与转向柱相连的机械阀、转向机构上的液压缸和能够推动转向拉杆的活塞等等，液压泵由发动机通过皮带驱动，也就是说只有发动机运转，转向泵才能够运转。代表车型：常用于微型车如QQ、比亚迪F0等。技术成熟稳定、可靠性高。成本较低。优点 由于液压泵靠发动机皮带驱动，所以会消耗发动机的一部分动力，影响燃油经济性和车辆的动力性，尤其对于动力本身就相对孱弱的小排量车型的影响比较明显。单纯的机械式液压助力系统助力力度不可调节，很难兼顾低速和高速行驶时对指向精度的不同需求。缺点 电子液压助力 原理 优点 缺点原理 电子液压助力原理与机械式液压助力完全相同，而与机械式液压助力最大的区别就是不再使用由发动机通
5、过皮带驱动的液压泵，而是换成了电力驱动的电子泵。代表车型：马自达2、马自达3、凯旋、世嘉、307、C5、蒙迪欧致胜、福克斯 动力转向可以利用较小的转向盘操纵力使车辆转弯。但在低速时为了省力而规定一定工作压力，如转向比不变，则在高速时，由于转向操纵力减小，使驾驶员失去对车辆的控制，易产生危险。电子控制动力转向系旨在使车辆低速尤其是停放车辆时转向轻便，而当车速较高时，电子控制使系统的液压助力作用减弱，转向操纵力增加，使驾驶员在高速行驶时对转向盘有更好的控制。在电子控制动力转向系中，按照车速通过控制电磁阀改变动力转向系统中的油压控制回路，低速时转向力小，提高操纵力；在中高速时使之成为与手操纵相适应的
6、转向力，提高操纵稳定性。电子控制动力转向系可分为流量控制、反力控制与电子控制电动式转向系统三种方式。电子液压助力的优势首先体现在能耗上，首先由电能驱动的电子泵使用发电机和电池输出的电能，不再消耗发动机本身的动力。其次，能够通过对车速传感器、横向加速度传感器、转向角度传感器等传感器的信息的处理，通过实时改变电子泵的流量来改变转向助力的力度大小，实现随速可变助力功能。优点 电子液压助力成本更高。相对机械式的液压助力系统，加入了电控系统换上电子泵后、电子液压助力的制造成本更高，技术也更加复杂，保养维修的难度和成本也随之提高。可靠性不及机械液压助力。电子液压助力除了会出现转向机构和液压机构的故障外，还
7、增加了电气系统出现故障的可能性，因而可靠性不及传统液压助力系统。助力力度有限。虽然使用电子泵有明显优势，但是，电子泵需要由发电机的电能驱动，而车载发电机的本身功率和蓄电池能够提供的最大电流都有限，所以电子泵的功率也受到限制，能承载的负荷也有限。所以目前使用电子液压助力的车型大多为中小型车辆。缺点助力转向系统分类 机械式液压助力 电子液压助力 电动助力转向系统（Electric power steering 简称EPS）进化的机械式液压助力-增加电子控制单元+电磁阀 线性控制转向 电动助力转向系统（Electric power steering 简称EPS）原理 优点 缺点原理 与液压助力系统一
8、样，仍然是基于齿轮齿条式转向机构而来，只不过助力机构由复杂的液压机构变成了依靠电动机产生助力的系统。电动助力转向系统的结构非常简单，没有了液压泵、储液罐、液压管路和转向柱阀体结构，而是由传感器、控制单元和助力电机构成。电动助力转向系统利用电动机作为动力源，根据车速和转向参数等，由电子控制单元完成助力控制。电动助力转向系统的最大特点就是能实现“精确转向”根据电动机布置位置不同，可分为转向柱助力式、齿轮助力式和齿条助力式三种类型。代表车型：6代高尔夫、睿翼、帕萨特、迈腾、CC、途观当转向盘转动时，与转向轴相连的转矩传感器不断地测出作用于转向轴上的力矩，并将力矩转换为电信号，车速传感器产生车速信号，
9、ECU根据这两个信号，经过运算处理后，向离合器和电动机发车发出控制指令，即输出一个适合的电流，在离合器结合的同时，是电动机产生一个转矩，转矩经过减速机构减速增距后，施加在输出轴上，输出轴的下端与齿轮齿条转向器总成中的小齿轮相连，于是由电动机发出的转矩最后通过齿轮齿条转向器施加到汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向助力。相比液压助力转向系统，电动助力转向有诸多优势：其结构简单紧凑，制造成本低，工艺相对简单，后期的维护和保养也更加简单。系统损耗低（不会像液压助力一样有助力液损耗），运行噪音低，不会有液压泵或电子泵运转的噪音，提升舒适性。助力力度能够随速可变，满足车辆高速和低速行驶时对助
10、力大小的不同需求，响应速度较液压助力系统更快更直接。同时，电动助力转向有着良好的经济性，纯电能驱动，较机械液压助力能耗低。优点 首先是可靠性的问题，虽然现在电动助力转向技术已经非常成熟，但是电子系统还是要比纯机械结构“娇气”一些。其次，就像电子液压助力系统一样，电动助力转向遇到的仍然是功率的瓶颈问题，对于目前的大多数车辆来说，使用的都是12V的电源系统，能够带动的助力电机功率有限，对于转向负荷较大的大型车辆来说，电动助力就力不从心了。弯道循迹性、路感较差，不适用于对转向系统的负载能力要求较高并且需要精准操控性的车型。缺点助力转向系统分类 机械式液压助力 电子液压助力 电动助力转向系统（Elec
11、tric power steering 简称EPS）进化的机械式液压助力-增加电子控制单元+电磁阀 线性控制转向 进化的机械式液压助力-增加电子控制单元+电磁阀 原理 优点 缺点原理 与传统的机械式液压助力系统相比，这类系统多出了一套能够读取速度传感器信息的电子控制单元，并与转向柱连接的机械阀上增加了电磁阀机构。通过电流控制电磁阀开度，可以改变助力油液的流量，使得油液推动助力活塞的力量被改变，就实现了助力力度的调节。控制单元根据车速传感器的信号对电磁阀开度进行控制，通过改变助力液流量实现对转向机构液压缸内的油液压力的调节，进而改变助力力度，相比使用电子泵的电子液压助力系统有着更高的可靠性，并且
12、依旧保持机械液压助力系统的较高负载能力和可靠性较高等优势，尤其适合那些对转向系统的负载能力要求较高并且需要精准操控性的车型。目前比较典型的系统有通用的“MAGNASTEER磁力辅助转向系统”和宝马的“Servotronic伺服式可变助力转向系统”。代表车型：新君威、新君越、凯迪拉克、宝马、奔驰、保时捷、法拉利、阿斯顿马丁、布加迪威龙 可靠性高。高负载能力。路感清晰。助力随速可变，低速时轻盈灵敏，高速稳健厚重，大大提高行车安全性。优点 结构复杂、造价高、维护费用较高。缺点助力转向系统分类 机械式液压助力 电子液压助力 电动助力转向系统（Electric power steering 简称EPS）
13、进化的机械式液压助力-增加电子控制单元+电磁阀 线性控制转向线控转向技术线控转向系统(Steering by Wire-SBW)是更新一代的汽车电子转向系统。线控转向系统是指通过通讯网络连接各部件的控制系统，它替代了传统的机械或液压连接，线控转向系统与上述各类转向系统的根本区别就是取消了转向盘和转向轮之间的机械连接。图4所示为ZF公司开发的线控转向系统。该系统具有2个电机：路感电机和驱动电机。路感电机安装在转向柱上，控制器根据汽车转向工况控制路感电机产生合适的转矩，向驾驶员提供模拟路面信息。驱动电机安装在齿条上，汽车的转向阻力完全由驱动电机来克服，转向盘只是作为转向系统的一个转角信号输入装置。
14、线控转向系统能够提高汽车被动安全性，有利于汽车设计制造，并能大大提高汽车的乘坐舒适性。可以实现前轮的主动转向控制，使车辆受到干扰，处于危险或极限工况时代替驾驶员实现主动安全性。但是由于转向盘和转向柱之间无机械连接，生成让驾驶员能够感知汽车实际行驶状态和路面状况的“路感”比较困难；且电子器件的可靠性难以保证。所以线控转向系统目前大多处于研究阶段，只配备在一些概念汽车上（最早由德国奔驰公司1990年开始前轮线控转向的研究，斯凯孚SKF的汽车分部推出一款名为Novanta的新型线控汽车，已经批量生产），国内研究很少，国际普遍也处于初级阶段。近年来一直是大型工程车辆转向关键技术研究的热点之一，近年在商
15、用车领域也得到不断发展。汽车转向系统 概述 功用 要求 类型 四轮转向系统 汽车转向技术的发展趋势四轮转向系统概述四轮转向（4WS-four wheel steering）系统是基于一个安装在后悬架上的后轮转向机构，它能够使驾驶员操纵方向盘时转动汽车前后四个车轮，不仅提高了高速时的稳定性和可控制，而且提高了低速时的机动性。即在高速行驶时，将后轮与前轮同相位转向，以减小车辆转向时的旋转运动（横摆），改善高速行驶的稳定性；而在低速行驶时，把后轮与前轮逆相位转向，以改善车辆中低速行驶的操纵性，提高快速转向性。目前，四轮转向系统有三种类型：机械式、液压式和电子控制液压式。电子控制液压式机械式液压式横向
16、加速度车速感应型前轮转角车速感应型前轮转角感应型前轮转角比例车速感应型机械式四轮转向系统在机械式四轮转向系统中，采用了两个转向器，分别用于前、后轮偏转。两个转向器之间用根双曲轴连接，采用的转向传动机构为常规型，如图所示。液压式四轮转向系统 液压式四轮转向系统如图所示。其后轮的偏转方向始终与前轮偏转方向相同，且后轮的偏转角不大于1.5。系统没有采用电子传感器、计算机控制和先进的传动机构。当车速超过50kmh时，系统才起作用。倒车时系统不起作用，在后车架上装有双作用液压缸来偏转车轮。该液压缸的压力油来自后转向液压泵。后转向液压泵由差速器驱动。只有在前轮转向时，后轮液压泵才工作。转动转向盘时，前轮转
17、向液压泵提供的压力油经前动力转向装置的转阀分配，进入前轮转向动力缸内，前轮便朝相应方向偏转。油液的压力随同转向盘转动状况而改变。转向盘转速越高、转角越大，油液压力就越高。后控制阀的供油压力与上述油液压力相同。当后控制阀内滑阀在前轮转向动力缸压力油的作用下移动时，来自后转向液压泵的油液经滑阀进入后转向动力缸，从而推动后轮偏转。电子控制液压式机械式液压式横向加速度车速感应型前轮转角车速感应型前轮转角感应型前轮转角比例车速感应型横向加速度车速感应型 如图所示，其结构是在前轮的动力转向器上，再安装一个后轮专用的控制阀，产生一个大致与横向加速度成比例的，与前轮转向器阻力相平衡的油压，把该压力的油液送到后
18、轮执行机构。在执行机构中，装入高刚性弹簧，当与送来的油压达到平衡状态时，输出杆便产生位移，从而带动后轮开始转向。前轮转角车速感应型 如图所示，其结构是在前轮的动力转向器上，再安装一个后轮专用的控制阀，产生一个大致与横向加速度成比例的，与前轮转向器阻力相平衡的油压，把该压力的油液送到后轮执行机构。在执行机构中，装入高刚性弹簧，当与送来的油压达到平衡状态时，输出杆便产生位移，从而带动后轮开始转向。前轮转角感应型 为了把前轮转角传给后轮，在前轮齿轮齿条式转向器的齿条轴上，安装了后轮转向齿轮，其角位移，通过中间传动轴，传给后轮转向器。后轮具有小转角同相转向，大转角逆相转向的功能。在微小转向的高速行驶时
19、，形成了同相转向，获得了行驶稳定性，在大转角转向的极低速行驶时，变成逆相转向，获得了小半径转向性能。前轮转角比例车速感应型 在动力传至后轮转向轴之前，与前者基本相同，但后轮的执行机构由相位控制部分和动力补助部分构成。动力补助部分以油压为动力，由后轮滑阀和动力缸构成。相位控制部分能实现对后轮同相位或逆相位的控制。汽车转向系统 概述 功用 要求 类型 四轮转向系统 汽车转向技术的发展趋势汽车转向技术的发展趋势(1)传感器技术(2)控制策略的研究(3)助力电机的研究传感器技术 性能完善的电动助力转向系统需要采集转向盘转角信号、转向盘转矩信号、转向盘转速信号、电机电压信号、电机电流信号等。目前，传感器
20、的成本是制约电动助力转向系统迅速市场化的主要因素，因此，设计和开发适合电动助力转向系统使用的性价比较高的传感器是未来技术发展的关键。控制策略的研究控制策略是影响助力转向系统性能的关键因素之一，也是电动助力转向系统的核心技术之一。目前，国内外许多学者都在探讨将先进的控制理论应用于助力转向系统的研究，如鲁棒控制理论、模糊控制理论、神经网络控制理论和自适应控制理论等。今后，控制策略研究的重点主要集中在如何抑制电机的力矩波动、如何获得较好的路感、如何抑制路面干扰和传感器的噪声等方面，以进一步优化和改善助力转向系统的动态性能和稳定性。助力电机的研究 助力电机是电动助力转向系统的执行元件，助力电机的特性直接影响到控制的难易程度和驾驶员的手感。目前，电动助力转向系统普遍采用成本较低的直流有刷电机。由于直流无刷电机采用电子换向，减少了换向时的火花，不需要经常维护以及具有较高的效率和功率密度等优点而受到越来越多的关注。因此，开发适合助力转向系统使用的低成本的直流无刷电机是今后助力电机的研究方向。再见！
