转向器的发展前景及方向

1、汽车转向传动技术及其发展李睿扬（学号：02000404）（东南大学机械工程系）改革开放30年来，中国机动车转向桥市场从无到有，从小到大、从总量快速扩张到结构明显升级，逐步形成了有中国特色的多样化、多层次的消费市场。机动车转向桥市场规模比改革初期扩大了几倍乃至几十倍，其发展成就令世人瞩目。1.引言汽车在行驶过程中，经常需要换车道和转弯。驾驶员通过一套专门的机构一一汽车转向系，使汽车改变行驶方向。转向系还可以修正因路面倾斜等原因引起的汽车跑偏。转向系统不仅关系到汽车行驶的安全，还关系到延长轮胎寿命、降低燃油油耗等。随着科学技术的发展，市场对汽车性能的要求也越来越高井寺别是汽车的操纵稳定性，成为当代

2、汽车研究的一个重要方面.转向系的好坏直接影响到汽车的操纵稳定性、转向轻便性以及驾驶员的工作强度和工作效率，因此转向系统的设计是汽车设计中很重要的一个部伴随着现代汽车工业的发展而不断进步，高速公路和高架公路的出现，同向并行车辆的增多和行驶速度的提高及道路条件的变化，要求更加精确灵活的转向系统。作为改善汽车操纵性能最有效的一种主动底盘控制技术一一四轮转向技术，于二十世纪80年代中期开始在汽车上得到应用。本文针对2WS,着重介绍转向系统的组成、归类、工作原理、工作情况，并且分析比较现有转向系统中的某些机构的优缺点极其应用场合。然后简要介绍4WS的技术发展情况，以及某些4WS的可行解决方案、技术要求及

3、工作状况。也将2WS及4WS的特点性能做了一定的比较，提出转向系统有待解决的问题及未来发展趋势。由于个人水平有限，文中难免未尽周全之处，望老师多予指正。2.汽车转向基本要求及其关键技术为使汽车实现车轮无侧滑的转向，车轮的偏转必须满足阿克曼特性，即在汽车前轮定位角都等于零、行走系统为刚性、汽车行驶过程中无侧向力的前提下，整个转向过程中全部车轮必须围绕同一瞬时中心相对于地面作圆周滚动，例如对于图1所示两轮转向情况,前内轮转角P与前外轮转角仪之间应满足如下阿克曼转向特性公式：（1）图1阿克曼两轮转向要求车轮的偏转是通过转向机构带动的。对于两轮转向汽车，为减小车轮侧滑，转向机构应使两前轮偏转角在整个转

4、向过程中始终尽可能精确地满足式（1）关系。因此从运动学角度来看，两轮转向机构的设计涉及到的关键技术主要是：（1）机构的形式设计，即确定能满足转向传动功能要求的机构结构组成；（2）机构的尺度设计，即确定能近似再现式（1）关系的机构运动尺寸。从系统和机构学角度来看，转向系统的组成及其相互关系可用框图2表示，其中转向机构是该系统的执行机构。图2转向传动系统的组成3.两轮转向及其实现技术两轮转向技术的发展概况两百年前在汽车刚刚诞生的初期，其转向操纵是仿照马车和自行车的转向方式，即用一个操纵杆或手柄直接使前轮偏转。1817年，德国人林肯斯潘杰(LenKenSperger)发明了转向梯形机构，并将在英国获

5、得的专利权转让给了阿克曼(Ru-dolphAckerman)。现在人们常将转向梯形的特性关系式(1)称为阿克曼公式。1857年，英国的达吉恩蒸汽汽车(Dud-geonSteamer)是首次采用方向盘的机动车辆。1872年苏格兰的查理士鲁道夫(CharlesRandolph)第一个把方向盘装到煤气发动机车辆上。1886年，英国的弗雷德里克斯特里克兰(FrederiekStrickland)及汽车制造商德雷克(A.J.Drak)将船用转向柱和方向盘技术应用到新式戴姆勒弗顿(DaimlerPhantom)敞篷车上。1890年金姆勒帕利生(DaimlrParirian)制成转向柱与方向盘倾斜的第一辆汽

6、车。进入20世纪后，相关科技的进步带动了汽车设计技术与汽车工业的迅速发展，但对于转向传动系统的研究主要集中在转向器的型式和转向执行机构的尺寸优化设计等方面，而在两轮转向原理以及两轮偏转联动实现方式等方面并未有新的突破。当前两轮转向技术的主流(1)与非独立悬架配用的转向机构1)转向梯形后置，转向直拉杆纵置如图3(a)所示，在前桥仅为转向桥时，由转向横拉杆5和左、右转向梯形臂4组成的转向梯形一般布置在前桥之后，以避免其在转向过程中与车轮发生干涉。解放CA141、东风EQ140等汽车都是采用这种转向机构。(a)1一转向摇臂2一转向直拉杆(b)(c)3一转向节臂4一梯形臂5一转向横拉杆图3与非独立悬架

7、配用的转向机构2)转向梯形前置，转向直拉杆纵置在发动机较低或转向桥兼驱动桥的情况下，为避免干涉，往往将转向梯形布置在前桥之前，如图3(b)所示。3)转向梯形前置，转向直拉杆横置如图3(c)所示，若转向摇臂1不是在汽车纵向平面内前后摆动，而是在与道路平行的平面内左右摆动(如北京BJ2020N型汽车)，则可将转向直拉杆2横置，并借球头销直接带动转向横拉杆5,从而使两侧梯形臂转动。(2)与独立悬架配用的转向机构图4为循环球式(BS型)转向器配用的转向机构，转向摇臂1为主动件，绕固定镀点作往复摆动。其中图4(a)中两根转向横拉杆3、4布置在车轴的后方，形成两段式结构，如红旗CA7560型轿车即采用了这

8、种转向机构；图(b)中两根转向横拉杆3、4布置在车轴的前方，和转向直拉杆2一起构成三段式的前置梯形结构，丰田海艾斯轿车转向机构就采用这种布置形式。(a)(b)1一转向摇臂2一转向直拉杆3一左转向横拉杆4一右转向横拉杆5左梯形臂6一右梯形臂7一摇杆8一悬架左摆臂9一悬架右摆臂图4与循环球式转向器配用的转向机构(a)(b)图5与齿轮齿条式转向器配用的转向机构图5为齿轮齿条式(RP型)转向器配用的转向机构两种布置形式，其中图5(a)中转向器位于前轴后方，前置梯形，应用实例为奥迪100轿车；图5(b)转向器位于前轴前方，前置梯形，在IVECO45-10型汽车中得到了应用。前面所列仅为转向器和转向梯形机

9、构结合的基本形式，实际使用中尚有许多情况，限于篇幅，在此不一一列出。3.3两轮转向的存在问题汽车两轮转向技术虽经历了近两百年的发展，但仍存在如下主要问题：(1)两轮转向汽车在转弯时，现有各类转向机构均不能保证全部车轮绕瞬时中心转动，从而在技术上难以完全消除车辆行驶中的车轮侧滑。(2)独立悬架汽车中的转向梯形断开点难以确定，这将导致了横拉杆与悬架导向机构之间运动不协调，使汽车在行驶中易发生摆振，从而加剧轮胎磨损，转向性能随车速、转向角、路面状态的变化而变化，车速越高，操纵稳定性越差。(3)在采用两轮转向方式时转弯半径较大，汽车的机动灵活性不高。随着电子技术的不断发展及在汽车中的应用，可以从多方面

10、改善转向系统的各种性能，但这种改善往往是局部的和微小的。基于两轮转向方式的汽车转向技术发展至今，应该说已经到了一个顶峰，就目前的技术和经济性而言，两轮转向在性能上难以再有突破性进展。.四轮转向及其实现技术四轮转向方式的提出及其特点鉴于两轮转向方式存在的诸多不足，日本于20世纪60年代首先提出通过四轮转向方式来提高汽车的操纵稳定性，到20世纪80年代末，四轮转向系统得到实际应用。1990年，本田、马自达、尼桑三家汽车公司首先在部分轿车上推出了四轮转向系统。1991年，美国克莱斯勒和日本的三菱也推出了四轮转向车型。所谓四轮转向，是指车辆行驶过程中四个车轮能同时发生偏转的转向方式。其中后轮偏转角一般

11、不超过5%根据转向时前、后轮偏转方向的异同分为同向偏转及逆向偏转两类。对于行驶中的四轮汽车，当采用同向偏转时，车身的动态偏转减小，从而可显著提高汽车高速行驶稳定性；当采用逆向偏转时，则可显著减小汽车转弯半径，如图6所示，由此增加了低速行驶的灵活性，有利于汽车的转向调头。因此采用四轮转向方式时，在一定程度上提高了横摆角速度和侧向加速度的瞬态响应性能指标，如图7所示。所以四轮转向方式具有转向能力强、转向响应快、直线行驶稳定性高、低速机动性好等优点。图62WS与4WS转弯半径的比较图72WS与4WS车辆转向特性比较四轮转向驱动方式实现四轮转向的关键是如何将转向盘的转动量传递给前后转向轮，并为转向轮提

12、供动力使其发生协调、联动偏转。本文根据转向盘转动量传递途径以及转向轮动力来源的不同,对四轮转向系统作如下的分类：(1)集中驱动四轮转向系统当用机械传动链将转向盘的转动量分别传递给前后轮转向机构，从而在前后转向轮偏转量与转向盘的转动量之间形成确定的机械联系时，即属集中驱动四轮转向系统。其结构框图如图8所示，其中前后转向轮偏转的驱动动力来自于转向盘以及由液压系统等提供的辅助动力。图8集中驱动四轮转向系统结构框图此类集中驱动转向系统可进一步分为机械式和机电控制式两种，其差异主要在后轮偏转方向的操纵方式上。机械式集中驱动四轮转向系统没有图8中的电子控制单元虚框，前后轮的偏转方向和偏转角大小均由转向盘操

13、纵，并通过机械传动链获得确定的协调关系。这种四轮转向系统结构简单，转向特性固定，与车速无关。对于机电控制式集中驱动四轮转向系统，后轮偏转角大小由转向盘操纵，而后轮偏转方向则根据传感器获取的前轮偏转方向与角度以及车速信息由控制单元确定。集中驱动四轮转向系统的制造成本较低，但当传动链零件磨损后不能精确保证前后轮转角大小关系。(2)分散驱动四轮转向系统在图9所示分散驱动四轮转向系统中，前轮转向动力由转向盘直接提供，前转向轮偏转方向及偏转量与转向盘转动量之间通过机械传动链形成确定关系；后转向轮偏转的操纵由专门的液压系统或电动机提供动力，至于后轮偏转方向及偏转量则根据传感器获取的转向盘转动方向与转角信息

14、以及车速等其他信息由控制单元综合确定。分散驱动四轮转向系统的基本特征在于：前后转向轮偏转的驱动动力是分开的，前后转向轮偏转方向和偏转角度之间不是靠机械传动链形成固定的联系，而是靠电子控制系统进行协调控制实现预设关系，因此后轮转向控制灵活、方便，能够获得更加精确和复杂的转向特性。图9分散驱动四轮转向系统结构框图四轮转向的研究方向对4WS转向技术的研究主要表现在硬件技术和软件技术两个方面。硬件技术的发展体现在如何采用新材料、新工艺、新结构等来更好地发挥出四轮转向的优势，更好地实现四轮转向系统所预定的目标；研究和开发高灵敏度、高精度、低成本的传感器和控制系统，为4WS系统的具体应用提供可靠成熟的技术

15、条件。目前，四轮转向技术研究的潮流主要表现在对控制理论等软件技术的研究上。将最先进的控制理论与控制方法不断应用于4WS控制器的开发中，同时将人的因素考虑到操纵控制中去，研究由驾驶员、车辆和行驶环境所构成的闭环系统。尽管目前科研人员从结构到控制原理上对四轮转向进行了大量的研究，但尚未取得突破性进展，四轮转向技术还没有真正地步入全面推广阶段。其主要原因在于尽管四轮转向车的一些开环指标有较大程度的改善，但是对其进行主观评价的效果并不理想。这就要求从主观评价出发，考虑闭环综合性能指标，即将人一车一路看成一个系统，建立合理、可行的闭环性能评价体系，实现主观评价与客观评价的统一。另外，还要把四轮转向技术与

16、其他主动安全技术(如ABS、ASR、VDC等)相结合，获得更高的车辆主动安全性。.汽车转向技术的发展趋势(1)新型转向机构的研究与应用围绕减小转向机构的误差、优化转向机构的设计、减轻转向机构的磨损、提高转向机构的效率等方面开展工作，加强新型转向机构的研究与应用已成为生产企业和科研单位的追求的目标。(2)动力转向技术的推广为减轻驾驶员疲劳，提高操纵轻便性和稳定性，动力转向系统的应用日益广泛，不仅在重型汽车上必须采用，在高级轿车上应用较多，而且在中型汽车上也已逐渐推广。(3)考虑主动安全性的转向技术从操纵轻便性、稳定性和安全行驶的角度，广泛使用更先进的工艺方法制造、使用变速比转向器、高刚性转向器，采用防碰撞安全转向柱、安全带、安全气囊等，并逐步推广。新时代下的汽车转向装置设计充分考虑了驾乘的舒适性和安全性，诸如4WS转向技术的应用、EPS动力转向技术的应用等等。(4)先进电子技术和控制技术在转向