汽车转向系统的发展过程研究

———汽车转向系统的发展过程研究摘要:本文对国内外汽车转向系统的研究现状进行了系统梳理,分析了目前汽车上所装备的种转向系统的优点和缺点,提出了我国车辆转向系统的发展趋势以及未来研究工作的重点。关键词:机械转向系统；液压助力转向系统；电液助力转向系统转向系统是汽车的主要子系统之一,其性能直接关系到汽车的操纵稳定性和舒适性,对于确行车安全、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要的作用。自从汽车发明以来,转向系统经历了纯机械式、液压助力式、电动液压助力式、电动助力式及处在研制阶段的线控助力转向式。每一种类型的转向系统都有着自身的优点和缺点,是社会发需要和客户使用需求综合要求的结果。汽车技术处于不断发展之中,转向系统未来该向何种方向展是汽车零部件厂商和整车厂所一直关心的焦点问题。本文从分析各种转向系统特性入手,对车转向系统的发展趋势进行了全方位展望,并提出了一些应对措施。1.转向系统类型及特点1.1机械转向系统特点纯机械式转向系统是伴随着最早的蒸汽汽车一起出现的,局限于当时的科学技术水平,机械向系以驾驶员的体力作为转向能源,其中所有传力件都是机械的。机械转向系由转向操纵机构、向器和转向传动机构三大部分组成。作为在车辆上应用时间最长的转向系统,相比较而言,其优点较少,那就是安全可靠、路感晰；其缺点为:装配机械式转向系统的汽车在泊车和低速行驶时驾驶员的转向操纵负担过于沉重。1.2液压助力转向系统随着汽车保有量的增多、液压传动技术的长足进步,液压助力转向系统应运而生了。美国GM司在20世纪50年代率先在轿车上采用了液压助力转向系统。有一个转助力泵(动力来源于发动机),油经助力泵成高压油,再经分配阀分到转向机的尺条动力缸中的左右动力缸,推动活塞助力工作。液压助力转向系统的出现主要是解决机械转向系统低速和原地转手感沉重的问题,但是,因为其动力直接来源于发动机,就造成了液压助力转向系统无法兼顾车低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性,而且成本高、能耗高(不转向时也要保持管路压力浪费了发动机动力资源)。1.3电液助力转向系统到了20世纪80年代,汽车电子技术发展非常迅速,而且人们对能源需求、环保问题也有了13肃认真的思考,节能、环保成了近现代的主旋律。1983年日本Koyo公司推出了具备车速感应功的电控液压助力转向系统,其系统结构如图3所示。相比较液压助力系统,电液助力转向系统通电动机带动助力泵,油经助力泵成高压油,再经分配阀分到转向机的尺条动力缸中的左或右动力缸推动活塞助力工作。电动机转速的快慢是通过系统ECU来控制的,在不同车速下可实现不同的助力。其优点为:①这在一定程度上降低了发动机的负荷,从而降低了燃油消耗。②电子控制助力转向统中的电动机在不需要提供助力时只有很小的电流通过,只有在需要提供助力时才会提高通过的流,这样可以避免消耗不必要的电能。③在低速和高速行驶时都能有良好的助力效果。其缺点为结构复杂、液压管路有泄露；造价较高。1.4电动助力转向系统到了20世纪80年代末,能源短缺问题凸显、环境污染问题严重,人们对节能和环保的要求加苛刻。1988年,Koyo公司研发了转向柱助力式电动助力转向系统,其系统结构如图4所示。EC采集驾驶员转矩信号、转角信号、车速信号,计算电动机助力电流,控制电动机进行助力转向。电动助力转向系统仅仅是在驾驶员转动方向盘时才进行助力转向,所以其节能；由于取消了压管路,不存在液压油泄露的环境污染问题；可同时兼顾低速转向轻便性和高速转向保持路感；于其助力特性规则可通过软件进行改变,所以产品开发、检测周期短,调整容易。其缺点就是:能程度有限,还没有实现根据不同工况实现自主转向。1.5线控转向系统随着全球经济形势的快速发展,计算机芯片技术、控制理论、汽车传感器技术已经上升到了个较高的水平,工程技术人员尝试着取消车辆转向系统中的机械连接装置,赋予转向系统更加灵的布置方式,线控转向系统开始出现。1990年,奔驰公司研发了前轮线控转向系统,如图5所示。线控转向系统中的转向盘和转向轮之间没有机械连接,是断开的,通过总线传输必要的信息。来转向盘传感器和各种车辆当前状态的信息送给电子控制子系统后,利用计算机对这些信息进行控运算,然后对车辆转向子系统发出指令,使车辆转向。同时车轮转向子系统中的转向阻力传感器出的信息也经电子控制子系统,传给转向盘子系统中模拟路感的部件。2.电动助力转向系统的研究现状国外的EPS产品在结构上由管柱助力式发展到小齿轮助力式,少数高档车己发展到齿条直接力式；从有刷直流电机发展到无刷直流电机驱动；普遍采用非接触式传感器；在控制方面,从控转矩、车速等基本信号发展到对转矩、车速、转角、轴重、点火信号等信号的集成控制。国外ES控制技术已从常规助力控制发展到主动阻尼、主动回正和底盘集成控制,汽车的转向轻便性和路协调性大大提高。2000年我国生产的“北斗星”汽车上率先安装了日本进口的有刷电机驱动的管柱式EPS,此国内的EPS研发项目大部分建立在模仿“北斗星”ESP基础上,现己批量生产的自主品牌ESP产均为有刷电机驱动,管柱式结构。目前的研究仅仅局限于控制理论和控制策略的研发,和国外相有不小的差距。3、新型转向系统研究重点分析综合国外目前转向系统的发展趋势,可以看出,中国转向行业研究人员应该在研究电动助力向系统成果的基础上,积极拓展延伸电动助力转向系统的功能,降低驾驶员驾驶车辆的难度,提车辆的主动避撞安全性,主要是车辆无人驾驶(驾驶员对转向系统失控)时的主动转向避撞问题。着重解决的问题如下。(1)整个系统的实时性问题。控制系统控制电动机进行主动转向避撞时,应具有良好的实时性。(2)控制器硬件、软件可靠性问题。应采取容错和冗余控制,使系统的性能鲁棒性和稳鲁棒性局。(3)主动避撞转向时机选择问题。应对驾驶员的驾驶状态和碰撞风险进行协调分析,优先服从驶员的转向操作,避免碰撞作为底线。(4)避撞路线优化选择问题。包括复杂环境下路况信息的检测和碰撞危害评估,满足碰撞风险小原则。汽车转向技术的发展趋助力转向系统经过几十年的发,技术日完善。今,电动助力转向系统将进一步成,控转向系统将成为我们研究的努力方向。具体,转向系统主要从以下几个方面进一步发现：(1)传感器技性能完善的电动助力转向系统需要采集向盘转角信号、转向盘转矩信号、转向盘转速号、电机电压信号、电机电流信号等。目,传器的成本是制约电动助力转向系统迅速市场的主要因,因,设计和开发适合电动助力向系统使用的性价比较高的传感器是未来技发展的关键。(2)控制策略的研究控制策略是影响助力转向系统性能的关因素之,也是电动助力转向系统的核心技术一。目,国内外许多学者都在探讨将先进的制理论应用于助力转向系统的研,如鲁棒控理论、模糊控制理论、神经网络控制理论和自应控制理论等。今,控制策略研究的重点主集中在如何抑制电机的力矩波动、如何获得较的路感、如何抑制路面干扰和传感器的噪声等,以进一步优化和改善助力转向系统的动态能和稳定性。(3)助力电机的研究助力电机是电动助力转向系统的执行元助力电机的特性直接影响到控制的难易程度驾驶员的手感。目,电动助力转向系统普遍用成本较低的直流有刷电机。由于直流无刷电采用电子换,减少了换向时的火,不需要常维护以及具有较高的效率和功率密度等优而受到越来越多的关注。因,开发适合助力向系统使用的低成本的直流无刷电机是今后力电机的研究方向。4.结语纯机械式转向系统结构简单、工作可靠、价低,目前在一部分转向操纵力不大、对操性能要求不高的微型轿车、农用车上仍有使液压助力转向系统技术成熟、能提供大的转向纵助,在重型车辆上广泛应；EPS以其特的优越性而得到青,它代表着未来动力转向术的发展方,EPS将作为标准配置装备到汽,未来一段时间在动力转向领域占据主导；而HBW由于有利于提高汽车被动安全性有利于汽车设计制造、有利于提高汽车乘坐舒性和汽车操控稳定性等原,将成为动力转向统的发展方向。致谢写到这里已是论文的结篇之词，我突然没有了之前流畅的思路，敲击键盘的手指变得有些沉重起来，总结与回首总是令人感慨万千。四年的大学时光转瞬即逝，十六年的学子生涯亦将挥手告别。这一路走来的点滴片段，此时此刻如同影像般在心底回放，无论快乐、忧伤、收获还是挫败，都是那样的珍贵与温暖。能端坐于课堂，凝听老师的谆谆教诲；能留连在图书馆，啃读册册文献；从一门门课程的学习到一行行论文的撰写，能拥有这段学习的机会，我有着难以言表的珍惜与努力，惟恐因为这样或那样的原因，对学业有丝毫的懈怠，尽其所能不辜负老师、朋友和家人的期望与关怀。我要深深的感谢我的导师，从论文的选题到论文的完成，老师都给予悉心的指导，您渊博的学识、严谨的治学态度、敏锐的科学思维、忘我的科研精神以及淡泊宁静的生活境界，让我在做人和做学问两方面都获益非浅。您的幽默风趣和出众口才更让我佩服万分。感谢同班同学以及教导过我的老师们，大学四年因为有你们而精彩万分，同时，我要以无比的深情感谢我远在家乡的父母，你们的浩荡养育之恩、深刻体察之心和无私奉献的精神是我今生最大的财富和幸福。参考文献[1]毕少平.汽车转向系统的故障诊断与维护[J].内燃机与配件,2021(8):2.[2]李琤.汽车电动助力