汽车转向系统的发展与展望

汽车转向系统的发展与展望

作为车辆的重要组成部分，车辆转向系统是决定车辆动态安全的最重要组成部分。如何设计汽车的转向特性，以及汽车的良好操纵性能一直是所有汽车制造商和研究机构的研究主题。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,针对更多不同水平的驾驶人群,汽车的操纵设计显得尤为重要。汽车转向系统经历了纯机械式转向系统、液压助力转向系统、电动助力转向系统3个基本发展阶段。1整个机构使用比较慢机械式的转向系统,由于采用纯粹的机械解决方案,为了产生足够大的转向扭矩需要使用大直径的转向盘,这样一来,占用驾驶室的空间很大,整个机构显得比较笨拙,驾驶员负担较重,特别是重型汽车由于转向阻力较大,单纯靠驾驶员的转向力很难实现转向,这就大大限制了其使用范围。但因结构简单、工作可靠、造价低廉,目前在一部分转向操纵力不大、对操控性能要求不高的微型轿车、农用车上仍有使用。2能量泵的种类1953年通用汽车公司首次使用了液压助力转向系统,此后该技术迅速发展,使得动力转向系统在体积、功率消耗和价格等方面都取得了很大的进步。80年代后期,又出现了变减速比的液压动力转向系统。在接下来的数年内,动力转向系统的技术革新差不多都是基于液压转向系统,比较有代表性的是变流量泵液压动力转向系统(VariableDisplacementPowerSteeringPump)和电动液压助力转向(ElectricHydraulicPowerSteering,简称EHPS)系统。变流量泵助力转向系统在汽车处于比较高的行驶速度或者不需要转向的情况下,泵的流量会相应地减少,从而有利于减少不必要的功耗。电动液压转向系统采用电动机驱动转向泵,由于电机的转速可调,可以即时关闭,所以也能够起到降低功耗的功效。液压助力转向系统使驾驶室变得宽敞,布置更方便,降低了转向操纵力,也使转向系统更为灵敏。由于该类转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力,目前在部分乘用车、大部分商用车特别是重型车辆上广泛应用。但是液压助力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面存在不足。3从汽车油车产业中的应用EPS在日本最先获得实际应用,1988年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统,并装在其生产的Cervo车上,随后又配备在Alto上。此后,电动助力转向技术得到迅速发展,其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司,美国的Delphi公司,英国的Lucas公司,德国的ZF公司,都研制出了各自的EPS。EPS的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展,并且其控制形式与功能也进一步加强。日本早期开发的EPS仅低速和停车时提供助力,高速时EPS将停止工作。新一代的EPS则不仅在低速和停车时提供助力,而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。随着电子技术的发展,EPS技术日趋完善,并且其成本大幅度降低,为此其应用范围将越来越大。3.1基础上发展起来电动助力转向系统是在传统机械转向机构的基础上发展起来的。系统通常由转矩传感器、车速传感器、电子控制器、电动机、电磁离合器和减速机构等组成,其结构示意如图1。3.2车辆转速和转向力信号的处理控制部分主要是通过车速和转矩传感器来采集汽车车速和转向盘转向力信号,进行必要的运算处理后发出控制指令给电动机,由电动机为转向提供辅助力。电动助力转向系统的控制框架如图2。3.3电机转向控制模块汽车处于起动或者低速行驶状态时,操纵转向盘转向,装在转向柱上的转矩传感器不断检测作用于转向柱扭杆上的扭矩,并将此信号与车速信号同时输入电子控制器,处理器对输入信号进行运算处理,确定助力扭矩的大小和方向,从而控制电动机的电流和转向,电动机经离合器及减速机构将转矩传递给牵引前轮转向的横拉杆,最终起到为驾驶人员提供辅助转向力的功效;当车速超过一定的临界值或者出现故障时,为保持汽车高速时的操控稳定性,EPS系统退出助力工作模式,转向系统转入手动转向模式。不转向的情况下,电动机不工作。工作流程图见图3。电动助力转向系统很容易实现在不同的车速下实时的为汽车转向提供不同的助力效果,保证汽车在低速行驶时轻便灵活,高速行驶时稳定可靠。3.4支持电子相态旋转系统的主要部件3.4.1旋转传感器与旋转传感器的组成用于检测作用于转向盘上的扭矩信号的大小与方向,由力矩传感器和旋转速度传感器组成。力矩传感器感知转向盘的转向力矩大小,旋转传感器感知转向盘的旋转速度,并把感知的这两个信号传递到电子控制单元。目前采用较多的转矩传感器是扭杆式电位计传感器。3.4.2速度传感器用于检测汽车的行驶速度,并进行自诊断,把检测到的信号送入电子控制单元。常采用电磁感应式传感器,安装在汽车变速器输出轴上。3.4.3电子控制单元中小型电子客观电动助力转向系统的动力源,通常采用无刷永磁式直流电动机,其功能是根据电子控制单元(ECU)的指令产生相应的输出扭矩。电动机是影响EPS性能的主要因素之一,不仅要求低转速大扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻,而且要求可靠性高、控制性能好。3.4.4电子控制单元它是整个控制系统的核心,完成对各个传感器输入信号的处理,依据控制规则计算出所需的参数值,通过驱动电路,实现对电机的控制。3.4.5清除电机惯性的影响对于动力的工作范围限定在某一速度区域内。如果超过规定速度,电动机停转,且离合器分离,不再起传递动力的作用。在不加助力的情况下,离合器可以清除电动机惯性的影响。同时,在系统发生故障时,因离合器分离,又可以恢复手动控制转向。3.4.6蜗轮蜗杆减速机构用来增大电动机的输出扭矩。主要有两种形式:蜗轮蜗杆减速机构和双行星齿轮减速机构。前者主要用于转向轴助力式转向系统,后者主要用于齿轮助力式和齿条助力式转向系统。3.5转向系统的特点电动助力转向系统是一项采用现代控制方法的高新技术,与传统液压动力转向相比,它具有下述优点:(1)电动机和减速机构安装在转向柱或在转向系内,所占空间小,零部件结构简单、安装方便,维护费用低;(2)以电动机为动力,不需要转向油泵、油管及控制阀等液压元件,也不会耗用发动机的功率和发生液压油泄漏和损耗,电动机只在需要时才启动,耗用电能较少,提高了汽车经济性;(3)低速停车入库时转向助力器对转向力的降低非常显著;(4)更好地吸收道路上的任何颠簸并能灵敏反映路面信息,改善汽车的转向特性,灵敏度高。4汽车转向系统线控转向系统(SteeringbyWire-SBW)是更新一代的汽车电子转向系统,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。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。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处于研究阶段,只配备在一些概念汽车上。5控制策略和助力电机的研究助力转向系统经过几十年的发展,技术日趋完善。今后,电动助力转向系统将进一步成熟,线控转向系统将成为我们研究的努力方向。具体来说,转向系统主要从以下几个方面进一步发展:(1)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。(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。(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。6未来动力转向助力系统纯机械式转向系统结构简单、工作可靠、造价低廉,目前在一部分转向操纵力不大、对操