汽修专业毕业论文-汽车的常用转向系统的性能分析

摘要汽车转向性能是汽车的主要性能之一。转向系统的性能直接影响车辆的操纵性和稳定性。它在保证车辆安全行驶、减少交通事故、改善驾驶员工作条件等方面发挥着重要作用。本文综述了常用汽车转向系统的性能，包括机械转向系统、液压转向系统、电动转向系统和线控转向系统。本文主要分析各转向系统的结构、工作原理，重点最各类转向系统的性能优劣进行分析。关键词：转向系统；机械转向；电动转向；线控转向；性能优劣

一、转向系统概念用来改变或保持汽车行驶或倒退方向的一系列装置称为汽车转向系统(steeringsystem)。汽车转向系统的功能就是按照驾驶员的意愿控制汽车的行驶方向。汽车转向系统对汽车的行驶安全至关重要，因此汽车转向系统的零件都称为保安件。汽车转向系统和制动系统都是汽车安全必须要重视的两个系统。汽车在行驶过程中，需按驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓汽车转向。就轮式汽车而言，实现汽车转向的方法是，驾驶员通过一套专设的机构，使汽车转向桥（一般是前桥）上的车轮（转向轮）相对于汽车纵轴线偏转一定角度。在汽车直线行驶时，往往转向轮也会受到路面侧向干扰力的作用，自动偏转而改变行驶方向。此时，驾驶员也可以利用这套机构使转向轮向相反方向偏转，从而使汽车恢复原来的行驶方向。这一套用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构，即称为汽车转向系统（俗称汽车转向系）。因此，汽车转向系的功用是，保证汽车能按驾驶员的意志而进行转向行驶。二、转向系统的类型汽车转向系统经历了纯机械式转向系统（传统转向系统）、液压助力转向系统、电动助力转向系统、线控转向系统4个基本发展阶段。（一）纯机械式转向系统纯机械式转向系统，是指汽车的转向运动是由驾驶员操纵方向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮而实现的。普通的转向系统建立在机械转向的基础上，通常根据机械式转向器形式可以分为：齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。常用的有两种是齿轮齿条式和循环球式(用于需要较大的转向力时)。这种转向系统是我们最常见的，目前大部分低端轿车采用的就是齿轮齿条式机械转向系统。从上世纪四十年代起，为减轻驾驶员体力负担，在机械转向系统基础上增加了液压助力系统HPS(hydraulicpowersteering)，它是建立在机械系统的基础之上的，额外增加了一个液压系统，一般有油泵、V形带轮、油管、供油装置、助力装置和控制阀。由于其工作可靠、技术成熟至今仍被广泛应用。现在液压助力转向系统在实际中应用的最多，根据控制阀形式有转阀式和滑阀式之分。这个助力转向系统最重要的新功能是液力支持转向的运动，因此可以减少驾驶员作用在方向盘上的力。虽然传统转向系统工作最可靠，但是也存在很多固有的缺点，传统转向系统由于方向盘和转向车轮之间的机械连接而产生一些自身无法避免的缺陷：①汽车的转向特性受驾驶员驾驶技术的影响严重；②转向传动比固定，使汽车转向响应特性随车速、侧向加速度等变化而变化，驾驶员必须提前针对汽车转向特性幅值和相位的变化进行一定的操作补偿，从而控制汽车按其意愿行驶。这就变相地增加了驾驶员的操纵负担，使汽车转向行驶存在很大的不安全隐患；③液压助力转向系统经济性差，一般轿车每行驶一百公里要多消耗0.3~0.4升的燃料；另外，存在液压油泄漏问题，对环境造成污染，在环保性能被日益强调的今天，无疑是一个明显的劣势。机械转向系特点分析如下：（1）效率高，操纵轻便，有一条平滑的操纵力特性曲线。（2）布置方便。特别适合大、中型车辆和动力转向系统配合使用；易于传递驾驶员操纵信号；逆效率高、回位好，与液压助力装置的动作配合得好。（3）可以实现变速比的特性，满足了操纵轻便性的要求。中间位置转向力小、且经常使用，要求转向灵敏，因此希望中间位置附近速比小，以提高灵敏性。大角度转向位置转向阻力大，但使用次数少，因此希望大角度位置速比大一些，以减小转向力。由于循环球式转向器可实现变速比，应用正日益广泛。（4）通过大量钢球的滚动接触来传递转向力，具有较大的强度和较好的耐磨性。并且该转向器可以被设计成具有等强度结构，这也是它应用广泛的原因之一。（5）变速比结构具有较高的刚度，特别适宜高速车辆车速的提高。高速车辆需要在高速时有较好的转向稳定性，必须保证转向器具有较高的刚度。（6）间隙可调。齿条齿扇副磨损后可以重新调整间隙，使之具有合适的转向器传动间隙，从而提高转向器寿命，也是这种转向器的优点之一。（二）液压助力转向系统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和电动液压助力转向系统。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。（三）电动助力转向系统简称电动式EPS或EPS(ElectronicPowerSteeringsystem)在机械转向机构的基础上，增加信号传感器、电子控制单元和转向助力机构。电动式EPS是利用电动机作为助力源，根据车速和转向参数等因素，由电子控制单元完成助力控制，其原理可概括如下：当操纵转向盘时，装在转向盘轴上的轴距传感器不断地测出转向轴上的转矩信号，该信号与车速信号同时输入到电子控制单元。电控单元根据这些输入信号，确定助力转矩的大小和方向，即选定电动机的电流和转动方向，调整转向辅助动力的大小。电动机的转矩由电子离合器通过减速机构减速增矩后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与汽车工况相适应的转向作用力。例如，福克斯的EHPAS电子液压系统由电脑根据发动机转速、车速以及方向盘转角等信号，驱动电子泵给转向系统提供助力。助力感觉非常的自然。因此很多人对福克斯方向的感觉相当不错，转向操控感觉可以说是随心所欲。有些车也号称采用电子助力，但是只是电机助力，没有液压辅助，容易产生噪音。助力效果也远不如福克斯这一类型的电子助力。优缺：能耗低，灵敏，电子单元控制，节省发动机功率，助力发挥比较理想。（四）线控转向系统（电子转向系统）

汽车电子转向系统是一种全新概念的转向系统，它取消了方向盘和转向车轮之间的机械连接，操纵装置接受驾驶员指令，经过总线发送消息并从控制装置获得相应的反馈;同时转向控制单元由操纵装置接受驾驶员的指令，而转向执行装置则接受来自转向控制单元的控制命令，实现转向车轮对应角度的转向，通过一系列的软件协调使它们之间的运动关系达到和谐，因而可以实现一系列传统转向系统所不能实现的功能。

基本工作原理：汽车线控转向系统的工作原理是，转向盘转角传感器将检测到的转向数据信号以及汽车运动中的各种信息通过数据总线传递给电控单元，屯控单元对这些信息综合分析，根据自身的内部控制策略，向转向执行系统发出指令，进行转向操作。与此同时，电控单元通过分析转向盘转角、车轮转角等信号，控制转向盘回正电机，从而模拟出相应的“路感”。三、汽车转向系统性能优劣分析（一）机械式转向系统1.机械式转向系统性能优势结构简单、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.机械式转向系统性能劣势虽然纯机械式转向系统工作可靠，但是也存在其自身无法克服的缺点。传统机械转向系统由于方向盘和转向车轮之间是机械的连接，因此转向传动比相对固定，即角传递特性无法改变，导致汽车的转向响应特性无法控制，传动比无法随汽车转向过程中的车速、车辆的侧向加速度等参数的变化而进行补偿，而且受驾驶员技术的影响比较大，驾驶员必须在转向过程之前就对车辆的转向特性进行一定的操作补偿来控制车辆按照驾驶员意愿进行运动，这就无形中增加了驾驶员操作的精神和体力负担。（二）液压助力转向系统

1.机械式转向系统性能优势（1）减轻驾驶员的疲劳强度。动力转向可以减小驾驶员的转向操纵力，提高转向轻便性。

（2）提高转向灵敏度。可以比较自由地根据操纵稳定性要求选择转向器传动比，不会受到转向力的制约。允许转向车轮承受更大的负荷，不会引起转向沉重问题。

（3）衰减道路冲击，提高行驶安全性。液压系统的阻尼作用可以衰减道路不平度对转向盘的冲击。

2.机械式转向系统性能劣势

（1）选定参数完成设计之后，助力特性就确定了，不能再进行调节与控制，因此协调轻便性与路感的关系困难，从而影响操纵稳定性；而按高速性能设计转向系统时，低速时转向力往往过大。

（2）即使在不转向时，油泵也一直运转，增加了能量消耗。

（3）存在渗油与维护问题，提高了保修成本，且泄漏的液压油会对环境造成污染。

（三）电液助力转向系统

1.机械式转向系统性能优势电液助力转向系统通过电控使驾驶员在低速时的转向手力减小，而在高速时的转向手力适当增大，从而使汽车操纵稳定性与汽车的操纵轻便性达到和谐统一。电液助力转向系统可以解决传统机械转向系统由于转向器固定传动比而造成的转向“轻”与“灵”之间的矛盾。2.机械式转向系统性能劣势但是由于其发展是基于液压助力系统的，因此无论是电动液压助力转向系统还是电控液压助力转向都与传统液压助力系统同样存在着液压油泄漏的问题。这在环境保护和可持续发展意识逐渐增强的今天，无疑是一个不小的缺陷。（四）电动助力转向系统

1.机械式转向系统性能优势（1）更加节省能源和环保。因为EPS没有液压器件，所以可算得上是标准的“按需供能型”系统，即在转向的情况下系统才工作，而汽车停止时或者直线运行时完全不消耗任何能量，这样一来耗能就会相对较少。因此与液压动力系统进行比较，可以节约能源80%到90%。而在不转向时，EPS燃油消耗会降低2.5%；在使用转向系统时，则会减少5.5%。另外又因为在-40℃的低温的状况下，EPS也可以较好地工作，而传统的液压系统只有液压油预热后才可以工作，由于EPS没有起动时的预热过程，所以节省了许多能量。EPS也不存在液态油的泄漏问题，从而也不会对环境造成严重的污染，符合了环保的设计理念。（2）助力效果相对更好。EPS可根据汽车运行的不同工况，通过优化设计助力特性曲线，获得准确的助力，助力效果十分理想。同时还可以通过控制阻尼系数减小因为路面的干扰对转向系统产生的影响，保障车辆低速行驶时的轻便性，提高汽车高速行驶时的稳定性，进而提高汽车的转向性能。（3）质量大大减轻。与液压转向比较，电动助力转向系统的结构更加简单，零件数目显著减少，因而带来质量的轻便，于此同时使布置更加简单，而且降低了工作时产生的噪声污染。（4）安全性能更好。与HPS比较，EPS发生故障后，系统通过电磁离合器切断电机与减速传动机构的动力连接，进入机械转向模式。另一方面由于EPS的助力由电机提供，所以与车辆的驱动系统相互独立，只要电动汽车的DC/DC不出现问题，即使在汽车不启动或发生故障也能够准确的提供助力。（5）开发和生产的周期短。虽然EPS的设计时间会比较长，但是设计完成以后，可以通过编辑相应的设计程序，实现与各种不同车型之间的匹配，从而能够减少针对各个车型的设计时间。（6）提高了转向系统的回正性能。在某一车速下，当驾驶员转动转向盘一个角度放手后，汽车具有使其自身回到直线方向行驶的特性，这是汽车固有属性所决定的。但是EPS系统能够对回正过程进行人工控制，在最大限度内通过软件修改设计参数达到使车辆获得最优回正性的目的。在传统的HPS中，汽车一旦设计完成，回正特性就无法改变，否则必须彻底改动底盘的结构，实现起来非常困难。2.机械式转向系统性能劣势（1）由于车载电源的电压一般比较低，故电动助力转向（EPS）系统所能提供的助力转矩也不会太大，所以不适合用于大型车辆。（2）助力电机、减速机构等零部件的摩擦和转动惯量会对EPS系统的转向特性产生一定的影响，因此动力匹配比较困难。（五）线控转向系统系统

1.线控转向系统性能优势线控转向的优点在于反应快、舒适、轻盈。线控转向这项技术最早应用于美国的F-16战斗机上，战斗机的转向需要瞬时将方向打到底，所以电传动要比机械传动更加直接、更轻盈。另外，线控转向系统占据空间小，为机舱内其余零部件的布置提供了更充足的空间；没有机械的转向管柱，避免车辆碰撞时转向柱对驾驶员的伤害，提高了安全性；方向盘与转向机之间没有硬连接，所以震动只有很少部分传递到方向盘，舒适性强。以及转向比可以随意调节，由于车轮转动角度与方向盘之间没有硬连接，所以方向盘转动角度与车轮转动角度之间可以完全由系统控制。2.线控转向系统性能劣势线控转向系统的缺点在于没有硬连接导致反馈较为虚假；对于运动型轿车和跑车来说，路感不足，驾驶乐趣差；冗余设备导致额外增加成本和重量。

结束语随着时代的发展，目前广泛应用的转向系统有电子液压动力转向系统、电动动力转向系统和相对新颖的线控转向系统三种。它们各自的特点都有各自的优势，而有线系统具有最广泛的适用性，这是最值得我们深入研究的。通过对三种转向系统的比较可以发现，液压动力系统作为早期主流转向系统，稳定性很好，但会带来油损失，在低温下使用需要加热，污染环境，集成度低，安装困难；电动转向系统各方面都有所改进，但稳定性有所降低；因此，我们需要进一步探索线控转向系统的