1、第 23 卷 第 5 期 邢 台 职 业 技 术 学 院 学 报 V ol . 23 No.5 2006 年 10 月 Journal of Xingtai Polytechnic College Oct. 2006 1 汽车转向技术现状与发展趋势 摘 要 关键词 中图文分类号 U463 文献标识码 A 文章编号 10086129 2006 05000104 一 汽车转向系统概述 汽车 驾驶员通 过转向系 统来控 制汽车的 运动方向 转向 系统设计 的好坏直 接影响 到汽车行 驶的安全 性 操纵 稳定 性和 驾驶 的舒 适 性 转 向系 统根 据转 向动力 的来 源可 分为 机械 转向系 统和
2、 动力 转向 系统 1 动力转向系统又分为液压动力转向系统 电控液压动力转向系统 电动助力转向系统 线控转向系统 1.机械转向系统 机械转 向系 统的 转向 力全 部来自 驾驶 员的 手力 机 械转向 系统 结构 简单 性 能可靠 但转 向盘 操纵 费力 另外 为解 决机 械转 向系 统 轻 和 灵 的问 题 转 向器还 常设 计成 可变 速比 在转 向盘 小转 角度 范围 内 速比小 解决 转向 灵活 性的 问 题 在转 向盘 大转 角范 围 内 速比大 解决转向轻便性的问题 2 2.液压动力转向系统 液压动力转向系统 Hydraulic Power Steering System-HPS
3、一般 由储 液罐 油泵 油管 转向 控制 阀 助力油缸及机械转向系统组件等组成 如 图1所 示 转向控 制阀 有滑 阀式 和转 阀式两 种结 构 转向 控制 阀根据 转向 盘 转动方 向和 力矩 大小 控制 通向助 力油 缸的 油压 大小 从 而控制 助力 大小 虽 然液 压转向 系统 可提 供转 向助 力 但却存 在很 多缺 点 油泵 由发动 机驱 动 持续 工作 能 量消耗 多 液压 油泄 漏 橡胶管 污染 环境 助力 特性 与 控制阀 结构 有关 系统 一旦 定 型 助力 特性 便不 能改 变 助力和 车速 无关 不 能协 调转向 轻便 性和 路感 的矛 盾 系统元件较多 所占空间大 低
4、温助力性能不好 3.电控液压动力转向系统 随着人 们对 汽车 经济 性 环保性 安全 性的 日益 重 视以及 小排 量轿 车的 发展 人们 开始 对液 压动 力转 向系 统存在 的不 足进 行改 进 并开发 出一 些新 型电 控液 压动 力转向系统 Electro Hydraulic Power Steering System-EHPS 如图 2 所示 其主 要改 进措 施是 将车 速 信 号引 入液压转向 系统 得到车 速感应型助 力特性 并增 加了控制器 和执行机构 控制器根据 车速信号改 变电 液转换装置 的助力特性 达到在低速 或急转弯行驶 时助力较大 以满足转向 轻便性的要 求 高速
5、时 图1 液压动力转向系统 图 2 电控液压动力转向系统 邢台职业技术学院学报 2006 年 第 5 期 2 助力 较小 以满 足路感和操纵 稳定性的要 求 电控液压 动力转向系 统虽然实现了 车速感应型 助力 但由 于仍 然采用液压 系统 液压系 统本身的缺 点依然难以克 服 同时在 液压系统的基 础上增加了 传感器和控 制器 使整个系统成本增加 34.电动助力转向系统 电动助 力转 向系 统 Electric Power Steering System-EPS 是一 种新 型的 很有 发 展前途 的动 力转 向系 统 典型 的轿 车用 电动 助力 转 向系 统组 成如 图 3 所示 电动
6、助力 转向 系统 完全 取 消了 液压 组件 整个 系 统由转 向盘 转矩 传感 器 车速传 感器 控制 器 助 力电机 及其 减速 机构 等组 成 4 其基 本工 作原 理是 驾 驶员 转动转向盘 时 转矩传感 器检测转向 盘上的转矩大 小和方向 控制器根据转 向盘转矩的 大小进行助 力控 制 转向盘 转矩越大 助 力电机提供 的助力转矩也 越大 从而 解决了转向轻 便性的问题 同时 控 制器 根据车速的 高低来控制路 感 车速变 高时 控制助 力适当减少 从而保证了 高速转向时 驾驶员有合 适的路 感 提 高了 驾驶 的 安全性 和稳 定性 另外 为 综合 改善汽 车转向 系统的 性能 有
7、的 电动助 力 转向系统还进行阻尼控制和回正控制 与液压动力转向系统和电控液压动力转向系 统相比 电动助力转向系统具有很多优点 1 可获 得优 化的 助力 特 性 转向 轻便 路 感好 提高了操纵稳定性 2 EPS 助 力特性 通过 软 件设置 和修 改 可 以快速与车型匹配 3 EPS 只 在转向 时电 机 才提供 助力 可节 能 3 5 4 结构紧凑 便于模块化安装 5 对环境无污染 6 低温工作性能好 5.线控转向系统 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 与上 述各 类 转向系统的根本区别就是取消了转向盘
8、和转向轮之间的机械连接 也称柔性转向系统 图4 所示为 ZF 公司开发的 线控转 向系 统 该 系统 具 有两个 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 线控转向系统的主要优点 1 线控 转向 系统 能消 除转 向 干涉 问题 为实 现多功能 全方位的 自动控 制 并为 汽车动态 控制 系 统和汽车 平顺性控 制系统 的集成控 制提供了 先决 条 件 2 由于 转
9、向 盘和 转向 轮之 间 是柔 性连 接 使 转向系统 在汽车上 的布置 更加灵活 转向盘 的位 置 可以方便地布置在需要的位置 3 舒适 性得 到提 高 在 刚性转 向系 统中 路 面不平和 转向轮的 不平衡 引起的冲 击负荷会 传递 到 转向盘 而线控转向系统没有这样的问题 4 转 向的 回正力 矩和 转 向传动 比能 通过 软件 进行 调整 因此 可 以使 转向 系统对 任何 目标 和环 境 进行调整 而不需要对系统进行重新设计 5 消除了撞车事故中转向柱后移伤害驾驶员的可能性 不必设置转向防伤机构 图 4 ZF 公司开发的线控转向系统 图 3 电动助力转向系统框图 邢台职业技术学院学报
10、 2006 年 第 5 期 3 6 驾驶员腿部活动空间增加 出入更方便自由 由于 线控转向 系统取消 了转向 盘和前轮 之间的机 械连接 因此系 统的可靠 性就成 为一个主 要问题 为此 人们在线 控转向系统中 设计了机械 或电气冗余系 统 以提高 线控转向系统 的可靠性 但冗余系统 却大大提高了系统的成本 线控转向系统目前只是一个概念产品 真正大批量装车还需要很长的时间 二 电动助力转向系统发展状况与趋势 1.国外发展状况 EPS 系 统首先在微 型轿车 上发展起来 其主要原因 是狭小的发动 机舱空间给 液压动力转向 系统的 安 装带来 了很 大的 麻烦 EPS 由于 部件 少, 安装 方便
11、, 非常适 合在 微型 轿车 上安 装 1988 年 2 月 日本 铃木 公司首 次在 其 Cervo 轿车 上安装 了 EPS 系统 随后 还应用 在 Alto 车上 此后 EPS 在日 本得 到迅 速发 展 如大发 汽车 公司 的 Mira 轿车 三菱 汽车 公司 的 Minica 轿车 本 田公司 的 Accord 轿车 等都 先后 安装 了 EPS 系统 5欧美等 国的 汽车 公司 对 EPS 的开 发研 究比 日本 晚 10 年左右 但是 开发 的力 度 较大 目前 也有 一些 公 司开发 了 EPS 系统 并装 车 销售 美国 的 TRW 和 Delphi 等公 司相 继推 出各
12、自的 产品 TRW 公司 将航 空技 术应用 于 EPS 系统 的开 发 于1 996 年推 出 EPS 系统 并在 福特 Fiesta 和马自 达 323F 上进行 试验 Delphi 属下 的 Sagninaw 公司 于 1999 年首 次研 制成 功其 电动助 力 转向 系统 产品 E*SS 德国 的 ZF 公司 也研 制出 安 装于不 同类 型轿 车的 EPS 系统 最近 Mercedes-Benz 和 Siemens Automotive 两大汽车 公司 共同 投资 了 6 500 万英镑用于EPS 的研究 62.国内发展状况 目前 国内部分高校和企业已经开始了对 EPS 系统的研究
13、和试验工作 吉林大 学在 国内 较早 开展 了电动 助力 转向 系统 的研 究 主 要进 行了 助力 特性 和控制 策略 方面 的研 究 开发 了电动助力 转向系统试验 台 在国内 较早开发出了 电动助力转 向样机和控制 器 并在捷 达轿车上进 行了实车试验 取得了较好的试验效果 北京理 工大 学自 2003 年 开始对 电动 助力 转向 系统 进行研 究 目前 研究 领域 涉及电 动客 车电 控液 压 动力 转向系统 轿车电动助力 转向系统和 轿车线控转向 系统 并在 国内率先开展 了电动客车 电动助力转 向系统 的开 发 开发 出的 电动助 力转 向系 统已 在北 斗星轿 车和 夏 历 2
14、000 纯 电 动轿车 上进 行了 实车 试验 试验效果良好 清华大学也在国内较早开展了电动助力转向系统的研究 目前已开发出 EPS 样机并在昌河铃木 CH6350 轿车 上进 行了 试 验运 行 另外 天津 大学 北京科 技大 学 华中 科技大 学 江苏 大学 合 肥工业 大学 武汉理工大学等院校也在开展 EPS 的研究 目前 南方 航空 动力 机械 公司已 开发 出 EPS 系统 并进行 了小 批量 道路 试验 上海 汽车 集团 泛亚 技 术中心 正在 与国 外公 司进 行 EPS 系统 研究 的立 项工作 国内 已有 昌河 铃木 的北 斗 星 浙江 吉利 的豪 情 广州 本田的飞度 重庆
15、长安的 雨燕 天津 丰田的皇冠 一汽大众的 开迪和上海大 众的途安等 轿车装配了 电动助力转向系统 可以 预见 在 未来几年 内 随 着人们对 汽车的环 保 节 能和安全 性要求的 进一步 提高 国 内各大专 院校 研究机构和企业对电动助力转向系统的研究将不断深入 产业化进程也将快速推进 3.发展趋势 电 动助力 转向系 统经过 二十 几年的 发展 技术日 趋完 善 今后 电 动助力 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
16、 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 电动助 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 于电动助力 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
17、 邢台职业技术学院学报 2006 年 第 5 期 4 改善电动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 开发适合电动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 4 电动汽车电动助力转向系统的研究 随 着人们 对环境 保护的 日益 重视 电
18、动汽 车已经 成为 目前汽 车技术 研究的 热点 之一 电动助 力转 向 系统 目前只应用 在转向阻力不 是很大的轿 车上 在重型 车辆上 如客 车 货车 还没有开展 研究 主要 的原因 之一 是重 型车 辆的 转向阻 力较 大 需要 较大 功率的 助力 电机 这对 现行 12V 或 24V 的汽 车电 压 体 制是 一个巨大的 挑战 而电动 汽车采用动 力蓄电池为驱 动汽车的能 源 可以方便 地提供大功 率助力电机 需要的大电流 从而打破了传统汽车电源系统对助力电机功率的限制 因此 随 着电动 汽车研 究的 不断深 入 开 展电动 汽车 包括 电动轿 车 电动 客车 电 动助力 转向 系 统
19、的研究必将成为今后电动助力转向系统的一个新的研究热点 参考文献 1 张洪欣. 汽车设计M. 北京: 机械工业出版社,1998.124126. 2 施国标. 电动助力转向助力特性仿真与控制策略研究D. 长春: 吉林大学博士学位论文,2003. 3 吴文江. 基于 H 控制理论的汽车电动助力转向系统研究D. 北京: 北方交通大学博士学位论文,2004. 4T.Nakayama, E.Suda. The Present and Future of Electric Power SteeringJ. Int.Journal.of Vehicle Design, 1994(15): 35. 5A.OSU
20、KA,Y.MATSUOKA,T.YSUTSU,et al. Development of Pinion-Assist Type Electric Power Steering SystemJ. KOYO Engineering Journal, 2002,English Edition NO.161E. 6 郁强, 张金华. 电动转向系统开发与研究J. 轻型汽车技术,2002,(8):4-9. 7 赵燕, 周斌等. 汽车转向系统的技术发展趋势J. 汽车研究与开发,2003,(2): 22-24. Development Status and Trend of Automotive Steeri
21、ng Technology SHEN Rong-wei TAO Bing-quan (Xingtai Polytechnic College, Xingtai, Hebei 054035,China) Abstract:The characteristics of different kinds of automotive steering systems were summarized. The development status of electric power steering system at home and abroad was analyzed and the devlopment trend of electric power steering system was also expariated in the article. Key words: automotive steering technology development status development tendency 责任编辑 马 骅
