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附錄2
中文翻譯
汽車轉向系統(tǒng)的發(fā)展歷史及未來技術趨勢
屈裕豐
（合肥工業(yè)大學，機械汽車工程學院）
摘要：轉向系統(tǒng)是整車系統(tǒng)中必不可少的最基本的組成系統(tǒng)，駕駛者通過方向盤來操縱和控制汽車的行進方向，從而實現(xiàn)自己的駕駛意圖。一百多年來，汽車工業(yè)隨著機械和電子技術的發(fā)展而不斷前進。到今天，汽車已經不是單純機械意義上的汽車了，它是機械、電子、材料等學科的綜合產物。汽車轉向系統(tǒng)也隨著汽車工業(yè)的發(fā)展歷經了長時間的演變。本文介紹了汽車轉向系統(tǒng)的歷史及未來的技術發(fā)展趨勢。
關鍵詞：轉向系統(tǒng)；轉向器；液壓助力
傳統(tǒng)的汽車轉向系統(tǒng)是機械式的轉向系統(tǒng)，汽車的轉向由駕駛員控制方向盤，通過轉向器等一系列機械轉向部件實現(xiàn)車輪的偏轉，從而實現(xiàn)轉向。隨著上世紀五十年代起，液壓動力轉向系統(tǒng)在汽車上的應用，標志著轉向系統(tǒng)革命的開始。汽車轉向動力的來源由以前的人力轉變?yōu)槿肆右簤褐ΑＲ簤褐ο到y(tǒng)HPS（Hydraulic Power Steering）是在機械式轉向系統(tǒng)的基礎上增加了一個液壓系統(tǒng)而成。該液壓系統(tǒng)一般與發(fā)動機相連，當發(fā)動機啟動的時候，一部分發(fā)動機能量提供汽車前進的動能，另外一部分則為液壓系統(tǒng)提供動力。由于其工作可靠、技術成熟至今仍被廣泛應用。這種助力轉向系統(tǒng)主要的特點是液壓力支持轉向運動，減小駕駛者作用在方向盤上的力，改善了汽車轉向的輕便性和汽車運行的穩(wěn)定性行的穩(wěn)定性。
但同時液壓助力系統(tǒng)也存在一些缺點：
在車輛設計制造完成后，車輛轉向的助力特性不能改變。直接后果是，當助力特性偏向于低速助力時，汽車在低速段可以得到很好的助力，但是在高速段需要有較好路感的時候，由于助力特性不能調節(jié)，使得駕駛者沒有較好的路感；當助力特性偏向于高速助力時，在低速段得不到很好的助力效果；即使車輛不轉向，液壓系統(tǒng)也必須在發(fā)動機的帶動下工作。其結果是，消耗發(fā)動機能量，增加油耗 ；
存在液壓油泄漏問題，不僅對環(huán)境造成污染，而且容易使其他部件損壞；在低溫下，液壓系統(tǒng)的工作性能比較差。
近年來，隨著電子技術在汽車中的廣泛應用，轉向系統(tǒng)中也愈來愈多地采用電子器件。轉向系統(tǒng)因此進入了電子控制時代，相應的就出現(xiàn)了電液助力轉向系統(tǒng)。電液助力轉向可以分為兩類 ：電動液壓助力轉向系統(tǒng)EHPS（Electro-Hydraulic Power Steering）和電控液壓助力轉向ECHPS（Electronically Controlled Hydraulic Power Steering）。電動液壓助力轉向系統(tǒng)是在液壓助力系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的，與液壓助力系統(tǒng)不同的是，電動液壓助力系統(tǒng)中液壓系統(tǒng)的動力來源不是發(fā)動機而是電機，由電機驅動液壓系統(tǒng)，節(jié)省了發(fā)動機能量，減少了燃油消耗。電控液壓助力轉向也是在傳統(tǒng)液壓助力系統(tǒng)基礎上發(fā)展而來，它們的區(qū)別是，電控液壓助力轉向系統(tǒng)增加了電子控制裝置。電子控制裝置可根據(jù)方向盤轉向速率、車速等汽車運行參數(shù)，改變液壓系統(tǒng)助力油壓的大小，從而實現(xiàn)在不同車速下，助力特性的改變。而且電機驅動下的液壓系統(tǒng)，在沒有轉向操作時，電機可以停止轉動，從而降低能耗。雖然電液助力轉向系統(tǒng)克服了液壓助力轉向的一些缺點。但是由于液壓系統(tǒng)的存在，它一樣存在液壓油泄漏的問題，而且電液助力轉向系統(tǒng)引入了驅動電機，使得系統(tǒng)更加復雜，成本增加，可靠性下降。為了規(guī)避電液助力轉向系統(tǒng)的缺點，電動助力轉向系統(tǒng)EPS（Electric Power Steering）便應時而生。它與前述各種助力轉向系統(tǒng)最大的區(qū)別在于，電動助力轉向系統(tǒng)中已經沒有液壓系統(tǒng)了。原來由液壓系統(tǒng)產生的轉向助力由電動機來完成。電動助力式轉向系統(tǒng)一般由轉矩傳感器、微處理器、電動機等組成。基本工作原理是 ：當駕駛者轉動方向盤帶動轉向軸轉動時，安裝在轉動軸上的轉矩傳感器便將轉矩信號轉化為電信號并傳送至微處理器，微處理器根據(jù)轉矩信號并結合車速等其他車輛運行參數(shù)，按照事先在程序中設定的處理方法得出助力電動機助力的方向和助力的大小。自1988年日本鈴木公司首次在其Cervo車上裝備該助力轉向系統(tǒng)至今，電動助力轉向系統(tǒng)己經得到人們的廣泛認可。
助力轉向系統(tǒng)優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
電動助力轉向系統(tǒng)能在不同車速下提供不同的助力特性。在低速行駛時，增加轉向助力，使得轉向更加輕便 ；在高速行駛時減少轉向助力，甚至為了提高路感增加轉向阻尼。電動助力轉向系統(tǒng)只在轉向時電動機才工作，為轉向提供助力，因而能減少能耗。電動機由蓄電池供電，因此電動助力轉向系統(tǒng)可以在發(fā)動機不工作的情況下工作。電動助力轉向系統(tǒng)沒有液壓系統(tǒng)，與液壓助力系統(tǒng)相比，裝配自動化程度更高。而且電動助力轉向系統(tǒng)可以通過改變微處理器中的助力程序算法，很容易實現(xiàn)助力特性的改變。
科學技術的發(fā)展總是日新月異的，傳統(tǒng)的轉向系均由轉向操縱機構（方向盤）、轉向器、轉向傳動機構三大部分組成。但是思想的火花總是能給人帶來驚喜！電子轉向系統(tǒng)SBW（Steering-By-Wire）的誕生顛覆了轉向系三大部分的舊有觀念，它用微控制器取代了轉向傳動機構，由三大部分變?yōu)榱藘刹糠?。電子轉向系統(tǒng)是汽車轉向系統(tǒng)最為先進和前沿的技術之一。它主要由方向盤控制模塊、轉向執(zhí)行模塊以及微控制器三大模塊組成。方向盤控制模塊的主要功能是通過轉向力矩傳感器檢測駕駛員的轉向意圖，并將檢測到的信號（包括旋轉方向以及旋轉速度等）通過總線傳遞給微控制器，然后微控制器根據(jù)此信號，并結合車速信號反饋給方向盤控制模塊一個回正力矩，使得駕駛員能夠感受到路感。但是這種路感是虛擬的，是開發(fā)人員根據(jù)千萬次的試驗數(shù)據(jù)綜合起來，形成的“經驗路感”，并以程序的形式固化在微控制器內的。因此它與車速、轉向速率以及轉向力矩的大小存在著某種對應關系。
轉向執(zhí)行機構包括轉角傳感器、轉向電機、轉向電機控制器等組成。它的功能是根據(jù)微控制器的控制命令，驅動轉向執(zhí)行電機旋轉一定角度，完成轉向動作。同時轉角傳感器監(jiān)測轉角的大小，反饋給微控制器，形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，完成精確的轉向動作。微控制器是電子轉向系統(tǒng)的核心。它接收檢測信號，經過處理發(fā)送相應的控制信號。由于微控制器取代了轉向傳動機構，因此各部件之間的機械連接減少了，使轉向系統(tǒng)的響應速度和響應的準確性得以提高。而且可以對轉向策略進行軟件編程控制，實現(xiàn)傳動比的任意設置 ；可與其他設備，如ABS、自動導航設備進行整合。傳動機構的減少還帶來了更大的汽車內部空間，給駕乘帶來更大的樂趣。而且轉向行為可以被軟件記錄下來，保存在EEPROM中，有助于以后進一步完善轉向控制策略，甚至還可以為交通肇事提供證據(jù)。
汽車的安全問題一直是大眾關注的焦點。轉向系統(tǒng)與燈光系統(tǒng)的結合能給在夜間行駛的車輛帶來更好的安全性。如上頁左圖所示，傳統(tǒng)的車輛燈光系統(tǒng)是向車輛正前方直線照射的，如果行人在彎角處，駕駛者將很難發(fā)現(xiàn)彎角中的行人，極易造成交通事故。如果燈光系統(tǒng)與轉向系統(tǒng)結合起來，如上圖所示，當駕駛者在向右打方向盤的時候，燈光隨著方向盤角度的變化而向右照射，彎道內側照明更寬，照明范圍更大，那么在道路彎角中的行人將很容易被發(fā)現(xiàn)。目前該項燈光照明技術已經在中檔的雪鐵龍凱旋、豐田凱美瑞上得到應用。
目前電子轉向系統(tǒng)的可靠性和成本是阻撓其發(fā)展的主要因素。主要表現(xiàn)在如果微控制器出現(xiàn)問題，轉向系統(tǒng)將完全失靈，其不像電動助力轉向系統(tǒng)、電液助力轉向系統(tǒng)，在電機或者液壓系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，還可以以人力來控制汽車。電子轉向系統(tǒng)的微控制器出現(xiàn)故障的話，因為沒有機械系統(tǒng)能連接方向盤和轉向器，因此根本不可能控制汽車的轉向。但是盡管如此電子轉向系統(tǒng)依然是未來轉向系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。
現(xiàn)代汽車轉向裝置的設計趨勢：
??? 1.1 適應汽車高速行駛的需要
??? 從操縱輕便性、穩(wěn)定性及安全行駛的角度，汽車制造廣泛使用更先進的工藝方法，使用變速比轉向器、高剛性轉向器?！白兯俦群透邉傂浴笔悄壳笆澜缟仙a的轉向器結構的方向。
1.2 充分考慮安全性、輕便性
??? 隨著汽車車速的提高，駕駛員和乘客的安全非常重要，目前國內外在許多汽車上已普遍增設能量吸收裝置，如防碰撞安全轉向柱、安全帶、安全氣囊等，并逐步推廣。從人類工程學的角度考慮操縱的輕便性，已逐步采用可調整的轉向管柱和動力轉向系統(tǒng)。
??? 1.3 低成本、低油耗、大批量專業(yè)化生產
??? 隨著國際經濟形勢的惡化，石油危機造成經濟衰退，汽車生產愈來愈重視經濟性，因此，要設計低成本、低油耗的汽車和低成本、合理化生產線，盡量實現(xiàn)大批量專業(yè)化生產。對零部件生產，特別是轉向器的生產，更表現(xiàn)突出。
??? 1.4 汽車轉向器裝置的電腦化
??? 汽車的轉向器裝置，必定是以電腦化為唯一的發(fā)展途徑。
??? 2 現(xiàn)代汽車轉向裝置的發(fā)展趨勢
??? 2.1 現(xiàn)代汽車轉向裝置的使用動態(tài)
??? 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，轉向裝置的結構也有很大變化。汽車轉向器的結構很多，從目前使用的普遍程度來看，主要的轉向器類型有4種：有蝸桿肖式(WP型)、蝸桿滾輪式(WR型)、循環(huán)球式(BS型)、齒條齒輪式(RP型)。這四種轉向器型式，已經被廣泛使用在汽車上。
??? 據(jù)了解，在世界范圍內，汽車循環(huán)球式轉向器占45％左右，齒條齒輪式轉向器占40％左右，蝸桿滾輪式轉向器占10％左右，其它型式的轉向器占5％。循環(huán)球式轉向器一直在穩(wěn)步發(fā)展。在西歐小客車中，齒條齒輪式轉向器有很大的發(fā)展。日本汽車轉向器的特點是循環(huán)球式轉向器占的比重越來越大，日本裝備不同類型發(fā)動機的各類型汽車，采用不同類型轉向器，在公共汽車中使用的循環(huán)球式轉向器，已由60年代的62．5％，發(fā)展到現(xiàn)今的100％了(蝸桿滾輪式轉向器在公共汽車上已經被淘汰)。大、小型貨車大都采用循環(huán)球式轉向器，但齒條齒輪式轉向器也有所發(fā)展。微型貨車用循環(huán)球式轉向器占65％，齒條齒輪式占 35％。
2.2 循環(huán)球式轉向器特點
??? 循環(huán)球式轉向器的特點是：效率高，操縱輕便，有一條平滑的操縱力特性曲線。布置方便。特別適合大、中型車輛和動力轉向系統(tǒng)配合使用；易于傳遞駕駛員操縱信號；逆效率高、回位好，與液壓助力裝置的動作配合得好。
??? 可以實現(xiàn)變速比的特性，滿足了操縱輕便性的要求。中間位置轉向力小、且經常使用，要求轉向靈敏，因此希望中間位置附近速比小，以提高靈敏性。大角度轉向位置轉向阻力大，但使用次數(shù)少，因此希望大角度位置速比大一些，以減小轉向力。由于循環(huán)球式轉向器可實現(xiàn)變速比，應用正日益廣泛。
??? 通過大量鋼球的滾動接觸來傳遞轉向力，具有較大的強度和較好的耐磨性。并且該轉向器可以被設計成具有等強度結構，這也是它應用廣泛的原因之一。變速比結構具有較高的剛度，特別適宜高速車輛車速的提高。高速車輛需要在高速時有較好的轉向穩(wěn)定性，必須保證轉向器具有較高的剛度。齒條齒扇副磨損后可以重新調整間隙，使之具有合適的轉向器傳動間隙，從而提高轉向器壽命，也是這種轉向器的優(yōu)點之一。我國的轉向器生產，除早期投產的解放牌汽車用蝸桿#0;滾輪式轉向器，東風汽車用蝸桿肖式轉向器之外，其它大部分車型都采用循環(huán)球式結構，并都具有一定的生產經驗。目前解放、東風也都在積極發(fā)展循環(huán)球式轉向器，并已在第二代換型車上普遍采用了循環(huán)球式轉向器。由此看出，我國的轉向器也在向大量生產循環(huán)球式轉向器發(fā)展。
??? 2.3 轉向器生產專業(yè)化
??? 循環(huán)球式轉向器在國外實現(xiàn)了專業(yè)化生產，同時以專業(yè)廠為主、大力進行試驗和研究，大大提高了產品的產量和質量。在日本“精工”(NSK)公司的循環(huán)球式轉向器就以成本低、質量好、產量大，逐步占領日本市場，并向全世界銷售它的產品。德國ZF公司也作為一個大型轉向器專業(yè)廠著稱于世。它從1948年開始生產ZF型轉向器，年產各種轉向器200多萬臺。還有一些比較大的轉向器生產廠，如美國德爾福公司SAGINAW分部；英國BURM#0;AN公司都是比較有名的專業(yè)廠家，都有很大的產量和銷售面。專業(yè)化生產已成為一種趨勢，只有走這條道路，才能使產品質量高、產量大、成本低，在市場上有競爭力。
??? 2.4動力轉向是發(fā)展方向
??? 動力轉向系統(tǒng)的應用日益廣泛，不僅在重型汽車上必須裝備，在高級轎車上應用的也較多，在中型汽車上的應用也逐漸推廣。主要是從減輕駕駛員疲勞，提高操縱輕便性和穩(wěn)定性出發(fā)。雖然帶來成本較高和結構復雜等問題，但由于優(yōu)點明顯，還是得到很快的發(fā)展。 動力轉向有3種形式：整體式、半分置式及聯(lián)閥式動力轉向結構。目前3種形式各有特點，發(fā)展較快，整體式多用于前橋負荷3～8t汽車。從發(fā)展趨勢上看，國外整體式轉向器發(fā)展較快，而整體式轉向器中轉閥結構是目前發(fā)展的方向。
附 錄
附錄1
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