外文翻譯--汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷史及未來(lái)技術(shù)趨勢(shì) 中文版

附錄 汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展 歷史及未來(lái)技術(shù)趨勢(shì) （合肥工業(yè)大學(xué)，機(jī)械汽車(chē)工程學(xué)院） 摘要 ： 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是整車(chē)系統(tǒng)中必不可少的最基本的組成系統(tǒng)，駕駛者通過(guò)方向盤(pán)來(lái)操縱和控制汽車(chē)的行進(jìn)方向，從而實(shí)現(xiàn)自己的駕駛意圖。一百多年來(lái)，汽車(chē)工業(yè)隨著機(jī)械和電子技術(shù)的發(fā)展而不斷前進(jìn)。到今天，汽車(chē)已經(jīng)不是單純機(jī)械意義上的汽車(chē)了，它是機(jī)械、電子、材料等學(xué)科的綜合產(chǎn)物。汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展歷經(jīng)了長(zhǎng)時(shí)間的演變。 本文介紹了汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的歷史及未來(lái)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞 ：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；轉(zhuǎn)向器；液壓助力 傳統(tǒng)的汽車(chē)轉(zhuǎn)向系 統(tǒng)是機(jī)械式的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，汽車(chē)的轉(zhuǎn)向由駕駛員控制方向盤(pán)，通過(guò)轉(zhuǎn)向器等一系列機(jī)械轉(zhuǎn)向部件實(shí)現(xiàn)車(chē)輪的偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。隨著上世紀(jì)五十年代起，液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車(chē)上的應(yīng)用，標(biāo)志著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)革命的開(kāi)始。汽車(chē)轉(zhuǎn)向動(dòng)力的來(lái)源由以前的人力轉(zhuǎn)變?yōu)槿肆右簤褐?。液壓助力系統(tǒng)HPS（ Hydraulic Power Steering）是在機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)液壓系統(tǒng)而成。該液壓系統(tǒng)一般與 發(fā)動(dòng)機(jī) 相連，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候，一部分發(fā)動(dòng)機(jī)能量提供汽車(chē)前進(jìn)的動(dòng)能，另外一部分則為液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。由于其工作可靠、技術(shù)成熟至今仍被廣泛應(yīng)用。這種助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要的特點(diǎn)是液壓力支持轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，減小駕駛者作用在方向盤(pán)上的力，改善了汽車(chē)轉(zhuǎn)向的輕便性和汽車(chē)運(yùn)行的穩(wěn)定性行的穩(wěn)定性。 但同時(shí)液壓助力系統(tǒng)也存在一些缺點(diǎn)： 在車(chē)輛設(shè)計(jì)制造完成后，車(chē)輛轉(zhuǎn)向的助力特性不能改變。直接后果是，當(dāng)助力特性偏向于低速助力時(shí)，汽車(chē)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(shí)候，由于助力特性不能調(diào)節(jié)，使得駕 駛者沒(méi)有較好的路感；當(dāng)助力特性偏向于高速助力時(shí)，在低速段得不到很好的助力效果；即使車(chē)輛不轉(zhuǎn)向，液壓系統(tǒng)也必須在發(fā)動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下工作。其結(jié)果是，消耗發(fā)動(dòng)機(jī)能量，增加油耗 ； 存在液壓油泄漏問(wèn)題，不僅對(duì)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(lái)，隨著電子技術(shù)在汽車(chē)中的廣泛應(yīng)用，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中也愈來(lái)愈多地采用電子器件。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)因此進(jìn)入了電子控制時(shí)代，相應(yīng)的就出現(xiàn)了電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電液助力轉(zhuǎn)向可以分為兩類(lèi) ：電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) EHPS（ Electro-Hydraulic Power Steering）和電控液壓助力轉(zhuǎn)向 ECHPS（ Electronically Controlled Hydraulic Power Steering）。電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在液壓助力系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，與液壓助力系統(tǒng)不同的是，電動(dòng)液壓助力系統(tǒng)中液壓系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源不是發(fā)動(dòng)機(jī)而是電機(jī)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)，節(jié)省了發(fā)動(dòng)機(jī)能量，減少了燃油消耗。電控液壓助力轉(zhuǎn)向也是在傳統(tǒng)液壓助力系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，它們的區(qū)別是，電控液壓助力轉(zhuǎn)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(pán)轉(zhuǎn)向速率、車(chē)速等汽車(chē)運(yùn)行參數(shù)， 改變液壓系統(tǒng)助力油壓的大小，從而實(shí)現(xiàn)在不同車(chē)速下，助力特性的改變。而且電機(jī)驅(qū)動(dòng)下的液壓系統(tǒng)，在沒(méi)有轉(zhuǎn)向操作時(shí)，電機(jī)可以停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而降低能耗。雖然電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)克服了液壓助力轉(zhuǎn)向的一些缺點(diǎn)。但是由于液壓系統(tǒng)的存在，它一樣存在液壓油泄漏的問(wèn)題，而且電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)引入了驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使得系統(tǒng)更加復(fù)雜，成本增加，可靠性下降。為了規(guī)避電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的缺點(diǎn)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS（ Electric Power Steering）便應(yīng)時(shí)而生。它與前述各種助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大的區(qū)別在于，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中已經(jīng)沒(méi)有液壓系統(tǒng)了 。原來(lái)由液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向助力由電動(dòng)機(jī)來(lái)完成。電動(dòng)助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般由轉(zhuǎn)矩傳感器、微處理器、電動(dòng)機(jī)等組成。基本工作原理是 ：當(dāng)駕駛者轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)矩傳感器便將轉(zhuǎn)矩信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并傳送至微處理器，微處理器根據(jù)轉(zhuǎn)矩信號(hào)并結(jié)合車(chē)速等其他車(chē)輛運(yùn)行參數(shù)，按照事先在程序中設(shè)定的處理方法得出助力電動(dòng)機(jī)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(chē)上裝備該助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)至今，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)己經(jīng)得到人們的廣泛認(rèn)可。 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能在不同車(chē)速下提供不同的助力特性。在低速行駛時(shí)，增加轉(zhuǎn)向助力，使得轉(zhuǎn)向更加輕便 ；在高速行駛時(shí)減少轉(zhuǎn)向助力，甚至為了提高路感增加轉(zhuǎn)向阻尼。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)只在轉(zhuǎn)向時(shí)電動(dòng)機(jī)才工作，為轉(zhuǎn)向提供助力，因而能減少能耗。電動(dòng)機(jī)由蓄 電池 供電，因此電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以在發(fā)動(dòng)機(jī)不工作的情況下工作。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒(méi)有液壓系統(tǒng)，與液壓助力系統(tǒng)相比，裝配 自動(dòng)化 程度更高。而且電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以通過(guò)改變微處理器中的助力程序算法，很容易實(shí)現(xiàn)助力特性的改變。 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展總是日新月異的，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系均由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)（方向盤(pán)）、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分組成。但是思想的火花總是能給人帶來(lái)驚喜！電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng) SBW（ Steering-By-Wire）的誕生顛覆了轉(zhuǎn)向系三大部分的舊有觀(guān)念，它用微控制器取代了轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由三大部分變?yōu)榱藘刹糠?。電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最為 先進(jìn)和前沿的技術(shù)之一。它主要由方向盤(pán)控制模塊、轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊以及微控制器三大模塊組成。方向盤(pán)控制模塊的主要功能是通過(guò)轉(zhuǎn)向力矩傳感器檢測(cè)駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖，并將檢測(cè)到的信號(hào)（包括旋轉(zhuǎn)方向以及旋轉(zhuǎn)速度等）通過(guò)總線(xiàn)傳遞給微控制器，然后微控制器根據(jù)此信號(hào)，并結(jié)合車(chē)速信號(hào)反饋給方向盤(pán)控制模塊一個(gè)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(kāi)發(fā)人員根據(jù)千萬(wàn)次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合起來(lái)，形成的 “ 經(jīng)驗(yàn)路感 ” ，并以程序的形式固化在微控制器內(nèi)的。因此它與車(chē)速、轉(zhuǎn)向速率以及轉(zhuǎn)向力矩的大小存在著某種對(duì)應(yīng)關(guān)系。 轉(zhuǎn)向執(zhí) 行機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)向電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器等組成。它的功能是根據(jù)微控制器的控制命令，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度，完成轉(zhuǎn)向動(dòng)作。同時(shí)轉(zhuǎn)角傳感器監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)角的大小，反饋給微控制器，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，完成精確的轉(zhuǎn)向動(dòng)作。微控制器是電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心。它接收檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)。由于微控制器取代了轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此各部件之間的機(jī)械連接減少了，使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的響應(yīng)速度和響應(yīng)的準(zhǔn)確性得以提高。而且可以對(duì)轉(zhuǎn)向策略進(jìn)行軟件編程控制，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的任意設(shè)置 ；可與其他設(shè)備，如 ABS、自動(dòng)導(dǎo)航設(shè)備進(jìn)行整合。傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)的減少還帶來(lái)了更大的汽車(chē)內(nèi)部空間，給駕乘帶來(lái)更大的樂(lè)趣。而且轉(zhuǎn)向行為可以被軟件記錄下來(lái)，保存在 EEPROM 中，有助于以后進(jìn)一步完善轉(zhuǎn)向控制策略，甚至還可以為交通肇事提供證據(jù)。 汽車(chē)的安全問(wèn)題一直是大眾關(guān)注的焦點(diǎn)。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與燈光系統(tǒng)的結(jié)合能給在夜間行駛的車(chē)輛帶來(lái)更好的安全性。如上頁(yè)左圖所示，傳統(tǒng)的車(chē)輛燈光系統(tǒng)是向車(chē)輛正前方直線(xiàn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，如上圖所示，當(dāng)駕駛者在向右打方向盤(pán)的時(shí)候，燈光隨著方向盤(pán)角度的變化而向右照 射，彎道內(nèi)側(cè)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(xiàng)燈光照明技術(shù)已經(jīng)在中檔的雪鐵龍凱旋、豐田凱美瑞上得到應(yīng)用。 目前電子轉(zhuǎn)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(wèn)題，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將完全失靈，其不像電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在電機(jī)或者液壓系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，還可以以人力來(lái)控制汽車(chē)。電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的微控制器出現(xiàn)故障的話(huà)，因?yàn)闆](méi)有機(jī)械系統(tǒng)能連接方向盤(pán)和轉(zhuǎn)向器，因此根本不可能控制汽車(chē)的轉(zhuǎn)向。但是盡管如此電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)依然是未來(lái)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向之 一。 現(xiàn)代汽車(chē)轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計(jì)趨勢(shì) ： 1.1 適應(yīng)汽車(chē)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(chē)制造廣泛使用更先進(jìn)的工藝方法，使用變速比轉(zhuǎn)向器、高剛性轉(zhuǎn)向器。 “ 變速比和高剛性 ” 是目前世界上生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)的方向。 1.2 充分考慮安全性、輕便性 隨著汽車(chē)車(chē)速的提高，駕駛員和乘客的安全非常重要，目前國(guó)內(nèi)外在許多汽車(chē)上已普遍增設(shè)能量吸收裝置，如防碰撞安全轉(zhuǎn)向柱、安全帶、安全氣囊等，并逐步推廣。從人類(lèi)工程學(xué)的角度考慮操縱的輕便性，已逐步采用可調(diào)整的轉(zhuǎn)向管柱和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 1.3 低成本、低油耗、大批量專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn) 隨著國(guó)際經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的惡化，石油危機(jī)造成經(jīng)濟(jì)衰退，汽車(chē)生產(chǎn)愈來(lái)愈重視經(jīng)濟(jì)性，因此，要設(shè)計(jì)低成本、低油耗的汽車(chē)和低成本、合理化生產(chǎn)線(xiàn)，盡量實(shí)現(xiàn)大批量專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)。對(duì)零部件生產(chǎn)，特別是轉(zhuǎn)向器的生產(chǎn)，更表現(xiàn)突出。 1.4 汽車(chē)轉(zhuǎn)向器裝置的電腦化 汽車(chē)的轉(zhuǎn)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(chē)轉(zhuǎn)向裝置的發(fā)展趨勢(shì) 2.1 現(xiàn)代汽車(chē)轉(zhuǎn)向裝置的使用動(dòng)態(tài) 隨著汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展，轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)也有很大變化。汽車(chē)轉(zhuǎn) 向器的結(jié)構(gòu)很多，從目前使用的普遍程度來(lái)看，主要的轉(zhuǎn)向器類(lèi)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(zhuǎn)向器型式，已經(jīng)被廣泛使用在汽車(chē)上。 據(jù)了解，在世界范圍內(nèi)，汽車(chē)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占 45左右，齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器占 40左右，蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器占 10左右，其它型式的轉(zhuǎn)向器占 5。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器一直在穩(wěn)步發(fā)展。在西歐小客車(chē)中，齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器有很大的發(fā)展。日本汽車(chē)轉(zhuǎn)向器的特點(diǎn)是循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占的比重越來(lái)越大，日本裝備不同類(lèi)型發(fā)動(dòng)機(jī)的各類(lèi)型汽車(chē)，采用 不同類(lèi)型轉(zhuǎn)向器，在公共汽車(chē)中使用的循環(huán)球式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向器在公共汽車(chē)上已經(jīng)被淘汰 )。大、小型貨車(chē)大都采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，但齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器也有所發(fā)展。微型貨車(chē)用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占 65，齒條齒輪式占 35。 2.2 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器特點(diǎn) 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的特點(diǎn)是：效率高，操縱輕便，有一條平滑的操縱力特性曲線(xiàn)。布置方便。特別適合大、中型車(chē)輛和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)配合使用；易于傳遞駕駛員操縱信號(hào)；逆效率高、回位好，與液壓助力裝置的動(dòng)作配合得好。 可以 實(shí)現(xiàn)變速比的特性，滿(mǎn)足了操縱輕便性的要求。中間位置轉(zhuǎn)向力小、且經(jīng)常使用，要求轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向位置轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向力。由于循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器可實(shí)現(xiàn)變速比，應(yīng)用正日益廣泛。 通過(guò)大量鋼球的滾動(dòng)接觸來(lái)傳遞轉(zhuǎn)向力，具有較大的強(qiáng)度和較好的耐磨性。并且該轉(zhuǎn)向器可以被設(shè)計(jì)成具有等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，這也是它應(yīng)用廣泛的原因之一。變速比結(jié)構(gòu)具有較高的剛度，特別適宜高速車(chē)輛車(chē)速的提高。高速車(chē)輛需要在高速時(shí)有較好的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，必須保證轉(zhuǎn)向器 具有較高的剛度。齒條齒扇副磨損后可以重新調(diào)整間隙，使之具有合適的轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)間隙，從而提高轉(zhuǎn)向器壽命，也是這種轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點(diǎn)之一 。 我國(guó)的轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)，除早期投產(chǎn)的解放牌汽車(chē)用蝸桿#0；滾輪式轉(zhuǎn)向器，東風(fēng)汽車(chē)用蝸桿肖式轉(zhuǎn)向器之外，其它大部分車(chē)型都采用循環(huán)球式結(jié)構(gòu)，并都具有一定的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。目前解放、東風(fēng)也都在積極發(fā)展循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，并已在第二代換型車(chē)上普遍采用了循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。由此看出，我國(guó)的轉(zhuǎn)向器也在向大量生產(chǎn)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器發(fā)展。 2.3 轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)專(zhuān)業(yè)化 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器在國(guó)外實(shí)現(xiàn)了專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)，同 時(shí)以專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)為主、大力進(jìn)行試驗(yàn)和研究，大大提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。在日本 “ 精工 ”(NSK) 公司的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器就以成本低、質(zhì)量好、產(chǎn)量大，逐步占領(lǐng)日本市場(chǎng)，并向全世界銷(xiāo)售它的產(chǎn)品。德國(guó) ZF 公司也作為一個(gè)大型轉(zhuǎn)向器專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)著稱(chēng)于世。它從 1948年開(kāi)始生產(chǎn) ZF 型轉(zhuǎn)向器，年產(chǎn)各種轉(zhuǎn)向器 200 多萬(wàn)臺(tái)。還有一些比較大的轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)廠(chǎng)，如美國(guó)德?tīng)柛９?SAGINAW 分部；英國(guó) BURM#0；AN 公司都是比較有名的專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家，都有很大的產(chǎn)量和銷(xiāo)售面。專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)已成為一種趨勢(shì)，只有走這條道路，才能使產(chǎn)品質(zhì)量高、產(chǎn)量大、