汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用

車輛啟動系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了以下階段：傳統(tǒng)的自動駕駛系統(tǒng)——電液輔助導(dǎo)向系統(tǒng)——自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)——自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和四個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)——直線控制布局系統(tǒng)。助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于具有使轉(zhuǎn)向操縱靈活、輕便和能吸收路面對前輪產(chǎn)生的沖擊等優(yōu)點(diǎn),因此已在汽車制造業(yè)中普遍采用。慢速比轉(zhuǎn)向器機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用比較多,它以駕駛員的體力作為轉(zhuǎn)向能源,其中所有傳力件都是機(jī)械的。機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)等組成。根據(jù)轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同,可分為齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器、蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器和蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器等。對于一定的轉(zhuǎn)向盤角速度,轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角速度與轉(zhuǎn)向器角傳動比成反比。轉(zhuǎn)向器角傳動比增加后,轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角速度對轉(zhuǎn)向盤角速度的響應(yīng)變得遲鈍,使轉(zhuǎn)向操縱時間增長,汽車轉(zhuǎn)向靈敏性降低,所以“輕”和“靈”構(gòu)成一對矛盾。為解決這對矛盾,可采用變速比轉(zhuǎn)向器。機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)同時滿足省力和轉(zhuǎn)向靈敏要求的程度是有限的,助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)則為解決這一問題提供了可能。緩解“輕、靈”的矛盾液壓助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了液壓助力系統(tǒng),借助于汽車發(fā)動機(jī)的動力驅(qū)動油泵,以液力增加駕駛員操縱前輪轉(zhuǎn)向的力量。液壓動力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于可以減少一定的轉(zhuǎn)向器傳動比,在一定程度上緩解了“輕”和“靈”的矛盾。傳統(tǒng)液壓助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般按流液的形式可分為常流式和常壓式2種類型。隨著高速公路的不斷延伸和汽車速度的不斷提高,傳統(tǒng)液壓助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的缺點(diǎn)逐漸顯現(xiàn),即:由該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所決定,很難保證汽車在停車或低速與高速行駛時同時具有適度的轉(zhuǎn)向手感。同時,采用液壓助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車燃油經(jīng)濟(jì)性較差和發(fā)動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時該系統(tǒng)不能提供助力、維修成本較高等,都限制了它的發(fā)展。發(fā)動機(jī)驅(qū)動力泵電液助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)液壓助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,其特點(diǎn)是液壓助力泵由電機(jī)驅(qū)動,取代了傳統(tǒng)液壓助力泵由發(fā)動機(jī)驅(qū)動的方式。電子控制式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過控制電磁閥,使助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的油壓隨車速的變化而變化,在汽車大轉(zhuǎn)角或低速行駛時,轉(zhuǎn)向輕便;在中、高速行駛時,能獲得一定手感的轉(zhuǎn)向力。電子控制式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于轎車。但該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、價格更昂貴,而且無法克服傳統(tǒng)液壓助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一些大的缺點(diǎn),如效率低、耗能大等。轉(zhuǎn)向盤的控制原理電動助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展中一項重要的技術(shù)。它將電子技術(shù)與汽車機(jī)械技術(shù)良好地結(jié)合,完成了許多以前看來不可能的任務(wù),例如簡化系統(tǒng)、性能優(yōu)良、側(cè)面影響小和花費(fèi)低,是一種直接依靠電力、不需要液壓系統(tǒng)就能提供輔助扭矩的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由扭矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器(可與其它系統(tǒng)共用)、電動機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和電子控制單元ECU等組成,助力大小由ECU控制。其基本工作原理如圖1所示:裝在轉(zhuǎn)向器上的轉(zhuǎn)角傳感器和扭矩傳感器測得轉(zhuǎn)向盤的角位移和作用于其上的力矩,ECU根據(jù)這2個信號,并結(jié)合車速信息,按照一定的算法,控制電動機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的力矩,來輔助駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤。電動助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn):系統(tǒng)控制簡單、響應(yīng)快,可根據(jù)需要通過調(diào)控電流值來改變力矩,從而方便地改善助力程度和轉(zhuǎn)向路感;零部件少、質(zhì)量小、安裝緊湊、工作可靠,易于檢修、調(diào)整以及觀測;低溫工作性能優(yōu)良;易于與不同車型進(jìn)行匹配,縮短開發(fā)周期。作為新一代的轉(zhuǎn)向系統(tǒng),電動助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前途。但也有一定的缺點(diǎn)阻礙它的發(fā)展:首先,目前還缺乏關(guān)于這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計的成熟理論,不合理的設(shè)計將會影響汽車的安全性,威脅財產(chǎn)和人身安全;其次,電動機(jī)的性能是決定控制系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素,其與電動助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的匹配,將影響到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩特性、轉(zhuǎn)向路感等問題;第三,也是最重要的一點(diǎn),電動助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)同樣無法改變轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳動比特性。齒輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點(diǎn)主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示,由德國寶馬公司和5U公司聯(lián)合開發(fā),保留了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的機(jī)械構(gòu)件,包括轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向柱、齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)以及轉(zhuǎn)向橫拉桿等。其最大特點(diǎn)就是在轉(zhuǎn)向盤與齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)之間的轉(zhuǎn)向柱上集成了1套雙行星齒輪機(jī)構(gòu),用于向轉(zhuǎn)向輪提供疊加轉(zhuǎn)向角。因此,該系統(tǒng)除了可以實(shí)現(xiàn)傳動比可變的功能外,還能主動干預(yù)前輪轉(zhuǎn)角,從而提高車輛的操縱穩(wěn)定性和安全性。作為一項新技術(shù),主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)把車輛的安全性、靈活性以及駕駛樂趣提高到了一個全新的水平。四逆相位轉(zhuǎn)向技術(shù)顧名思義,所謂四輪轉(zhuǎn)向,是指4個車輪都是轉(zhuǎn)向輪,簡稱4WS。它是汽車的主動控制形式之一。低速時,前、后輪進(jìn)行逆相位轉(zhuǎn)向,減小了轉(zhuǎn)彎半徑,提高了汽車的機(jī)動靈活性;高速時,前、后輪進(jìn)行同相位轉(zhuǎn)向,使汽車由于行駛方向改變而產(chǎn)生的橫擺角速度和側(cè)向加速度很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)響應(yīng),改善了高速時的汽車操縱穩(wěn)定性。理論和試驗研究表明,4WS系統(tǒng)通過對前、后輪的主動控制,能極大地提高汽車在轉(zhuǎn)彎、超車和變更車道等多種工況下的操縱穩(wěn)定性。汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)早在20世紀(jì)50年代,美國TRW公司等轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)商就對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)做出了大膽的設(shè)想,提出將轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向車輪之間用控制信號代替原有的機(jī)械連接。20世紀(jì)60年代末,德國的Kasselmann公司等設(shè)計了與TRW公司設(shè)想類似的主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。1990年,德國奔馳公司將其關(guān)于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方面的研究應(yīng)用到了概念車F4OO-Carving上。ZF公司也在1998年開發(fā)出電動助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之后,對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了積極的開發(fā)研究,目前已經(jīng)有整套的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上市。而由Daimier-Chrysler公司開發(fā)的用操縱桿操縱的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(如圖3所示),則被列為2000年汽車10大新技術(shù)之一。在2001年舉辦的第71屆瑞士日內(nèi)瓦國際汽車展覽會上,意大利的Berstone汽車設(shè)計及開發(fā)公司展示了新型概念車FILO。該概念車電傳驅(qū)動系統(tǒng)的核心是機(jī)-電一體化控制系統(tǒng)(智能機(jī)電起動單元),其轉(zhuǎn)向、加速、制動、換擋、離合等均由電傳驅(qū)動系統(tǒng)控制完成。TTA-GROUP是國外一個專門研究線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的專業(yè)性機(jī)構(gòu),在線控轉(zhuǎn)向領(lǐng)域取得了卓越的成就。2002年,裝備線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的奧迪S8型汽車在德國慕尼黑舉行的TTA-GROUP的論壇上展出,該車的道路識別系統(tǒng)將路線軌跡的信息通過TTP總線傳給ECU,ECU控制汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沿道路行駛,駕駛員可以隨時對其修正。我國也已經(jīng)涉足線控轉(zhuǎn)向技術(shù)研究領(lǐng)域,吉林大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)以及湖南大學(xué)等,都對線控轉(zhuǎn)向技術(shù)進(jìn)行了一些相關(guān)研究。2004年,同濟(jì)大學(xué)在一個工業(yè)博覽會上展出的“春暉三號”電動車,就運(yùn)用了線控轉(zhuǎn)向技術(shù)。中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所在國家“863”計劃的資助下,正在開發(fā)智能轉(zhuǎn)向控制器,并將應(yīng)用到叉車上。雖然線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)本身的成本較高,但是采用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)后,汽車底盤設(shè)計就不必考慮區(qū)分左、右行駛交通系統(tǒng),使底盤開發(fā)特別是跨國公司的底盤開發(fā)費(fèi)用降低。盡管目前歐洲的汽車法規(guī)要求在駕駛員與轉(zhuǎn)向車輪之間必須有機(jī)械連接,線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還不允許在歐洲上市,但只要生產(chǎn)商能夠有足夠的證據(jù)表明線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全可靠性,其得到上市許可還是完全可能的。目前線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于自身成本等因素的制約,很難在價格低廉的家用轎車上得到普及應(yīng)用,但是在對于追求性能極限的高級轎車、高級跑車上應(yīng)用,則是完全可能和必要的,它能夠減輕駕駛員的負(fù)擔(dān),提高主動安全性能,因此有著很好的應(yīng)用前景。輔助駕駛系統(tǒng)和無人駕駛汽車是現(xiàn)在