汽車轉向系統(tǒng)的發(fā)展與展望

汽車轉向系統(tǒng)的發(fā)展與展望

作為車輛的重要組成部分，車輛轉向系統(tǒng)是決定車輛動態(tài)安全的最重要組成部分。如何設計汽車的轉向特性，以及汽車的良好操縱性能一直是所有汽車制造商和研究機構的研究主題。特別是在車輛高速化、駕駛人員非職業(yè)化、車流密集化的今天,針對更多不同水平的駕駛人群,汽車的操縱設計顯得尤為重要。汽車轉向系統(tǒng)經(jīng)歷了純機械式轉向系統(tǒng)、液壓助力轉向系統(tǒng)、電動助力轉向系統(tǒng)3個基本發(fā)展階段。1整個機構使用比較慢機械式的轉向系統(tǒng),由于采用純粹的機械解決方案,為了產(chǎn)生足夠大的轉向扭矩需要使用大直徑的轉向盤,這樣一來,占用駕駛室的空間很大,整個機構顯得比較笨拙,駕駛員負擔較重,特別是重型汽車由于轉向阻力較大,單純靠駕駛員的轉向力很難實現(xiàn)轉向,這就大大限制了其使用范圍。但因結構簡單、工作可靠、造價低廉,目前在一部分轉向操縱力不大、對操控性能要求不高的微型轎車、農(nóng)用車上仍有使用。2能量泵的種類1953年通用汽車公司首次使用了液壓助力轉向系統(tǒng),此后該技術迅速發(fā)展,使得動力轉向系統(tǒng)在體積、功率消耗和價格等方面都取得了很大的進步。80年代后期,又出現(xiàn)了變減速比的液壓動力轉向系統(tǒng)。在接下來的數(shù)年內(nèi),動力轉向系統(tǒng)的技術革新差不多都是基于液壓轉向系統(tǒng),比較有代表性的是變流量泵液壓動力轉向系統(tǒng)(VariableDisplacementPowerSteeringPump)和電動液壓助力轉向(ElectricHydraulicPowerSteering,簡稱EHPS)系統(tǒng)。變流量泵助力轉向系統(tǒng)在汽車處于比較高的行駛速度或者不需要轉向的情況下,泵的流量會相應地減少,從而有利于減少不必要的功耗。電動液壓轉向系統(tǒng)采用電動機驅(qū)動轉向泵,由于電機的轉速可調(diào),可以即時關閉,所以也能夠起到降低功耗的功效。液壓助力轉向系統(tǒng)使駕駛室變得寬敞,布置更方便,降低了轉向操縱力,也使轉向系統(tǒng)更為靈敏。由于該類轉向系統(tǒng)技術成熟、能提供大的轉向操縱助力,目前在部分乘用車、大部分商用車特別是重型車輛上廣泛應用。但是液壓助力轉向系統(tǒng)在系統(tǒng)布置、安裝、密封性、操縱靈敏度、能量消耗、磨損與噪聲等方面存在不足。3從汽車油車產(chǎn)業(yè)中的應用EPS在日本最先獲得實際應用,1988年日本鈴木公司首次開發(fā)出一種全新的電子控制式電動助力轉向系統(tǒng),并裝在其生產(chǎn)的Cervo車上,隨后又配備在Alto上。此后,電動助力轉向技術得到迅速發(fā)展,其應用范圍已經(jīng)從微型轎車向大型轎車和客車方向發(fā)展。日本的大發(fā)汽車公司、三菱汽車公司、本田汽車公司,美國的Delphi公司,英國的Lucas公司,德國的ZF公司,都研制出了各自的EPS。EPS的助力形式也從低速范圍助力型向全速范圍助力型發(fā)展,并且其控制形式與功能也進一步加強。日本早期開發(fā)的EPS僅低速和停車時提供助力,高速時EPS將停止工作。新一代的EPS則不僅在低速和停車時提供助力,而且還能在高速時提高汽車的操縱穩(wěn)定性。隨著電子技術的發(fā)展,EPS技術日趨完善,并且其成本大幅度降低,為此其應用范圍將越來越大。3.1基礎上發(fā)展起來電動助力轉向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機械轉向機構的基礎上發(fā)展起來的。系統(tǒng)通常由轉矩傳感器、車速傳感器、電子控制器、電動機、電磁離合器和減速機構等組成,其結構示意如圖1。3.2車輛轉速和轉向力信號的處理控制部分主要是通過車速和轉矩傳感器來采集汽車車速和轉向盤轉向力信號,進行必要的運算處理后發(fā)出控制指令給電動機,由電動機為轉向提供輔助力。電動助力轉向系統(tǒng)的控制框架如圖2。3.3電機轉向控制模塊汽車處于起動或者低速行駛狀態(tài)時,操縱轉向盤轉向,裝在轉向柱上的轉矩傳感器不斷檢測作用于轉向柱扭桿上的扭矩,并將此信號與車速信號同時輸入電子控制器,處理器對輸入信號進行運算處理,確定助力扭矩的大小和方向,從而控制電動機的電流和轉向,電動機經(jīng)離合器及減速機構將轉矩傳遞給牽引前輪轉向的橫拉桿,最終起到為駕駛人員提供輔助轉向力的功效;當車速超過一定的臨界值或者出現(xiàn)故障時,為保持汽車高速時的操控穩(wěn)定性,EPS系統(tǒng)退出助力工作模式,轉向系統(tǒng)轉入手動轉向模式。不轉向的情況下,電動機不工作。工作流程圖見圖3。電動助力轉向系統(tǒng)很容易實現(xiàn)在不同的車速下實時的為汽車轉向提供不同的助力效果,保證汽車在低速行駛時輕便靈活,高速行駛時穩(wěn)定可靠。3.4支持電子相態(tài)旋轉系統(tǒng)的主要部件3.4.1旋轉傳感器與旋轉傳感器的組成用于檢測作用于轉向盤上的扭矩信號的大小與方向,由力矩傳感器和旋轉速度傳感器組成。力矩傳感器感知轉向盤的轉向力矩大小,旋轉傳感器感知轉向盤的旋轉速度,并把感知的這兩個信號傳遞到電子控制單元。目前采用較多的轉矩傳感器是扭桿式電位計傳感器。3.4.2速度傳感器用于檢測汽車的行駛速度,并進行自診斷,把檢測到的信號送入電子控制單元。常采用電磁感應式傳感器,安裝在汽車變速器輸出軸上。3.4.3電子控制單元中小型電子客觀電動助力轉向系統(tǒng)的動力源,通常采用無刷永磁式直流電動機,其功能是根據(jù)電子控制單元(ECU)的指令產(chǎn)生相應的輸出扭矩。電動機是影響EPS性能的主要因素之一,不僅要求低轉速大扭矩、波動小、轉動慣量小、尺寸小、質(zhì)量輕,而且要求可靠性高、控制性能好。3.4.4電子控制單元它是整個控制系統(tǒng)的核心,完成對各個傳感器輸入信號的處理,依據(jù)控制規(guī)則計算出所需的參數(shù)值,通過驅(qū)動電路,實現(xiàn)對電機的控制。3.4.5清除電機慣性的影響對于動力的工作范圍限定在某一速度區(qū)域內(nèi)。如果超過規(guī)定速度,電動機停轉,且離合器分離,不再起傳遞動力的作用。在不加助力的情況下,離合器可以清除電動機慣性的影響。同時,在系統(tǒng)發(fā)生故障時,因離合器分離,又可以恢復手動控制轉向。3.4.6蝸輪蝸桿減速機構用來增大電動機的輸出扭矩。主要有兩種形式:蝸輪蝸桿減速機構和雙行星齒輪減速機構。前者主要用于轉向軸助力式轉向系統(tǒng),后者主要用于齒輪助力式和齒條助力式轉向系統(tǒng)。3.5轉向系統(tǒng)的特點電動助力轉向系統(tǒng)是一項采用現(xiàn)代控制方法的高新技術,與傳統(tǒng)液壓動力轉向相比,它具有下述優(yōu)點:(1)電動機和減速機構安裝在轉向柱或在轉向系內(nèi),所占空間小,零部件結構簡單、安裝方便,維護費用低;(2)以電動機為動力,不需要轉向油泵、油管及控制閥等液壓元件,也不會耗用發(fā)動機的功率和發(fā)生液壓油泄漏和損耗,電動機只在需要時才啟動,耗用電能較少,提高了汽車經(jīng)濟性;(3)低速停車入庫時轉向助力器對轉向力的降低非常顯著;(4)更好地吸收道路上的任何顛簸并能靈敏反映路面信息,改善汽車的轉向特性,靈敏度高。4汽車轉向系統(tǒng)線控轉向系統(tǒng)(SteeringbyWire-SBW)是更新一代的汽車電子轉向系統(tǒng),線控轉向系統(tǒng)與上述各類轉向系統(tǒng)的根本區(qū)別就是取消了轉向盤和轉向輪之間的機械連接。圖4所示為ZF公司開發(fā)的線控轉向系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有2個電機:路感電機和驅(qū)動電機。路感電機安裝在轉向柱上,控制器根據(jù)汽車轉向工況控制路感電機產(chǎn)生合適的轉矩,向駕駛員提供模擬路面信息。驅(qū)動電機安裝在齒條上,汽車的轉向阻力完全由驅(qū)動電機來克服,轉向盤只是作為轉向系統(tǒng)的一個轉角信號輸入裝置。線控轉向系統(tǒng)能夠提高汽車被動安全性,有利于汽車設計制造,并能大大提高汽車的乘坐舒適性。但是由于轉向盤和轉向柱之間無機械連接,生成讓駕駛員能夠感知汽車實際行駛狀態(tài)和路面狀況的“路感”比較困難;且電子器件的可靠性難以保證。所以線控轉向系統(tǒng)目前處于研究階段,只配備在一些概念汽車上。5控制策略和助力電機的研究助力轉向系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展,技術日趨完善。今后,電動助力轉向系統(tǒng)將進一步成熟,線控轉向系統(tǒng)將成為我們研究的努力方向。具體來說,轉向系統(tǒng)主要從以下幾個方面進一步發(fā)展:(1)傳感器技術性能完善的電動助力轉向系統(tǒng)需要采集轉向盤轉角信號、轉向盤轉矩信號、轉向盤轉速信號、電機電壓信號、電機電流信號等。目前,傳感器的成本是制約電動助力轉向系統(tǒng)迅速市場化的主要因素,因此,設計和開發(fā)適合電動助力轉向系統(tǒng)使用的性價比較高的傳感器是未來技術發(fā)展的關鍵。(2)控制策略的研究控制策略是影響助力轉向系統(tǒng)性能的關鍵因素之一,也是電動助力轉向系統(tǒng)的核心技術之一。目前,國內(nèi)外許多學者都在探討將先進的控制理論應用于助力轉向系統(tǒng)的研究,如魯棒控制理論、模糊控制理論、神經(jīng)網(wǎng)絡控制理論和自適應控制理論等。今后,控制策略研究的重點主要集中在如何抑制電機的力矩波動、如何獲得較好的路感、如何抑制路面干擾和傳感器的噪聲等方面,以進一步優(yōu)化和改善助力轉向系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性。(3)助力電機的研究助力電機是電動助力轉向系統(tǒng)的執(zhí)行元件,助力電機的特性直接影響到控制的難易程度和駕駛員的手感。目前,電動助力轉向系統(tǒng)普遍采用成本較低的直流有刷電機。由于直流無刷電機采用電子換向,減少了換向時的火花,不需要經(jīng)常維護以及具有較高的效率和功率密度等優(yōu)點而受到越來越多的關注。因此,開發(fā)適合助力轉向系統(tǒng)使用的低成本的直流無刷電機是今后助力電機的研究方向。6未來動力轉向助力系統(tǒng)純機械式轉向系統(tǒng)結構簡單、工作可靠、造價低廉,目前在一部分轉向操縱力不大、對操