汽車轉向系統(tǒng)是汽車上的重要構件,其性能的好壞直接決定汽車操縱穩(wěn)定性能的好壞,作為人與汽車之間的重要連接工具,它隨著汽車整體的發(fā)展和新技術的出現(xiàn)而推陳出新,改善了駕駛員的駕駛環(huán)境。
1、機械轉向系統(tǒng)
機械轉向系是以駕駛員的體力作為轉向能源,其中所有傳力件都是機械,其廣泛應用于早期汽車以及現(xiàn)代的簡易車輛上。齒輪齒條式轉向器在1885 年被應用在“本茨”汽車上。因為其具有結構簡單、緊湊,質(zhì)量輕,剛性大,轉向靈敏,制造容易,成本低,正、逆效率都高的特點,被廣泛應用于輕型車輛上。例如:紅旗CA7220 型轎車,天津TJ1010型微型轎車。
循環(huán)球式轉向器是國內(nèi)工廠采用較多的轉向器,它具有傳動效率高(正傳動效率高達90%~95%),嚙合平穩(wěn)、剛性好、轉向輕便、靈活的優(yōu)點,被廣泛應用于各類各級汽車上。例如:
解放CA1040 型系列輕型載貨汽車,北京BJ1041輕型載貨汽車等。
蝸桿曲柄指銷式轉向器通常用于轉向力較大的載貨汽車和拖拉機上。例如:東風EQ1090E型汽車,豐收-300 型拖拉機等。
機械轉向系統(tǒng)從汽車誕生到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)歷了100 多年的發(fā)展,結構上的創(chuàng)新使得現(xiàn)在的機械轉向系統(tǒng)更穩(wěn)定、更易操作、更安全。
2、助力轉向系統(tǒng)
機械轉向系統(tǒng)雖然具有工作可靠,結構簡單,制造成本低的優(yōu)點,但在操作拖拉機等大型車輛時,往往會使人感到疲勞,操作不靈敏。為了追求更加輕便的操作方式,充分發(fā)揮助力轉向技術的優(yōu)勢,車輛上出現(xiàn)了機械式液壓助力轉向、電液助力轉向和電動助力轉向等助力轉向系統(tǒng)。
2.1 機械式液壓助力轉向系HPS(Hydraulic PowerSteering)
液壓助力轉向是利用液壓傳力的原理,駕駛員只需要對機械作用一個較小的力就能在轉向輪上產(chǎn)生一個較大的效果。
與傳統(tǒng)機械式轉向系統(tǒng)相比,機械式液壓轉向系統(tǒng)容易安裝,布置靈活,整個原件幾乎沒有需要潤滑的部分,不存在磨損問題,保養(yǎng)簡單,且其轉向力是由液壓產(chǎn)生,因此可以實現(xiàn)助力;但是無論駕駛員轉向與否,液壓系統(tǒng)一直處于工作狀態(tài),低溫工作性較差。
機械式液壓助力轉向系統(tǒng)應用在不同車輛上有幾種不同的類型,如并聯(lián)式轉向系統(tǒng)(圖1)、串聯(lián)式轉向系統(tǒng)(圖2)、分置式轉向系統(tǒng)(圖3)。
近年來,機械式液壓助力轉向在國外得到越來越廣泛的應用。美國查爾林恩公司、丹麥丹佛斯公司生產(chǎn)的種奧爾比特全液壓轉向系統(tǒng),英國的裴麗斯公司生產(chǎn)的全液壓轉向系統(tǒng),美國若斯公司生產(chǎn)的新型全液壓轉向機構等,都是基于液壓技術發(fā)展起來的。
2.2 電液助力轉向系EHPS(Electric Hydraulic PowerSteering)
隨著電子技術的發(fā)展,開發(fā)以電子技術為指導的電控助力轉向系統(tǒng)成為一個新的發(fā)展方向。
電液助力轉向系統(tǒng)是從液壓助力轉向系統(tǒng)發(fā)展而來,該系統(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率消耗的功效;但是它沒有解決液壓助力轉向系統(tǒng)在系統(tǒng)布置、安裝、密封性、操縱靈敏度、能量消耗、磨損與噪聲等方面的缺陷,同時也存在著液壓油泄漏,不便安裝維修和檢測的缺點(圖4 和圖5 分別為電液助力轉向的工作原理圖和實物圖)。
電子液壓助力從20 世紀90 年代后期開始逐漸普及,福特、大眾、豐田、本田、馬自達、標致、雪鐵龍等品牌均有使用電子液壓助力系統(tǒng)的車型。馬自達3、凱旋等車型使用的都是這樣的系統(tǒng)。但是,電液助力成本高、助力力度有限、可靠性不及機械液壓助力,所以電液助力轉向無法取代機械液壓助力轉向。
2.3 電動助力轉向系統(tǒng)EPS(Electric Power Steering)
電動助力轉向系統(tǒng)不同于電液助力轉向系統(tǒng),它是在傳統(tǒng)機械轉向機構的基礎上增加信號傳感器裝置、電子控制裝置和轉向助力機構等。
電動助力轉向系統(tǒng)結構緊湊,安裝方便,在調(diào)整和檢測、裝配自動化方面有明顯的優(yōu)勢;零件較少,質(zhì)量較輕,與機械轉向系和液壓助力轉向相比具有較低噪聲;而且電動助力轉向?qū)Νh(huán)境影響小,不存在液壓助力轉向中的滲油問題,低溫工作性較好;電控助力轉向目前還處于開發(fā)階段,有待進一步開發(fā)與研究。
根據(jù)電動機轉矩施加位置和機械結構不同,電動助力轉向可分為管柱式電動助力轉向、小齒輪式電動助力轉向和齒條式電動助力轉向3 類。管柱式電動助力轉向(C-EPS)如圖6 所示,助力電機安裝于轉向管柱上,電機助力轉矩作用于轉向管柱上;齒輪式電動助力轉向(P-EPS)如圖7 所示,助力電機和減速機構布置在轉向齒輪上,電機助力轉矩作用于轉向齒輪上;齒條式電動助力轉向(R-EPS)如圖8 所示,助力電機和減速機構布置在轉向齒條上,電機助力轉矩作用于轉向齒條上[4]。
1988 年2 月日本鈴木公司在其Cervo 車
上裝備汽車電動助力轉向。在此之后,電動助力轉向技術迅速發(fā)展。大發(fā)、三菱、本田、德爾福汽車系統(tǒng)公司先后研制出電動助力轉向系統(tǒng)并裝配在其產(chǎn)品上。當前電動助力轉向已經(jīng)在輕型車上得到應用,其性能已經(jīng)得到人們的普遍認可,隨著直流電機性能的改進,電動助力能力的提高,其應用范圍將進一步拓寬。
3、線控轉向系統(tǒng)(Steer-by-wire)
汽車線控技術是將駕駛員的操縱動作經(jīng)過傳感器變成電信號,通過電纜直接傳輸?shù)綀?zhí)行機構的一種系統(tǒng)[5]。作為目前先進的轉向系統(tǒng),它幾乎具備了機械轉向、助力轉向的所有優(yōu)點,成為轉向系統(tǒng)中令人耳目一新的技術。線控轉向技術具有轉動效率高,響應時間短的特點,能根據(jù)車速、牽引力等參數(shù)實時改變轉向比率,提高了汽車碰撞安全性和整車主動安全性,具有良好的操縱性,但是目前這一技術主要應用在概念車上。
德國奔馳公司在1990 年開始了前輪線控轉向的研究,并將它開發(fā)的線控轉向系統(tǒng)應用于概念車F400Carving 上。隨后, Daimler-Chrysler 推出線控驅(qū)動概念車R129。這項控制技術被列為2000 年汽車新技術之一。美國通用汽車公司展示了概念車“Autonomy”,并在Autonomy 基礎上開發(fā)了首輛可駕駛的線控燃料電池車Hy-Wire 概念車。2003 年,豐田也展示了采用線控技術的Fine-S 燃料電池概念車;在2005 年北美車展上,通用推出了新一代氫燃料電池和線控技術概念車Sequel[6]。隨著電子元件成本的降低、電源技術的發(fā)展以及可靠性和控制算法的提高,線控轉向技術以及其他線控技術會在不久的將來全面替代傳統(tǒng)的機械結構系統(tǒng)。
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