汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展與展望

汽車轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)計汽車的轉(zhuǎn)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(gòu)的研究主題。特別是在車輛高速化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車流密集化的今天,針對更多不同水平的駕駛?cè)巳?汽車的操縱設(shè)計顯得尤為重要。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)歷了純機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)3個基本發(fā)展階段。1整個機構(gòu)使用比較慢機械式的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向扭矩需要使用大直徑的轉(zhuǎn)向盤,這樣一來,占用駕駛室的空間很大,整個機構(gòu)顯得比較笨拙,駕駛員負擔較重,特別是重型汽車由于轉(zhuǎn)向阻力較大,單純靠駕駛員的轉(zhuǎn)向力很難實現(xiàn)轉(zhuǎn)向,這就大大限制了其使用范圍。但因結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、造價低廉,目前在一部分轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng),此后該技術(shù)迅速發(fā)展,使得動力轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)。在接下來的數(shù)年內(nèi),動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)革新差不多都是基于液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng),比較有代表性的是變流量泵液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(VariableDisplacementPowerSteeringPump)和電動液壓助力轉(zhuǎn)向(ElectricHydraulicPowerSteering,簡稱EHPS)系統(tǒng)。變流量泵助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車處于比較高的行駛速度或者不需要轉(zhuǎn)向的情況下,泵的流量會相應(yīng)地減少,從而有利于減少不必要的功耗。電動液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用電動機驅(qū)動轉(zhuǎn)向泵,由于電機的轉(zhuǎn)速可調(diào),可以即時關(guān)閉,所以也能夠起到降低功耗的功效。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使駕駛室變得寬敞,布置更方便,降低了轉(zhuǎn)向操縱力,也使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更為靈敏。由于該類轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)成熟、能提供大的轉(zhuǎn)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(yīng)用。但是液壓助力轉(zhuǎn)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(yīng)用EPS在日本最先獲得實際應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向技術(shù)得到迅速發(fā)展,其應(yīng)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(shù)的發(fā)展,EPS技術(shù)日趨完善,并且其成本大幅度降低,為此其應(yīng)用范圍將越來越大。3.1基礎(chǔ)上發(fā)展起來電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向機構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。系統(tǒng)通常由轉(zhuǎn)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(gòu)等組成,其結(jié)構(gòu)示意如圖1。3.2車輛轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向力信號的處理控制部分主要是通過車速和轉(zhuǎn)矩傳感器來采集汽車車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向提供輔助力。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制框架如圖2。3.3電機轉(zhuǎn)向控制模塊汽車處于起動或者低速行駛狀態(tài)時,操縱轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向,裝在轉(zhuǎn)向柱上的轉(zhuǎn)矩傳感器不斷檢測作用于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向,電動機經(jīng)離合器及減速機構(gòu)將轉(zhuǎn)矩傳遞給牽引前輪轉(zhuǎn)向的橫拉桿,最終起到為駕駛?cè)藛T提供輔助轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)入手動轉(zhuǎn)向模式。不轉(zhuǎn)向的情況下,電動機不工作。工作流程圖見圖3。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)很容易實現(xiàn)在不同的車速下實時的為汽車轉(zhuǎn)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(zhuǎn)系統(tǒng)的主要部件3.4.1旋轉(zhuǎn)傳感器與旋轉(zhuǎn)傳感器的組成用于檢測作用于轉(zhuǎn)向盤上的扭矩信號的大小與方向,由力矩傳感器和旋轉(zhuǎn)速度傳感器組成。力矩傳感器感知轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向力矩大小,旋轉(zhuǎn)傳感器感知轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)速大扭矩、波動小、轉(zhuǎn)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(zhuǎn),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(fù)手動控制轉(zhuǎn)向。3.4.6蝸輪蝸桿減速機構(gòu)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(gòu)和雙行星齒輪減速機構(gòu)。前者主要用于轉(zhuǎn)向軸助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng),后者主要用于齒輪助力式和齒條助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。3.5轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一項采用現(xiàn)代控制方法的高新技術(shù),與傳統(tǒng)液壓動力轉(zhuǎn)向相比,它具有下述優(yōu)點:(1)電動機和減速機構(gòu)安裝在轉(zhuǎn)向柱或在轉(zhuǎn)向系內(nèi),所占空間小,零部件結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便,維護費用低;(2)以電動機為動力,不需要轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向助力器對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向特性,靈敏度高。4汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(SteeringbyWire-SBW)是更新一代的汽車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng),線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與上述各類轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的根本區(qū)別就是取消了轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機械連接。圖4所示為ZF公司開發(fā)的線控轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向柱上,控制器根據(jù)汽車轉(zhuǎn)向工況控制路感電機產(chǎn)生合適的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向阻力完全由驅(qū)動電機來克服,轉(zhuǎn)向盤只是作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一個轉(zhuǎn)角信號輸入裝置。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠提高汽車被動安全性,有利于汽車設(shè)計制造,并能大大提高汽車的乘坐舒適性。但是由于轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展,技術(shù)日趨完善。今后,電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將進一步成熟,線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將成為我們研究的努力方向。具體來說,轉(zhuǎn)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(shù)性能完善的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要采集轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)迅速市場化的主要因素,因此,設(shè)計和開發(fā)適合電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用的性價比較高的傳感器是未來技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。(2)控制策略的研究控制策略是影響助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一,也是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心技術(shù)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(yīng)用于助力轉(zhuǎn)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(luò)控制理論和自適應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)注。因此,開發(fā)適合助力轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向助力系統(tǒng)純機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、造價低廉,目前在一部分轉(zhuǎn)向操縱力不大、對操