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附录2

中文翻译

汽车转向系统的发展历史及未来技术趋势

屈裕丰

（合肥工业大学，机械汽车工程学院）

摘要：

转向系统是整车系统中必不可少的最基本的组成系统，驾驶者通过方向盘来操纵和控制汽车的行进方向，从而实现自己的驾驶意图。

一百多年来，汽车工业随着机械和电子技术的发展而不断前进。

到今天，汽车已经不是单纯机械意义上的汽车了，它是机械、电子、材料等学科的综合产物。

汽车转向系统也随着汽车工业的发展历经了长时间的演变。

本文介绍了汽车转向系统的历史及未来的技术发展趋势。

关键词：

转向系统；转向器；液压助力

传统的汽车转向系统是机械式的转向系统，汽车的转向由驾驶员控制方向盘，通过转向器等一系列机械转向部件实现车轮的偏转，从而实现转向。

随着上世纪五十年代起，液压动力转向系统在汽车上的应用，标志着转向系统革命的开始。

汽车转向动力的来源由以前的人力转变为人力加液压助力。

液压助力系统HPS（HydraulicPowerSteering）是在机械式转向系统的基础上增加了一个液压系统而成。

该液压系统一般与发动机相连，当发动机启动的时候，一部分发动机能量提供汽车前进的动能，另外一部分则为液压系统提供动力。

由于其工作可靠、技术成熟至今仍被广泛应用。

这种助力转向系统主要的特点是液压力支持转向运动，减小驾驶者作用在方向盘上的力，改善了汽车转向的轻便性和汽车运行的稳定性行的稳定性。

但同时液压助力系统也存在一些缺点：

在车辆设计制造完成后，车辆转向的助力特性不能改变。

直接后果是，当助力特性偏向于低速助力时，汽车在低速段可以得到很好的助力，但是在高速段需要有较好路感的时候，由于助力特性不能调节，使得驾驶者没有较好的路感；当助力特性偏向于高速助力时，在低速段得不到很好的助力效果；即使车辆不转向，液压系统也必须在发动机的带动下工作。

其结果是，消耗发动机能量，增加油耗；

存在液压油泄漏问题，不仅对环境造成污染，而且容易使其他部件损坏；在低温下，液压系统的工作性能比较差。

近年来，随着电子技术在汽车中的广泛应用，转向系统中也愈来愈多地采用电子器件。

转向系统因此进入了电子控制时代，相应的就出现了电液助力转向系统。

电液助力转向可以分为两类：

电动液压助力转向系统EHPS（Electro-HydraulicPowerSteering）和电控液压助力转向ECHPS（ElectronicallyControlledHydraulicPowerSteering）。

电动液压助力转向系统是在液压助力系统基础上发展起来的，与液压助力系统不同的是，电动液压助力系统中液压系统的动力来源不是发动机而是电机，由电机驱动液压系统，节省了发动机能量，减少了燃油消耗。

电控液压助力转向也是在传统液压助力系统基础上发展而来，它们的区别是，电控液压助力转向系统增加了电子控制装置。

电子控制装置可根据方向盘转向速率、车速等汽车运行参数，改变液压系统助力油压的大小，从而实现在不同车速下，助力特性的改变。

而且电机驱动下的液压系统，在没有转向操作时，电机可以停止转动，从而降低能耗。

虽然电液助力转向系统克服了液压助力转向的一些缺点。

但是由于液压系统的存在，它一样存在液压油泄漏的问题，而且电液助力转向系统引入了驱动电机，使得系统更加复杂，成本增加，可靠性下降。

为了规避电液助力转向系统的缺点，电动助力转向系统EPS（ElectricPowerSteering）便应时而生。

它与前述各种助力转向系统最大的区别在于，电动助力转向系统中已经没有液压系统了。

原来由液压系统产生的转向助力由电动机来完成。

电动助力式转向系统一般由转矩传感器、微处理器、电动机等组成。

基本工作原理是：

当驾驶者转动方向盘带动转向轴转动时，安装在转动轴上的转矩传感器便将转矩信号转化为电信号并传送至微处理器，微处理器根据转矩信号并结合车速等其他车辆运行参数，按照事先在程序中设定的处理方法得出助力电动机助力的方向和助力的大小。

自1988年日本铃木公司首次在其Cervo车上装备该助力转向系统至今，电动助力转向系统己经得到人们的广泛认可。

助力转向系统优点主要体现在以下几个方面：

电动助力转向系统能在不同车速下提供不同的助力特性。

在低速行驶时，增加转向助力，使得转向更加轻便；在高速行驶时减少转向助力，甚至为了提高路感增加转向阻尼。

电动助力转向系统只在转向时电动机才工作，为转向提供助力，因而能减少能耗。

电动机由蓄电池供电，因此电动助力转向系统可以在发动机不工作的情况下工作。

电动助力转向系统没有液压系统，与液压助力系统相比，装配自动化程度更高。

而且电动助力转向系统可以通过改变微处理器中的助力程序算法，很容易实现助力特性的改变。

科学技术的发展总是日新月异的，传统的转向系均由转向操纵机构（方向盘）、转向器、转向传动机构三大部分组成。

但是思想的火花总是能给人带来惊喜！

电子转向系统SBW（Steering-By-Wire）的诞生颠覆了转向系三大部分的旧有观念，它用微控制器取代了转向传动机构，由三大部分变为了两部分。

电子转向系统是汽车转向系统最为先进和前沿的技术之一。

它主要由方向盘控制模块、转向执行模块以及微控制器三大模块组成。

方向盘控制模块的主要功能是通过转向力矩传感器检测驾驶员的转向意图，并将检测到的信号（包括旋转方向以及旋转速度等）通过总线传递给微控制器，然后微控制器根据此信号，并结合车速信号反馈给方向盘控制模块一个回正力矩，使得驾驶员能够感受到路感。

但是这种路感是虚拟的，是开发人员根据千万次的试验数据综合起来，形成的“经验路感”，并以程序的形式固化在微控制器内的。

因此它与车速、转向速率以及转向力矩的大小存在着某种对应关系。

转向执行机构包括转角传感器、转向电机、转向电机控制器等组成。

它的功能是根据微控制器的控制命令，驱动转向执行电机旋转一定角度，完成转向动作。

同时转角传感器监测转角的大小，反馈给微控制器，形成一个闭环控制系统，完成精确的转向动作。

微控制器是电子转向系统的核心。

它接收检测信号，经过处理发送相应的控制信号。

由于微控制器取代了转向传动机构，因此各部件之间的机械连接减少了，使转向系统的响应速度和响应的准确性得以提高。

而且可以对转向策略进行软件编程控制，实现传动比的任意设置；可与其他设备，如ABS、自动导航设备进行整合。

传动机构的减少还带来了更大的汽车内部空间，给驾乘带来更大的乐趣。

而且转向行为可以被软件记录下来，保存在EEPROM中，有助于以后进一步完善转向控制策略，甚至还可以为交通肇事提供证据。

汽车的安全问题一直是大众关注的焦点。

转向系统与灯光系统的结合能给在夜间行驶的车辆带来更好的安全性。

如上页左图所示，传统的车辆灯光系统是向车辆正前方直线照射的，如果行人在弯角处，驾驶者将很难发现弯角中的行人，极易造成交通事故。

如果灯光系统与转向系统结合起来，如上图所示，当驾驶者在向右打方向盘的时候，灯光随着方向盘角度的变化而向右照射，弯道内侧照明更宽，照明范围更大，那么在道路弯角中的行人将很容易被发现。

目前该项灯光照明技术已经在中档的雪铁龙凯旋、丰田凯美瑞上得到应用。

目前电子转向系统的可靠性和成本是阻挠其发展的主要因素。

主要表现在如果微控制器出现问题，转向系统将完全失灵，其不像电动助力转向系统、电液助力转向系统，在电机或者液压系统出现问题时，还可以以人力来控制汽车。

电子转向系统的微控制器出现故障的话，因为没有机械系统能连接方向盘和转向器，因此根本不可能控制汽车的转向。

但是尽管如此电子转向系统依然是未来转向系统的发展方向之一。

现代汽车转向装置的设计趋势：

   1.1适应汽车高速行驶的需要

   从操纵轻便性、稳定性及安全行驶的角度，汽车制造广泛使用更先进的工艺方法，使用变速比转向器、高刚性转向器。

“变速比和高刚性”是目前世界上生产的转向器结构的方向。

1.2充分考虑安全性、轻便性

   随着汽车车速的提高，驾驶员和乘客的安全非常重要，目前国内外在许多汽车上已普遍增设能量吸收装置，如防碰撞安全转向柱、安全带、安全气囊等，并逐步推广。

从人类工程学的角度考虑操纵的轻便性，已逐步采用可调整的转向管柱和动力转向系统。

   1.3低成本、低油耗、大批量专业化生产

   随着国际经济形势的恶化，石油危机造成经济衰退，汽车生产愈来愈重视经济性，因此，要设计低成本、低油耗的汽车和低成本、合理化生产线，尽量实现大批量专业化生产。

对零部件生产，特别是转向器的生产，更表现突出。

   1.4汽车转向器装置的电脑化

   汽车的转向器装置，必定是以电脑化为唯一的发展途径。

   2现代汽车转向装置的发展趋势

   2.1现代汽车转向装置的使用动态

   随着汽车工业的迅速发展，转向装置的结构也有很大变化。

汽车转向器的结构很多，从目前使用的普遍程度来看，主要的转向器类型有4种：

有蜗杆肖式（WP型）、蜗杆滚轮式（WR型）、循环球式（BS型）、齿条齿轮式（RP型）。

这四种转向器型式，已经被广泛使用在汽车上。

   据了解，在世界范围内，汽车循环球式转向器占45％左右，齿条齿轮式转向器占40％左右，蜗杆滚轮式转向器占10％左右，其它型式的转向器占5％。

循环球式转向器一直在稳步发展。

在西欧小客车中，齿条齿轮式转向器有很大的发展。

日本汽车转向器的特点是循环球式转向器占的比重越来越大，日本装备不同类型发动机的各类型汽车，采用不同类型转向器，在公共汽车中使用的循环球式转向器，已由60年代的62．5％，发展到现今的100％了（蜗杆滚轮式转向器在公共汽车上已经被淘汰）。

大、小型货车大都采用循环球式转向器，但齿条齿轮式转向器也有所发展。

微型货车用循环球式转向器占65％，齿条齿轮式占35％。

2.2循环球式转向器特点

   循环球式转向器的特点是：

效率高，操纵轻便，有一条平滑的操纵力特性曲线。

布置方便。

特别适合大、中型车辆和动力转向系统配合使用；易于传递驾驶员操纵信号；逆效率高、回位好，与液压助力装置的动作配合得好。

   可以实现变速比的特性，满足了操纵轻便性的要求。

中间位置转向力小、且经常使用，要求转向灵敏，因此希望中间位置附近速比小，以提高灵敏性。

大角度转向位置转向阻力大，但使用次数少，因此希望大角度位置速比大一些，以减小转向力。

由于循环球式转向器可实现变速比，应用正日益广泛。

   通过大量钢球的滚动接触来传递转向力，具有较大的强度和较好的耐磨性。

并且该转向器可以被设计成具有等强度结构，这也是它应用广泛的原因之一。

变速比结构具有较高的刚度，特别适宜高速车辆车速的提高。

高速车辆需要在高速时有较好的转向稳定性，必须保证转向器具有较高的刚度。

齿条齿扇副磨损后可以重新调整间隙，使之具有合适的转向器传动间隙，从而提高转向器寿命，也是这种转向器的优点之一。

我国的转向器生产，除早期投产的解放牌汽车用蜗杆#0;滚轮式转向器，东风汽车用蜗杆肖式转向器之外，其它大部分车型都采用循环球式结构，并都具有一定的生产经验。

目前解放、东风也都在积极发展循环球式转向器，并已在第二代换型车上普遍采用了循环球式转向器。

由此看出，我国的转向器也在向大量生产循环球式转向器发展。

   2.3转向器生产专业化

   循环球式转向器在国外实现了专业化生产，同时以专业厂为主、大力进行试验和研究，大大提高了产品的产量和质量。

在日本“精工”（NSK）公司的循环球式转向器就以成本低、质量好、产量大，逐步占领日本市场，并向全世界销售它的产品。

德国ZF公司也作为一个大型转向器专业厂著称于世。

它从1948年开始生产ZF型转向器，年产各种转向器200多万台。

还有一些比较大的转向器生产厂，如美国德尔福公司SAGINAW分部；英国BURM#0;AN公司都是比较有名的专业厂家，都有很大的产量和销售面。

专业化生产已成为一种趋势，只有走这条道路，才能使产品质量高、产量大、成本低，在市场上有竞争力。

   2.4动力转向是发展方向

   动力转向系统的应用日益广泛，不仅在重型汽车上必须装备，在高级轿车上应用的也较多，在中型汽车上的应用也逐渐推广。

主要是从减轻驾驶员疲劳，提高操纵轻便性和稳定性出发。

虽然带来成本较高和结构复杂等问题，但由于优点明显，还是得到很快的发展。

动力转向有3种形式：

整体式、半分置式及联阀式动力转向结构。

目前3种形式各有特点，发展较快，整体式多用于前桥负荷3～8t汽车。

从发展趋势上看，国外整体式转向器发展较快，而整体式转向器中转阀结构是目前发展的方向。

附录

附录1

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