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附錄2
中文翻譯
汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷史及未來技術(shù)趨勢
屈裕豐
(合肥工業(yè)大學(xué),機械汽車工程學(xué)院)
摘要:轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是整車系統(tǒng)中必不可少的最基本的組成系統(tǒng),駕駛者通過方向盤來操縱和控制汽車的行進方向,從而實現(xiàn)自己的駕駛意圖。一百多年來,汽車工業(yè)隨著機械和電子技術(shù)的發(fā)展而不斷前進。到今天,汽車已經(jīng)不是單純機械意義上的汽車了,它是機械、電子、材料等學(xué)科的綜合產(chǎn)物。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也隨著汽車工業(yè)的發(fā)展歷經(jīng)了長時間的演變。本文介紹了汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的歷史及未來的技術(shù)發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)向系統(tǒng);轉(zhuǎn)向器;液壓助力
傳統(tǒng)的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是機械式的轉(zhuǎn)向系統(tǒng),汽車的轉(zhuǎn)向由駕駛員控制方向盤,通過轉(zhuǎn)向器等一系列機械轉(zhuǎn)向部件實現(xiàn)車輪的偏轉(zhuǎn),從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。隨著上世紀五十年代起,液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用,標(biāo)志著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)革命的開始。汽車轉(zhuǎn)向動力的來源由以前的人力轉(zhuǎn)變?yōu)槿肆右簤褐?。液壓助力系統(tǒng)HPS(Hydraulic Power Steering)是在機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一個液壓系統(tǒng)而成。該液壓系統(tǒng)一般與發(fā)動機相連,當(dāng)發(fā)動機啟動的時候,一部分發(fā)動機能量提供汽車前進的動能,另外一部分則為液壓系統(tǒng)提供動力。由于其工作可靠、技術(shù)成熟至今仍被廣泛應(yīng)用。這種助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要的特點是液壓力支持轉(zhuǎn)向運動,減小駕駛者作用在方向盤上的力,改善了汽車轉(zhuǎn)向的輕便性和汽車運行的穩(wěn)定性行的穩(wěn)定性。
但同時液壓助力系統(tǒng)也存在一些缺點:
在車輛設(shè)計制造完成后,車輛轉(zhuǎn)向的助力特性不能改變。直接后果是,當(dāng)助力特性偏向于低速助力時,汽車在低速段可以得到很好的助力,但是在高速段需要有較好路感的時候,由于助力特性不能調(diào)節(jié),使得駕駛者沒有較好的路感;當(dāng)助力特性偏向于高速助力時,在低速段得不到很好的助力效果;即使車輛不轉(zhuǎn)向,液壓系統(tǒng)也必須在發(fā)動機的帶動下工作。其結(jié)果是,消耗發(fā)動機能量,增加油耗 ;
存在液壓油泄漏問題,不僅對環(huán)境造成污染,而且容易使其他部件損壞;在低溫下,液壓系統(tǒng)的工作性能比較差。
近年來,隨著電子技術(shù)在汽車中的廣泛應(yīng)用,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中也愈來愈多地采用電子器件。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)因此進入了電子控制時代,相應(yīng)的就出現(xiàn)了電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電液助力轉(zhuǎn)向可以分為兩類 :電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EHPS(Electro-Hydraulic Power Steering)和電控液壓助力轉(zhuǎn)向ECHPS(Electronically Controlled Hydraulic Power Steering)。電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在液壓助力系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,與液壓助力系統(tǒng)不同的是,電動液壓助力系統(tǒng)中液壓系統(tǒng)的動力來源不是發(fā)動機而是電機,由電機驅(qū)動液壓系統(tǒng),節(jié)省了發(fā)動機能量,減少了燃油消耗。電控液壓助力轉(zhuǎn)向也是在傳統(tǒng)液壓助力系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來,它們的區(qū)別是,電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)增加了電子控制裝置。電子控制裝置可根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)向速率、車速等汽車運行參數(shù),改變液壓系統(tǒng)助力油壓的大小,從而實現(xiàn)在不同車速下,助力特性的改變。而且電機驅(qū)動下的液壓系統(tǒng),在沒有轉(zhuǎn)向操作時,電機可以停止轉(zhuǎn)動,從而降低能耗。雖然電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)克服了液壓助力轉(zhuǎn)向的一些缺點。但是由于液壓系統(tǒng)的存在,它一樣存在液壓油泄漏的問題,而且電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)引入了驅(qū)動電機,使得系統(tǒng)更加復(fù)雜,成本增加,可靠性下降。為了規(guī)避電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的缺點,電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS(Electric Power Steering)便應(yīng)時而生。它與前述各種助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大的區(qū)別在于,電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中已經(jīng)沒有液壓系統(tǒng)了。原來由液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向助力由電動機來完成。電動助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般由轉(zhuǎn)矩傳感器、微處理器、電動機等組成。基本工作原理是 :當(dāng)駕駛者轉(zhuǎn)動方向盤帶動轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動時,安裝在轉(zhuǎn)動軸上的轉(zhuǎn)矩傳感器便將轉(zhuǎn)矩信號轉(zhuǎn)化為電信號并傳送至微處理器,微處理器根據(jù)轉(zhuǎn)矩信號并結(jié)合車速等其他車輛運行參數(shù),按照事先在程序中設(shè)定的處理方法得出助力電動機助力的方向和助力的大小。自1988年日本鈴木公司首次在其Cervo車上裝備該助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)至今,電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)己經(jīng)得到人們的廣泛認可。
助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能在不同車速下提供不同的助力特性。在低速行駛時,增加轉(zhuǎn)向助力,使得轉(zhuǎn)向更加輕便 ;在高速行駛時減少轉(zhuǎn)向助力,甚至為了提高路感增加轉(zhuǎn)向阻尼。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)只在轉(zhuǎn)向時電動機才工作,為轉(zhuǎn)向提供助力,因而能減少能耗。電動機由蓄電池供電,因此電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以在發(fā)動機不工作的情況下工作。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒有液壓系統(tǒng),與液壓助力系統(tǒng)相比,裝配自動化程度更高。而且電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以通過改變微處理器中的助力程序算法,很容易實現(xiàn)助力特性的改變。
科學(xué)技術(shù)的發(fā)展總是日新月異的,傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系均由轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)(方向盤)、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)三大部分組成。但是思想的火花總是能給人帶來驚喜!電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)SBW(Steering-By-Wire)的誕生顛覆了轉(zhuǎn)向系三大部分的舊有觀念,它用微控制器取代了轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu),由三大部分變?yōu)榱藘刹糠?。電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最為先進和前沿的技術(shù)之一。它主要由方向盤控制模塊、轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊以及微控制器三大模塊組成。方向盤控制模塊的主要功能是通過轉(zhuǎn)向力矩傳感器檢測駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖,并將檢測到的信號(包括旋轉(zhuǎn)方向以及旋轉(zhuǎn)速度等)通過總線傳遞給微控制器,然后微控制器根據(jù)此信號,并結(jié)合車速信號反饋給方向盤控制模塊一個回正力矩,使得駕駛員能夠感受到路感。但是這種路感是虛擬的,是開發(fā)人員根據(jù)千萬次的試驗數(shù)據(jù)綜合起來,形成的“經(jīng)驗路感”,并以程序的形式固化在微控制器內(nèi)的。因此它與車速、轉(zhuǎn)向速率以及轉(zhuǎn)向力矩的大小存在著某種對應(yīng)關(guān)系。
轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)包括轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)向電機、轉(zhuǎn)向電機控制器等組成。它的功能是根據(jù)微控制器的控制命令,驅(qū)動轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機旋轉(zhuǎn)一定角度,完成轉(zhuǎn)向動作。同時轉(zhuǎn)角傳感器監(jiān)測轉(zhuǎn)角的大小,反饋給微控制器,形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng),完成精確的轉(zhuǎn)向動作。微控制器是電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心。它接收檢測信號,經(jīng)過處理發(fā)送相應(yīng)的控制信號。由于微控制器取代了轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu),因此各部件之間的機械連接減少了,使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的響應(yīng)速度和響應(yīng)的準確性得以提高。而且可以對轉(zhuǎn)向策略進行軟件編程控制,實現(xiàn)傳動比的任意設(shè)置 ;可與其他設(shè)備,如ABS、自動導(dǎo)航設(shè)備進行整合。傳動機構(gòu)的減少還帶來了更大的汽車內(nèi)部空間,給駕乘帶來更大的樂趣。而且轉(zhuǎn)向行為可以被軟件記錄下來,保存在EEPROM中,有助于以后進一步完善轉(zhuǎn)向控制策略,甚至還可以為交通肇事提供證據(jù)。
汽車的安全問題一直是大眾關(guān)注的焦點。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與燈光系統(tǒng)的結(jié)合能給在夜間行駛的車輛帶來更好的安全性。如上頁左圖所示,傳統(tǒng)的車輛燈光系統(tǒng)是向車輛正前方直線照射的,如果行人在彎角處,駕駛者將很難發(fā)現(xiàn)彎角中的行人,極易造成交通事故。如果燈光系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)合起來,如上圖所示,當(dāng)駕駛者在向右打方向盤的時候,燈光隨著方向盤角度的變化而向右照射,彎道內(nèi)側(cè)照明更寬,照明范圍更大,那么在道路彎角中的行人將很容易被發(fā)現(xiàn)。目前該項燈光照明技術(shù)已經(jīng)在中檔的雪鐵龍凱旋、豐田凱美瑞上得到應(yīng)用。
目前電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性和成本是阻撓其發(fā)展的主要因素。主要表現(xiàn)在如果微控制器出現(xiàn)問題,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將完全失靈,其不像電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),在電機或者液壓系統(tǒng)出現(xiàn)問題時,還可以以人力來控制汽車。電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的微控制器出現(xiàn)故障的話,因為沒有機械系統(tǒng)能連接方向盤和轉(zhuǎn)向器,因此根本不可能控制汽車的轉(zhuǎn)向。但是盡管如此電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)依然是未來轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。
現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計趨勢:
??? 1.1 適應(yīng)汽車高速行駛的需要
??? 從操縱輕便性、穩(wěn)定性及安全行駛的角度,汽車制造廣泛使用更先進的工藝方法,使用變速比轉(zhuǎn)向器、高剛性轉(zhuǎn)向器。“變速比和高剛性”是目前世界上生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)的方向。
1.2 充分考慮安全性、輕便性
??? 隨著汽車車速的提高,駕駛員和乘客的安全非常重要,目前國內(nèi)外在許多汽車上已普遍增設(shè)能量吸收裝置,如防碰撞安全轉(zhuǎn)向柱、安全帶、安全氣囊等,并逐步推廣。從人類工程學(xué)的角度考慮操縱的輕便性,已逐步采用可調(diào)整的轉(zhuǎn)向管柱和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
??? 1.3 低成本、低油耗、大批量專業(yè)化生產(chǎn)
??? 隨著國際經(jīng)濟形勢的惡化,石油危機造成經(jīng)濟衰退,汽車生產(chǎn)愈來愈重視經(jīng)濟性,因此,要設(shè)計低成本、低油耗的汽車和低成本、合理化生產(chǎn)線,盡量實現(xiàn)大批量專業(yè)化生產(chǎn)。對零部件生產(chǎn),特別是轉(zhuǎn)向器的生產(chǎn),更表現(xiàn)突出。
??? 1.4 汽車轉(zhuǎn)向器裝置的電腦化
??? 汽車的轉(zhuǎn)向器裝置,必定是以電腦化為唯一的發(fā)展途徑。
??? 2 現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向裝置的發(fā)展趨勢
??? 2.1 現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向裝置的使用動態(tài)
??? 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展,轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)也有很大變化。汽車轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)很多,從目前使用的普遍程度來看,主要的轉(zhuǎn)向器類型有4種:有蝸桿肖式(WP型)、蝸桿滾輪式(WR型)、循環(huán)球式(BS型)、齒條齒輪式(RP型)。這四種轉(zhuǎn)向器型式,已經(jīng)被廣泛使用在汽車上。
??? 據(jù)了解,在世界范圍內(nèi),汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占45%左右,齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器占40%左右,蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器占10%左右,其它型式的轉(zhuǎn)向器占5%。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器一直在穩(wěn)步發(fā)展。在西歐小客車中,齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器有很大的發(fā)展。日本汽車轉(zhuǎn)向器的特點是循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占的比重越來越大,日本裝備不同類型發(fā)動機的各類型汽車,采用不同類型轉(zhuǎn)向器,在公共汽車中使用的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器,已由60年代的62.5%,發(fā)展到現(xiàn)今的100%了(蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器在公共汽車上已經(jīng)被淘汰)。大、小型貨車大都采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器,但齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器也有所發(fā)展。微型貨車用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占65%,齒條齒輪式占 35%。
2.2 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器特點
??? 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的特點是:效率高,操縱輕便,有一條平滑的操縱力特性曲線。布置方便。特別適合大、中型車輛和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)配合使用;易于傳遞駕駛員操縱信號;逆效率高、回位好,與液壓助力裝置的動作配合得好。
??? 可以實現(xiàn)變速比的特性,滿足了操縱輕便性的要求。中間位置轉(zhuǎn)向力小、且經(jīng)常使用,要求轉(zhuǎn)向靈敏,因此希望中間位置附近速比小,以提高靈敏性。大角度轉(zhuǎn)向位置轉(zhuǎn)向阻力大,但使用次數(shù)少,因此希望大角度位置速比大一些,以減小轉(zhuǎn)向力。由于循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器可實現(xiàn)變速比,應(yīng)用正日益廣泛。
??? 通過大量鋼球的滾動接觸來傳遞轉(zhuǎn)向力,具有較大的強度和較好的耐磨性。并且該轉(zhuǎn)向器可以被設(shè)計成具有等強度結(jié)構(gòu),這也是它應(yīng)用廣泛的原因之一。變速比結(jié)構(gòu)具有較高的剛度,特別適宜高速車輛車速的提高。高速車輛需要在高速時有較好的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性,必須保證轉(zhuǎn)向器具有較高的剛度。齒條齒扇副磨損后可以重新調(diào)整間隙,使之具有合適的轉(zhuǎn)向器傳動間隙,從而提高轉(zhuǎn)向器壽命,也是這種轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點之一。我國的轉(zhuǎn)向器生產(chǎn),除早期投產(chǎn)的解放牌汽車用蝸桿#0;滾輪式轉(zhuǎn)向器,東風(fēng)汽車用蝸桿肖式轉(zhuǎn)向器之外,其它大部分車型都采用循環(huán)球式結(jié)構(gòu),并都具有一定的生產(chǎn)經(jīng)驗。目前解放、東風(fēng)也都在積極發(fā)展循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器,并已在第二代換型車上普遍采用了循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。由此看出,我國的轉(zhuǎn)向器也在向大量生產(chǎn)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器發(fā)展。
??? 2.3 轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)專業(yè)化
??? 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器在國外實現(xiàn)了專業(yè)化生產(chǎn),同時以專業(yè)廠為主、大力進行試驗和研究,大大提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。在日本“精工”(NSK)公司的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器就以成本低、質(zhì)量好、產(chǎn)量大,逐步占領(lǐng)日本市場,并向全世界銷售它的產(chǎn)品。德國ZF公司也作為一個大型轉(zhuǎn)向器專業(yè)廠著稱于世。它從1948年開始生產(chǎn)ZF型轉(zhuǎn)向器,年產(chǎn)各種轉(zhuǎn)向器200多萬臺。還有一些比較大的轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)廠,如美國德爾福公司SAGINAW分部;英國BURM#0;AN公司都是比較有名的專業(yè)廠家,都有很大的產(chǎn)量和銷售面。專業(yè)化生產(chǎn)已成為一種趨勢,只有走這條道路,才能使產(chǎn)品質(zhì)量高、產(chǎn)量大、成本低,在市場上有競爭力。
??? 2.4動力轉(zhuǎn)向是發(fā)展方向
??? 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛,不僅在重型汽車上必須裝備,在高級轎車上應(yīng)用的也較多,在中型汽車上的應(yīng)用也逐漸推廣。主要是從減輕駕駛員疲勞,提高操縱輕便性和穩(wěn)定性出發(fā)。雖然帶來成本較高和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題,但由于優(yōu)點明顯,還是得到很快的發(fā)展。 動力轉(zhuǎn)向有3種形式:整體式、半分置式及聯(lián)閥式動力轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)。目前3種形式各有特點,發(fā)展較快,整體式多用于前橋負荷3~8t汽車。從發(fā)展趨勢上看,國外整體式轉(zhuǎn)向器發(fā)展較快,而整體式轉(zhuǎn)向器中轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)是目前發(fā)展的方向。
附 錄
附錄1
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