综 述　汽车转向系统的技术发展趋势武汉理工大学机电学院 赵　燕　周　斌　张仲甫 [摘要]多年来,转向系统经历了从舒适性到安全性再到环保性的演变。

本文简要回顾了转向系统的技术发展趋势以及对其未来发展的预测。

关键词:　转向系统　电动转向器1　概述汽车转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构。

其作用是使汽车在行驶过程中能按照驾驶员的操纵要求而适时地改变其行驶方向,并在受到路面传来的偶然冲击及汽车意外地偏离行驶方向时,能与行驶系统配合共同保持汽车继续稳定行驶。

因此,转向系统的性能直接影响着汽车的操纵稳定性和安全性。

以往转向器的生产厂商主要在质量、价格、舒适性及其他因素之间寻找平衡点,而且将改进汽车的舒适性、易操作性和安全性作为转向器的发展方向。

然而,随着全球汽车总量的不断增加,汽车技术的发展在给人们带来便利和舒适的生活方式的同时,也导致了对环境的破坏。

在21世纪,汽车技术的发展必须全方位考虑环保的问题。

在此情况下,对转向系统的大量需求不仅仅是针对性能的改善,还应对更高层次的安全及环保要求采取相应的对策。

本文展示了转向系统相关的技术趋势,包括当前的成果及对未来的展望。

2　汽车转向系统的发展概况2.1　汽车的产品数量汽车是在一个世纪前出现的,大规模的汽车制造可以远溯到1911年。

相关技术的发展及二次世界大战中的技术更新促进了汽车工业的发展和进步。

今天,汽车工业在世界上大部分国家的经济中起到了中心作用。

1999年,全球轿车的总产量大约为3866万辆,比1998年增加大约2.2%;2000年世界汽车产量达5733万辆,比1999年增长2.8%[1],创历史新纪录。

汽车生产大国日本在1999年生产了810万辆汽车,比1998年增加了0.6%[2]。

由于中国及其他亚洲国家汽车市场的扩大,这种增长趋势还会持续下去。

1992～2001年的10年里,我国汽车产量平均年增长15%,是同期世界汽车年均增长率的10倍。

2000年我国生产汽车206.82万辆。

2002年1～9月我国国产汽车实现销售237.11万辆,销售拉动生产,1～9月累计生产汽车234.15万辆,年底突破300万辆已胜券在握。

我国“十五”计划的最后一年即2005年,汽车产量的预期目标是320万辆,其中轿车为110万辆[3]。

然而,这种增长也具有负面影响,那就是会导致空气污染和其他负面的社会和环保问题。

因此,随着汽车产量的增加,人们对具有更高水平的环保、节能、安全性的转向系统及其他汽车零部件的需求会越来越大。

2.2　转向系统的技术状况对转向系统产品的需求随着汽车化的提高而发生着变化。

最初驾驶员们只希望比较容易地操纵转向系统,而后则追求在高速行驶时的稳定性、舒适性和良好的操纵感。

动力助力转向器系统应运而生。

在上世纪50年代,通用汽车公司推出循环球式液压动力转向系统。

由油泵产生的液压力帮助驾驶员克服负载施加在转向系统上的操纵阻力。

在过去的50年里,转向系统主要使用液压力来帮助驾驶员操纵汽车。

汽车厂家已经为不同尺寸、不同质量、不同类型的汽车——从经济型到大的运动型汽车及大货车的液力和电液动力转向系统做了超凡的工作,使之成为当今动力转向系统的主力。

上世纪80年代出现的电动转向系统(EPS)则为动力转向器增添了新品种。

EPS不仅可以提供汽车在高・22・汽车研究与开发　综 述　速下的操纵稳定性,还能减小转向系统的质量并节省能源,因而迎合了下一代汽车对环保的要求。

根据汽车车型的不同,使用电动助力系统能够降低燃油费用达5%～10%[4]。

这使得电动助力转向器获得了快速的发展。

目前使用最广泛的2种动力转向器是电液助力转向器和柱式电动转向器。

2.3　电动转向器的发展电动转向器在1988年首先用于微型车上(最大排量为600m L),然而现在它已广泛应用于较大型车辆上。

这种扩大要归功于社会对节能型转向系统的需求,而且由于控制技术的进步使电动转向器和液力转向器的性能一样好,甚至超过了它。

目前性能良好的转向器可以通过传感器探测到转向角、车速、转向扭矩等数据,并将其反馈到转向器的控制单元中以获得助力控制信号。

为了使转向系统和汽车的个性化要求相匹配,集成系统设计是必不可少的。

EPS应用到较大型车辆上的技术关键点是能提供大的轴向力,因为中型或大型车辆需要的轴向力可达到10000N,甚至更高。

然而,在目前大多数汽车配装12V 电压系统的情况下,由于电动转向器的电动机电流的限制,电动机输出扭矩的增加受到了很大限制。

欧洲汽车制造商在研究配有42V电压系统的中型车辆上应用EPS方面走在了前头,而在拓展EPS的应用方面,日本的KOYO、NSK、HONDA及美国的DELPHI等公司已经开发了多种类型的EPS,主要有以下3种类型:(1)齿条式电动转向器(R-EPS)——电动机安装在齿条上直接驱动齿条,无须液压助力;(2)柱式电动转向器(C-EPS)——电动机安装在转向器的立柱上。

这种类型在欧洲主要用于轻型汽车上,无须液压助力;(3)齿轮式电动转向器(R-EPS)——电动机安装在齿轮上直接驱动齿轮,无须液压助力。

EPS是一种新型的动力转向器,它没有因电液或液力动力转向器的体积大、部件多、管路漏油等造成的耗能、污染环境的缺点。

因此,从1988年第1个EPS样品诞生至今的十多年里,快速完成了从实验室走向商品化的过程。

特别是近几年,随着汽车数量的大幅增加,能源和环保问题日益突出,节能、环保的EPS受到了汽车厂家的欢迎。

我国汽车日益增多而能源又较为短缺的现状更需要EPS产品。

但目前EPS完全是国外产品一统天下,主要原因是EPS的核心技术形成了国外产品的技术壁垒。

2.4　未来市场需求人类逐渐意识到全球变暖的问题,从而需要改进燃烧效率,并且对具有环保、节能型特点的产品需求不断增加。

因此,可以预测从液力转向系统到电动转向系统的转变过程会在将来很快地发生。

表1和表2展示了EPS及HPS在世界各地的需求趋势[4]。

数据表明,在世界范围内,电动转向器和电液转向器的使用会增加很快,2001年大约42%的安装在新车中的转向器是这种节能型的。

即使是保守的估计,到2006年欧洲市场中电动转向器和电液转向器的份额会达到56%。

这是因为在欧洲人们热切地关注着环境问题及微型车在此地很流行,而且电动转向器在这些车辆上的安装相对容易。

使用电动转向器是汽车发展过程中相对于采用线控转向(steering by w ire)系统的一大进步。

随着42V电子系统在未来几年大规模地进入市场,它将会促进电动转向器应用于大型豪华汽车上。

表1　EPS占所在地转向器的比率(%)全球日本北美欧洲2001年11.116.09.6012.52006年28.334.629.540.0表2　HP S占所在地转向器的比率(%)全球日本北美欧洲2001年 5.60 1.20 5.8012.52006年13.37.7015.8016.03　发展面向21世纪的转向系统技术3.1　发展智能运输系统尽管汽车给我们带来了巨大的便利,但21世纪的汽车化必须面对这种便利带来的环境和安全问题。

智能运输系统技术可以在解决这个问题的过程中起到重要的作用。

尽管今天的汽车仅仅拥有移动、停止、转向等基本功能,但它们很快将装备用作“大脑”和“神经系统”的电子和信息系统,早期的实例有汽车导航系统,使整个汽车变成一个机械与电子的集成系统。

智能运输系统领域可分成如下5个部分:・23・2003年第2期　综 述　3.1.1　车辆智能化集成驾驶支持系统包括高级的驾驶监控、可视化支持、车辆交互式空间控制和车辆驾驶安全预防性控制等技术。

3.1.2　车辆多媒体车辆和社会间包括交通和运行信息的通信体系、车载终端及通信设备。

3.1.3　设施在车辆和社会基础设施之间的通信,如通行费的收取和停靠场所的自动化管理,使交通平稳地运行。

3.1.4　后勤保障追求运输体系中较高的整体性和高效性,它包括车辆运行管理体系和后勤保障体系。

3.1.5　运输体系发展下一代的交通体系,包括区域内及区域间的运输体系。

3.2　车辆集成控制体系的建立基于以上原因,应开发最优化的转向集成控制系统。

这些基于EPS系统拥有主动安全特点的控制系统可与未来汽车的操纵系统兼容。

3.2.1　主动力矩控制系统为了使汽车在行驶时避免危险的发生,当目标离车辆很近时,车辆给驾驶员发出警告信号,并增加力矩(转向阻力),从而使驾驶员避免撞上目标。

该体系包括车道维持功能、倾翻防止功能、交叉风力补偿功能等。

3.2.2　转向与制动器集成系统该系统是通过转向系统和制动系统的谐调控制来实现汽车的运动并使车辆能在较小摩擦系数的路面上保持运行的稳定性。

在线控转向系统中,其输入端(转向柱)与输出端(转向动作端)之间无机械连接,这可以防止在激烈碰撞时转向柱所受到的直接冲击。

除了由那些传统的角度传感器、力矩传感器和车速传感器提供输入信号外,还由车辆的偏摆率传感器、横向加速度传感器提供输入信号,这使得主动控制成为可能。

3.2.3　用于自动驾驶的转动系统发展转向角度控制技术、外部干扰补偿技术和驾驶员输入分辨技术来改善车辆自动转向的精确度。

这些先进的集成车辆控制技术不仅能够适用于未来的转向系统,而且可用于设计传统的转向产品。

从整车的观点来看,这还会增加转向系统的附加值。

3.3　模块化当前流行的是汽车制造商向具有提供完整模块能力的部件商提出批量订单,而不是订购单独的部件。

因此转向器生产厂商应朝着提供与转向系统密切相关的模块系统的方向发展,在转向系统模块中纳入制动、悬架等系统。

4　结论21世纪是一个充满无限潜力的世纪,世界上许多汽车零部件生产厂家都在不断地进行其业务的全球化扩展,并为在这个世纪所要完成的目标制定了更清晰的长期技术规划。

中国的汽车零部件生产厂应在技术研发与创新、敏锐预测市场形势的变化并及时对其作出迅速反应等方面做实质性的工作,以研制与环境协调友好的EPS系统和集成转向系统为中心任务,才能在世界转向系统领域占有一席之地。

参　考　文　献1　专题调研(17):2000年日本汽车产业恢复增长.WW W.mo ftec.o r.jp,20022　M asahiko N og uchi.T rend and Future Pr ospect Reg ar ding Steer ing Sy st em T echno log y.KO Y O Eng ineering Journal Eng lish Edit ion,pp38～41,N o159E,20023　张伯顺.数字印证——中国汽车加速前进.经济日报网络板, 2002,10.304　Env iro nmentally F riendly Pr oduct s.Electr onic Po wer St eering.M o tio n&Contr ol N o.12NSK,P41,20025　Wer nr Har ter,Wo lfg ang Pfeiffer,Peter Do minke,Ger hard Ruck,Peter,P eter Blessing.F ut ur e Electr ical Steering Systems:Realizatio ns w ith Safety Requirem ents.SAE pp1～9,2002.01.0822・24・汽车研究与开发。