转向器的发展前景及方向

汽车转向传动技术及其发展

李睿扬（学号：02000404）

（东南大学机械工程系）

改革开放30年来，中国机动车转向桥市场从无到有，从小到大、从总量快速扩张到结构明显升级，逐步形成了有中国特色的多样化、多层次的消费市场。机动车转向桥市场规模比改革初期扩大了几倍乃至几十倍，其发展成就令世人瞩目。

1.引言

汽车在行驶过程中，经常需要换车道和转弯。驾驶员通过一套专门的机构——汽车转向系，使汽车改变行驶方向。转向系还可以修正因路面倾斜等原因引起的汽车跑偏。转向系统不仅关系到汽车行驶的安全，还关系到延长轮胎寿命、降低燃油油耗等。

随着科学技术的发展，市场对汽车性能的要求也越来越高,特别是汽车的操纵稳定性，成为当代汽车研究的一个重要方面.转向系的好坏直接影响到汽车的操纵稳定性、转向轻便性以及驾驶员的工作强度和工作效率，因此转向系统的设计是汽车设计中很重要的一个部分。

伴随着现代汽车工业的发展而不断进步，高速公路和高架公路的出现，同向并行车辆的增多和行驶速度的提高及道路条件的变化，要求更加精确灵活的转向系统。作为改善汽车操纵性能最有效的一种主动底盘控制技术——四轮转向技术，于二十世纪80年代中期开始在汽车上得到应用。

本文针对2WS，着重介绍转向系统的组成、归类、工作原理、工作情况，并且分析比较现有转向系统中的某些机构的优缺点极其应用场合。然后简要介绍4WS的技术发展情况，以及某些4WS的可行解决方案、技术要求及工作状况。也将2WS及4WS的特点性能做了一定的比较，提出转向系统有待解决的问题及未来发展趋势。

由于个人水平有限，文中难免未尽周全之处，望老师多予指正。

2.汽车转向基本要求及其关键技术

为使汽车实现车轮无侧滑的转向，车轮的偏转必须满足阿克曼特性，即在汽车前轮定位角都等于零、行走系统为刚性、汽车行驶过程中无侧向力的前提下，整个转向过程中全部车轮必须围绕同一瞬时中心相对于地面作圆周滚动，例如对于图1所示两轮转向情况，前内轮转角β与前外轮转角α之间应满足如下阿克曼转向特性公式：

(1)

图1 阿克曼两轮转向要求

车轮的偏转是通过转向机构带动的。对于两轮转向汽车，为减小车轮侧滑，转向机构应使两前轮偏转角在整个转向过程中始终尽可能精确地满足式(1)关系。因此从运动学角度来看，两轮转向机构的设计涉及到的关键技术主要是：(1)机构的形式设计，即确定能满足转向传动功能要求的机构结构组成；(2)机构的尺度设计，即确定能近似再现式(1)关系的机构运动尺寸。从系统和机构

学角度来看，转向系统的组成及其相互关系可用框图2表示，其中转向机构是该系统的执行机构。

图2 转向传动系统的组成

3.两轮转向及其实现技术

3.1 两轮转向技术的发展概况

两百年前在汽车刚刚诞生的初期，其转向操纵是仿照马车和自行车的转向方式，即用一个操纵杆或手柄直接使前轮偏转。1817年，德国人林肯斯潘杰(Len Ken Sperger)发明了转向梯形机构，并将在英国获得的专利权转让给了阿克曼(Ru-dolph Ackerman)。现在人们常将转向梯形的特性关系式(1)称为阿克曼公式。

1857年，英国的达吉恩蒸汽汽车(Dud-geon Steamer)是首次采用方向盘的机动车辆。1872年苏格兰的查理士·鲁道夫(Charles Randolph)第一个把方向盘装到煤气发动机车辆上。1886年，英国的弗雷德里克·斯特里克兰(Frederiek Strickland)及汽车制造商德雷克(A．J．Drak)将船用转向柱和方向盘技术应用到新式戴姆勒·弗顿(Daimler Phantom)敞篷车上。1890年戴姆勒·帕利生(Daimlr Paririan)制成转向柱与方向盘倾斜的第一辆汽车。

进入20世纪后，相关科技的进步带动了汽车设计技术与汽车工业的迅速发展，但对于转向传动系统的研究主要集中在转向器的型式和转向执行机构的尺寸优化设计等方面，而在两轮转向原理以及两轮偏转联动实现方式等方面并未有新的突破。

3.2 当前两轮转向技术的主流

(1)与非独立悬架配用的转向机构

1) 转向梯形后置，转向直拉杆纵置如图3(a)所示，在前桥仅为转向桥时，由转向横拉杆5和左、右转向梯形臂4组成的转向梯形一般布置在前桥之后，以避免其在转向过程中与车轮发生干涉。解放CA141、东风EQ140等汽车都是采用这种转向机构。

(a) (b) (c)

1—转向摇臂2—转向直拉杆3—转向节臂4—梯形臂5—转向横拉杆

图3 与非独立悬架配用的转向机构

2) 转向梯形前置，转向直拉杆纵置在发动机较低或转向桥兼驱动桥的情况下，为避免干涉，往往将转向梯形布置在前桥之前，如图3(b)所示。

3) 转向梯形前置，转向直拉杆横置如图3(c)所示，若转向摇臂1不是在汽车纵向平面内前后摆动，而是在与道路平行的平面内左右摆动（如北京BJ2020N型汽车），则可将转向直拉杆2横置，并借球头销直接带动转向横拉杆5，从而使两侧梯形臂转动。

(2)与独立悬架配用的转向机构

图4为循环球式（BS型）转向器配用的转向机构，转向摇臂1为主动件，绕固定铰点作往复摆动。其中图4(a)中两根转向横拉杆3、4布置在车轴的后方，形成两段式结构，如红旗CA7560型轿车即采用了这种转向机构；图(b)中两根转向横拉杆3、4布置在车轴的前方，和转向直拉杆2一起构成三段式的前置梯形结构，丰田海艾斯轿车转向机构就采用这种布置形式。

(a) (b)

1—转向摇臂2—转向直拉杆3—左转向横拉杆4—右转向横拉杆5—左梯形臂

6—右梯形臂 7—摇杆8—悬架左摆臂9—悬架右摆臂

图4 与循环球式转向器配用的转向机构

(a) (b)

图5 与齿轮齿条式转向器配用的转向机构

图5为齿轮齿条式（RP型）转向器配用的转向机构两种布置形式，其中图5(a)中转向器位于前轴后方，前置梯形，应用实例为奥迪100轿车；图5(b)转向器位于前轴前方，前置梯形，在IVECO45-10型汽车中得到了应用。

前面所列仅为转向器和转向梯形机构结合的基本形式，实际使用中尚有许多情况，限于篇幅，在此不一一列出。

3.3 两轮转向的存在问题

汽车两轮转向技术虽经历了近两百年的发展，但仍存在如下主要问题：

(1)两轮转向汽车在转弯时，现有各类转向机构均不能保证全部车轮绕瞬时中心转动，从而在技术上难以完全消除车辆行驶中的车轮侧滑。

(2)独立悬架汽车中的转向梯形断开点难以确定，这将导致了横拉杆与悬架导向机构之间运动不协调，使汽车在行驶中易发生摆振，从而加剧轮胎磨损，转向性能随车速、转向角、路面状态的变化而变化，车速越高，操纵稳定性越差。

(3)在采用两轮转向方式时转弯半径较大，汽车的机动灵活性不高。

随着电子技术的不断发展及在汽车中的应用，可以从多方面改善转向系统的各种性能，但这种改善往往是局部的和微小的。基于两轮转向方式的汽车转向技术发展至今，应该说已经到了一个顶峰，就目前的技术和经济性而言，两轮转向在性能上难以再有突破性进展。

4.四轮转向及其实现技术

4.1 四轮转向方式的提出及其特点

鉴于两轮转向方式存在的诸多不足，日本于20世纪60年代首先提出通过四轮转向方式来提高汽车的操纵稳定性，到20世纪80年代末，四轮转向系统得到实际应用。1990年，本田、马自达、尼桑三家汽车公司首先在部分轿车上推出了四轮转向系统。1991年，美国克莱斯勒和日本的三菱也推出了四轮转向车型。

所谓四轮转向，是指车辆行驶过程中四个车轮能同时发生偏转的转向方式。其中后轮偏转角一般不超过5 。根据转向时前、后轮偏转方向的异同分为同向偏转及逆向偏转两类。对于行驶中的四轮汽车，当采用同向偏转时，车身的动态偏转减小，从而可显著提高汽车高速行驶稳定性；当采用逆向偏转时，则可显著减小汽车转弯半径，如图6所示，由此增加了低速行驶的灵活性，有利于汽车的转向调头。因此采用四轮转向方式时，在一定程度上提高了横摆角速度和侧向加速度的瞬态响应性能指标，如图7所示。所以四轮转向方式具有转向能力强、转向响应快、直线行驶稳定性高、低速机动性好等优点。