浅谈几种动力转向系统

2）高速行驶时，增加汽车转向传动比，以保证车辆行驶中的安全稳定性。伺服电机也 会给出一个电机调整角度，该角度的方向与驾驶员输入的角度方向相反，进而提高汽车行驶
的稳定性和安全性。
方向盘
中心轮输入 中心轮输出
齿圈
齿轮
行星齿轮 电机涡轮
行星齿轮轴 行星齿轮 转向轴
齿条
6 线控转向系统 线控转向系统（SBW-Steer by Wire）取消转向盘与转向轮之间的机械连接，驾驶员的转
向操作与转向轮之间通过信号及控制器进行连接。驾驶员的转向操作仅仅是向车辆输入驾驶 指令，控制器根据驾驶员指令，当前车辆状态和路面状况确定合理的前轮转角，实现转向系 统的智能控制，提高车辆的稳定性，降低驾驶员的操纵负担。由于取消了转向盘和转向车轮 之间的机械连接，线控转向系统摆脱了传统转向系统的各种限制，可以自由设计汽车转向系
4 电动助力转向系统 电动助力转向系统（Electric Power System，简称 EPS）的一般性工作原理为：当驾驶者
转动转向盘时，转矩传感器把上下两端转向轴在转向力矩作用下产生的相对转角值转化为电 信号传递给电控单元 ECU 即 EPS 控制器，控制器根据转矩传感器和车速传感器、发动机速 度传感器传递的信号控制电机的转动方向及助力目标电流的大小，而且将控制指令输送给电
目前电子线控转向系统还没有全面市场化，仅在少数车型上出现。其中主要 原因是前面提到的转向特性智能调节和自动车道保持等功能在某种程度上仍可 以使用传统的电子助力转向系统实现。那么电子线控转向系统的真正意义是将来 系统成熟以后可以完全断开机械连接。从而为将来的无人驾驶汽车服务。车内的 乘员可以直接控制方向也可以交给自动驾驶。方向盘位置可以灵活移动，空间的 利用将更加高效，而这就需要线控技术的支持。
动力转向系统兼用驾驶员体力和发动机（或电机）的动力作为转Hale Waihona Puke Baidu的能源，通过在机械 转向系统的基础上加设一套转向助力装置，使驾驶员操纵轻便和提高车辆的机动性。随着汽 车技术及转向系统的发展，动力转向系统主要分为液压助力转向系统、电控液压助力转向系 统、电动助力转向系统、主动前轮转向系统、线控转向系统等。
2 液压助力转向系统 液压助力转向系统（Hydraulic Power Steering，HPS）主要组成部分有液压泵、油管、
EPS 系统作为汽车的辅助转向系统，主要是在汽车进入转向状态时，能根据 车速和方向盘状态的不同，而提供不同的控制方式。
转矩 车速 转角
实际 电流
工作 模式 判断
助力控制 阻尼控制 回正控制
目标 +
电流 −
电流控制器 电压 助力 电机 转矩
上层控制
下层控制
1）助力控制策略是 EPS 研究的重点，而助力控制又分为静态控制和动态控制两部分。 静态控制是指不考虑转向时的动态因素（如负载的变化率、阻尼的动态变化等），只根据转 向盘转矩和车速由助力曲线来决定电机助力电流；动态控制又称补偿控制，一般包括惯性、 阻尼和摩擦补偿、转矩微分补偿等，以改善转向系统的动态转向特性。
统的力传递特性和角传递特性，给汽车转向系统的设计带来很大的自由发展空间。 线控转向系统由方向盘总成、转向执行总成和主控制器三个主要部分以及自动防故障系
统、电源等辅助系统组成。
1）方向盘总成：方向盘、方向盘转角传感器、转矩传感器、方向盘回正力 矩电机（路感电机）。方向盘总成的主要功能是将驾驶员的转向意图（通过测量 方向盘转角、角速度、转矩）转换成数字信号，并传递给主控制器；同时接受主 控制器反馈而来的力矩信号，产生方向盘回正力矩，以提供给驾驶员相应的路感 信息。
压力流体控制阀、V 型传动皮带、储油罐等。HPS 系统动力源是发动机，发动机带动转向油 泵工作，转向控制阀控制油液流动的方向和油压大小，提供转向助力，减少驾驶员作用在转 向盘上的手力，减轻驾驶员体力负担。但是其助力效果太单一，在中低车速时有较好的助力 性和操纵稳定性，但是在高速行驶时，固定的助力效果会使转向盘过于灵敏，驾驶员的路感 较差。此外，转向系统不能独立于发动机工作，车辆行驶过程中，只有少量时间内需要转向， 而发动机始终带动油泵旋转，油液不停地循环造成了发动机能量的浪费以及油液污染等。
浅谈几种动力转向系统 祖春胜
1 动力转向系统的发展 转向系统是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构，通过转向轮相对汽车纵向轴线偏转
一定的角度，改变或恢复汽车行驶方向。按照转向能源的不同，转向系统可分为机械转向系 统和动力转向系统两大类。
机械转向系统以驾驶员的体力（手力）作为转向的能源，系统中所有传力件都是机械的。 传统的汽车转向系统都是机械系统，汽车的转向运动是驾驶员操纵转向盘，通过转向器和一 系列的杆件传递到转向轮而实现的。当前轴负荷增加到某一数值后，靠人力转动转向轮就很 费力。对于无助力装置的机械转向系统，如果转向器的传动比太小，就会导致转向较为沉重； 而如果转向器的传动比过大，则会使转向的灵敏性不足。
转向系统根据车辆的行驶状态，在驾驶员输入角的前提下，通过齿轮机构对汽车施加了 一个附加角度，附加角度的大小输入由电子系统根据当前的车速和前轮转向的角度情况来决 定。两个角度的叠加后所得到的总的转向角传递给齿轮转向机构，这样得到最终的车辆转向 角。
1）低速行驶时，汽车转向传动比较小，转向更加直接，提高车辆的可操纵性和灵活性； 伺服电机给出一个电机调整角度，加入到双行星齿轮机构中，该角度的方向与驾驶员输入的 转向角的方向一致，整个转向系统的实际输出角度大于驾驶员的输入方向角度；这样就提高 了车辆的操纵性和灵活性。
2）实现 EPS 回正控制涉及两个基本问题：一是回正工况的判断；二是回正控制策略的 实现。回正控制有主动回正控制和撒手回正控制两种方式。
3）阻尼控制是汽车高速行驶时，为保证汽车直线行驶稳定性和安全性，防止驾驶员转 向时有“发飘”的感觉，保证高速行驶时的路感而提出的一种控制模式。而目前的阻尼控制 大多采用基于方向盘转角和角速度的阻尼控制策略；或者对于直流有刷电机而言采用能耗制 动法进行阻尼控制。
3 电控液压助力转向系统 电控液压助力转向系统（Electric Hydraulic Power Steering，EHPS）是在液压助力转向系
统基础上增加了液压反应装置和液流分配阀，而加设的电控系统则包括动力转向 ECU、电磁 阀和车速传感器等。电控液压助力转向系统利用电控单元根据车速调节作用在转向盘上的助 力，通过控制转向控制阀的开启程度改变液压助力系统辅助力的大小，从而实现辅助转向力 随车速而变化的助力特性。低速行驶时助力作用大，驾驶员操纵轻便灵活；高速行驶时助力 作用减弱，驾驶员的操纵力增大，具有明显的“路感”，既保证转向操纵的舒适性和灵活性， 又提高了高速行驶中转向的稳定性和安全感，使操纵轻便性和稳定性达到合适的平衡状态， 在一定程度上解决了轻便性和灵敏性的矛盾。然而，电控液压系统使得转向系统机构更复杂， 价格更昂贵，而且仍然无法克服液压助力转向系统的缺点，如效率低、耗能大以及油液污染 等问题。
2）转向执行总成包括前轮转角传感器（齿条位移传感器）、转向执行电机、 转向电机控制器和前轮转向组件等组成。转向执行总成的功能是接受主控制器的 命令，通过转向电机控制器控制转向车轮转动，实现驾驶员的转向意图。
3）主控制器对采集的信号进行分析处理，判别汽车的运动状态，向路感电 机和转向电机发送指令，控制两个电机的工作，保证各种工况下都具有理想的车 辆响应，以减少驾驶员对汽车转向特性随车速变化的补偿任务。同时控制器还可 以对驾驶员操作指令进行识别，判定在当前状态下驾驶员的转向操作是否合理。 当汽车处于非稳定状态或驾驶员发出错误指令时，线控转向系统会将驾驶员错误 的转向操作屏蔽，而自动进行稳定控制，使汽车尽快地恢复到稳定状态。
5 主动前轮转向系统 主动前轮转向（AFS-Active Front Steering）通过行星齿轮机构增加系统的自由度，根据
驾驶员的驾驶意图，利用电机对前轮施加一个不依赖驾驶员转向盘输入的附加转角，对驾驶 者的转向角度进行修正，及时对车辆进行控制，主动提高车辆的操纵性、稳定性和轨迹保持 性能，实现主动式转向。
机，由电机的底层控制消除目标电流及实际电流的偏差。电机的输出力矩通过减速机构作用 在转向柱上，电机输出力矩与减速机构减速比的乘积为电机的助力矩。驾驶员转向力矩与电 机助力矩一起克服轮胎的回正力矩以及转向系统的摩擦力矩等，从而实现 EPS 的基本功能， 实现对助力转向的实时控制。该系统能够非常迅速方便地提供不同车速下所需的辅助转向力 矩，确保汽车在低速行驶过程中转向轻便灵活，在高速行驶过程中稳定可靠。
为保证功能安全，当转向系统工作在电子线控模式的时候，整个系统借鉴了 飞机电传飞操系统的多余度安全理念。通过 3 个转向控制器相互冗余地控制转向 系统。相互之间进行校验，保证控制信号始终和驾驶者的转向意图相关。
当电子控制器出现故障的时候，转向柱连接方向盘和转向机构的离合器自动 结合。此时驾驶者可以通过传统的机械结构控制转向，进行紧急避险。
4）自动防故障系统是线控转向系统的重要模块，它包括一系列的监控和实 施算法，针对不同的故障形式和故障等级做出相应的处理，以求最大限度地保持 汽车的正常行驶。故障自检测和自动处理是线控转向系统最重要的组成系统之一。 它采用严密的故障检测和处理逻辑，以更大地提高汽车安全性能。
电子线控转向系统的代表车型就是英菲尼迪的 Q50/Q50L。由于采用电子线 控转向系统，车辆的转向特性可以智能的调节，比如偏沉稳还是偏轻盈灵动。并 且结合驾驶辅助系统的车道识别功能还能主动的修正车辆行驶方向保持在车道 中间位置行驶。