浅谈汽车转向系统的发展趋势

论文题目浅谈汽车转向系统的发展趋势

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摘要

随着汽车工业的发展，汽车转向系统的设计起到的已经不仅仅是传统的使汽车转向的作用，现代汽车工业要求转向系统具有更好的转向灵敏性、转向精确性、转向轻便性。本文将介绍汽车转向系统的一些新技术，通过比较各种转向系统的优缺点，谈论一下汽车转向系统的发展趋势。

关键词：转向系统；转向灵活性；新技术

Abstract

With the development of automobile industry, the automobile steering system design to have not only the traditional role of the automobile steering. The modern automobile industry requires the steering system with steering sensitivity, accurate steering, steering portability better. This paper introduces some new technology of automobile steering system, and introduces the development trend of the automotive steering system.

Key words: steering system; steering sensitivity; new technology

1.绪论

汽车已经成为我们生活中不可或缺的部分，方向盘+换挡杆+踏板的组合似乎已经成为天经地义的汽车控制方式。本文将给大家介绍一下汽车的转向系统。

转向系统是一种改变或恢复汽车转向的专属机构，主要由转向操纵机构、转向器、转向传动机构三部分组成。

按照转向能源的不同，转向系可分为机械转向系和动力转向系。机械转向系是指以驾驶员的体力（手）作为转向能源的转向系。动力转向系是指兼用驾驶员体力和发动机（或电动机）的动力为转向能源的转向系，它是在机械转向系的基础上加设一套转向加力装置而形成[1]。动力传动系统包括机械液压传动系统、电子液压传动系统、电动助力传动系统。

由于传统的纯机械转向系统在转向时很费力，已经渐渐退出了汽车的舞台。我们主要讨论的是动力转向系统中的可变助力转向系统。我们要将“可变”助力大体

划分为两个阵营：仅助力力度可变的助力转向系统以及速比可变的助力转向系统。

2.可变助力转向系统

2.1仅助力力度可变的转向系统

可变助力的优势：能够随车速改变助力力度，在泊车等低速行驶状态下转动方向盘更加轻盈省力，对臂力较小的女性尤为方便，而当车辆高速行驶时，则能够减少助力，使方向盘转动阻力增大，手感变沉，不再像低速时那样灵敏，车辆的方向会变得更容易控制，提升车辆的高速行驶稳定性[2]。

与传统的机械式液压助力系统相比，图2-1所示的液压助力系统多出了一套能够读取速度传感器信息的电子控制单元，并与转向柱连接的机械阀上增加了电磁阀机构。通过电流控制电磁阀开度，可以改变助力油液的流量，使得油液推动助力活塞的力量被改变，就实现了助力力度的调节。控制单元根据车速传感器的信号对电磁阀开度进行控制，便做到了助力力度随速可变的功能。而这种系统的转向执行机构、液压泵等部件仍然是我们所熟悉的。

图2-1

配有电动助力系统的汽车在转向时，转矩(转向)传感器会“感觉”到转向盘的力矩和拟转动的方向，这些信号会通过数据总线发给电子控制单元，电控单元会根据传动力矩、拟转的方向等数据信号，向电动机控制器发出动作指令，从而电动机就会根据具体的需要输出相应大小的转动力矩，从而产生了助力转向。如果不转向，则本套系统就不工作，处于standby(休眠)状态等待调用，与液压助力转向系统对比试验表明：在不转向时，电动助力转向可以降低燃油消耗2.5%;在转向时，可以降低5.5%。其结构如图2-2所示。

图2-2

2.2速比可变的助力转向系统

前面提到的几种“可变助力”转向，能够改变的仅仅是助力力度，说白了只是能够改变方向盘转动时的阻力而已，但是转向比（可简单理解为方向盘转动的角度与对应的车轮转动角度的比值）是不可变化的，我们接下来要说到的可变齿比（速比）的转向系统则要先进的多，不仅能够改变转向的助力力度，在不同情况下，方向盘转角对应的车轮转动角度也是可以变化的[3]。

可变齿比转向系统在技术层面上并不是一个水平的，目前主要有两种方式实现这种功能，一种方式是依靠特殊的齿条实现，原理简单，成本也相对较低，没有过高的技术含量，而另一种就比较复杂，是通过行星齿轮结构和电子系统实现的。由于目前并没有明确的分类，所以我们姑且将它们分为机械式和电子式吧。

不同厂家对这类系统的叫法可谓五花八门，比如 1.宝马AFS （Active Front Steering）主动转向系统。2.奥迪（Audi Dynamic Steering）动态转向系统。3.丰田VGRS (Variable Gear Ratio Steering)可变齿比传动系统。4.本田的这类系统名称为VGR5.奔驰的可变转向比系统则以“直接转向系统”命名。

2.2.1机械式可变齿比转向系统

奔驰的直接转向系统就是第一种方式的典型代表如图2-3所示，它主要是在“齿

轮齿条机构”的“齿条”上做文章，通过特殊工艺加工齿距间隙不相等的齿条，这样方向盘转向时，齿轮与齿距不相等的齿条啮合，转向比就会发生变化，中间位置的左右两边齿距较密，齿条在这一范围内的位移较小，在小幅度转向时（例如变线、方向轻微调整时），车辆会显得沉稳，而齿条两侧远端的齿距较疏，在这个范围内，转动方向盘，齿条的相对位移会变大，所以在大幅度转向时（如泊车、掉头等），车轮会变得更加灵活。这种技术除了对齿条的加工工艺要求比较严格之外，并没有多少“高科技”在其中，缺点在于齿比变化范围有限，并且不能灵活变化，而优势也很明显--完全的机械结构，可靠性较高，耐用性好，结构也非常简单。

图2-3

2.2.2电子式可变齿比转向系统

与上面的方式相比，宝马、丰田所使用的可变齿比转向系统明显要先进许多，使用了更复杂的机械结构并且需要与电子系统结合使用。能够更好的实现“低速时轻盈灵敏，高速稳健厚重”的需求，其为车辆行驶带来的便利性和稳定性都是普通的可变助力转向系统和单纯的“机械式”可变齿比转向无法比拟的。

我们来看转向器及执行单元的剖视图2-4，这里就是AFS的秘密所在。转向柱被从当中打断，我们将连接方向盘的转向柱一端称为输入轴，将直接连接转向齿轮的一端称为输出轴，二者间通过行星齿轮连接，行星齿轮组的壳体是一个可旋转的蜗轮，能够由电机驱动旋转。这套系统有独立的电子控制单元，根据转向角传感器、左右车轮转速传感器、横向加速度传感器的信号控制电动机的开关及运转方向。

当系统未通电或者系统发生故障时，电磁锁会在弹簧的作用卡在蜗杆的锁槽内，锁止蜗杆，壳体不可旋转，此时输入轴与输出轴的转速是相同的，传动比不会发生任何变化，此时它只是一套可变助力力度的机械式液压助力转向系统。而当系统通入电流，电磁锁打开，电动机开始旋转时，变化就发生了。当车辆低速行驶时，电动机驱动蜗轮与输入轴同向运转，蜗轮壳体与输入轴的旋转角度相叠加，输出轴的旋转角度便大于输入轴，车轮便能转动更大的角度，我们的转向动作被“放大”，使车辆变得非常灵活，而当车速较高时，我们需要更大的转向比来提供精准沉稳的指