汽车助力转向系统的应用及发展趋势

姚飛 何述华 叶桎何 王义龙

摘 要：转向系统是控制汽车行驶路线和方向的重要装置，其性能直接影响到汽车的操纵性能和稳定性能。动力转向系统是利用发动机的动力来帮助司机进行转向操纵的装臵，它把发动机的能量转换成液压能（电能或气压能），再把液压能（电能或气压能）转换成机械能作用在转向轮上帮助司机进行转向，故应称之为动力助力转向系统。它最初主要是为了减小司机施加到方向盘上的转向力而应用到汽车上的。电动液压助力转向系统采用电动机驱动液压助力系统油泵，具有能够根据汽车行驶工况实现助力程度自动控制、改善转向手感、节约能量消耗、安装布置方便等优点。本文主要分析液压动力转向系统的原理及发展，并指出通过与其他动力学控制系统一起实现底盘一体化集成控制将是主动转向技术未来的发展方向。

关键词：助力转向 电控 液压

引言

从1886年第一辆汽车诞生至今已经100多年了，汽车这一被称为“改变世界的机器”，早已从价格昂贵的奢侈品变成了现代社会不可或缺的重要交通工具之一。目前汽车的发展方向是安全、节能和环保，作为汽车主动安全的转向系统随着科学技术的进步从简单的纯机械式转向系统、液压助力转向系统、电动助力转向系统的发展过程。

2.汽车助力转向系统

2.1 液压助力转向系统

液压助力转向系统是在传统的机械转向系统基础上增加液压系统，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液大小，提供转向助力，减小驾驶员作用在转向盘的转矩，降低驾驶员的劳动强度。通常情况下，车辆转向所需的转矩是由发动机通过驱动油泵所提供。液压助力转向存在以下缺点：

（1）液压助力转向系统在汽车行驶时需要消耗一定的能量，增加了液压油泵、液压缸、油管和一些辅助装置，增加的汽车行驶时的油耗，其燃油经济性较差，一般轿车每行驶一百公里需要多消耗0.3-0.4升的燃料。

（2）助力特性不能随着车辆速度的变化进行自动调节，无法兼顾车辆低速转向的轻便性和高速转向的转向路感。

（3）转向回正性差。液压助力转向系统在回正过程中，不可避免存在阀芯和阀套之间的残余角，即转向盘回到中间位置时助力压差不能立即减少为零，形成阻碍回正的阻力矩，影响车辆转向的回正特性。

2.2电动助力转向系统

电动助力转向系统]是一种直接依靠电机提供辅助转向力矩的动力转向系统，主要由传感器、助力电机、减速机构、驱动器和控制单元等关键要素组成。不同类型电动助力转向系统的基本原理是相同的：当驾驶员操纵方向盘时，装置转向轴上的传感器实时测量转向轴的转矩值，并将转矩信号和车辆状态信息送入控制单元，根据不同工况实施不同的转向控制策略，由控制器输出转向控制信息，控制电机输出适当的电磁转矩和电机旋转方向，由减速系统进行减速增牛后施加在车辆的转向轴上，实现车辆助力转向。与传统的动力转向系统相比，电动助力转向具有以下特点：

（1）电动助力转向系统能够在不同车速下给车辆提供最佳的转向助力，其助力特性的设计根据车辆行驶速度的不同和驾驶员施加的转向转矩情况控制转向系统的助力情况，可以兼顾车辆在低速行驶时的转向轻便性及车辆高速行驶时的转向稳定性，保证驾驶员获得良好的路感，从而改善车辆的操纵稳定性；

（2）电动助力转向系统具有较好的燃油经济性。与液压助力转向相比，其转向助力电机这有在车辆转向时实施助力功能，减少了燃料消耗；

（3）助力转向系统的能量来自于车载蓄电池，与发动机无关，即使车辆发动机出现熄火或故障的情况下也能提供转向助力；

2.3 电控液压助力转向系统

电控液压助力转向是在液压助力转向系统的基础上增加电控装置构成的。与液压助力转向系统相比，系统增加了液压反应装置和液流分配阀，而加设的电控系统包括动力转向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辆速度调节作用在方向盘上的助力，通过控制转向控制阀阀芯和阀套的开启程度，调节液压助力系统助力的大小，从而实现辅助转向力矩随着车辆行驶速度变化而变化。根据控制方式不同又可分为流量控制式、压力控制式、反力控制式和阀特性控制式等多种形式。但即使是最新的产品也无法根除液压助力系统在布置、安装、密封性、操控性、能量消耗等固有缺陷。不过由于其技术较为成熟，可以实现整车电控系统一体化，以此作为传统液压动力转向系统向先进转向系统发展的过度产品，在现阶段仍具有相当优势，并且还将继续得到改进和发展。

常规电控液压助力转向技术虽然实现了助力特性的改变，提高了高速时的转向路感，但是其存在以下缺点：

（1）助力液压泵由发动机驱动，在车辆行驶的整个阶段流量恒定，造成大量的能源消耗，降低了车辆的燃油经济性；

（2）系统成本高，主要应用于高级轿车；

（3）由于电磁阀精度高，其对液压油的品质和过滤条件要求高，維护成本较高。

3.助力转向系统发展前景

随着国民经济的蓬勃发展，汽车以一跃成为当前极为重要的交通运输工具。从全世界范围来看，目前还找不出一个无汽车的现代化的先例。汽车的保有量不断增加，由此造成交通情况错综复杂，使得驾驶员转向盘的操作频率增大，这就需要减轻驾驶疲劳，提高操纵的轻便性和灵活性，因此对动力转向系统的要求也越来越高，特别是对电子助力转向系统及其控制系统需要更加深入的研究，来满足日益复杂的交通现状。

结论

汽车助力转向系统对于当今社会日益复杂化的交通态势有着举足轻重的作用，对驾驶者的驾驶体验，以及车辆本身的安全性提升都有重要意义。助力转向系统的研究应用，将会大大增加行车安全和人身安全，可以防止由于路况复杂导致的驾驶者操作不顺利而引发的交通事故，现在电子助力转向系统的日益普及，也是汽车发展的重大突破。

参考文献：

[1]孟涛，陈慧，余卓平.电动助力转向系统的回正与主动阻尼控制策略研究[J].汽车工程.2006.12.1125-1128.

[2]于蕾艳，林逸，施国标.线控转向系统的主动转向控制策略研究[J].计算机仿真.2008.05.233-235.

[3]张昌华.电动助力转向系统的研究与设计[C].武汉.武汉理工大学.2004.

[4]臧杰，阎岩.汽车构造第2版（下册）[M].机械工业出版社.2010.

[5]施国际，林逸，张昕.动力转向技术及其发展[J].农业机械学报.2006（10）：137-176.