汽修專業(yè)畢業(yè)論文-汽車的常用轉向系統(tǒng)的性能分析

摘要汽車轉向性能是汽車的主要性能之一。轉向系統(tǒng)的性能直接影響車輛的操縱性和穩(wěn)定性。它在保證車輛安全行駛、減少交通事故、改善駕駛員工作條件等方面發(fā)揮著重要作用。本文綜述了常用汽車轉向系統(tǒng)的性能，包括機械轉向系統(tǒng)、液壓轉向系統(tǒng)、電動轉向系統(tǒng)和線控轉向系統(tǒng)。本文主要分析各轉向系統(tǒng)的結構、工作原理，重點最各類轉向系統(tǒng)的性能優(yōu)劣進行分析。關鍵詞：轉向系統(tǒng)；機械轉向；電動轉向；線控轉向；性能優(yōu)劣

一、轉向系統(tǒng)概念用來改變或保持汽車行駛或倒退方向的一系列裝置稱為汽車轉向系統(tǒng)(steeringsystem)。汽車轉向系統(tǒng)的功能就是按照駕駛員的意愿控制汽車的行駛方向。汽車轉向系統(tǒng)對汽車的行駛安全至關重要，因此汽車轉向系統(tǒng)的零件都稱為保安件。汽車轉向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)都是汽車安全必須要重視的兩個系統(tǒng)。汽車在行駛過程中，需按駕駛員的意志經常改變其行駛方向，即所謂汽車轉向。就輪式汽車而言，實現(xiàn)汽車轉向的方法是，駕駛員通過一套專設的機構，使汽車轉向橋（一般是前橋）上的車輪（轉向輪）相對于汽車縱軸線偏轉一定角度。在汽車直線行駛時，往往轉向輪也會受到路面?zhèn)认蚋蓴_力的作用，自動偏轉而改變行駛方向。此時，駕駛員也可以利用這套機構使轉向輪向相反方向偏轉，從而使汽車恢復原來的行駛方向。這一套用來改變或恢復汽車行駛方向的專設機構，即稱為汽車轉向系統(tǒng)（俗稱汽車轉向系）。因此，汽車轉向系的功用是，保證汽車能按駕駛員的意志而進行轉向行駛。二、轉向系統(tǒng)的類型汽車轉向系統(tǒng)經歷了純機械式轉向系統(tǒng)（傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)）、液壓助力轉向系統(tǒng)、電動助力轉向系統(tǒng)、線控轉向系統(tǒng)4個基本發(fā)展階段。（一）純機械式轉向系統(tǒng)純機械式轉向系統(tǒng)，是指汽車的轉向運動是由駕駛員操縱方向盤，通過轉向器和一系列的桿件傳遞到轉向車輪而實現(xiàn)的。普通的轉向系統(tǒng)建立在機械轉向的基礎上，通常根據(jù)機械式轉向器形式可以分為：齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式。常用的有兩種是齒輪齒條式和循環(huán)球式(用于需要較大的轉向力時)。這種轉向系統(tǒng)是我們最常見的，目前大部分低端轎車采用的就是齒輪齒條式機械轉向系統(tǒng)。從上世紀四十年代起，為減輕駕駛員體力負擔，在機械轉向系統(tǒng)基礎上增加了液壓助力系統(tǒng)HPS(hydraulicpowersteering)，它是建立在機械系統(tǒng)的基礎之上的，額外增加了一個液壓系統(tǒng)，一般有油泵、V形帶輪、油管、供油裝置、助力裝置和控制閥。由于其工作可靠、技術成熟至今仍被廣泛應用。現(xiàn)在液壓助力轉向系統(tǒng)在實際中應用的最多，根據(jù)控制閥形式有轉閥式和滑閥式之分。這個助力轉向系統(tǒng)最重要的新功能是液力支持轉向的運動，因此可以減少駕駛員作用在方向盤上的力。雖然傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)工作最可靠，但是也存在很多固有的缺點，傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)由于方向盤和轉向車輪之間的機械連接而產生一些自身無法避免的缺陷：①汽車的轉向特性受駕駛員駕駛技術的影響嚴重；②轉向傳動比固定，使汽車轉向響應特性隨車速、側向加速度等變化而變化，駕駛員必須提前針對汽車轉向特性幅值和相位的變化進行一定的操作補償，從而控制汽車按其意愿行駛。這就變相地增加了駕駛員的操縱負擔，使汽車轉向行駛存在很大的不安全隱患；③液壓助力轉向系統(tǒng)經濟性差，一般轎車每行駛一百公里要多消耗0.3~0.4升的燃料；另外，存在液壓油泄漏問題，對環(huán)境造成污染，在環(huán)保性能被日益強調的今天，無疑是一個明顯的劣勢。機械轉向系特點分析如下：（1）效率高，操縱輕便，有一條平滑的操縱力特性曲線。（2）布置方便。特別適合大、中型車輛和動力轉向系統(tǒng)配合使用；易于傳遞駕駛員操縱信號；逆效率高、回位好，與液壓助力裝置的動作配合得好。（3）可以實現(xiàn)變速比的特性，滿足了操縱輕便性的要求。中間位置轉向力小、且經常使用，要求轉向靈敏，因此希望中間位置附近速比小，以提高靈敏性。大角度轉向位置轉向阻力大，但使用次數(shù)少，因此希望大角度位置速比大一些，以減小轉向力。由于循環(huán)球式轉向器可實現(xiàn)變速比，應用正日益廣泛。（4）通過大量鋼球的滾動接觸來傳遞轉向力，具有較大的強度和較好的耐磨性。并且該轉向器可以被設計成具有等強度結構，這也是它應用廣泛的原因之一。（5）變速比結構具有較高的剛度，特別適宜高速車輛車速的提高。高速車輛需要在高速時有較好的轉向穩(wěn)定性，必須保證轉向器具有較高的剛度。（6）間隙可調。齒條齒扇副磨損后可以重新調整間隙，使之具有合適的轉向器傳動間隙，從而提高轉向器壽命，也是這種轉向器的優(yōu)點之一。（二）液壓助力轉向系統(tǒng)動力轉向系統(tǒng)的技術革新差不多都是基于液壓轉向系統(tǒng)，比較有代表性的是變流量泵液壓動力轉向系統(tǒng)和電動液壓助力轉向系統(tǒng)。變流量泵助力轉向系統(tǒng)在汽車處于比較高的行駛速度或者不需要轉向的情況下，泵的流量會相應地減少，從而有利于減少不必要的功耗。電動液壓轉向系統(tǒng)采用電動機驅動轉向泵，由于電機的轉速可調，可以即時關閉，所以也能夠起到降低功耗的功效。液壓助力轉向系統(tǒng)使駕駛室變得寬敞，布置更方便，降低了轉向操縱力，也使轉向系統(tǒng)更為靈敏。由于該類轉向系統(tǒng)技術成熟、能提供大的轉向操縱助力，目前在部分乘用車、大部分商用車特別是重型車輛上廣泛應用。（三）電動助力轉向系統(tǒng)簡稱電動式EPS或EPS(ElectronicPowerSteeringsystem)在機械轉向機構的基礎上，增加信號傳感器、電子控制單元和轉向助力機構。電動式EPS是利用電動機作為助力源，根據(jù)車速和轉向參數(shù)等因素，由電子控制單元完成助力控制，其原理可概括如下：當操縱轉向盤時，裝在轉向盤軸上的軸距傳感器不斷地測出轉向軸上的轉矩信號，該信號與車速信號同時輸入到電子控制單元。電控單元根據(jù)這些輸入信號，確定助力轉矩的大小和方向，即選定電動機的電流和轉動方向，調整轉向輔助動力的大小。電動機的轉矩由電子離合器通過減速機構減速增矩后，加在汽車的轉向機構上，使之得到一個與汽車工況相適應的轉向作用力。例如，?？怂沟腅HPAS電子液壓系統(tǒng)由電腦根據(jù)發(fā)動機轉速、車速以及方向盤轉角等信號，驅動電子泵給轉向系統(tǒng)提供助力。助力感覺非常的自然。因此很多人對福克斯方向的感覺相當不錯，轉向操控感覺可以說是隨心所欲。有些車也號稱采用電子助力，但是只是電機助力，沒有液壓輔助，容易產生噪音。助力效果也遠不如?？怂惯@一類型的電子助力。優(yōu)缺：能耗低，靈敏，電子單元控制，節(jié)省發(fā)動機功率，助力發(fā)揮比較理想。（四）線控轉向系統(tǒng)（電子轉向系統(tǒng)）

汽車電子轉向系統(tǒng)是一種全新概念的轉向系統(tǒng)，它取消了方向盤和轉向車輪之間的機械連接，操縱裝置接受駕駛員指令，經過總線發(fā)送消息并從控制裝置獲得相應的反饋;同時轉向控制單元由操縱裝置接受駕駛員的指令，而轉向執(zhí)行裝置則接受來自轉向控制單元的控制命令，實現(xiàn)轉向車輪對應角度的轉向，通過一系列的軟件協(xié)調使它們之間的運動關系達到和諧，因而可以實現(xiàn)一系列傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)所不能實現(xiàn)的功能。

基本工作原理：汽車線控轉向系統(tǒng)的工作原理是，轉向盤轉角傳感器將檢測到的轉向數(shù)據(jù)信號以及汽車運動中的各種信息通過數(shù)據(jù)總線傳遞給電控單元，屯控單元對這些信息綜合分析，根據(jù)自身的內部控制策略，向轉向執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)出指令，進行轉向操作。與此同時，電控單元通過分析轉向盤轉角、車輪轉角等信號，控制轉向盤回正電機，從而模擬出相應的“路感”。三、汽車轉向系統(tǒng)性能優(yōu)劣分析（一）機械式轉向系統(tǒng)1.機械式轉向系統(tǒng)性能優(yōu)勢結構簡單、工作可靠、造價低廉，目前在一部分轉向操縱力不大、對操控性能要求不高的微型轎車、農用車上仍有使用。2.機械式轉向系統(tǒng)性能劣勢雖然純機械式轉向系統(tǒng)工作可靠，但是也存在其自身無法克服的缺點。傳統(tǒng)機械轉向系統(tǒng)由于方向盤和轉向車輪之間是機械的連接，因此轉向傳動比相對固定，即角傳遞特性無法改變，導致汽車的轉向響應特性無法控制，傳動比無法隨汽車轉向過程中的車速、車輛的側向加速度等參數(shù)的變化而進行補償，而且受駕駛員技術的影響比較大，駕駛員必須在轉向過程之前就對車輛的轉向特性進行一定的操作補償來控制車輛按照駕駛員意愿進行運動，這就無形中增加了駕駛員操作的精神和體力負擔。（二）液壓助力轉向系統(tǒng)

1.機械式轉向系統(tǒng)性能優(yōu)勢（1）減輕駕駛員的疲勞強度。動力轉向可以減小駕駛員的轉向操縱力，提高轉向輕便性。

（2）提高轉向靈敏度。可以比較自由地根據(jù)操縱穩(wěn)定性要求選擇轉向器傳動比，不會受到轉向力的制約。允許轉向車輪承受更大的負荷，不會引起轉向沉重問題。

（3）衰減道路沖擊，提高行駛安全性。液壓系統(tǒng)的阻尼作用可以衰減道路不平度對轉向盤的沖擊。

2.機械式轉向系統(tǒng)性能劣勢

（1）選定參數(shù)完成設計之后，助力特性就確定了，不能再進行調節(jié)與控制，因此協(xié)調輕便性與路感的關系困難，從而影響操縱穩(wěn)定性；而按高速性能設計轉向系統(tǒng)時，低速時轉向力往往過大。

（2）即使在不轉向時，油泵也一直運轉，增加了能量消耗。

（3）存在滲油與維護問題，提高了保修成本，且泄漏的液壓油會對環(huán)境造成污染。

（三）電液助力轉向系統(tǒng)

1.機械式轉向系統(tǒng)性能優(yōu)勢電液助力轉向系統(tǒng)通過電控使駕駛員在低速時的轉向手力減小，而在高速時的轉向手力適當增大，從而使汽車操縱穩(wěn)定性與汽車的操縱輕便性達到和諧統(tǒng)一。電液助力轉向系統(tǒng)可以解決傳統(tǒng)機械轉向系統(tǒng)由于轉向器固定傳動比而造成的轉向“輕”與“靈”之間的矛盾。2.機械式轉向系統(tǒng)性能劣勢但是由于其發(fā)展是基于液壓助力系統(tǒng)的，因此無論是電動液壓助力轉向系統(tǒng)還是電控液壓助力轉向都與傳統(tǒng)液壓助力系統(tǒng)同樣存在著液壓油泄漏的問題。這在環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展意識逐漸增強的今天，無疑是一個不小的缺陷。（四）電動助力轉向系統(tǒng)

1.機械式轉向系統(tǒng)性能優(yōu)勢（1）更加節(jié)省能源和環(huán)保。因為EPS沒有液壓器件，所以可算得上是標準的“按需供能型”系統(tǒng)，即在轉向的情況下系統(tǒng)才工作，而汽車停止時或者直線運行時完全不消耗任何能量，這樣一來耗能就會相對較少。因此與液壓動力系統(tǒng)進行比較，可以節(jié)約能源80%到90%。而在不轉向時，EPS燃油消耗會降低2.5%；在使用轉向系統(tǒng)時，則會減少5.5%。另外又因為在-40℃的低溫的狀況下，EPS也可以較好地工作，而傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)只有液壓油預熱后才可以工作，由于EPS沒有起動時的預熱過程，所以節(jié)省了許多能量。EPS也不存在液態(tài)油的泄漏問題，從而也不會對環(huán)境造成嚴重的污染，符合了環(huán)保的設計理念。（2）助力效果相對更好。EPS可根據(jù)汽車運行的不同工況，通過優(yōu)化設計助力特性曲線，獲得準確的助力，助力效果十分理想。同時還可以通過控制阻尼系數(shù)減小因為路面的干擾對轉向系統(tǒng)產生的影響，保障車輛低速行駛時的輕便性，提高汽車高速行駛時的穩(wěn)定性，進而提高汽車的轉向性能。（3）質量大大減輕。與液壓轉向比較，電動助力轉向系統(tǒng)的結構更加簡單，零件數(shù)目顯著減少，因而帶來質量的輕便，于此同時使布置更加簡單，而且降低了工作時產生的噪聲污染。（4）安全性能更好。與HPS比較，EPS發(fā)生故障后，系統(tǒng)通過電磁離合器切斷電機與減速傳動機構的動力連接，進入機械轉向模式。另一方面由于EPS的助力由電機提供，所以與車輛的驅動系統(tǒng)相互獨立，只要電動汽車的DC/DC不出現(xiàn)問題，即使在汽車不啟動或發(fā)生故障也能夠準確的提供助力。（5）開發(fā)和生產的周期短。雖然EPS的設計時間會比較長，但是設計完成以后，可以通過編輯相應的設計程序，實現(xiàn)與各種不同車型之間的匹配，從而能夠減少針對各個車型的設計時間。（6）提高了轉向系統(tǒng)的回正性能。在某一車速下，當駕駛員轉動轉向盤一個角度放手后，汽車具有使其自身回到直線方向行駛的特性，這是汽車固有屬性所決定的。但是EPS系統(tǒng)能夠對回正過程進行人工控制，在最大限度內通過軟件修改設計參數(shù)達到使車輛獲得最優(yōu)回正性的目的。在傳統(tǒng)的HPS中，汽車一旦設計完成，回正特性就無法改變，否則必須徹底改動底盤的結構，實現(xiàn)起來非常困難。2.機械式轉向系統(tǒng)性能劣勢（1）由于車載電源的電壓一般比較低，故電動助力轉向（EPS）系統(tǒng)所能提供的助力轉矩也不會太大，所以不適合用于大型車輛。（2）助力電機、減速機構等零部件的摩擦和轉動慣量會對EPS系統(tǒng)的轉向特性產生一定的影響，因此動力匹配比較困難。（五）線控轉向系統(tǒng)系統(tǒng)

1.線控轉向系統(tǒng)性能優(yōu)勢線控轉向的優(yōu)點在于反應快、舒適、輕盈。線控轉向這項技術最早應用于美國的F-16戰(zhàn)斗機上，戰(zhàn)斗機的轉向需要瞬時將方向打到底，所以電傳動要比機械傳動更加直接、更輕盈。另外，線控轉向系統(tǒng)占據(jù)空間小，為機艙內其余零部件的布置提供了更充足的空間；沒有機械的轉向管柱，避免車輛碰撞時轉向柱對駕駛員的傷害，提高了安全性；方向盤與轉向機之間沒有硬連接，所以震動只有很少部分傳遞到方向盤，舒適性強。以及轉向比可以隨意調節(jié)，由于車輪轉動角度與方向盤之間沒有硬連接，所以方向盤轉動角度與車輪轉動角度之間可以完全由系統(tǒng)控制。2.線控轉向系統(tǒng)性能劣勢線控轉向系統(tǒng)的缺點在于沒有硬連接導致反饋較為虛假；對于運動型轎車和跑車來說，路感不足，駕駛樂趣差；冗余設備導致額外增加成本和重量。

結束語隨著時代的發(fā)展，目前廣泛應用的轉向系統(tǒng)有電子液壓動力轉向系統(tǒng)、電動動力轉向系統(tǒng)和相對新穎的線控轉向系統(tǒng)三種。它們各自的特點都有各自的優(yōu)勢，而有線系統(tǒng)具有最廣泛的適用性，這是最值得我們深入研究的。通過對三種轉向系統(tǒng)的比較可以發(fā)現(xiàn)，液壓動力系統(tǒng)作為早期主流轉向系統(tǒng)，穩(wěn)定性很好，但會帶來油損失，在低溫下使用需要加熱，污染環(huán)境，集成度低，安裝困難；電動轉向系統(tǒng)各方面都有所改進，但穩(wěn)定性有所降低；因此，我們需要進一步探索線控轉向系統(tǒng)的