引言汽車轉向系統(tǒng)是用來改變汽車行駛方向的專設機構的總稱，其功用是保證汽車能按駕駛員的意愿進行直線或轉向行駛。近年來，隨著汽車保有量不斷增加，由此造成交通情況錯綜復雜，使得駕駛員轉向盤的操作頻率增加，這就要減輕駕駛疲勞，提高操縱的輕便型和靈活性，因此對動力轉向系統(tǒng)的要求也越來越高[1]。轉向系統(tǒng)發(fā)展至今，汽車轉向系統(tǒng)先后經(jīng)歷了傳統(tǒng)機械轉向系統(tǒng)（MS）、液壓助力和動力轉向系統(tǒng)（HPS）、電控液壓動力轉向系統(tǒng)（EHPS）、電動助力轉向系統(tǒng)(EPS)以及線控轉向系統(tǒng)(SPW)。本文分別介紹了這5種轉向系統(tǒng)。一、傳統(tǒng)機械轉向系統(tǒng)（MS）機械轉向系統(tǒng)以駕駛員體力作為轉向能源，其中所有傳力件都是機械的[2]。圖1所示為一種機械轉向系統(tǒng)的組成和布置示意圖。圖1機械轉向系統(tǒng)的組成和布置示意圖1—轉向盤2—轉向軸3—轉向萬向節(jié)4—轉向傳動軸5—轉向器6—轉向搖臂7—轉向直拉桿8—轉向節(jié)臂9—左轉向節(jié)10、12—梯形臂11—轉向橫拉桿13—右轉向節(jié)機械轉向系統(tǒng)主要由轉向操縱機構、轉向器和轉向傳動機構三大部分組成。轉向操縱機構是駕駛員操縱轉向器工作的機構，包括從方向盤到轉向器輸入端的零部件。轉向器是把方向盤傳來的轉矩按一定傳動比放大并輸出的增力裝置。轉向傳動機構是把轉向器輸出的力矩傳遞給轉向車輪的機構，包括從轉向搖臂到轉向車輪的零部件。當汽車需要改變行駛方向時，駕駛員通過轉動方向盤，轉向力矩經(jīng)由轉向軸、轉向器、直拉桿、橫拉桿和梯形臂等機件使轉向節(jié)偏轉，實現(xiàn)汽車方向的改變。傳統(tǒng)機械轉向系統(tǒng)的優(yōu)點是結構簡單、工作可靠、生產(chǎn)成本低。其缺點也非常明顯:①隨著汽車速度的提高和汽車質量的增大，轉向操縱難度增大，轉向越來越費力。②是其傳動比是固定的，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、側向加速度等參數(shù)的變化而進行補償，駕駛員必須在轉向之前就對汽車的轉向響應特性進行一定的操作補償，這樣無形中增加了駕駛員的精神和體力負擔[3]。二、液壓助力和動力轉向系統(tǒng)（HPS）液壓助力轉向系統(tǒng)(HPS)是在傳統(tǒng)機械轉向系統(tǒng)基礎上額外加裝了一套液壓助力系統(tǒng)，其系統(tǒng)結構如圖2所示[4]。有一個轉向助力泵(動力來源于發(fā)動機)，油經(jīng)助力泵成高壓油，再經(jīng)分配閥分到轉向機的尺條動力缸中的左或右動力缸，推動活塞助力工作。圖2液壓助力轉向系統(tǒng)示意圖1—轉向盤2—轉向軸3—轉向油管4—轉向中軸5—轉向油泵6—轉向油罐7—轉向減震器8—轉向直拉桿9—整體式轉向器10—轉向搖臂11—轉向橫拉桿12—轉向節(jié)臂汽車裝備液壓動力轉向系統(tǒng)有如下優(yōu)點:①減小駕駛員的疲勞強度動力轉向可以減小作用在轉向盤上的力，提高轉向輕便性。②提高轉向靈敏度。可自由地根據(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;另一方面，當發(fā)生爆胎時，液壓動力轉向可以使駕駛員較容易把握轉向盤。同時液壓動力轉向系統(tǒng)也有不足:①選定參數(shù)完成設計之后，不能調節(jié)與控制助力特性因此協(xié)調輕便性與路感的關系困難。②不管汽車轉不轉向，只要發(fā)動機工作，液壓助力泵就會在發(fā)動機帶動下工作，額外消耗發(fā)動機的能量。③存在滲油與維護問題，提高了保修成本，泄漏的液壓油會對環(huán)境造成污染[5]。三、電控液壓助力轉向系統(tǒng)（EHPS）隨著人們對汽車經(jīng)濟性、環(huán)保性、安全性的日益重視,為了克服液壓動力轉向系統(tǒng)的不足,人們在液壓動力轉向系統(tǒng)的基礎上,加裝了電控系統(tǒng)，從而改善了使用性能。它是目前常見的轉向助力系統(tǒng)，在大、中、小型乘用車上廣泛使用[6]，結構如圖3所示。圖3電控液壓動力轉向系統(tǒng)（電動油泵式）1—電控單元2—電動機3—油泵4—轉向盤5—液壓動力轉向器6—蓄電池圖3為電動泵式電控液壓動力轉向系統(tǒng)，是目前使用較多的電控液壓動力轉向。該系統(tǒng)采用直流電動機代替發(fā)動機驅動油泵，電動機由蓄電池供電控制器根據(jù)車速信號轉向盤轉速信號控制電動機轉速，從而控制油泵的流量，達到變助力轉向的目的。相比較液壓助力系統(tǒng)，其優(yōu)點為：①這在一定程度上降低了發(fā)動機的負荷，從而降低了燃油消耗。②電子控制助力轉向系統(tǒng)中的電動機在不需要提供助力時只有很小的電流通過，只有在需要提供助力時才會提高通過的電流，這樣可以避免消耗不必要的電能。③在低速和高速行駛時都能有良好的助力效果[7]。電控液壓動力轉向系統(tǒng)在傳統(tǒng)的液壓動力轉向系統(tǒng)的基礎上有了一定的改進，但液壓裝置的存在，使得該系統(tǒng)仍有難以克服的缺點，如:還存在滲油問題;零件增加，管路復雜，不便于安裝維修及檢測等。另外，雖然實現(xiàn)了車速感應型變助力特性，但是在原有液壓系統(tǒng)的基礎上又增加了電子系統(tǒng)，使系統(tǒng)更加復雜，成本增加。四、電動助力轉向系統(tǒng)(EPS)在過去幾年中，汽車工業(yè)的發(fā)展加速了電動助力轉向（EPS）的使用[8]。電動助力轉向系統(tǒng)是以電動機的動力作為動力源，利用電子控制裝置對轉向傳動機構施加輔助作用力，協(xié)助駕駛員操作，實現(xiàn)轉向助力。EPS系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機械轉向系統(tǒng)的基礎上設計而成的，結構如圖4所示。圖4電動助力轉向系統(tǒng)簡圖其工作原理為：汽車不轉向時，電動機不工作。當駕駛員操縱轉向盤轉向時，安裝在轉向軸上的轉矩和轉角傳感器將所檢測到的轉矩和轉角的大小和方向信號輸入給ECU。車速傳感器、軸重傳感器等也將各自檢測到的信號輸入給ECU。ECU根據(jù)這些信號，并結合所檢測到的助力電動機的電流反饋信號，進行運算處理，確定電動機助力電流的大小和方向。該電流即為所需的助力轉矩，由電磁離合器通過減速機構減速增矩后，加在轉向軸上使之得到一個與汽車行駛工況相適應的轉向作用力。當ECU檢測到異常信號時，立即斷開電磁離合器，退出助力模式，同時點亮故障指示燈[9]。與傳統(tǒng)的液壓助力轉向系統(tǒng)相比，EPS取消了復雜的液壓系統(tǒng)，助力響應較快，且更為節(jié)能和環(huán)保，在操縱穩(wěn)定性和安全性方面，也充分顯示出了其優(yōu)越性。但是，EPS提供的功率不足，現(xiàn)在的EPS只能用于小型車輛上[10]。近年來，隨著電源電壓提高到24V，甚至42V,EPS的應用范圍越來越廣泛。五、線控轉向系統(tǒng)(SBW)線控轉向系統(tǒng)以電線連接代替機械轉向系統(tǒng)中轉向盤和轉向輪之間的機械連接，通過適當轉向控制大大提高汽車操縱穩(wěn)定性、舒適性等性能[11]。SBW系統(tǒng)的基本結構如圖5所示圖5SBW系統(tǒng)的基本結構圖SBW系統(tǒng)主要包括轉向操縱模塊、轉向執(zhí)行模塊、中央控制模塊(ElectronicControlUnit,ECU)和故障容錯模塊等。SBW系統(tǒng)的基本原理是:當駕駛員轉動方向盤時，傳感器將轉矩和轉角等電信號通過總線傳遞給ECU，經(jīng)過信號分析，ECU能夠辨識駕駛員的轉向意圖，并發(fā)送控制信號給轉向執(zhí)行電機實現(xiàn)車輪轉向。由于取消了方向盤與轉向輪之間的機械連接，通過ECU中的智能控制算法，SBW系統(tǒng)可以根據(jù)汽車的不同工況實現(xiàn)轉向系統(tǒng)的可變角傳遞特性和力傳遞性。當SBW系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，故障容錯模塊將自動啟動容錯控制，保證汽車的基本轉向功能，使汽車沿著駕駛員所期望的軌跡行駛[12]。SBW的優(yōu)點如下：（1）取消轉向柱、轉向器后，有利于提高汽車碰撞安全性和整車主動安全性。（2）提高了整車設計自由度，便于操控系統(tǒng)布置。例如沒有了機械連接，可以很容易把左舵駕駛換為右舵駕駛。（3）轉動效率高，響應時間短。控制單元接收各種數(shù)據(jù)，可以在瞬時轉向條件下，立刻提供轉向動力，轉動車輪。（4）改善駕駛特性，增強操縱性?；谲囁佟恳刂埔约捌渌嚓P參數(shù)基礎上的轉向比率（轉向盤轉角和車輪轉角的比值）不斷變化，低速行駛時，轉向比率低，可以減少轉彎或停車時轉向盤轉動的角度；高速行駛時，轉向比率變大，能夠獲得更好的直線行駛條件?？偨Y本文對5種轉向系統(tǒng)的結構、工作原理和特點都做了闡述，除了線控動力轉向系統(tǒng)還在發(fā)展階段，其它的轉向系統(tǒng)技術都發(fā)展得很成熟了。其中EPS由于其自身的優(yōu)點，現(xiàn)在已經(jīng)逐步代替了其他轉向系統(tǒng)（除了線控動力轉向系統(tǒng)），它在降低油耗以及提升安全性方面的優(yōu)勢得以在乘用車市場飛速發(fā)展，同時商用車也逐漸從液壓助力過渡到電液助力轉向。但由于執(zhí)行元件電動機的問題，EPS提供的功率不足，所以更廣泛使用于小轎車上，重型車更多使用液壓助力系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代智能化交通系統(tǒng)、電子技術、新型材料技術的不斷更新，對EPS提出了更高的要求，無論是硬件開發(fā)還是軟件控制策略方面，未來的EPS將具有高可靠性、低成本、低能耗的優(yōu)點。線控轉向作為下一代的轉向系統(tǒng)，隨著汽車智能化的發(fā)展，在未來的發(fā)展中克服可靠性和安全性問題，將會得到廣泛應用。SBW系統(tǒng)消除了機械之間的聯(lián)系,徹底擺脫了機械固件的限制，完全由電能實現(xiàn)轉向，這大大提高了車輛的燃料利用率，因為只有在需要轉向的時候，才有能量消耗。盡管線控動力轉向系統(tǒng)現(xiàn)在不盡如人意，但SBW仍然是汽車轉向系統(tǒng)的發(fā)展方向。目前一切先進的技術都是從最基本的事物演變過來的，雖然現(xiàn)在很多轉向系統(tǒng)都是向著動力式的方向發(fā)展，但是很多先進的轉向器裝置都是在機械式轉向器的基礎上加了阻力裝置，讓駕駛員轉向操縱更加省力、靈活，所以對于我們而言，要想清楚的了解轉向器的結構以及工作原理，應該從最基本的機械式轉向器進行研究與設計，只有清楚的了解機械式轉向器的結構特點和工作原理，我們才能設計出讓人滿意的轉向器產(chǎn)品。所以在本次的畢業(yè)設計選題中，我從機械轉向器入手研究，認識并了解該轉向器的結構特點和工作原理。

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