汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展歷史

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車上的重要構(gòu)件，其性能的好壞直接決定汽車操縱穩(wěn)定性能的好壞，作為人與汽車之間的重要連接工具，它隨著汽車整體的發(fā)展和新技術(shù)的出現(xiàn)而推陳出新，改善了駕駛員的駕駛環(huán)境。
1、機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
機(jī)械轉(zhuǎn)向系是以駕駛員的體力作為轉(zhuǎn)向能源，其中所有傳力件都是機(jī)械，其廣泛應(yīng)用于早期汽車以及現(xiàn)代的簡易車輛上。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器在1885 年被應(yīng)用在“本茨”汽車上。因?yàn)槠渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡單、緊湊，質(zhì)量輕，剛性大，轉(zhuǎn)向靈敏，制造容易，成本低，正、逆效率都高的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于輕型車輛上。例如：紅旗CA7220 型轎車，天津TJ1010型微型轎車。
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器是國內(nèi)工廠采用較多的轉(zhuǎn)向器，它具有傳動效率高（正傳動效率高達(dá)90%~95%），嚙合平穩(wěn)、剛性好、轉(zhuǎn)向輕便、靈活的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類各級汽車上。例如：
解放CA1040 型系列輕型載貨汽車，北京BJ1041輕型載貨汽車等。
蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器通常用于轉(zhuǎn)向力較大的載貨汽車和拖拉機(jī)上。例如：東風(fēng)EQ1090E型汽車，豐收-300 型拖拉機(jī)等。
機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從汽車誕生到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)歷了100 多年的發(fā)展，結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新使得現(xiàn)在的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更穩(wěn)定、更易操作、更安全。
2、助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雖然具有工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低的優(yōu)點(diǎn)，但在操作拖拉機(jī)等大型車輛時，往往會使人感到疲勞，操作不靈敏。為了追求更加輕便的操作方式，充分發(fā)揮助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的優(yōu)勢，車輛上出現(xiàn)了機(jī)械式液壓助力轉(zhuǎn)向、電液助力轉(zhuǎn)向和電動助力轉(zhuǎn)向等助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
2.1 機(jī)械式液壓助力轉(zhuǎn)向系HPS（Hydraulic PowerSteering）
液壓助力轉(zhuǎn)向是利用液壓傳力的原理，駕駛員只需要對機(jī)械作用一個較小的力就能在轉(zhuǎn)向輪上產(chǎn)生一個較大的效果。
與傳統(tǒng)機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，機(jī)械式液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)容易安裝，布置靈活，整個原件幾乎沒有需要潤滑的部分，不存在磨損問題，保養(yǎng)簡單，且其轉(zhuǎn)向力是由液壓產(chǎn)生，因此可以實(shí)現(xiàn)助力；但是無論駕駛員轉(zhuǎn)向與否，液壓系統(tǒng)一直處于工作狀態(tài)，低溫工作性較差。
機(jī)械式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用在不同車輛上有幾種不同的類型，如并聯(lián)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（圖1）、串聯(lián)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（圖2）、分置式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（圖3）。
近年來，機(jī)械式液壓助力轉(zhuǎn)向在國外得到越來越廣泛的應(yīng)用。美國查爾林恩公司、丹麥丹佛斯公司生產(chǎn)的種奧爾比特全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，英國的裴麗斯公司生產(chǎn)的全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，美國若斯公司生產(chǎn)的新型全液壓轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等，都是基于液壓技術(shù)發(fā)展起來的。
2.2 電液助力轉(zhuǎn)向系EHPS（Electric Hydraulic PowerSteering）
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)以電子技術(shù)為指導(dǎo)的電控助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)成為一個新的發(fā)展方向。
電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是從液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展而來，該系統(tǒng)采用電動機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)向泵，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速可調(diào)、可以即時關(guān)閉，所以也能夠起到降低功率消耗的功效；但是它沒有解決液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在系統(tǒng)布置、安裝、密封性、操縱靈敏度、能量消耗、磨損與噪聲等方面的缺陷，同時也存在著液壓油泄漏，不便安裝維修和檢測的缺點(diǎn)（圖4 和圖5 分別為電液助力轉(zhuǎn)向的工作原理圖和實(shí)物圖）。
電子液壓助力從20 世紀(jì)90 年代后期開始逐漸普及，福特、大眾、豐田、本田、馬自達(dá)、標(biāo)致、雪鐵龍等品牌均有使用電子液壓助力系統(tǒng)的車型。馬自達(dá)3、凱旋等車型使用的都是這樣的系統(tǒng)。但是，電液助力成本高、助力力度有限、可靠性不及機(jī)械液壓助力，所以電液助力轉(zhuǎn)向無法取代機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向。
2.3 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS（Electric Power Steering）
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不同于電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它是在傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加信號傳感器裝置、電子控制裝置和轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)等。
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，在調(diào)整和檢測、裝配自動化方面有明顯的優(yōu)勢；零件較少，質(zhì)量較輕，與機(jī)械轉(zhuǎn)向系和液壓助力轉(zhuǎn)向相比具有較低噪聲；而且電動助力轉(zhuǎn)向?qū)Νh(huán)境影響小，不存在液壓助力轉(zhuǎn)向中的滲油問題，低溫工作性較好；電控助力轉(zhuǎn)向目前還處于開發(fā)階段，有待進(jìn)一步開發(fā)與研究。
根據(jù)電動機(jī)轉(zhuǎn)矩施加位置和機(jī)械結(jié)構(gòu)不同，電動助力轉(zhuǎn)向可分為管柱式電動助力轉(zhuǎn)向、小齒輪式電動助力轉(zhuǎn)向和齒條式電動助力轉(zhuǎn)向3 類。管柱式電動助力轉(zhuǎn)向（C-EPS）如圖6 所示，助力電機(jī)安裝于轉(zhuǎn)向管柱上，電機(jī)助力轉(zhuǎn)矩作用于轉(zhuǎn)向管柱上；齒輪式電動助力轉(zhuǎn)向（P-EPS）如圖7 所示，助力電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)布置在轉(zhuǎn)向齒輪上，電機(jī)助力轉(zhuǎn)矩作用于轉(zhuǎn)向齒輪上；齒條式電動助力轉(zhuǎn)向（R-EPS）如圖8 所示，助力電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)布置在轉(zhuǎn)向齒條上，電機(jī)助力轉(zhuǎn)矩作用于轉(zhuǎn)向齒條上[4]。
1988 年2 月日本鈴木公司在其Cervo 車
上裝備汽車電動助力轉(zhuǎn)向。在此之后，電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)迅速發(fā)展。大發(fā)、三菱、本田、德爾福汽車系統(tǒng)公司先后研制出電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)并裝配在其產(chǎn)品上。當(dāng)前電動助力轉(zhuǎn)向已經(jīng)在輕型車上得到應(yīng)用，其性能已經(jīng)得到人們的普遍認(rèn)可，隨著直流電機(jī)性能的改進(jìn)，電動助力能力的提高，其應(yīng)用范圍將進(jìn)一步拓寬。
3、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Steer-by-wire）
汽車線控技術(shù)是將駕駛員的操縱動作經(jīng)過傳感器變成電信號，通過電纜直接傳輸?shù)綀?zhí)行機(jī)構(gòu)的一種系統(tǒng)[5]。作為目前先進(jìn)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它幾乎具備了機(jī)械轉(zhuǎn)向、助力轉(zhuǎn)向的所有優(yōu)點(diǎn)，成為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中令人耳目一新的技術(shù)。線控轉(zhuǎn)向技術(shù)具有轉(zhuǎn)動效率高，響應(yīng)時間短的特點(diǎn)，能根據(jù)車速、牽引力等參數(shù)實(shí)時改變轉(zhuǎn)向比率，提高了汽車碰撞安全性和整車主動安全性，具有良好的操縱性，但是目前這一技術(shù)主要應(yīng)用在概念車上。
德國奔馳公司在1990 年開始了前輪線控轉(zhuǎn)向的研究，并將它開發(fā)的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用于概念車F400Carving 上。隨后， Daimler-Chrysler 推出線控驅(qū)動概念車R129。這項(xiàng)控制技術(shù)被列為2000 年汽車新技術(shù)之一。美國通用汽車公司展示了概念車“Autonomy”，并在Autonomy 基礎(chǔ)上開發(fā)了首輛可駕駛的線控燃料電池車Hy-Wire 概念車。2003 年，豐田也展示了采用線控技術(shù)的Fine-S 燃料電池概念車；在2005 年北美車展上，通用推出了新一代氫燃料電池和線控技術(shù)概念車Sequel[6]。隨著電子元件成本的降低、電源技術(shù)的發(fā)展以及可靠性和控制算法的提高，線控轉(zhuǎn)向技術(shù)以及其他線控技術(shù)會在不久的將來全面替代傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。