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汽车转向系统的类型和组成

汽车转向系统的类型和组成

至今,汽车转向系统经历了传统机械转向系统、液压助力转向系统、电液助力转向系统和电动助力转向系统4个发展阶段,未来则可能向线控动力转向系统发展。目前汽车转向系统正处在液压助力转向系统、电液助力转向系统向电动助力转向系统发展的过渡阶段。


机械转向系统

机械转向系统以驾驶员的体力作为转向能源,所有传递力的构件都是机械的,主要由转向操纵机构 、转向器和转向传动机构 三大部分组成。

传统机械转向系统(MS)主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构3部分组成。

转向操纵机构是驾驶员操纵转向器工作的机构,包括从方向盘到转向器输入端的零部件。转向器是把方向盘传来的转矩按一定传动比放大并输出的增力装置,转向器最早采用的是蜗轮蜗杆式,以后陆续出现了螺杆螺母式、齿轮齿条式、循环球式等形式。

转向传动机构是把转向器输出的力矩传递给转向车轮的机构,包括从转向摇臂到转向车轮的零部件。当汽车需要改变行驶方向时,驾驶员通过转动方向盘,转向力矩经由转向轴、转向器、直拉杆、横拉杆和梯形臂等机件使转向节偏转,实现汽车方向的改变。
传统机械转向系统的优点是结构简单、工作可靠、生产成本低。其缺点也非常明显:
(1)随着汽车速度的提高和汽车质量的增大,转向操纵难度增大,转向越来越费力。
(2)是其传动比是固定的,即角传递特性无法改变,导致汽车的转向响应特性无法控制,传动比无法随汽车转向过程中的车速、侧向加速度等参数的变化而进行补偿,驾驶员必须在转向之前就对汽车的转向响应特性进行一定的操作补偿,这样无形中增加了驾驶员的精神和体力负担。

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前轮为独立悬架时,机械转向系统的组成及布置与红旗CA7220型轿车相似。

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当前轮为非独立悬架时,机械转向系统的组成及布置如下图所示。由于转向盘距离转向器较远,二者之间用万向节和传动轴构成的万向传动装置相连。


动力转向系统
动力转向系统是兼用驾驶员体力和发动机 (或电动机)的动力作为转向能源的转向系统。动力转向系统是在机械转向系统的基础上加设一套转向加力装置而形成的。

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液压助力转向系统
液压助力转向系统(HPS)是在传统机械转向系统基础上额外加装了一套液压助力系统,一般由油泵、V形带轮、油管、供油装置、助力装置和控制阀等组成。它以液压油为动力,通过液压泵产生的动力来推动机械转向器工作。
由于该系统通过液压力作用来推动传统机械转向机构的转向运动,从而减轻了驾驶员的劳动强度,在一定程度上解决了传统机械转向系统由于传动比固定而造成的转向“轻便”与“灵敏”之间的矛盾。但是,这类动力转向系统是靠方向盘转动时带动扭杆直接改变液压系统油路的通道面积来提供可变的助力。即助力大小与车速的高低没有关系,只与转向角度有关。转向盘转过的角度越大,液压系统提供的助力也越大。同时,该系统存在着以下缺点:
(1)不管汽车转不转向,只要发动机工作,液压助力泵就会在发动机带动下工作,额外消耗发动机的能量。
(2)转向助力特性不可调,高速和低速时助力特性相同。在低速转向需要较大助力时,往往因发动机转速低而助力效果差,而在高速转向需要较小助力时,会因发动机转速高而助力作用大,导致转向过于灵敏,使汽车的操纵稳定性变差。
(3)液压系统本身所固有的液压油泄漏问题和转向噪声使得转向舒适性大大下降,同时对环境造成污染。由于液压助力转向系统工作可靠、技术成熟,能提供大的转向助力,目前被广泛应用。



电液助力转向系统
电液助力转向系统的转向助力特性在工作时可以改变。它主要有2种类型:电控液压助力转向系统(ECHPS)和电动液压助力转向系统(EHPS)。目前汽车上应用最多的是电动液压助力转自系统。


(1)电子控制式液压动力转向系统
电控液压助力转向系统(ECHPS)是在液压助力转向系统基础上增加了控制液体流量的电磁阀、转矩传感器、车速传感器以及转向控制单元等元件。理想情况下,汽车在原地转向时要求转向尽量轻便,在汽车以不同的速度运行时,能实时提供相应的转向助力以克服该运行速度下的转向阻力,使驾驶员既能轻便地操纵方向盘,又有足够的路感。
在转向过程中, ECHPS存在着由于油泵的持续工作所造成的多余能量消耗,

整个液压系统占用空间大、容易泄漏、噪声大等缺点,而且增加了车速检测控制装置。而且控制阀的结构较HPS复杂且成本较高,目前主要应用于高级轿车及运动型乘用车上。


(2)电动液压助力转向系统
电动液压助力转向系统(EHPS)也是在液压助力转向系统基础上发展起来的。其特点是将原来由发动机驱动的液压助力泵改由电动机驱动,并且增加了车速传感器、转向角速度传感器以及转向控制单元等电控装置。该系统的液压储油罐、油泵、电动机和转向控制单元都集成在电动机油泵组内。工作时转向控制单元根据汽车的行驶速度和方向盘转向角度等输入信号计算出理想的输出信号,控制电动机输出适当的功率,驱动液压助力泵工作。通过液压油为转向器提供助力。 与液压助力转向系统相比,它节省了发动机的燃油消耗,提高了经济性。
电液助力转向系统尽管在液压助力转向系统基础上有了较大的技术改进,但液压装置的存在使得该系统仍有难以克服的缺点,如存在渗油、不便于安装维修等。虽然实现了变助力特性,但该系统在液压助力系统基础上又增加了电子控制装置,使得系统结构复杂,成本增加。由于电液助力转向系统技术较为成熟,可以实现整车电控系统的一体化,作为传统液压助力转向系统向电动助力转向系统过渡的中间技术,在一定时间内还将继续得到应用和发展。

电动助力转向系统(EPAS或EPS)
电动助力转向系统是在传统机械转向系统的基础上,增加了传感器装置、电子控制装置和转向助力机构等。其特点是使用电动执行机构在不同的驾驶条件下为驾驶员提供合适的助力。系统主要由电子控制单元ECU、扭矩传感器、车速传感器、电动机、离合器和转向柱总成等组成。
EPS与HPS相比,除节省能源外,由于取消了液压系统而提高了环保性能,很好地解决了液压传动带来的种种弊端。整套系统由生产厂家一起提供给整车生产厂,可以直接安装。对不同车型、不同工况以及不同驾驶员所需的不同转向助力特性,可通过软件修改,方便快捷。完整的EPS系统还包括故障诊断与安全保护系统。当发生故障时,能停止助力,自动恢复到手动控制方式并发出警报信号,同时显示所记忆的异常内容如扭矩传感器本身异常、车速传感器异常以及电动机工作异常、蓄电池异常等等。
电动助力转向系统已成为目前汽车转向系统技术发展的主流,但是该系统也有其局限性,由于电动机的发电功率和提供的转向助力也很有限,如果车身较重,转向系统需要有较大的驱动力量,电动助力转向系统就显得力不从心了。所以该系统多用于小型汽车上,目前已大量装备到中高级轿车上,并逐渐向普通型轿车和小型商用汽车发展。

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