汽车助力转向技术及其控制策略的研究

廖抒华，杨彩红

（广西工学院汽车工程系，广西 柳州 545006）

传统机械式转向系统依靠人力进行转向，操纵笨重，转向不灵活。为了使转向更灵敏轻便，提高车辆的操纵稳定性、乘坐舒适性，出现了一系列的转向助力形式，包括液压助力、电控液压、电动助力、四轮转向、主动转向、线控转向系统和操纵手柄式，各种系统的控制技术都是为了实现转向系和其它系统的良好匹配，提高整车的综合性能。

1 液压助力转向

20世纪40年代起，为减轻驾驶员体力负担，在机械转向系统基础上增加了液压助力系统 （Hydrau1ic Power Steering， 简称HPS）， 1951年开始在轿车上采用液压助力转向系统，标志着动力转向系统的开端［1］。液压助力转向系统是利用油泵建立油压，经过控制阀调节油量输出相应的转向助力，流量控制阀是液压助力转向系统的核心部件。

最早被应用的流量控制阀是滑阀，滑阀的阀体在转向轴的带动下沿轴线移动来控制油液流量。黄河JN1181C13型汽车上用螺母下部的板状凸缘作为滑阀位置改变的拨板，通过螺母位置的改变带动阀体的移动［2］，此系统减少了系统零件，结构简单，易于布置。

之后的转向系用转阀控制油路，转阀式转向系统采用扭杆作为阀芯和阀体相对转动的载体，扭杆直接与转向轴相连，产生的油压随转向盘转角的大小变化。

但是小齿轮和转向轴之间需产生5°的转角才 能 实 现 转 向［3］， 这 就产生了转向上的滞后，灵敏度不够高。上海大众公司采用的PCF阀有效地缓解了这一问题［3］。PCF阀结构如图1所示，它是在扭杆位置增加了一个拉力弹簧，拉力弹簧缺口处的销子压紧弹簧，用以产生相应的预载荷，汽车高速行驶时，弹簧的预载荷就可以实现转向，低速行驶时转阀也工作，助力增大。但液压转向系统仍在安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗等方面存在不足。

2 电控液压转向

由于流量控制阀的参数一旦确定，液压助力特性曲线就难以改变，这样电控液压系统将车速信号引入，增加了控制单元，形成了车速感应型助力特性。上海大众Po1o轿车装备了TRY公司生产的电控液压动力转向系统，当时在国内处于领先地位。

为了较为精确地调节控制阀的流量，增加转向系的刚度，提高转向系的灵敏性，在系统中增加一个电磁节流阀，如图2所示。

控制器控制节流阀，改变通流面积调节流量，保证输出的助力随车速增加而减小。但是因为节流阀的通流面积小，增加了高压油流过的粘性阻力，与液压助力式一样，转向刚度降低，产生滞后。

另一种是采用文献［3］中两个弹簧并联的方法，形如悬架，采用主副弹簧来增加弹簧刚度。附加弹簧同扭力杆同心安装，节流阀产生的压力将弹簧座压起，扭杆有所松开，变形增大，形成了比较宽的助力特性曲线，如图3所示。

同传统转阀相比，同样大小助力的情况下，变刚度弹簧系统的油压较小。因此紧急情况下，驾驶员就不必担心因油量不足，转向器受力的一侧不能被油液迅速填充而发生事故，提高了安全性。

3 电动助力转向系统

液压助力结构复杂、功率消耗大、能量浪费较多，因此汽车工程师一直在寻求一种更好的助力方式，以获得较强的路感、较轻的操纵力、较好的回正性、较高的抗干扰能力和较快的响应性。20世纪80年代开始，人们开始研究电子控制式电动助力转向 （E1ectric Power Steering， 简称EPS）。 最早应用是在1988年日本铃木Cervo汽车上，随后还安装在A1to上，国内广州本田飞度、思迪、昌河北斗星是最早装备EPS系统的车型，EPS系统结构如图4所示。

最常用的EPS是基于齿条齿轮系统的，有转向柱助力型、齿轮助力型、齿条助力型。

3.1 转向柱式系统

转向柱助力型转向系统是将电动机安装在转向柱上，通过减速机构与转向柱相连，输出的助力直接传递给转向柱。由于是驱动转向柱，需将电动机安装到驾驶舱内，这样就受到驾驶舱空间的限制，电动机体积相对减小，只能输出较小的助力，现在只用于紧凑车上；另一方面电动机的振动、噪声、扭矩变化严重影响驾驶员的舒适性，会引起驾驶疲劳。五十铃公司的A1to汽车采用的是这种布置方案，它的控制单元安装在驾驶员座椅下［4］。

3.2 齿轮助力式

齿轮助力型转向系统的电动机和减速机构与小齿轮相连，输出的扭矩直接传到齿轮上。由于电动机直接与小齿轮相连，这样减小了传动损失，可获得较高的助力，而且不受空间和位置限制，随意性比较大。三菱公司的Minica微型汽车采用了这种方案，它的控制单元安装在前排乘客一侧［4］。

3.3 齿条助力式

齿条助力式转向系统是将电动机和减速机构与齿条相连，直接控制齿条，实现转向。这种控制方式与齿轮式相似，不用考虑空间和位置的影响，还可以产生较大助力。大发公司Mira微型汽车采用的就是这种方案［4］。

3.4 其它控制策略

开始发展的电动助力系统都是基于车速和扭矩信号的，车速和扭矩增大，产生的助力在减小。随着控制技术的发展，考虑到转向系和电动机的摩擦力，很多学者将转向角、横摆加速度、电动机摩擦等信息考虑进来，产生了许多控制策略，如回正控制、阻尼控制、状态反馈控制等。并且，国内多个高校都对电动助力转向控制策略作了相关研究，清华大学对EPS控制系统的基本助力控制、回正控制和阻尼控制进行了研究，设计了基于PID算法的控制策略［5］。江苏大学对EPS系统稳定性分析，回正控制算法等进行了研究［6］。

4 主动转向

在传统转向系统中，转向盘到前轮的转向传动比是固定的。定传动比设计的不足主要表现为：低速或停车工况下驾驶员需要大角度地转动转向盘，而高速时又不能满足低转向灵敏度的要求，否则车辆的稳定性和安全性会随之下降。因此，同时满足转向系统在低速时的灵活性要求与高速时的稳定性要求是车辆转向系统设计的核心问题之一。德国宝马公司和ZF公司联合开发的主动前轮转向系统很好地解决了这一问题，变传动比的设计既提高了低速时的灵活性，又提高了高速时的安全性和稳定性，大大提高了汽车的设计水平，以下的几种转向系统就是变传动比系统。

5 四轮转向系统

由于车辆具有柔性转向，当后轮为负前束时，要保证汽车有不足转向，前轮必须有更大的负前束，这样虽然抗干扰的稳定性提高了，但驾驶员打舵转弯时很吃力，不是理想的特性。但若后轮是正前束或前束为零，既扩大了转弯能力，又同时实现了稳定性和操纵性，四轮转向系就是基于这种思想发展起来的［7］， 德尔福QUADRASTEER后轮转向系统是最早的四轮转向系统［8］。 四轮转向有同相位转向和异相位转向两种方式，如图5所示。

同相位转向能增加车辆的不足转向，提高高速稳定性；异相位转向能减小转弯半径，提高机动性和灵活性。国内多位学者对四轮转向系统进行了研究［9-11］，结果说明了四轮转向系统的操纵稳定性很好。

6 后轮随动转向

随动转向是利用后悬架在轮胎侧向力作用下的变形转向特性，使整个后轴跟随前轮产生相同方向的转向运动的一种被动四轮转向技术。一般来说，车辆在转弯时，后轮通常是随前轮的被动拖导而转弯的，车身因重心偏移而倾斜，不仅跑偏甩尾，也容易侧翻。后轮随动转向技术巧妙地利用转弯时的离心力让后轮跟随前轮产生一个微小的偏转角度，配合扭力杆横向布置的应用，使其在转弯时，尤其是高速时，重心偏移度大大减小，汽车因此而 “头不重，脚不轻”，行驶的稳定性大大增强，不易侧翻，安全系数也随之增加。驾车者感觉自己的操纵更加灵活自如，乘车者的乘坐舒适感也大为改善。雪铁龙富康是最早采用此技术的车型，大大提高了汽车操纵稳定性和乘坐舒适性，但不足之处是在低速时后轮随动转向不起作用。

7 线控转向系统

线控转向 （Steer-By-Wire）是线控技术 （XBy-Wire）的一种。By-Wire意味电子控制，X代表汽车中各个系统。线控转向系统完全取消了机械连接，完全由电子元件来实现汽车转向，其结构如图6所示。控制器根据得到的信号计算前轮转角，向回正电动机和执行电动机发出信号，实现前轮理想转向。系统自行检测故障并进行处理，保证行驶安全性。

目前国外多个国家都在对容错技术、总线技术、电源技术和路感模拟等方面进行研究。国内，同济大学、武汉理工大学、吉林大学都对线控转向系统进行了研究，但还处在初级阶段［12］。相信经过不断发展，线控技术会被广泛应用到汽车上，成为转向系统的主流。

8 操纵手柄式系统

通俗来说，操纵手柄式转向系统就是无转向盘转向系统。美国克莱斯勒公司研制的新一代汽车用操纵手柄取代转向盘和脚踏板，操纵手柄通过计算机逻辑运算控制汽车的加速、转向和制动。

取消了转向盘和脚踏板，汽车内有更大的空间，驾驶座的设计就有更大的自由，提高了驾驶员的舒适性，不会因为长时间把握转向盘感到疲惫。这种新型技术具有智能性，能够检测出汽车方向的改变并及时进行修正，它将会成为人们青睐的对象。

9 结束语

本文对各种助力转向系统的控制技术及控制策略进行了研究，液压助力转向存在转向不灵敏、操纵笨重等问题，但因为产生的操纵力大，安全性高，仍被应用于一些商用车，尤其是重型车。电动助力转向系统经过20多年的发展，技术已经很成熟，被广泛应用到各种车型上。线控转向系统是主动转向的一种，对变传动比的要求一直是转向系统追求的目标，但由于线控系统的不可靠性，只是应用到了概念车上。操纵手柄式转向系统是新型技术，因为这种系统的方便和灵活性，它将会成为转向系的发展趋势。

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