汽车转向系统发展史及未来展望

韩艺斐 齐浩男 王金来 李爽

青岛理工大学 山东省青岛市 266520

1 引言

汽车转向系与汽车的操纵稳定性有直接关联，驾驶员的驾驶感受直接受汽车转向性能优劣的影响。伴随着世界上第一辆真正意义上的汽车的问世，机械式的转向系统开始应用于汽车。随着一个多世纪的发展，汽车工业逐渐趋于成熟，人们对于汽车转向系统的要求也越来越越高。到目前为止汽车转向系统已经发展有五代：机械传动系统、液压助力转向、电控液压助力转向、电动助力转向以及线控转向，本文将对它们的发展历程进行详细的介绍。

2 机械式转向系统

早在世界上第一辆汽油机驱动的三轮汽车诞生之前，人们已经制造出了蒸汽机驱动的汽车。这种蒸汽汽车体积庞大，十分笨重，行驶速度缓慢，不仅如此，其所配备的转向装置中转向柱与转向节直接连接，使得汽车转向十分困难，常常会造成因转向不及时而车毁人亡的惨剧。

1885年10月，汽车工业的鼻祖Karl Benz制造出了世界上第一辆汽油机驱动的汽车，该汽车转向装置配有齿轮齿条式转向器，因此，其所创立的奔驰公司也是世界上第一家采用齿轮齿条式转向器的汽车公司。但是这种汽车依然是利用一根操纵杆来控制汽车的前进方向，后来工程师在轮船的转向盘上找到灵感，1896年英国的Frederiek Strickland与汽车制造商A.J.Drak将轮船上的转向盘和转向柱移植到汽车上，汽车方向盘才正式登上历史舞台。

在转向盘刚被装配到汽车上时，转向柱是和地面垂直的，这就使得驾驶员在驾驶汽车时必须站立才能有良好的视野和轻便的操纵感觉。这个问题在1897年得到解决，在这一年，戴姆勒工厂的一名工人意外地发现转向柱与方向盘之间的倾斜会使视野更加开阔，后来经过多次的改良，Daimler Paririan制成了第一辆转向柱与方向盘倾斜的汽车。至此，机械式转向系统才正式走向成熟。

3 液压助力转向系统

机械式转向系统所配备的转向器虽然使得转向较为轻便，但是当汽车载重过大或者一些其他的因素导致转向阻力过大时同样会让汽车转向变得困难，为了使转向系统满足汽车发展的需要，自20世纪初期便出现了各种各样的转向助力装置。

其实有据可查的最早的汽车转向助力装置是一个姓Fitts的人于1876年设计的，这套装置采用电驱动助力，出于种种原因这套装置以及他的设计者并不为大众熟知。

1900年4月23日，美国宾夕法尼亚州的一个叫Eobert E. Twyford的小伙子发布了他四驱系统的专利，其中就包括机械动力转向系统。

1902年 2月，Frederick William Lanchester研究出了“液压驱动转向”系统，并为其申请了专利，但是此时的液压助力转向并未真正投入商业化生产。直到1926年，尚在美国Pierce-Arrow汽车公司的Francis W. Davis研制出了真正实用的液压助力转向装置。之后他跳槽到通用公司，并于1927年为通用的重型卡车配备上了他改进的液压助力系统，重型汽车的驾驶员终于不用再为转向问题苦恼了。

值得一提的是，Francis W.Davis在1931年至1943年根据船用动力转向先后提出了五项汽车转向系统的专利，为之后乘用汽车的液压助力转向研究打下了基础。

1951年克莱斯勒的第六代Imperia车系开始应用较为成熟的液压助力转向系统，并命名为“Hydraguide”——这套系统正是基于Francis W. Davis已经过期的专利而设计的，一经推出便受到广泛好评。之后凯迪拉克公司也开始陆续在他们的汽车上配备液压助力装置，到1954年已经成为凯迪拉克汽车的标配。

1958年美国人Charles F. Hammond对动力转向系统提出了几项优化措施，并在加拿大知识产权局申请专利，液压助力装置正式走向成熟。随后20世纪60年代北美大陆的汽车普遍配有液压助力装置，80年代流行于欧洲，发展至今天已经是一个非常成熟的装置了。

4 电控液压助力转向与电动助力转向

随着液压助力转向装置的普及，汽车的转向开始变得轻便，驾驶员的驾驶体验也提升了很多。但是由于液压装置的动力依靠发动机提供，会在无形中拉低汽车的动力性。而且由于汽车在不同车速下的转向阻力不同，相对于高速转向来说，驾驶员在低速转向时需要对方向盘施加更大的转矩才能使汽车转过相同的角度，这对于汽车的操纵舒适性来说无疑是破坏性的——种种原因使得汽车工程师们依旧孜孜不倦地开发着先进的转向系统。

在20世纪60年代末，通用汽车公司已经为它旗下的Pontiac汽车装备了可变比例动力转向装置。

1970年，法国雪铁龙公司的工程师 Paul Magès研究出了第一个市售的可变辅助动力转向装置，名为“DIRAVI”，并将其配备于雪铁龙SM等车系中。这一装置取消了方向盘与车轮间的硬性连接，克服了传统液压转向系统转向助力不能适应车速变化的缺点，使汽车在不同车速下能产生不同的转向助力，同时汽车在停止时转向盘可以自动回正，即使拿到现在来看，这一项技术也丝毫不落下风。

1988年斯巴鲁XT6装备了一种名为“Cybrid”的自适应电液助力装置，该装置依旧利用液压辅助转向，但是其液压动力依靠电动机驱动，而不是发动机，而且该装置能自动调节转向助力，大大加强了汽车的动力性与操纵舒适性。值得一提的是，深受国内汽车爱好者喜爱的丰田第二代MR2正是配备了该类型的转向助力装置。

同年，日本铃木公司设计出了第一个电动式助力转向装置，并将其装备在Cervo车上，这就是我们目前最常用的EPS装置。该装置以电动机为驱动源，省去了液压装置中复杂的油路布置，并且根据通过ECU的控制来提供更加精确的转向助力，一经推出便赢得了各大汽车制造商的青睐。

可以说电控液压助力装置（EHPS）与电动助力转向装置（EPS）是同时期的科技产物，但是EPS凭借更加优良的性能更受消费者和制造者的喜爱，经过30多年的发展，目前已经成为绝大部分汽车的标配装置。

5 线控转向

汽车电子电器技术与控制技术的的进一步发展为我们指明了未来汽车的发展方向——汽车电子化。基于此，有人便大胆地做出尝试，将汽车的一些机械传动装置换为电子装置，以实现汽车转向的完全电动化——这就是目前研究最火热的线控转向（SBW）。

装备了SBW的汽车由于转向系统没有了机械结构的限制，汽车可以实现极其精准的转向，从而使汽车的操纵稳定性得到大幅度提升。不仅如此，机械结构的消除进一步精简了汽车的外形，实现了汽车的轻量化，无形中也使车内空间得到扩充，汽车可以在内部搭载更多安全装置或者应用娱乐装置，使汽车安全性、实用性大大提升。

此外，SBW可以通过CAN总线连接到ECU上，与其他汽车电子电器设备协同作用，可以实现自动驾驶、自动停车等功能，促进了“车——路——人”一体化进程，为智能无人驾驶汽车的到来创造了先决条件。

6 结语

回看近百年的汽车转向系统的发展历程，总是伴随着创造与改造。转向装置从几个简单的机械结构，发展到现在已经成为了各种复杂机械电子器件的总成，这其中包含了无数汽车工程师的智慧结晶。作为汽车上必不可少的结构，转向系统有着极为光明的发展前景，可以毫不夸张的说，汽车转向系统引领着未来汽车发展的方向。因此，掌握了转向系统的核心，便是抓住了未来汽车的前进道路上的方向盘。