汽车转向系统技术浅析

郑忠辉　李赛　陈泰吉

摘 要：转向系统是车辆不可或缺的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到车辆的操作稳定性。本文介绍了汽车转向系统工作原理，在此基础上探讨了多种形式的转向系统的主要组成及功能，通过浅析转向系统的关键技术，为转向系统的设计提供一定的理论依据。

关键词：转向系统;工作原理;助力转向

1 汽车转向系统工作原理

汽车转向系统是用于改变或者保持汽车行驶方向的专门机构，通过汽车转向系统驾驶员能保证汽车按照个人的意愿顺利完成直线行驶或者转向。为实现这一功能，需避免车轮在转向过程中相对地面产生滑动阻力，尽可能保证车轮相对地面做纯滚动运动，这就需要汽车的各个车轮均按照自身对应的不同半径做圆周运动。具体图1所示。

通过图示可知，转动中心O处于后轴中心线的延长线上，且左、右两前轮也需围绕中心点O做圆周运动，左、右前轮偏转角关系见式1[1]。

车轮转弯半径是指：转动中心O与外转向轮与地面接触点的距离，在理想情况下，最小转弯半径Rmin与Rmax的关系为：Rmin=。

2 汽车转向系统结构

汽车转向系统主要经历了机械式转向系统、液压助力转向系统、电控液压动力转向系统、电动助力转向系统几个阶段。车辆转向系统的智能化、人性化发展，给驾驶员操纵汽车的灵活性带来了极大的便捷。

2.1 机械式转向系统

汽车机械式转向系统，是指不借助外在动力，依靠驾駛人员操作的一种装置，其主要结构包括方向盘、转向轴、十字万向节、中间轴、转向器等[2]，具体如图2所示。

在汽车转向时，驾驶员转动方向盘，通过转向轴将力矩传递到转向器，经转向器降速增矩后，通过转向摇臂与转向直拉杆传递到转向节臂上，使左转向节以及与其固定的左转向轮绕主销进行偏转运动。同时，左转向节及装于其上的左转向轮发生偏转会将运动通过左转向梯形臂、转向横拉杆以及右转向梯形臂的传递到右转向节，使得右转向节以及与其固定的右转向轮产生相同的偏转运动，从而实现车辆的转向功能。作为完全依靠人力的机械式转向系统，在车辆行驶过程中，人力和机械双重动作的配合，为保证汽车灵活和稳定的形式起到关键作用。

2.2 液压助力转向系统

液压助力转向系统采用液压作为动力，实际操作中转向动作依旧是通过驾驶员来控制完成，但作用于转向机构上的动力能源由完全依靠人力改为由动力装置提供，一定程度上降低了驾驶员的劳动强度。液压助力转向系统机构如图3所示。

转向液压泵安装在汽车发动机上，由曲轴通过皮带驱动向外输出油压，转向油杯有进、出油管接头，通过油管分别和转向液压泵和转向控制阀连接。通过液压泵加压油液，实现利用液压泵产生的动力推动机械转向器工作，从而达到转向控制的目的。

2.3 电液助力转向系统

电液助力转向系统在液压助力转向系统的基础上增加了传感器、转向控制单元等，传感器的运用将车速引入到转向系统，转向控制单元的运用使电液助力转向系统根据不同的行车状态来控制电动机，从而控制电动液压泵的输出来达到控制整个转向系统动作的目的。电液助力转向系统的主要结构如图4所示。

电液助力转向系统主要包括电动机、控制器、转角传感器、齿轮泵、储油罐和转向机等，其中储油罐、齿轮泵、电机、转向控制单元集成一体，通过CAN与整车中央控制单元总线交换必要信息数据，转向机结构与液压助力转向机相同，齿轮泵为电液助力转向系统提供液压助力，齿轮泵由小惯量、内转子、三相无刷直流电机驱动，电源来自汽车12V蓄电池。与液压助力转向系统相比，电液助力转向系统具有更好的转向感及更低的能耗。

2.4 电动助力转向系统

电动助力转向系统是一种智能化的转向系统，通常由扭矩传感器、速度传感器、电子控制器、电动机等机构组成，电动助力转向系统结构图如图5所示。

车辆启动以后系统正式开始工作，当车速低于某一速度时，系统会将车速信号反馈到控制模块，控制模块通过接收到方向盘扭矩值、行驶方向和车辆行驶速度等数据向伺服电机发出控制信号，伺服电机就会根据接收到的指令输出相应的扭矩以产生助动力。当车辆直线行驶不转向时，控制单元不会将扭矩信号发送给伺服电机，伺服电机的电流接近于零。因此在直行驾驶而又不需要转向时，将不会消耗动力。当车速高于某一速度时，伺服电机的电流也接近于零，所以助力是随着车速的增高而减小。基于以上情况，无论车辆行驶中是处于高速还是低速状态，汽车都具有很好的稳定性。

3 汽车转向系统关键技术

液压助力转向系统、电液助力转向系统、以及电动助力转向系统等都是通过在机械转向系统的原有基础上增加不同种类动力能源来实现转向，因此无论车辆使用的那种转向系统，其最基本的机械结构依然可归于机械转向系统。下面通过三个方面浅析转向系统设计过程中需要注意的关键点。

3.1 转向系统传动比确定

转向系统传动比确定的目的是为了增加转向器的输出扭矩，减小驾驶员的输入扭矩，合适的传动比也会使整个转向系统能够合理使用有限的空间资源，满足整车总布置和整车转向性能的需要。

建立转向盘力Fh（N）与转向盘直径、转向器角传动比、转向垂臂长度、转向节臂长度的关系，见式2。

在实际设计过程中，考虑到空间布置等因素，可将l1与l2的比值近似为1，根据式2，在转向力目标值、转向力矩一定的基础上，只需要考虑转向盘直径以及转向器角传动比。

3.2 转向系统结构布置

在车身结构已知的情况下，转向系统结构布置即看成是转向器的空间位置确定。转向器空间位置的确定直接直线影响到转向垂臂和直拉杆以及转向直拉杆和转向节臂之间的夹角，进而影响到驾驶员施加在转向盘上力值的大小，因此转向垂臂与转向直拉杆夹角的设计非常重要。

3.3 转向梯形结构设计

转向梯形结构形式主要有整体式和断开式，当汽车前悬架为非独立悬架时，应当采用整体式转向梯形结构，当前悬架是独立悬架设计时，一般采用断开式转向梯形结构。

对于整体式转向梯形，直拉杆可位于前轴后或前轴前。如果汽车发动机位置较低或者车辆采用前轮驱动，一般选择前置梯形结构。前置梯形结构的梯形臂需向前外侧方向延伸，会导致与制动底板或者车轮产生干涉现象，所以在空间布置上存在着一定的困难。为防止直拉杆在车辆行驶于不平路面上遭到损伤，故直拉杆的设计位置应尽可能高些，至少要超过前轴的高度。

对于断开式转向梯形，转向特性由内、外侧转向轮实际转角差来衡量，影响最大的参数是梯形臂布置角，因此在设计过程中应优化梯形臂布置角度，以使断开式转向梯形达到最佳性能。

4 结论

本文对汽车各种形式转向系统的主要结构和机械转向系统关键技术进行了简单的分析。机械转向系统结构较为简单、工作可靠、成本较低，目前任然有使用，主要用于一些转向操纵力要求较小、对操作性能要求比较低的车型上。液压助力转向系统技术相对比较成熟，可提供较大的转向操纵助力，在轻卡、重卡等中重型车辆上应用较为广泛。电液助力转向系统作为液压助力转向系统向电动助力转向系统的过渡技术，当前在部分车型仍有使用。电动助力转向系统作为车辆的标配，是目前技术发展的主流。在转向系统设计方面，对于转向系统传动比、转向系统的结构布置以及转向梯形结构等的优化设计，将会有效提升转向系统的性能，确保车辆转向的稳定性。

参考文献：

[1]浅谈汽车转向系统的结构及工作原理 高永胜.

[2]汽车转向系的工作原理及故障分析 赵永证.

[3]中型载货汽车转向系统的分析研究与改进设计 刘振成.