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方向盘下的玄机(一):助力转向系统

2017-11-23 10:02 来源:网络 作者:网络

汽车已经成为我们生活中不可或缺的部分,方向盘+换挡杆+踏板的组合似乎已经成为天经地义的汽车控制方式,但是它们各自的作用机理却鲜有人明了。就以我们手中的方向盘为例,广大车友对于常见的各类转向系统概念仍旧模糊,比如“电动助力和液压助力的差别”,“可变助力是怎么回事”等等问题都是大家所好奇的,下面,我们就要为大家系统的介绍各类常见的转向系统,为大家解答这些问题,并与大家一起讨论各种转向系统的玄机和奥秘。

由于篇幅较长,所以我们本文介绍的是我们现在最常见的助力转向系统,解读“助力从何而来”并介绍助力转向系统的分类。

助力转向,顾名思义,就是通过增加外力来抵抗转向阻力,让驾驶者只需更少的力就能够完成转向,也称动力转向,英文为power steering,最初是为了让一些自重较重的大型车辆能够更轻松的操作,但是现在已经非常普及,它让驾驶变得更加简单和轻松,并且让车辆反应更加敏捷,一定程度上提高了安全性。助力转向按照助力的来源不同,可以分为两大类---液压助力和电动助力。

● 机械液压助力

液压动力转向的由来最早要追溯到1902年的2月,英国的Frederick W. Lanchester发明了“cause the steering mechanism to be actuated by hydraulic power”即液力驱动转向机构。之后类似的发明分别有美国和加拿大的发明家相继注册专利。而在汽车生产厂商中,克莱斯勒率先实现了液压助力转向系统的商业化生产,将其命名为Hydraguide油压转向系统,并于1951年将其搭载在克莱斯勒的第六代Imperial(译为帝王)车型上。随着技术的发展,出现了以电子泵代替机械泵的电子液压助力转向系统,所以目前液压助力的主要分为机械式液压助力和电子液压助力两类,另外,在机械式液压助力的基础上还派生出了电子伺服的液压助力转向系统。

我们来看机械式液压助力转向的主要原理,它是基于机械式的齿轮齿条转向机构而来,增加了一整套液力系统,包括储液罐、液压助力泵、与转向柱相连的机械阀、转向机构上的液压缸和能够推动转向拉杆的活塞等等。

机械式助力转向提供液压的液压泵由发动机通过皮带驱动,也就是说只有发动机运转,转向泵才能够运转,这就是为什么发动机熄火后方向盘助力消失的原因。在转向机上,有一个能够随转向柱转动的机械阀,当方向盘未左右转动时,活塞两侧腔室内压力一一致,处于平衡状态。当方向盘转动时,连接在转向柱上的机械阀就会相应的打开或关闭,一侧油液不再经过液压缸而直接回流至储油罐,另一侧油液继续注入液压缸内,活塞两侧产生压差,便会在液力的作用下被推动,进而产生辅助力度推动转向拉杆,让车轮转向,使我们转动方向盘所需的力度大大减小。

液压助力转向系统还有一个好处,就是提升舒适性和安全性,车轮的剧烈跳动和遇到坑洼路面导致轮胎出现非自主的转向时,通过液压对活塞的作用能够很好的缓冲和吸收震动,使传递到方向盘上的震动大大减少。同时这种结构还提升了安全性,比如使用传统齿轮齿条机构的车辆在转向时轮胎遇到坑洼突然变向,齿条会带动齿轮使方向盘反转,出现“打手”的情况,很容易使驾驶者的手部受到伤害,在液压助力的车辆上就不会有这样的问题。

机械式液压助力特点:整套系统均为机械结构,从由皮带驱动的机械式液压泵到转向柱上的液压机械阀体,没有任何电子系统,技术成熟稳定、可靠性高、适用范围很广,即使车辆的液压系统出现故障,失去助力,还是能够依靠传统的齿轮齿条机构进行转向。缺点是构造较复杂,占用空间较大,制造成本较高,也使得保养维护的难度和成本都比较高。并且由于液压泵靠发动机皮带驱动,所以会消耗发动机的一部分动力,影响燃油经济性和车辆的动力性,尤其是对于动力本身就相对孱弱的小排量车型的影响比较明显。另外,单纯的机械式液压助力系统助力力度不可调节,很难兼顾低速和高速行驶时对指向精度的不同需求。

● 电子液压助力

所谓的电子液压助力,Electro-hydraulic power steering,简称EHPS,其助力原理与机械式液压助力完全相同,而与机械式液压助力最大的区别就是不再使用由发动机通过皮带驱动的液压泵,而是换成了电力驱动的电子泵。

电子液压助力的优势首先体现在能耗上,首先由电能驱动的电子泵使用发电机和电池输出的电能,不再消耗发动机本身的动力,电子泵的启动和关闭全部由电子系统控制,在不做转向动作的时候,电子泵关闭,不像机械液压助力泵那样始终与发动机联动,进一步减小能耗。

其次,电子液压助力转向系统的电子控制单元,能够通过对车速传感器、横向加速度传感器、转向角度传感器等传感器的信息的处理,通过实时改变电子泵的流量来改变转向助力的力度大小,也就是随速可变助力功能。当然,并不是只有电子液压助力能够实现助力随速可变,我们将会在之后的文章中为大家详细介绍各种“可变”的助力转向系统。

电子液压助力从上世纪90年代后期开始逐渐普及,福特、大众、丰田、本田、马自达、标致、雪铁龙等品牌均有使用电子液压助力系统的车型。我们熟悉的马自达3、凯旋等车型使用的都是这样的系统。

电子液压助力为何无法取代机械液压助力?

无论是从技术、功能、还是经济性方面来看,电子液压助力都较机械式液压助力更具优势,但是,目前电子液压助力并没能够取代机械式液压助力,主要原因有如下几方面:

1.电子液压助力成本更高。相对机械式的液压助力系统,加入了电控系统换上电子泵后、电子液压助力的制造成本更高,技术也更加复杂,保养维修的难度和成本也随之提高。

2.可靠性不及机械液压助力。电子液压助力除了会出现转向机构和液压机构的故障外,还增加了电气系统出现故障的可能性,因而可靠性不及传统液压助力系统。

3.助力力度有限。虽然使用电子泵有明显优势,但是,电子泵需要由发电机的电能驱动,而车载发电机的本身功率和蓄电池能够提供的最大电流都有限,所以电子泵的功率也受到限制,能承载的负荷也有限。所以目前使用电子液压助力的车型大多为中小型车辆。对于需要较大助力力度的车辆而言,电子液压助力系统就有些鞭长莫及了。

4.进化的机械液压助力系统。随着技术的发展,电子液压助力的随速可变功能在进化的机械液压助力系统上也已经能够实现(使用电磁阀体技术),甚至在机械式液压助力转向系统的基础上衍生出了可变速比的主动转向系统,所以可靠性和可承载负荷都更高的机械液压助力系统依然受到厂商的欢迎。

● 电动助力

电动助力转向系统(Electric power steering 简称EPS or EPAS) )也是上世纪90年代后期开始才逐渐应用到量产车上的转向技术,与液压助力系统一样,仍然是基于齿轮齿条式转向机构而来,只不过助力机构由复杂的液压机构变成了依靠电动机产生助力的系统。

从示意图上我们可以看出,电动助力转向系统的结构非常简单,没有了液压泵、储液罐、液压管路和转向柱阀体结构,而是由传感器、控制单元和助力电机构成。在转向柱位置安装了转矩传感器,当方向盘转动时,转矩传感器探测到转动力矩,并将之转化成电信号传给控制器,车速传感器也同时信号传给控制器,控制器运算后向电机输出适当的电流,驱动电机转动,电动机通过减速机构将扭矩放大推动转向柱或转向拉杆运动,实现助力。其根据速度可变助力的特性能够让方向盘在低速时更轻盈,而在高速时更稳定。

电动助力转向根据作用位置的不同主要有两种结构。这两种结构分别是对转向柱和转向拉杆施加助力。对转向柱施加助力的电动助力结构,是将助力电机(带有减速机构,起放大扭矩作用)直接接驳在转向柱上,电机输出的辅助扭矩直接施加在转向柱上,相当于电机直接帮助我们转动方向盘。

另一种结构是将助力电机布置在转向机上,直接作用于转向拉杆,用助力电机(带有减速机构,起放大扭矩作用)推动拉杆帮助车轮转向,这种结构更加紧凑,并且便于布置,目前使用比较广泛。而且这种结构相对第一种结构而言,方向盘转向部分与电机辅助是相对独立的,路面的信息能够很好的通过轮胎、齿轮齿条机构回馈至方向盘处,较第一种结构拥有更加清晰的“路感”,更好的兼顾了驾驶乐趣。我们所熟悉的宝马、奥迪、大众、通用等品牌使用的都是这种作用方式的助力转向系统。

『我们所熟悉的宝马、奥迪、大众、通用等品牌使用的都是
这种直接作用于转向拉杆的电动助力转向系统』

电动助力转向系统的优劣

相比液压助力转向系统,电动助力转向有诸多优势:

1.其结构简单紧凑,制造成本低,工艺相对简单,后期的维护和保养也更加简单。

2.系统损耗低(不会像液压助力一样有助力液损耗),运行噪音低,不会有液压泵或电子泵运转的噪音,提升舒适性

3.同时,电动助力转向有着良好的经济性,纯电能驱动,较机械液压助力能耗低。

4.它可与其它电子系统联用,有着强大的功能扩展性。最基本的是“助力力度随速可变”,能够根据车速传感器的信息调节助力力度大小,满足车辆高速和低速行驶时对助力大小的不同需求,响应速度较液压助力系统更快更直接。

在一些高端车型上,电动助力转向与其他系统共享总线数据,与可变阻尼悬挂、电子稳定系统等电子系统联动,提升车辆的操控性能和主动安全表现。同时,伺服式的电动助力转向系统能够依靠电机非常精确的控制车辆的转向角度,因此,自动泊车的功能和车道保持系统自动纠正方向的功能(还有一种依靠制动实现方向纠正的方式)才得以实现。

之前电动助力转向系统比较大的问题是可靠性的问题,现在电动助力转向技术已经非常成熟。但是电子系统还是要比纯机械结构“娇气”一些。尤其是在激烈驾驶情况下,助力电机容易出现过载,影响助力系统工作,所以很多考虑激烈驾驶工况的性能车型都还在使用液压助力转向系统。

其次,就像电子液压助力系统一样,电动助力转向遇到的仍然是功率的瓶颈问题,对于目前的大多数车辆来说,使用的都是12V的电源系统,能够带动的助力电机功率有限,虽然可以通过搭配不同的减速机构改变助力电机的承载能力,适应范围较电子液压助力更广,但是改变范围毕竟有限,对于转向负荷较大的大型车辆来说,电动助力仍然有些力不从心,只有在搭载高容量电池的混合动力车或电动车这类车型上上,才能够有希望匹配大功率的助力转向电机。

在汽车产品环保、低能耗和智能化的大方向下,电动助力转向系统已经成为了主流的趋势,目前像5系Li、奥迪新A6L这类大尺寸的行政级别车型已经全系配备了电动助力转向系统,电动助力转向在功能上的扩展性是其它助力转向系统无法比拟的,相信在未来会有更多豪华车加入电动助力转向的阵营。




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