汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展史及未來展望

韓藝斐 齊浩男 王金來 李爽

青島理工大學 山東省青島市 266520

1 引言

汽車轉(zhuǎn)向系與汽車的操縱穩(wěn)定性有直接關(guān)聯(lián)，駕駛員的駕駛感受直接受汽車轉(zhuǎn)向性能優(yōu)劣的影響。伴隨著世界上第一輛真正意義上的汽車的問世，機械式的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開始應(yīng)用于汽車。隨著一個多世紀的發(fā)展，汽車工業(yè)逐漸趨于成熟，人們對于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求也越來越越高。到目前為止汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展有五代：機械傳動系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向、電控液壓助力轉(zhuǎn)向、電動助力轉(zhuǎn)向以及線控轉(zhuǎn)向，本文將對它們的發(fā)展歷程進行詳細的介紹。

2 機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

早在世界上第一輛汽油機驅(qū)動的三輪汽車誕生之前，人們已經(jīng)制造出了蒸汽機驅(qū)動的汽車。這種蒸汽汽車體積龐大，十分笨重，行駛速度緩慢，不僅如此，其所配備的轉(zhuǎn)向裝置中轉(zhuǎn)向柱與轉(zhuǎn)向節(jié)直接連接，使得汽車轉(zhuǎn)向十分困難，常常會造成因轉(zhuǎn)向不及時而車毀人亡的慘劇。

1885年10月，汽車工業(yè)的鼻祖Karl Benz制造出了世界上第一輛汽油機驅(qū)動的汽車，該汽車轉(zhuǎn)向裝置配有齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，因此，其所創(chuàng)立的奔馳公司也是世界上第一家采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的汽車公司。但是這種汽車依然是利用一根操縱桿來控制汽車的前進方向，后來工程師在輪船的轉(zhuǎn)向盤上找到靈感，1896年英國的Frederiek Strickland與汽車制造商A.J.Drak將輪船上的轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向柱移植到汽車上，汽車方向盤才正式登上歷史舞臺。

在轉(zhuǎn)向盤剛被裝配到汽車上時，轉(zhuǎn)向柱是和地面垂直的，這就使得駕駛員在駕駛汽車時必須站立才能有良好的視野和輕便的操縱感覺。這個問題在1897年得到解決，在這一年，戴姆勒工廠的一名工人意外地發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向柱與方向盤之間的傾斜會使視野更加開闊，后來經(jīng)過多次的改良，Daimler Paririan制成了第一輛轉(zhuǎn)向柱與方向盤傾斜的汽車。至此，機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)才正式走向成熟。

3 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所配備的轉(zhuǎn)向器雖然使得轉(zhuǎn)向較為輕便，但是當汽車載重過大或者一些其他的因素導致轉(zhuǎn)向阻力過大時同樣會讓汽車轉(zhuǎn)向變得困難，為了使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)滿足汽車發(fā)展的需要，自20世紀初期便出現(xiàn)了各種各樣的轉(zhuǎn)向助力裝置。

其實有據(jù)可查的最早的汽車轉(zhuǎn)向助力裝置是一個姓Fitts的人于1876年設(shè)計的，這套裝置采用電驅(qū)動助力，出于種種原因這套裝置以及他的設(shè)計者并不為大眾熟知。

1900年4月23日，美國賓夕法尼亞州的一個叫Eobert E. Twyford的小伙子發(fā)布了他四驅(qū)系統(tǒng)的專利，其中就包括機械動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

1902年 2月，F(xiàn)rederick William Lanchester研究出了“液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)向”系統(tǒng)，并為其申請了專利，但是此時的液壓助力轉(zhuǎn)向并未真正投入商業(yè)化生產(chǎn)。直到1926年，尚在美國Pierce-Arrow汽車公司的Francis W. Davis研制出了真正實用的液壓助力轉(zhuǎn)向裝置。之后他跳槽到通用公司，并于1927年為通用的重型卡車配備上了他改進的液壓助力系統(tǒng)，重型汽車的駕駛員終于不用再為轉(zhuǎn)向問題苦惱了。

值得一提的是，F(xiàn)rancis W.Davis在1931年至1943年根據(jù)船用動力轉(zhuǎn)向先后提出了五項汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的專利，為之后乘用汽車的液壓助力轉(zhuǎn)向研究打下了基礎(chǔ)。

1951年克萊斯勒的第六代Imperia車系開始應(yīng)用較為成熟的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并命名為“Hydraguide”——這套系統(tǒng)正是基于Francis W. Davis已經(jīng)過期的專利而設(shè)計的，一經(jīng)推出便受到廣泛好評。之后凱迪拉克公司也開始陸續(xù)在他們的汽車上配備液壓助力裝置，到1954年已經(jīng)成為凱迪拉克汽車的標配。

1958年美國人Charles F. Hammond對動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提出了幾項優(yōu)化措施，并在加拿大知識產(chǎn)權(quán)局申請專利，液壓助力裝置正式走向成熟。隨后20世紀60年代北美大陸的汽車普遍配有液壓助力裝置，80年代流行于歐洲，發(fā)展至今天已經(jīng)是一個非常成熟的裝置了。

4 電控液壓助力轉(zhuǎn)向與電動助力轉(zhuǎn)向

隨著液壓助力轉(zhuǎn)向裝置的普及，汽車的轉(zhuǎn)向開始變得輕便，駕駛員的駕駛體驗也提升了很多。但是由于液壓裝置的動力依靠發(fā)動機提供，會在無形中拉低汽車的動力性。而且由于汽車在不同車速下的轉(zhuǎn)向阻力不同，相對于高速轉(zhuǎn)向來說，駕駛員在低速轉(zhuǎn)向時需要對方向盤施加更大的轉(zhuǎn)矩才能使汽車轉(zhuǎn)過相同的角度，這對于汽車的操縱舒適性來說無疑是破壞性的——種種原因使得汽車工程師們依舊孜孜不倦地開發(fā)著先進的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

在20世紀60年代末，通用汽車公司已經(jīng)為它旗下的Pontiac汽車裝備了可變比例動力轉(zhuǎn)向裝置。

1970年，法國雪鐵龍公司的工程師 Paul Magès研究出了第一個市售的可變輔助動力轉(zhuǎn)向裝置，名為“DIRAVI”，并將其配備于雪鐵龍SM等車系中。這一裝置取消了方向盤與車輪間的硬性連接，克服了傳統(tǒng)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向助力不能適應(yīng)車速變化的缺點，使汽車在不同車速下能產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)向助力，同時汽車在停止時轉(zhuǎn)向盤可以自動回正，即使拿到現(xiàn)在來看，這一項技術(shù)也絲毫不落下風。

1988年斯巴魯XT6裝備了一種名為“Cybrid”的自適應(yīng)電液助力裝置，該裝置依舊利用液壓輔助轉(zhuǎn)向，但是其液壓動力依靠電動機驅(qū)動，而不是發(fā)動機，而且該裝置能自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向助力，大大加強了汽車的動力性與操縱舒適性。值得一提的是，深受國內(nèi)汽車愛好者喜愛的豐田第二代MR2正是配備了該類型的轉(zhuǎn)向助力裝置。

同年，日本鈴木公司設(shè)計出了第一個電動式助力轉(zhuǎn)向裝置，并將其裝備在Cervo車上，這就是我們目前最常用的EPS裝置。該裝置以電動機為驅(qū)動源，省去了液壓裝置中復雜的油路布置，并且根據(jù)通過ECU的控制來提供更加精確的轉(zhuǎn)向助力，一經(jīng)推出便贏得了各大汽車制造商的青睞。

可以說電控液壓助力裝置（EHPS）與電動助力轉(zhuǎn)向裝置（EPS）是同時期的科技產(chǎn)物，但是EPS憑借更加優(yōu)良的性能更受消費者和制造者的喜愛，經(jīng)過30多年的發(fā)展，目前已經(jīng)成為絕大部分汽車的標配裝置。

5 線控轉(zhuǎn)向

汽車電子電器技術(shù)與控制技術(shù)的的進一步發(fā)展為我們指明了未來汽車的發(fā)展方向——汽車電子化。基于此，有人便大膽地做出嘗試，將汽車的一些機械傳動裝置換為電子裝置，以實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向的完全電動化——這就是目前研究最火熱的線控轉(zhuǎn)向（SBW）。

裝備了SBW的汽車由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒有了機械結(jié)構(gòu)的限制，汽車可以實現(xiàn)極其精準的轉(zhuǎn)向，從而使汽車的操縱穩(wěn)定性得到大幅度提升。不僅如此，機械結(jié)構(gòu)的消除進一步精簡了汽車的外形，實現(xiàn)了汽車的輕量化，無形中也使車內(nèi)空間得到擴充，汽車可以在內(nèi)部搭載更多安全裝置或者應(yīng)用娛樂裝置，使汽車安全性、實用性大大提升。

此外，SBW可以通過CAN總線連接到ECU上，與其他汽車電子電器設(shè)備協(xié)同作用，可以實現(xiàn)自動駕駛、自動停車等功能，促進了“車——路——人”一體化進程，為智能無人駕駛汽車的到來創(chuàng)造了先決條件。

6 結(jié)語

回看近百年的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程，總是伴隨著創(chuàng)造與改造。轉(zhuǎn)向裝置從幾個簡單的機械結(jié)構(gòu)，發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)成為了各種復雜機械電子器件的總成，這其中包含了無數(shù)汽車工程師的智慧結(jié)晶。作為汽車上必不可少的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有著極為光明的發(fā)展前景，可以毫不夸張的說，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)引領(lǐng)著未來汽車發(fā)展的方向。因此，掌握了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心，便是抓住了未來汽車的前進道路上的方向盤。