引言
转向是指驾驶人对车辆的横向运动进行干预 [1]汽车在转向时,驾驶员施加手力在转向盘上,力会经过传动机构和转向器带动转向轮绕转向轴转动,从而实现汽车转向。
21世纪以来,汽车技术发展正逐步朝着智能化方向转变,呈现出平台化、智能化发展特点,部分企业开展产业链规划,营造良好汽车发展环境,智能汽车成为强国战略选择;转向系统作为汽车上的重要系统之一,未来将与汽车发展趋势同步,向平台化、电控化、智能化方向发展。
1商用车转向系统的历史
1956年,新中国第一辆解放牌卡车装配完成,卡车配置蜗杆滚轮式转向系统,该转向系统是早期机械转向系统中的一种,结构简单,故障维修方便,但机械件摩擦阻力大,转向沉重;20世纪70年代,东风二汽装配生产的商用车,绝大多数配置蜗杆曲柄指销式转向系统,指销在系统中的安装位置减少了蜗杆的磨损,相比蜗杆滚轮式转向系统,整体传动效率较高;20世纪80年代以来,循环球式转向器逐渐占领商用车转向系统市场,该转向系统工作时正向效率高,减轻了驾驶员工作强度,寿命长,受到了各大主机厂的一致好评,但它逆向效率很大,会造成“打手”现象。
随着商用车转向行业的发展,目前商用车上配置的转向系统超过九成为液压助力转向系统,极大改善了传统转向系统转向沉重问题。但也有不足:国内商用车配置的大多为常流式液压助力系统,系统中有油泵和转阀,不管系统是否工作,油泵都随着发动机工作,能量损耗严重,增加了整车的燃油消耗;且在工作时,液压油会通过阀芯与阀套细小的缝隙,进入动力缸产生噪声;这也因此促进了低噪音、省油的电动助力转向系统发展。
2电动助力转向系统工作原理
商用车电动助力转向系统分为电动机械循环球转向系统及电动液压助力转向系统。
电动机械循环球转向器主要由电机控制单元、蜗轮蜗杆减速机构、机械循环球转向器组成,转向的动力完全由助力电机提供,蓄电池给整个系统供电。转向时,扭杆会发生变形,安装在输入轴、螺杆上的TAS传感器会检测到转角、扭矩信号;同时ECU结合整车车速等信息,按照控制策略,控制电机转动产生助力扭矩;最后通过减速机构,将扭矩传递到产品输出端,产生需求的扭矩,实现助力转向。
电动液压助力转向系统是在传统液压助力转向系统基础上叠加一套电动助力单元。电动助力单元由助力电机、控制单元、减速机构、扭矩转角传感器组成。当驾驶员转向时,扭矩转角传感器检测到方向盘的转角和扭矩,并将其转化为电信号传递给控制单元。控制单元根据驾驶员的转向意图,结合当前的车速、负载等工况,计算所需助力转矩并启动电机工作,转向手力与电机助力叠加后,共同作用转向控制阀开闭,控制液压助力的大小;驾驶员的转向手力、电机助力与液压助力共同作用,实现助力转向。
相对于目前使用的液压助力转向系统,商用车电动助力转向系统优势明显:
(1)省油:电动助力转向系统只有在工作时,电机才输出动力,降低了油量耗费,提高了经济性。
(2)随速可调、操纵稳定:
(图一:液压助力转向系统力特性曲线) (图二:电动助力转向系统输入输出试验曲线)
液压助力转向系统力特性曲线呈现“U型”,会造成在中、高速行驶时,转向系统反应比较慢,换向轮迟滞,换向不灵活。而电动助力转向系统会通过转向器ECU控制电机在低、中和高速提供不同助力,使驾驶员在高速行驶感到中位明显,避免出现“发飘”现象,驾驶平稳;相比液压助力转向系统,电动助力转向系统中电机会提供回正力矩,换向后会主动回正,保证换向安全。
(3)平台化:电动助力转向系统可以通过配置不同的软件程序,与不同的整车匹配,实现产品平台化,减少开发周期,方便售后服务,减少企业运营成本。
3商用车电动助力转向系统发展趋势与展望
3.1商用车产销量预估
调查近6年的商用车产销量,商用车在2016年之前增速较缓,2016年开始持续增长,分别在2017年达到产销量416.06万辆,同比增长近14%;2020年达到产销量523.1万辆,同比增长更是高达20%,其中中、轻型商用车327万辆,占比62.5%,重型196万辆,占比37.5%。以商用车目前的市场规模及较快的发展速度,可预估到2025年商用车产销量为800万辆。
3.2乘用车电动助力转向系统普及情况
2011年,国家高技术研究发展计划(863计划),将课题电控(电动)助力转向系统研究明确纳入范围,自此乘用车配置电动助力转向系统的规模呈直线增长模式,5年时间,从2011年的28.3%增长至2016年的将近60%;2019年更是占比84.9%。可以说电动助力转向系统在乘用车领域上应用成熟。
3.3商用车电动助力转向系统展望
考虑到电动助力转向系统在中轻型商用车领域应用会比重型商用车应用较快,且商用车的转向系统发展相对乘用车比较滞后,可估计在2025年及之后,销售的中、轻型商用车中电动助力转向系统占比会超过80%,重型商用车上配置电动助力转向系统占比将超过30%。
根据工信部发布的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》,到2025年,新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右,高度自动驾驶汽车实现限定区域和特定场景商业化应用[2]。届时新能源汽车将全部配置电动助力转向器加上常规车型,可估计在2025年,全国年销售商用车配置电动助力转向系统的数量将超过300万套,之后每年保守估计有10万的增幅,电动助力转向系统在商用车领域市场空间较大。
4结论
随着人民生活水平的提高,人们对自己工作环境要求也越来越高,商用车配置电动助力转向系统,降低司机特别是长途运输车辆司机的工作强度;同时也降低了各大主机厂和运输行业非常重视的整车油耗;平台化有效节约企业运营成本;因此在商用车上配置使用电动助力转向系统将成为未来发展的必经之路。
参考文献
[1] 彼得▪普费尔(Peter Pfeffer),曼费雷德▪哈尔(Manferd Harrer)著,李旭东译.汽车转向(中文版▪原书第二版)[M].北京:机械工业出版社.
[2] 工信部.新能源汽车产业发展规划(2021-2305年)[R].
[3] 陈家瑞.汽车构造(下册)[M].北京:机械工业出版社.2000.