浅谈智能驾驶对转向系统的发展影响

当前随着电子信息科技的进步，新型电子技术在汽车行业上的应用突飞猛进。以数字化、信息化、大数据、云计算、5G 技术和物联网为特征的新一轮科技革命正在兴起，也正在给传统的汽车行业带来巨大的变革，汽车及零部件新技术的发展刚好成为应用这些新技术的重要载体。随着纯电动汽车技术的发展，智能汽车、车联网等新技术也将迎来快速发展和应用，成为当前汽车行业和市场激烈角逐的重要引擎。车联网已经成为智能驾驶技术的战略性发展问题，挑战与机遇共存。

同时，国家工信部、交通运输部、发改委等全面支持汽车行业与多个产业的网联化、智能化协同发展。而助力转向系统作为汽车结构中重要的“安全件”，其技术的发展直接影响着汽车智能驾驶技术的发展。对于汽车而言，需要接收驾驶人的指令，并按照驾驶人需要的轨迹运动，转向系统成为最核心的零部件之一。它是汽车实现转向需求的直接部件，将直接影响和制约着智能驾驶技术的发展。

转向系统发展现状

在近 20 年，国内汽车技术的发展突飞猛进，其中助力转
向技术的发展也是日新月异。转向系统最初的结构形式是机械式转向器，在转向操作过程中靠人力来驱动转向，全部是机械机构，没有外力的助力。这种转向器路况对操作的影响比较大，操作起来比较费力，并且没有那么精准。随后出现了助力式转向系统，应用最广泛的是液压助力转向系统和电动助力转向系统。液压助力转向系统，其组成有液压泵、油壶、油管、液压流体控制的方向机等。

由于液压泵需要装配在发动机上来获取液压动力源，伴随着发动机的运行，一直需要消耗发动机的能量。并且液压助力转向系统对管路的清洁度要求比较要，在实际使用中存在效率低以及漏油的缺点，并且需要定期更换液压油。液压转向系统在汽车行业中存在了很长一段时间，自 2013 年以后在国内乘用车领域已经逐步被电动助力转向系统所替代，但是目前在商用车领域中还主要使用的是液压助力转向系统。

目前，乘用车领域中转向器主要是电动助力转向系统，由电子控制单元（ECU）、电机、扭矩或角度传感器、齿轮齿条等主要机械件组成。由于其不需要直接消耗发动机的能量，在传感器收到转向的指令后，反馈给 ECU，通过 ECU 来控制电机实现助力转向。电动助力转向系统由于靠电控单元来实现精准控制，其能耗相比液压转向系统具有非常明显优势，并且同整车具有相同的设计寿命，不需要保养和维护，因此发展非常迅速。

电动助力转向系统的发展现状

电动助力转向系统目前主要有四种结构形式，即管柱式助力转向机（EPSc），单小齿轮式电动助力转向（EPSp），双齿轮式助力转向机（EPSdp）、轴平行式助力转向机（EPSapa）。管柱式助力转向机（EPSc），其助力单元（电机 motor和电控系统 ECU）安装在管柱上， 驾驶员操控方向盘时，助力转向扭矩通过管柱、中间轴传递到纯机械转向机。由于这种力矩传递方式，转向管柱和中间轴受力较大，因此助力大小受到限制。同时由于其 Motor 和 ECU 随管柱安装在驾驶舱，产生的噪音对驾驶员较为敏感，目前这种管柱式转向系统主要大量应用于低端车型（见图 1）。


单小齿轮式电动助力转向（EPSp），是将扭矩传感器和助力机构安装在小齿轮上，通过蜗轮蜗杆减速机构，将电机输出力矩并作用在小齿轮上。这种结构的助力不需要管柱部件来传递，因而电机可以提供更大的助力，主要应用于中级轿车上（图 2）。



双齿轮式转向机（EPSdp），Motor 和 ECU 安装在转向机
上，齿条两端各有一个齿轮轴。电机通过驱动一个齿轮轴来带动齿条移动，然后齿条再驱动另外一个齿轮轴，将助力传递给管柱和方向盘。这种结构形式电机直接驱动齿轮齿条，能够承载更大的助力，目前市场上中档车型主要采用了这种结构形式（图 3）。



平行轴式转向机（EPSapa），就是滚珠丝杠螺母副的结构形式，在其内部有循环球结构。齿条的一侧是通过皮带传动方式，电机安装在方向机上，与齿条平行。电机通过皮带传动，驱动循环球，从而来驱动齿条移动。然后齿条再驱动另一侧的齿轮轴，将力矩转递给管柱和方向盘。这种结构能够提供更大的助力，齿条力能够达到14KN 或更大，并且通过循环球式的结构，转向机噪音较小，目前主要应用于豪华轿车和较大型的商务车领域（图 4）。



智能驾驶对转向系统的影响

目前迅速崛起的智能驾驶技术、车联网技术等，成为各个汽车厂商争相推出的新技术，从而来占领市场制高点。近几年，自动驾驶技术被越来越多的车企所重视，随着特斯拉自动驾驶技术在市场的推出，并且在国内独资建厂，极大地促进着国内汽车企业新技术的开发应用步伐，国内众多车企也正在加速进行研发，力求在新一轮的竞争中立于不败之地。依据美国汽车工程师学会 SAE 划分的标准，智能辅助驾驶分为 5 个等级，从低到高依次为 L1-L5（见表 1）。



要实现自动驾驶，系统至少需要满足 L3 及以上的安全级别，其电控系统失效比例是 10 fit，和飞机的失效率相当。在这样的条件下，电控系统需要进行“冗余”设计。最简单的做法就是需要转向系统能够实现两套系统，当一套系统失效以后，立即切换到备用系统。在转向系统中，“冗余”设计就要求电控系统为双系统，即电机、电控系统 ECU、传感器等以双系统的形式实现。

对于电机，一套系统为三相电机，“冗余”设计需要双三相电机或 4 个三向电机，采用 6 相或者 12 相。双三相电机构成半冗余，达到 L2 级别。如果要达到 L3 级别及以上，需要采用 12相电机。而对于扭矩传感器，要满足 L3 级别的冗余设计，需提升扭矩信号的可靠性，则需要至少 3 路扭矩信号，通常采用独立的双 2 路信号的扭矩传感器。而电子控制单元 ECU也需要进行冗余设计，需要设计两套芯片系统。

结束语

随着当前汽车及零部件行业新技术的高速发展和国家对车联网技术的支持，各汽车厂商都对智能驾驶技术的研发进行了大量地投入。智能驾驶的发展，也极大地促进了电动助力转向系统向智能化、自动化加快转型发展。随着自动驾驶技术的智能化程度逐步提高，转向系统的电控策略在环境适应性、智能驾驶可靠性、安全性等面临新的挑战 。如何在复杂的路况环境下实现全自动驾驶，实现在极端工况下的失效模式识别及其冗余容错控制等，成为未来电动助力转向系统发展的重要研究方向。