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汽车可变转向系统结构及工作原理
2021-12-04 19:24:01· 来源：罗新闻
所谓可变助力转向，就是方向机助力是可以变化的。可变转向系统根据“可变”助力不同，又可以分为两类：一类是仅助力力度可变的助力转向系统；另一类是速比可变的
所谓可变助力转向，就是方向机助力是可以变化的。可变转向系统根据“可变”助力不同，又可以分为两类：一类是仅助力力度可变的助力转向系统；另一类是速比可变的助力转向系统。
一、仅助力力度可变的助力转向系统
可变助力转向系统能够随车速改变助力力度，在泊车或低速行驶状态下转动方向盘更加轻盈省力，对臂力较小的驾驶员尤为方便；而当车辆高速行驶时，则能够降低助力，使方向盘转动阻力增大，手感变沉，不再像低速时那样灵敏，车辆的高速行驶稳定性得到提升。
1.增加电子控制单元和电磁阀的机械式液压助力
与传统的机械式液压助力系统相比，增加电子控制单元和电磁阀的机械式液压助力系统多一套能够读取速度传感器信息的电子控制单元，与转向柱连接的机械阀上增加了电磁阀机构，如图1所示。
通过电流控制电磁阀开度，可以改变助力油液的流量，使得油液推动助力活塞的力量被改变，实现了助力力度的调节。其控制原理及机械内部结构如图2所示。
新君威使用的MAGNASTEER磁力可变助力转向系统是比较常见的增加电子控制单元和电磁阀的机械式液压助力系统。
当车速改变时，系统会改变车辆转向所需要的助力。低速时，系统会提供较大的转向助力，高速时转向助力减小。可变助力转向系统与动力转向系统共同作用，可变助力转向控制模块在高速总线上通信，用VSS和SAS向执行器指令最合适的电流。执行器是一个可变电磁执行器，该执行器由一个多极永磁体、一个极片和一个电磁线圈组成，通过指令-3 至+3 A的电流至线圈，转向助力将尽量匹配车速。最低车速时(约5km/h)，线圈因极相同而互相排斥。中速时(约70km/h)，没有电流，只通过液压进行转向辅助。高速时，线圈因磁力相反而互相吸引，需要很大的操控力量进行转动。模块检测到的任何故障都会导致系统电流为0。故障情况下，只通过液压来辅助转向，并设置DTC。
控制单元根据车速传感器的信号对电磁阀开度进行控制，做到了助力力度随速度可变的功能。
2. Servotronic伺服式助力转向
Servotronic伺服式助力转向是在机械液压助力系统上增加电磁阀，目前这类转向系统的使用非常广泛。很多人把这套系统称作电子液压助力系统，从组成上看，它确实有电控单元。但是，该系统并没有电子泵结构，其关键结构是加在传统机械阀体之上的电磁阀。所以，不应当将其与电子液压助力转向混淆，该系统依旧属于“进化型”的机械式液压助力转向系统。
Servotronic转向系统的作用原理与新君威的magnasteer系统相同，控制单元根据车速传感器的信号对电磁阀开度进行控制，如图3所示。
系统通过改变助力液流量对转向机构液压缸内的油液压力进行调节，进而改变助力力度。相比使用电子泵的电子液压助力系统，Servotronic转向系统有着更高的可靠性，并且传承了机械液压助力系统较高负载能力和可靠性较高等优势，尤其适合那些对转向系统的负载能力要求较高并且需要精准操控性的车型。搭载伺服式液压助力转向系统的车型不少，大众、奥迪、宝马、保时捷以及沃尔沃等知名厂商的一些车型(如大众辉腾、宝马3系等)都曾使用或仍在使用这种转向系统。
3. 电子液压助力转向
电子液压助力转向系统(ElectroHydraulic Power Steering，简称EHPS)的助力原理与机械式液压助力系统完全相同。与机械式液压助力相比，电子液压助力系统不再使用由发动机通过皮带驱动的液压泵，而换成了由电力驱动的电子泵，如图4所示。
电子液压助力的优势首先体现在能耗上。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均由电子系统控制，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，进一步降低了能耗。
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，实时改变电子泵的流量来调整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才能够实现助力随速可变。
在国内，电子液压助力的使用非常广泛，长安马自达3、东风雪铁龙旗下的凯旋、东风标致307的部分车型均采用电子液压助力。
标致雪铁龙家族的电子液压助力转向系统被称作GEP。在正常情况下，GEP电子泵的转速与车速成反比，车速越高，电子泵转速越低。通常在低速时电子泵转速为3000r/m，而高速时则降到800r/m，带来了泊车时转向轻盈而高速行驶时厚重沉稳的手感。该系统要比传统的机械式液压助力转向系统节省油耗0.1~0.2L/100km。
相比一般的电子助力转向系统，东风雪铁龙凯旋的电子液压助力系统的特别之处在于其结构上多出一个检测方向盘转动速度的角速度传感器，赋予了其大多数电子液压助力转向系统所不具备的“紧急避险模式”：当驾驶员以很快的速度转动方向盘时，控制单元会根据收到的角传感器信息瞬间提高电子泵转速至5000rpm，转向助力会瞬间提升。这种设计的本意是为了帮助驾驶者能够在遇到突发情况时尽快改变方向避险，但是实际上，这套系统并未像理论上那样发挥其作用。原因在于很多驾驶员不知道自己的车具备这样的功能，在遇到突发状况时他们仍然会以正常的转向力度转动方向盘，而此时方向盘却比他们想象的要轻得多，导致方向盘转动角度大大高于实际所需的角度，车辆会出现转向过度，在驾驶员意识到这种情况反打方向时又很容易造成纠正方向过度，反而增加了发生事故的风险。
4. 电动助力转向系统
电动助力转向系统(Electric Power Steering ，简称EPS)是上世纪90年代后期才逐渐应用到量产车上的转向技术。与液压助力系统一样，电动助力转向系统仍然基于齿轮齿条式转向机构，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。
电动助力转向系统的结构非常简单，如图5所示。
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，控制器运算够供给电机适当的电压，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。
电动助力转向系统根据作用位置的不同又分两种结构，这两种结构分别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)直接连接在转向柱上，如图6所示。
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驾驶员转动方向盘。
另一种结构是将助力电机布置在转向拉杆上，直接用助力电机推动拉杆帮助车轮转向，如图7所示。
这种结构更加紧凑，并且便于布置，目前使用比较广泛。相对第一种结构而言，这种结构的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地通过轮胎、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，更好地照顾了驾驶乐趣。我们熟悉的第六代高尔夫、马自达睿翼都采用这种结构的电动助力转向系统。
二、速比可变的助力转向系统
以上的几种助力转向系统，能够改变的仅仅是助力力度，也就是只能改变方向盘转动时的阻力，但是转向比(可简单理解为方向盘转动的角度与对应的车轮转动角度的比值)是不可变化的。而可变齿比(速比)的转向系统则要先进的多，不仅能够改变转向助力的力度，还可以在不同情况下，改变方向盘转角对应的车轮转动角度。
不同厂家对这类系统的叫法是不同的，比如宝马称之为AFS主动转向系统，奥迪称之为ADS动态转向系统，雷克萨斯、丰田将其称之为VGRS，本田的这类系统名称为VGR，而奔驰的可变转向比系统则以“直接转向系统”命名。
虽然功能类似，但是，可变齿比转向系统在技术的实现上并不相同。目前主要有两种方式实现这种功能：一种方式是机械式可变转向比系统，该系统原理简单、成本相对较低；而另一种是电子式可变转向比系统，该系统结构比较复杂，是通过行星齿轮结构和电子系统实现的。
1. 机械式可变转向比系统
奔驰的E级、S级都搭载了“直接转向系统”，奔驰的直接转向系统就是第一种方式的典型代表，它主要是在“齿轮齿条机构”的“齿条”上做变化，通过特殊工艺加工齿距间隙不相等的齿条，如图8所示。
图8
方向盘转向时，齿轮与齿距不相等的齿条啮合，转向比就会发生变化，中间位置的左右两边齿距较密，齿条在这一范围内的位移较小，在小幅度转向时(例如变线、方向轻微调整时)，车辆会显得沉稳，而齿条两侧远端的齿距较疏，在这个范围内，转动方向盘，齿条的相对位移会变大，所以在大幅度转向时(如泊车、掉头等)，车轮会变得更加灵活。这种技术除了对齿条的加工工艺要求比较严格之外，并没有多少“高科技”在其中，缺点在于齿比变化范围有限，并且不能灵活变化，而优势也很明显——完全的机械结构，可靠性较高，耐用性好，结构也非常简单。
2. 电子式可变转向比系统
与机械式可变转向比系统相比，电子式可变转向比系统使用了更复杂的机械结构，并且需要与电子系统结合。这类系统能够更好地实现“低速时轻盈灵敏，高速稳健厚重”的需求，其为车辆行驶带来的便利性和稳定性都是普通的可变助力转向系统和单纯的机械式可变齿比转向无法比拟的。以雷克萨斯的VGRS为例，我们可以看到，在不同车速下车轮转动角度相同，但是对应的方向盘转动角度却是不同的(如图9所示)。
图10是国内现款宝马5系(E60)使用的AFS主动转向系统的结构。这是一套前面提到过的servotronic伺服式助力转向机构，其助力力度的变化依靠图中与液压泵紧连的ECO阀(电控阀)实现。
通过转向器及执行单元的剖视图(见图11)，可以看出转向柱被从当中打断，我们将连接方向盘的转向柱一端称为输入轴，将直接连接转向齿轮的一端称为输出轴，二者间通过行星齿轮连接。行星齿轮组的壳体是一个可旋转的蜗轮，能够由电机驱动旋转。这套系统有独立的电子控制单元，根据转向角传感器、左右车轮转速传感器、横向加速度传感器的信号来控制电动机的开关及运转方向。
当系统未通电或者系统发生故障时，电磁锁会在弹簧的作用下卡在蜗杆的锁槽内，锁止蜗杆，壳体不可旋转，此时输入轴与输出轴的转速是相同的，传动比不发生任何变化。系统此时只是一套可变助力力度的机械式液压助力转向系统。而当系统通入电流、电磁锁打开、电动机开始旋转时，就发生变化了。当车辆低速行驶时，电动机驱动蜗轮与输入轴同向运转，蜗轮壳体与输入轴的旋转角度相叠加，输出轴的旋转角度大于输入轴，车轮便能转动更大的角度，转向动作被“放大”，使车辆变得非常灵活；而当车速较高时，需要更大的转向比来提供精准沉稳的指向，辅助电机会驱动蜗轮反向旋转，与输入轴的部分旋转角度相抵，最终输出轴的旋转角度会低于输入轴，转向动作被“缩小”。这套AFS系统的转向比可在10:1到18:1之间连续调节，其工作过程如图12所示。
从原理上讲，奥迪所使用的ADS动态转向系统(Audi Dynamic Steering)依然运用了叠加原理，但是使用的结构(如图13所示)却与宝马和丰田的系统有着天壤之别。ADS动态转向系统的核心部件是一套以“谐波齿轮”传动机构为核心的电控系统，“谐波齿轮”是利用柔轮、刚轮和波发生器的相对运动，特别是柔轮的可控弹性变形(形状改变)来实现运动和动力传递的。
改变转向比的原理是“谐波传统”系统的错齿运动。连着方向盘的输入轴与柔轮(薄型环齿圈)相连，其内有柔性滚珠轴承，中心为电机驱动的椭圆转子，与输出轴相连的是外环面构成的刚轮，在转子被锁止时(电机未通电或发生故障)，转向系统转向比保持恒定。电机驱动中央转子旋转时，会带动柔轮旋转，当转子与柔轮同向旋转时，由于柔轮的齿数比外环刚轮的齿数小，所以刚轮的转动角度便会大于柔轮，使转向角度被放大，而当转子反转时，就能够起到缩小转向角度的作用(如图14所示)。
相比行星齿轮系统，奥迪的ADS动态转向系统使用的“谐波齿轮”传动结构有诸多优点：首先是结构相对简单，没有过多复杂的齿轮结构，零件数少便于维修；其次是这种结构承载能力高，传动比大；再次，它的运转平顺，噪音较低，这点对于看重静音的豪华车型来说非常重要；最后，这种结构传动效率高，且响应速度快，运转精度高。
当然，宝马和丰田的可变转向技术也一直在进化，在早期的AFS和VGRS系统上，相匹配的仍然是液压助力机构，在新一代的宝马5系上，液压助力机构已经被电动助力(EPS)所取代，其结构更加简单紧凑，助力力度的输出更加精确，能耗也得到了有效的降低(如图15所示)。而且，助力系统能够通过助力电机直接驱动齿条，可以独立于方向盘精确控制车轮转动角度，与泊车雷达和车身电子系统联动，实现了自动泊车的功能。
目前，可变齿比的转向系统仍只是少数车型才能够有的“高级装备”，相比之下，可变助力力度的转向系统离我们更近一些，市面上较常见的几种可变助力的转向系统中，电动助力转向系统无疑是未来的发展趋势。电动助力转向系统的结构简单紧凑、低成本、低能耗、高精度、高响应速度、便于集成控制、便于功能扩展(如自动泊车)的特性是那些基于液压助力衍生而来的可变助力转向系统所无法比拟的，在注重“能耗”和“环保”的今天，电动助力转向系统的发展趋势是不可逆转的，并且未来其可靠性、负载能力也将进一步得到提升。
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