转向技术的演变

摘要：本章沿着汽车转向系统的演进过程来叙述：原始转向系统、带有转向比的转向系统、机械液压转向HPS、电子液压转向EHPS、电动助力转向EPS、以及最终的纯线控转向系统。

开局先放一张转向系统演进的示意图，接下来的内容都会围绕该图展开：

转向系统的演进过程

原始的机械转向系统

最原始的车辆转向系统中，方向盘连接转向柱，而转向柱再与连接两个车轮的拉杆连接（下图中甚至没有可以改变扭力输出方向的万向节）。通过该套机械结构，方向盘的转动即可传导到车轮上。实际过程中，两侧车轮的转向角度是不同的，对转向几何感兴趣的读者，可以自行搜索“阿克曼角”。

最原始的转向系统

这种转向机构既没有转向助力，更没有减速机构，方向盘转角与车轮转角相等，转向比为1：1。卡丁车由于体积有限，采用的即为上述转向系统。

卡丁车

而这套最原始的转向系统存在两个问题：

1.乘用车一般重量1吨以上，商用车可能重达数十吨，凭人力很难拧的动方向盘，例如很多玩过卡丁车的都表示胳膊拧方向盘十分费力。

2.采用1：1的转向比，在高速情况下，细微的转动就可能导致偏航，十分危险。

因此，一般的乘用车转向比会达到12：1到20：1左右，一般家用车打死方向至少需要转一圈半，F1赛车为了提升操控灵敏性和反馈感，转向比会在6：1左右。大转向比一方面可以限制方向盘的细微转动，提升高速巡航时稳定性，另一方面更长的行程也可以增加转向的扭矩，更加省力。

学过《机械原理》的应该知道，可以减速增扭的机构，无非就是齿轮组、齿轮纸条、蜗轮蜗杆、滚珠丝杠等机构。根据转向机构的空间特性，齿轮齿条和滚珠丝杠更为常用：

齿轮（斜）齿条转向机构，来自日本NSK

滚珠丝杠（循环球式）转向结构，来自瑞典SKF

滚珠丝杠由于将滑动摩擦转换为滚动摩擦，其传动效率更高且寿命更长。更重要的是，滚珠丝杠具有自锁的特性，即扭矩只能由转向柱传递给滚珠丝杠，反之则不行；而齿轮齿条则不会自锁，齿轮和齿条可以相互传力（此处仍然需要一定的机械原理知识）。这也就是说，当行驶在不平坦的路面上时，对于齿轮齿条机构，崎岖的路面可能引发车轮的被迫转向，进而反向传导至方向盘上；而对于滚珠丝杠机构，只要驾驶员不转动方向盘，车轮也不会因为路面形态发生任何转向。

越野场景

鉴于上述特性，滚珠丝杠转向器，也叫循环球式转向器更广泛地应用在硬派越野（如奔驰G、丰田陆巡、三菱帕杰罗等）、以及载重量更大的大客车和大货车上。而更强调操控的家用车辆则常采用齿轮齿条转向器，其结构更简单，成本更低，转向的反馈也更加灵敏（俗称“有路感”）。

即便采用了减速增扭的机械结构，转向需要的力道仍然不小，对于拉货的重型卡车就更是如此。比如前面提到的老式拖拉机，笔者小时候在田间曾看到司机师傅转动方向盘时小臂青筋鼓起，看得出来十分费力。再比如新中国成立之初生产的解放卡车，司机师傅都练就了一身好臂力。因此，和刹车系统一样，业界想到给转向系统“助力”。

而根据出现时间顺序，转向助力系统可分为：机械液压助力转向（HPS）、电动液压助力转向（EHPS），以及电动助力转向（EPS）。

老式解放卡车

机械液压转向（HPS Hydraulic Power Steering）

机械液压助力转向系统早在20世纪初就被发明，不过规模化的应用要等到二战结束。在这套系统中，转向丝杆上集成了一个可以左右移动的液压缸，由三通阀控制其移动方向。

机械液压转向系统HPS

HPS具体的工作原理是：液压泵由由发动机带动，当发动机启动时，液压泵时可维持运转。而方向盘的转动会带动三通控制阀的开闭：方向盘左转时候，左边侧节流阀打开，液压油经过节流阀流向液压缸驱动车轮向左转，右转同理。方向盘不转动时候，液压油经过中间的节流阀流回储油罐。（这里需要基础的《液压传动》知识）

三通阀的类比：HPS的工作原理

可以看出，HPS会持续消耗发动机的能量，带来的是油耗的上升，并且，液压泵输出功率会随着发动机的转速而发生变化，因此其转向助力的大小并不稳定。

电子液压转向（EHPS Electro-Hydraulic Power Steering）

电子液压转向EHPS的工作机理类似于前面提到的电子液压制动EHB，其将液压泵的动力源由发动机替换为了电动机，并且引入了扭矩传感器和ECU来替代由机械控制的液压阀。扭矩传感器检测到方向盘的传来的扭力，ECU收到传感器的信号后，控制液压阀的开闭和电动机的启动，即可完成助力转向。

电子液压转向EHPS架构

相比HPS，EHPS中电动机无需时刻工作，对发动机动力的削弱少很多；并且电动机的输出功率更加平稳。液压系统能够输出的力道非常大，因此更多应用在商用车和重型卡车领域。

电动助力转向（EPS Electric Power Steering）

电动助力转向EPS的原理则有点类似前面提到的电子机械制动EMB。扭矩传感器检测到方向盘传来扭矩数据后，将其传递给ECU，ECU根据一定的算法逻辑，控制电动机输出扭矩，经过齿轮机构减速后作用于转向柱上，完成转向助力。

当然，电机和减速器可以有不同的布置，其动力可以驱动转向柱，也可以直接驱动转向丝杆，这都不影响我们对其原理的理解。

电动助力转向，From 瑞典NSK

相较于EMB的难产，EPS的普及更为迅速，目前几乎所有新量产的乘用车都采用了电动助力转向。其中一个重要原因就是：转向系统的需要的输出功率相对刹车系统较小，电机更容易带动，一般乘用车的转向电机功率在300~800W之间。

● EPS的优点有：

直接省去了液压系统，大幅简化了转向系统，提升了可靠性，降低了成本；

电机+齿轮可实现对转向角度的精确控制，实现了对转向的线控；

人力输入的机械连接并没有被切断，当电动助力失效时候，仍然可以通过人力来控制车辆，提供安全备份。

● 随速转向系统：

有过驾驶经验的读者应该知道，在低速状态下，方向盘一般十分轻便，而高速状态下方向盘则较为沉重，不易转动。这就引出了“随速转向系统”。如果在高速情况下，转向助力维持低速的状态，那么轻轻拨动方向盘就可能造成很大的转向动作，进而造成严重的事故。

因此，转向助力应当随着速度的增加而减少，这个减小可以是线性的也可以是非线性的，都可以通过ECU程序来进行标定。我们在车评节目中经常会听到“转向随速增益”这个词来形容方向盘的手感，就是这个意思。

线控转向

在电动助力转向的基础上，进一步把转向柱也去掉。采用一个转向模拟器来收集方向盘的转动角度，并给驾驶者提供一定的转向阻尼。ECU根据转角信息，驱动电机完成转向动作。

线控转向与电子助力转向的对比，来自Lexus

● 这种更为彻底的线控转向的优点有：

去掉转向柱使得转向机构的布置更为灵活；

由于方向盘与执行机构不存在机械连接，因此可以利用程序实现不同的转向比，甚至实现非线性的转向比，以实现个性化的驾驶需求（例如，在转向角较大时可适当降低转向比，使得低速状态下能够更轻松地掉头）；

通过与方向盘相连的转向模拟器，可以更自由地调节转向阻尼，实现个性化的转向手感；

前面提到“高速行驶下大幅度转向会导致翻车”，而采用线控转向，系统可以抑制人类的可能导致车辆失控的操作。

●线控转向地缺点是：

如同EMB缺少可靠的备份，线控转向取消了方向盘输入与转向输出之间的机械连接，一旦线控系统失效，则无法通过人工补救。因此需要额外设计转向备份系统。