方向盘下的玄机(一)：助力转向系统解读

方向盘下的玄机 (一)：助力转向系统解读汽车已经成为我们生活中不可或缺的部分，方向盘+换挡杆+踏板的组合似乎已经成为天经地义的汽车控制方式，但是它们各自的作用机理却鲜有人明了。就以我们手中的方向盘为例，广大车友对于常见的各类转向系统概念仍旧模糊，比如“电动助力和液压助力的差别”，“可变助力是怎么回事”等等问题都是大家所好奇的，下面，我们就要为大家系统的介绍各类常见的转向系统，为大家解答这些问题，并与大家一起讨论各种转向系统的玄机和奥秘。由于篇幅较长，所以我们本文介绍的是我们现在最常见的助力转向系统，解读“助力从何而来”并介绍助力转向系统的分类。助力转向，顾名思义，就是通过增加外力来抵抗转向阻力，让驾驶者只需更少的力就能够完成转向，也称动力转向，英文为 power steering，最初是为了让一些自重较重的大型车辆能够更轻松的操作，但是现在已经非常普及，它让驾驶变得更加简单和轻松，并且让车辆反应更加敏捷，一定程度上提高了安全性。助力转向按照助力的来源不同，可以分为两大类-液压助力和电动助力。 机械液压助力液压动力转向的由来最早要追溯到 1902 年的 2 月，英国的 Frederick W. Lanchester发明了“cause the steering mechanism to be actuated by hydraulic power”即液力驱动转向机构。之后类似的发明分别有美国和加拿大的发明家相继注册专利。而在汽车生产厂商中，克莱斯勒率先实现了液压助力转向系统的商业化生产，将其命名为 Hydraguide油压转向系统，并于 1951 年将其搭载在克莱斯勒的第六代 Imperial（译为帝王）车型上。随着技术的发展，出现了以电子泵代替机械泵的电子液压助力转向系统，所以目前液压助力的主要分为机械式液压助力和电子液压助力两类，另外，在机械式液压助力的基础上还派生出了电子伺服的液压助力转向系统。我们来看机械式液压助力转向的主要原理，它是基于机械式的齿轮齿条转向机构而来，增加了一整套液力系统，包括储液罐、液压助力泵、与转向柱相连的机械阀、转向机构上的液压缸和能够推动转向拉杆的活塞等等。机械式助力转向提供液压的液压泵由发动机通过皮带驱动，也就是说只有发动机运转，转向泵才能够运转，这就是为什么发动机熄火后方向盘助力消失的原因。在转向机上，有一个能够随转向柱转动的机械阀，当方向盘未左右转动时，活塞两侧腔室内压力一一致，处于平衡状态。当方向盘转动时，连接在转向柱上的机械阀就会相应的打开或关闭，一侧油液不再经过液压缸而直接回流至储油罐，另一侧油液继续注入液压缸内，活塞两侧产生压差，便会在液力的作用下被推动，进而产生辅助力度推动转向拉杆，让车轮转向，使我们转动方向盘所需的力度大大减小。液压助力转向系统还有一个好处，就是提升舒适性和安全性，车轮的剧烈跳动和遇到坑洼路面导致轮胎出现非自主的转向时，通过液压对活塞的作用能够很好的缓冲和吸收震动，使传递到方向盘上的震动大大减少。同时这种结构还提升了安全性，比如使用传统齿轮齿条机构的车辆在转向时轮胎遇到坑洼突然变向，齿条会带动齿轮使方向盘反转，出现“打手”的情况，很容易使驾驶者的手部受到伤害，在液压助力的车辆上就不会有这样的问题。机械式液压助力特点：整套系统均为机械结构，从由皮带驱动的机械式液压泵到转向柱上的液压机械阀体，没有任何电子系统，技术成熟稳定、可靠性高、适用范围很广，即使车辆的液压系统出现故障，失去助力，还是能够依靠传统的齿轮齿条机构进行转向。缺点是构造较复杂，占用空间较大，制造成本较高，也使得保养维护的难度和成本都比较高。并且由于液压泵靠发动机皮带驱动，所以会消耗发动机的一部分动力，影响燃油经济性和车辆的动力性，尤其是对于动力本身就相对孱弱的小排量车型的影响比较明显。另外，单纯的机械式液压助力系统助力力度不可调节，很难兼顾低速和高速行驶时对指向精度的不同需求。 电子液压助力 所谓的电子液压助力，Electro-hydraulic power steering，简称 EHPS，其助力原理与机械式液压助力完全相同，而与机械式液压助力最大的区别就是不再使用由发动机通过皮带驱动的液压泵，而是换成了电力驱动的电子泵。电子液压助力的优势首先体现在能耗上，首先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全部由电子系统控制，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，进一步减小能耗。其次，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，通过实时改变电子泵的流量来改变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能够实现助力随速可变，我们将会在之后的文章中为大家详细介绍各种“可变”的助力转向系统。电子液压助力从上世纪 90 年代后期开始逐渐普及，福特、大众、丰田、本田、马自达、标致、雪铁龙等品牌均有使用电子液压助力系统的车型。我们熟悉的 马自达 3、凯旋等车型使用的都是这样的系统。凯旋、老款的福克斯等车型使用的都是电子液压助力电子液压助力为何无法取代机械液压助力？无论是从技术、功能、还是经济性方面来看，电子液压助力都较机械式液压助力更具优势，但是，目前电子液压助力并没能够取代机械式液压助力，主要原因有如下几方面：1.电子液压助力成本更高。相对机械式的液压助力系统，加入了电控系统换上电子泵后、电子液压助力的制造成本更高，技术也更加复杂，保养维修的难度和成本也随之提高。2.可靠性不及机械液压助力。电子液压助力除了会出现转向机构和液压机构的故障外，还增加了电气系统出现故障的可能性，因而可靠性不及传统液压助力系统。3.助力力度有限。虽然使用电子泵有明显优势，但是，电子泵需要由发电机的电能驱动，而车载发电机的本身功率和蓄电池能够提供的最大电流都有限，所以电子泵的功率也受到限制，能承载的负荷也有限。所以目前使用电子液压助力的车型大多为中小型车辆。对于需要较大助力力度的车辆而言，电子液压助力系统就有些鞭长莫及了。4.进化的机械液压助力系统。随着技术的发展，电子液压助力的随速可变功能在进化的机械液压助力系统上也已经能够实现（使用电磁阀体技术），甚至在机械式液压助力转向系统的基础上衍生出了可变速比的主动转向系统，所以可靠性和可承载负荷都更高的机械液压助力系统依然受到厂商的欢迎。 电动助力电动助力转向系统（Electric power steering 简称 EPS or EPAS) ）也是上世纪 90年代后期开始才逐渐应用到量产车上的转向技术，与液压助力系统一样，仍然是基于齿轮齿条式转向机构而来，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。从示意图上我们可以看出，电动助力转向系统的结构非常简单，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，控制器运算后向电机输出适当的电流，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。电动助力转向根据作用位置的不同主要有两种结构。这两种结构分别是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）直接接驳在转向柱上，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我们转动方向盘。另一种结构是将助力电机布置在转向机上，直接作用于转向拉杆，用助力电机（带有减速机构，起放大扭矩作用）推动拉杆帮助车轮转向，这种结构更加紧凑，并且便于布置，目前使用比较广泛。而且这种结构相对第一种结构而言，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的通过轮胎、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”，更好的兼顾了驾驶乐趣。我们所熟悉的宝马、奥迪、大众、通用等品牌使用的都是这种作用方式的助力转向系统。我们所熟悉的宝马、奥迪、大众、通用等品牌使用的都是这种直接作用于转向拉杆的电动助力转向系统电动助力转向系统的优劣相比液压助力转向系统，电动助力转向有诸多优势：1.其结构简单紧凑，制造成本低，工艺相对简单，后期的维护和保养也更加简单。2.系统损耗低（不会像液压助力一样有助力液损耗），运行噪音低，不会有液压泵或电子泵运转的噪音，提升舒适性3.同时，电动助力转向有着良好的经济性，纯电能驱动，较机械液压助力能耗低。4.它可与其它电子系统联用，有着强大的功能扩展性。最基本的是“助力力度随速可变”，能够根据车速传感器的信息调节助力力度大小，满足车辆高速和低速行驶时对助力大小的不同需求，响应速度较液压助力系统更快更直接。在一些高端车型上，电动助力转向与其他系统共享总线数据，与可变阻尼悬挂、电子稳定系统等电子系统联动，提升车辆的操控性能和主动安全表现。同时，伺服式的电动助力转向系统能够依靠电机非常精确的控制车辆的转向角度，因此，自动泊车的功能和车道保持系统自动纠正方向的功能（还有一种依靠制动实现方向纠正的方式）才得以实现。自动泊车系统的基础是伺服式的电动助力转向系统之前电动助力转向系统比较大的问题是可靠性的问题，现在电动助力转向技术已经非常成熟。但是电子系统还是要比纯机械结构“娇气”一些。尤其是在激烈驾驶情况下，助力电机容易出现过载，影响助力系统工作，所以很多考虑激烈驾驶工况的性能车型都还在使用液压助力转向系统。其次，就像电子液压助力系统一样，电动助力转向遇到的仍然是功率的瓶颈问题，对于目前的大多数车辆来说，使用的都是 12V 的电源系统，能够带动的助力电机功率有限，虽然可以通过搭配不同的减速机构改变助力电机的承载能力，适应范围较电子液压助力更广，但是改变范围毕竟有限，对于转向负荷较大的大型车辆来说，电动助力仍然有些力不从心，只有在搭载高容量电池的混合动力车或电动车这类车型上上，才能够有希望匹配大功率的助力转向电机。在汽车产品环保、低能耗和智能化的大方向下，电动助力转向系统已经成为了主流的趋势，目前像 5 系 Li、奥迪新 A6L 这类大尺寸的行政级别车型已经全系配备了电动助力转向系统，电动助力转向在功能上的扩展性是其它助力转向系统无法比拟的，相信在未来会有更多豪华车加入电动助力转向的阵营。小结：本文简单介绍了目前主要的两大类转向助力系统，并将它们各自的优缺点做了简单的介绍，相信大家都已经有了初步的理解。在接下来的文章中我们将会针对实际车型做“可变助力”转向系统的解读，并将带领大家回顾传统的机械式转向系统，敬请期待。在方向盘下的玄机（2）中，我们将带您详细了解各种“可变”转向系统：凯旋与标致307 的 GEP、高尔夫等车型的 EPS、奔驰的“直接转向”系统、宝马的 AFS 和奥迪的 ADS 等等，我们将一一为您揭开那些诡异名称和字母下的玄机。 （文/图 汽车之家 范鑫）方向盘下的玄机（二）详解可变转向系统汽车已经成为我们生活中不可或缺的部分，方向盘+换挡杆+踏板的组合似乎已经成为天经地义的汽车控制方式，但是它们各自的作用机理却鲜有人明了。就以我们手中的方向盘为例，广大车友对于常见的各类转向系统概念仍旧模糊，比如“电动助力和液压助力的差别”，“可变助力是怎么回事”等等问题都是大家所好奇的，下面，我们就要为大家系统的介绍各类常见的转向系统，为大家解答这些问题，并与大家一起讨论各种转向系统的玄机和奥秘。在上一篇文章中，我们已经为大家详细介绍了目前主要的助力转向系统，大家可以点击查看方向盘下的玄机(一)：助力转向系统解读进行回顾，而这篇文章，将会针对近来流行的各类“可变”转向系统进行系统的介绍，让大家了解所谓的“可变”转向的真面目。首先，我们要将“可变”助力大体划分为两个阵营：仅助力力度可变的助力转向系统以及速比可变的助力转向系统。我们先从仅能改变助力力度的转向系统看起。可变助力的优势：能够随车速改变助力力度，在泊车等低速行驶状态下转动方向盘更加轻盈省力，对臂力较小的女性尤为方便，而当车辆高速行驶时，则能够减少助力，使方向盘转动阻力增大，手感变沉，不再像低速时那样灵敏，车辆的方向会变得更容易控制，提升车辆的高速行驶稳定性。 “进化”的机械式液压助力-增加电子控制单元+电磁阀代表车型：老款 宝马 3 系（E90）、老款 奥迪 A6（C6）、辉腾、君威在方向盘下的玄机（1）中，我们已经提到过，随着技术的发展，在助力转向系统中年代最久远的机械式液压助力系统也在不断的进化着，当今的机械式液压助力系统同样能够实现可变助力的功能，做到高速时沉稳、低速轻盈。 -Servotronic 伺服式助力转向虽然电动助力转向系统正在成为潮流，但是基于传统机械液压助力转向技术而衍生的Servotronic 伺服式助力转向至今仍然活跃在众多车型上。Servotronic 可谓老当益壮。与传统的机械式液压助力系统相比，这类系统多出了一套能够读取速度传感器信息的电子控制单元，并与转向柱连接的机械阀上增加了电磁阀机构。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，就实现了助力力度的调节。控制单元根据车速传感器的信号对电磁阀开度进行控制，便做到了助力力度随速可变的功能。而这种系统的转向执行机构、液压泵等部件仍然是我们所熟悉的。很多人把这套系统称作电子液压助力系统，从组成上看，它确实有电控单元不假，但是并没有电子泵结构，系统的关键依然是加在传统机械阀体之上的电磁阀结构，所以它不应当与电子液压助力转向相混淆，依旧是属于“进化型”的机械式液压助力转向系统。这种基于机械液压助力系统的可变助力转向系统，相比使用电子泵的电子液压助力系统有着更高的可靠性，并且依旧保持机械液压助力系统的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。 在市面上，搭载伺服式液压助力转向系统的车型不在少数，大众、奥迪、宝马、保时捷以及沃尔沃等知名欧洲厂商的产品（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。 这些车型匹配的都是 Servotronic 伺服式液压助力转向系统不过 宝马 3 系及 奥迪 A6L 的接班人都已经装上了电动助力转向系统-MAGNASTEER 磁力可变助力转向系统虽然最新款的君威已经跟随迈锐宝投靠了“电动助力”的阵营，但是我们仍记得在它当初上市时，那套“MAGNASTEER 磁力可变助力转向系统”曾凭借其特立独行的名称让很多消费者如坠五里雾中琢磨不出其本质。其实它的原理和上面提到的 Servotronic 一样，依然是机械式液压助力转向系统的进化产品。虽然 2012 款君威投靠了电动助力转向的阵营，但 2011 款君威以及之前的车款都还在使用机遇机械液压助力转向而来的 MAGNASTEER 转向系统德尔福提供的这套助力转向系统在通用旗下可谓门生众多，除了国产的君威君越当年曾经搭载之外，在欧洲、北美、大洋洲的欧宝、萨博、雪佛兰、凯迪拉克、霍顿等品牌上广泛服役，至今已经有十多年的历史。 电子液压助力代表车型：凯旋、老款福克斯关于电子液压助力的特性我们已经介绍的很清楚了，由于电子液压泵的运转由控制单元一手掌握，所以其转速高低不仅可变并且能够随时根据控制单元的指令进行变化，自然能够轻松实现助力力度的改变。忘记电子液压助力转向的特点了？点击这里回顾在国内，电子液压助力的使用非常广泛，老款福克斯、老款 马自达 3、PSA（标致雪铁龙）旗下当年的凯旋、307（部分车型）等均采用电子液压助力，在自主品牌中，海马欢动则是电子液压助力系统的典型代表，其“SSPS 转速可变式助力转向系统”的真身实际上就是电子液压助力系统。这些车型使用的都是电子液压助力转向系统比较有意思的是标致雪铁龙（PSA）家族的这套被称作“GEP”的电子液压助力转向系统，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 3000rpm，而高速时会降到 800rpm，带来了泊车时转向轻盈而高速行驶时厚重沉稳的手感。并且据称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，它的特别之处在于其在结构上多出了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”，当驾驶者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般发挥其作用，原因在于很多消费者在购车后根本就不知道自己的爱车具备这样的功能，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，车辆会出现过度的转向，在驾驶者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。如果您一直都没有想明白为什么自己的车子突然像个疯子般不听使唤，那么，这个“紧急避险模式”就是您一直在找的答案。请牢记：如果驾驶配置了 GEP 可变助力转向系统的车型，紧急并线时一定要控制转动方向盘的力度，并对转向阻力突然大幅减小做好心理准备。 电动助力代表车型： 奥迪 A6L（C7）、迈锐宝、速腾关于电动助力转向，我想在这里完全不需要再介绍其助力力度变化的机理了，(点击这里温习方向盘下的玄机（一）)我们知道以电子马达提供助力的电动助力转向系统在执行效率和响应速度方面都是液压助力系统所不能比拟的。而且，与车辆系统总线连接的控制单元能够让这套系统发挥更多的作用，我们熟悉的“自动泊车”功能中车辆之所以能够自动转向，就是依靠行车电脑与电动助力转向系统的联动实现的。 可变转向比（齿比）转向系统-主动转向系统代表车型： 宝马 5 系（E60、F10）、 雷克萨斯 LS460L、 奥迪 Q5、 奥迪 A6L（C7）、奔驰新 E 级、 奔驰 S 级前面提到的几种“可变”转向，能够改变的仅仅是助力力度，说白了只是能够改变方向盘转动时的阻力而已，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，我们接下来要说到的可变齿比（速比）的转向系统则要先进的多，不仅能够改变转向的助力力度，在不同情况下，方向盘转角对应的车轮转动角度也是可以变化的。不同厂家对这类系统的叫法可谓五花八门，比如宝马称之为 AFS 主动转向系统（Active Front Steering，这个缩写与我们熟悉的随动转向大灯缩写是相同的），奥迪将其称之为动态转向系统（Audi Dynamic Steering），雷克萨斯/丰田使用的则是可变齿比转向系统 VGRS(Variable Gear Ratio Steering)，本田的这类系统名称为 VGR，与丰田命名类似；而奔驰的可变转向比系统则以“直接转向系统”（Direct-Steer）命名。虽然功能类似，但是他们使用的技术却是截然不同的。不同厂商的可变转向比技术奔驰 直接转向系统（Direct-Steer）宝马 AFS 主动前轮转向系统（Active Front Steering）奥迪 动态转向系统（Audi Dynamic Steering）丰田/雷克萨斯 VGRS（Variable Gear Ratio Steering）本田 VGR（Variable Gear Ratio）简单地说，可变齿比转向系统在技术层面上并不是一个水平的，目前主要有两种方式实现这种功能，一种方式是依靠特殊的齿条实现，原理简单，成本也相对较低，没有过高的技术含量，而另一种就比较复杂，是通过行星齿轮结构和电子系统实现的。由于目前并没有明确的分类，所以我们姑且将它们分为机械式和电控式吧。-机械式可变转向比系统：奥秘在于齿条，原理简单奔驰的 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，名字叫“直接转向”，解决方案也确实“直接”。它主要是在“齿轮齿条机构”的“齿条”上做文章，通过特殊工艺加工出齿距间隙不相等的齿条，这样方向盘转向时，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，转动方向盘，齿条在这一范围内的位移相对较小，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，而它优势也很明显-完全的机械结构，可靠性较高，耐用性好，结构也非常简单。本田的 VGR 技术与奔驰的“直接转向技术”如出一辙，同样是在齿条的齿距变化上面做文章，依靠齿条上齿距的疏密设计来实现所谓的“可变转向比”。-电控式：科技含量高，可主动改变齿比与上面的方式相比，宝马、丰田、奥迪等品牌所使用的可变齿比转向系统明显要先进许多，它们使用了更复杂的机械结构并且需要与电子系统结合使用。这些系统能够更好的实现“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。宝马 AFS 主动转向系统新老 5 系都搭载了主动转向系统，宝马在这一领域算得上是先行者宝马和 ZF（采埃孚）联合开发 AFS 主动前轮转向系统正是要找到一种灵活性和高速稳定性兼得的解决方案，事实证明他们做到了。下面我们就来深入了解一下“可变转向比”实现的过程。首先需要明确的一点是，宝马的主动转向系统和助力转向系统完全是两个独立的系统，千万不要因为它有个“主动”的名字，就以为“车道保持”“自动泊车”之类的功