汽车转向系统基础技术资料（中英文）

汽车转向系统基础技术资料（中英文）一、引言汽车转向系统是车辆操控安全与驾驶体验的核心支撑，其性能直接决定转向精准度、行驶稳定性及人机交互质感。从早期纯机械结构到融合电子控制的智能转向方案，技术迭代始终围绕“安全冗余、能效优化、体验升级”的目标推进，成为整车智能化、电动化转型的关键环节。二、转向系统技术分类与工作原理（一）机械转向系统（ManualSteeringSystem）作为最基础的转向架构，机械转向完全依赖驾驶员手部力量，通过转向器与传动机构将力矩传递至车轮。其核心优势在于结构简洁、可靠性强，极端工况下（如电子系统失效）仍能维持基本转向功能。典型结构包括：齿轮齿条式转向器：通过齿轮与齿条的啮合，将方向盘的旋转运动转化为转向横拉杆的直线运动，推动车轮偏转。结构紧凑、响应直接，广泛应用于乘用车。循环球式转向器：通过钢球在螺杆与螺母间的循环滚动降低摩擦，承载能力突出，多用于重载商用车或硬派越野车型，但体积偏大、路感反馈相对模糊。（二）液压助力转向（HydraulicPowerSteering,HPS）为缓解机械转向的操作力负担，液压助力系统通过发动机驱动的液压泵建立油压，助力缸根据转向力矩需求提供辅助推力。系统包含储液罐、助力泵、转向控制阀、助力缸及管路：驾驶员转动方向盘时，转向阀改变油路走向，高压油推动助力缸活塞，放大转向力矩。HPS曾主导传统燃油车市场，但存在能耗高（液压泵常处于工作状态）、助力特性固定（无法动态适配工况）等局限，正逐步被电动方案替代。（三）电动助力转向（ElectricPowerSteering,EPS）EPS以电机直接提供助力，摆脱了对发动机动力的依赖，具备能耗低、助力特性灵活可调的核心优势。系统由扭矩传感器（感知转向意图）、车速传感器、ECU（电子控制单元）、助力电机及减速机构组成：ECU根据扭矩、车速等信号计算助力扭矩，驱动电机通过减速箱（如蜗轮蜗杆、行星齿轮）辅助转向器工作。按电机布置位置，EPS可分为三类：柱式（P-EPS）：电机集成于转向柱，适配小型车或改装需求，成本较低但助力能力有限。齿轮齿条式（R-EPS）：电机与转向器集成，助力响应快、效率高，是主流乘用车的首选方案。小齿轮式（C-EPS）：电机布置于小齿轮端，结构紧凑，多用于空间受限的车型（如新能源汽车）。（四）线控转向（Steer-by-Wire）线控转向彻底取消机械连接，通过传感器、控制器、执行器的电子通信实现转向指令传递：方向盘端的转向意图传感器（角度、扭矩传感器）将信号发送至中央控制器，后者计算后驱动车轮端的转向执行器（电机+减速机构）偏转车轮。该技术消除了机械传动的迟滞与非线性，可实现“可变转向比”“自动驾驶冗余转向”等创新功能，但需通过ASIL-D级功能安全设计（如双冗余传感器、控制器）确保可靠性，目前在高端智能电动车（如蔚来ET7、奔驰EQS）中逐步量产。三、核心部件技术解析（一）转向器（SteeringGear）转向器是力与运动转换的核心，决定转向效率与路感反馈：齿轮齿条式：结构紧凑、响应直接，齿条与横拉杆直接连接，转向力传递效率高，但需匹配助力系统降低操作力，是乘用车市场主流。循环球式：通过钢球循环实现螺杆-螺母的低摩擦传动，承载能力强，多用于商用车或硬派越野车型，但体积较大、路感反馈相对模糊。线控转向器：集成电机与执行机构，需满足毫秒级响应与故障安全设计，是未来智能化的核心载体。（二）转向柱（SteeringColumn）转向柱承担方向盘与转向器的动力传递，兼顾安全与舒适性：可溃缩式转向柱：碰撞时通过机械结构溃缩，吸收能量以保护驾驶员，是法规强制要求的安全配置。可调式转向柱（电动/手动）：允许驾驶员调节方向盘的高度与倾角，提升人机工程体验，高端车型还集成电动助力电机（P-EPS）或转向角度传感器。（三）助力控制单元（EPS的“大脑”）EPS的ECU需实时处理扭矩、车速、温度等多传感器信号，通过算法输出助力扭矩指令。算法设计需平衡“转向轻便性”与“路感反馈”：低速时提供大助力降低parking难度，高速时减小助力并增强路感，确保行驶稳定性。此外，ECU需具备故障诊断与失效保护能力：传感器故障时切换至“跛行模式”，维持基本转向功能；电机故障时通过机械结构（如离合器）切换至纯手动模式。四、性能设计与工程考量（一）转向特性与驾驶体验转向灵敏度：转向盘转角与车轮偏转角的比例需合理，过轻易导致“发飘”，过重则增加操作负担。运动车型倾向小转向比（如14:1）以提升操控响应，家用车倾向舒适型转向比（如16:1）降低操作力。回正性：转向后车轮自动回正的能力，依赖于主销后倾角、车轮外倾角的几何设计，以及助力系统的回正力矩补偿（如EPS通过电机反向力矩辅助回正）。路感反馈：驾驶员通过方向盘感知路面信息（如颠簸、抓地力变化）的能力。传统HPS路感偏模糊，EPS可通过算法优化路感传递（如扭矩传感器采集路面反作用力，反馈至方向盘）。（二）可靠性与安全设计耐久性：转向系统需承受百万次以上的转向循环，部件（如齿轮齿条、助力泵/电机）需通过台架试验验证磨损、疲劳寿命（如模拟-40℃~125℃的温度循环、盐雾腐蚀等工况）。故障安全：EPS需满足ISO____功能安全要求，关键部件（如电机、ECU、传感器）采用冗余设计（如双ECU、双扭矩传感器），确保单一故障下系统仍能维持安全转向能力。NVH控制：严格控制转向系统的异响（如齿轮啮合声、电机啸叫）、振动。通过优化齿轮精度（如模数、压力角）、增加隔振衬套、设计低噪声电机（如采用正弦波驱动）等手段实现。五、技术发展趋势（一）智能化升级自适应助力：结合驾驶员习惯（通过扭矩传感器学习）、车辆状态（如载荷、路面附着系数）动态调整助力特性，实现“千人千面”的转向体验（如女性驾驶员获得更轻便的转向手感，运动模式下增强路感反馈）。自动驾驶协同：线控转向与自动驾驶系统深度融合，支持L3+级自动驾驶的“冗余转向”（如双电机、双ECU），并可通过OTA升级转向算法（如优化高速过弯的稳定性策略）。（二）轻量化与集成化材料创新：转向器壳体采用铝合金、镁合金替代铸铁，降低重量（如某车型转向器减重30%）；转向柱采用高强度钢与塑料复合结构，兼顾强度与轻量化。系统集成：将EPS的电机、ECU、减速箱集成于转向器（如“One-Box”式EPS方案），减少布线与安装空间，提升整车布置效率（如为电池包腾出更多空间）。（三）线控转向的商业化突破线控转向逐步突破法规与成本瓶颈，通过双冗余传感器、多通道通信（如CANFD+以太网）确保安全，在高端电动车中实现量产。未来将向中低端车型渗透，推动转向系统从“机械连接”向“电子智能”转型，成为自动驾驶时代的核心执行层技术。---AutomotiveSteeringSystem:FundamentalTechnicalInformation1.Introduction2.ClassificationandWorkingPrinciplesofSteeringSystems(1)ManualSteeringSystemAsthemostbasicsteeringarchitecture,manualsteeringreliesentirelyonthedriver’shandforcetotransmittorquetothewheelsthroughthesteeringgearandtransmissionmechanism.Itscoreadvantagesincludesimplestructureandhighreliability,maintainingbasicsteeringfunctionseveninextremeconditions(e.g.,electronicsystemfailure).Typicalstructuresinclude:(2)HydraulicPowerSteering(HPS)Toreducetheoperatingforceofmanualsteering,theHPSusesanengine-drivenhydraulicpumptobuildoilpressure,withthepowercylinderprovidingauxiliarythrustbasedonsteeringtorquedemand.Thesystemincludesareservoir,powerpump,steeringcontrolvalve,powercylinder,andpipelines:whenthedriverturnsthesteeringwheel,thesteeringvalvechangestheoilpath,andhigh-pressureoilpushesthepowercylinderpistontoamplifythesteeringtorque.Oncedominantintraditionalfuelvehicles,HPShaslimitationssuchashighenergyconsumption(thehydraulicpumpalwaysoperates)andfixedassistcharacteristics(unabletodynamicallyadapttoworkingconditions),andisgraduallybeingreplacedbyelectricsolutions.(3)ElectricPowerSteering(EPS)EPSprovidesassistdirectlyviaamotor,eliminatingdependenceonenginepowerandofferingcoreadvantagesoflowenergyconsumptionandflexibleassistcharacteristics.Thesystemconsistsofatorquesensor(tosensesteeringintention),vehiclespeedsensor,ECU(ElectronicControlUnit),assistmotor,andreductionmechanism:theECUcalculatestheassisttorquebasedonsignalssuchastorqueandvehiclespeed,anddrivesthemotortoassistthesteeringgearviaareductiongearbox(e.g.,wormgear,planetarygear).Basedonthemotor’sinstallationposition,EPSisclassifiedintothreetypes:Column-type(P-EPS):Themotorisintegratedintothesteeringcolumn,suitableforsmallcarsormodificationneeds,withlowcostbutlimitedassistcapacity.Rack-type(R-EPS):Themotorisintegratedwiththesteeringgear,withfastassistresponseandhighefficiency,thepreferredsolutionformainstreampassengercars.(4)Steer-by-WireThistechnologyeliminatesthehysteresisandnonlinearityofmechanicaltransmission,enablinginnovativefunctionssuchas"variablesteeringratio"and"autonomousdrivingredundantsteering."However,itrequiresASIL-Dfunctionalsafetydesign(e.g.,dual-redundantsensors,controllers)toensurereliability,andisgraduallybeingmass-producedinhigh-endintelligentelectricvehicles(e.g.,NIOET7,Mercedes-BenzEQS).(1)SteeringGearThesteeringgearisthecoreofforceandmotionconversion,determiningsteeringefficiencyandroadfeelfeedback:Steer-by-WireType:Integratesamotorandactuator,requiringmillisecond-levelresponseandfault-safedesign,thecorecarrieroffutureintelligence.(2)SteeringColumnCollapsibleSteeringColumn:Collapsesviamechanicalstructureduringacollisiontoabsorbenergyandprotectthedriver,asafetyconfigurationmandatedbyregulations.AdjustableSteeringColumn(electric/manual):Allowsthedrivertoadjustthesteeringwheel’sheightandtiltangle,enhancingergonomicexperience.High-endmodelsalsointegrateanelectricpowermotor(P-EPS)orsteeringanglesensor.(3)PowerControlUnit(The"Brain"ofEPS)Inaddition,theECUmusthavefaultdiagnosisandfail-safecapabilities:switchto"limpmode"whenasensorfailstomaintainbasicsteeringfunctions;switchtopuremanualmodeviaamechanicalstructure(e.g.,clutch)whenthemotorfails.4.PerformanceDesignandEngineeringConsiderations(1)SteeringCharacteristicsandDrivingExperienceRoadFeelFeedback:Thedriver’sabilitytoperceiveroadinformation(e.g.,bumps,gripchanges)viathesteeringwheel.TraditionalHPShasvagueroadfeel,whileEPScanoptimizeroadfeeltransmissionviaalgorithms(e.g.,thetorquesensorcollectsroadreactionforcesandfeedsthembacktothesteeringwheel).(2)ReliabilityandSafetyDesignNVHControl:Strictlycontrolthesteeringsystem’snoise(e.g.,gearmeshing,motorwhine)andvibration.Achievedviameanssuchasoptimizinggearprecision(e.g.,module,pressureangle),addingvibrationisolationbushings,anddesigninglow-noisemotors(e.g.,usingsinewavedrive).5.TechnologicalDevelopmentTrends(1)IntelligentUpgradesAdaptiveAssist:Dynamicallyadjustassistcharacteristi