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汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)化之路
2019-08-27 00:56:23· 來源：汽車動力總成
在現(xiàn)代汽車系統(tǒng)及模塊電子化的趨勢下，電子控制執(zhí)行系統(tǒng)的滲透率不斷提升；隨著電動車發(fā)展，由于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的消失，傳動、轉(zhuǎn)向、制動的動力源與執(zhí)行方式發(fā)生了根
在現(xiàn)代汽車系統(tǒng)及模塊電子化的趨勢下，電子控制執(zhí)行系統(tǒng)的滲透率不斷提升；隨著電動車發(fā)展，由于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的消失，傳動、轉(zhuǎn)向、制動的動力源與執(zhí)行方式發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變，電動控制執(zhí)行系統(tǒng)則是成為了基本配置；進(jìn)入自動駕駛時(shí)代，控制系統(tǒng)收集來自感知層的大量傳感器的信息，將其處理分析，感知周圍環(huán)境，規(guī)劃駕駛線路，最終通過線控執(zhí)行系統(tǒng)操縱車輛。
傳統(tǒng)純機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)幾乎被替代，由機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS），升級至電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS）之后，由電力驅(qū)動的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）逐步占據(jù)主流。隨著汽車電子化程度不斷加深，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電子化滲透率加速，電動助力轉(zhuǎn)向逐步占據(jù)主流，而未來自動駕駛時(shí)代的到來，進(jìn)而進(jìn)入線控轉(zhuǎn)向。
1、機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS）
機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向，利用人體轉(zhuǎn)動方向盤的力與發(fā)動機(jī)機(jī)械能結(jié)合，并結(jié)合液壓對施力的放大效果，推動轉(zhuǎn)向拉桿，完成轉(zhuǎn)向動作。機(jī)械式液壓助力系統(tǒng)主要包括齒輪齒條轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)(液壓助力泵、液壓缸、活塞等)兩部分。工作原理是通過液壓泵(由發(fā)動機(jī)皮帶帶動)提供油壓推動活塞，進(jìn)而產(chǎn)生輔助力推動轉(zhuǎn)向拉桿，輔助車輪轉(zhuǎn)向。
首先位于轉(zhuǎn)向機(jī)上的機(jī)械閥體（可隨轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)動），在方向盤沒有轉(zhuǎn)動時(shí)，閥體保持原位，活塞兩側(cè)的油壓相同，處于平衡狀態(tài)。當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)動時(shí)，轉(zhuǎn)向控制閥就會相應(yīng)的打開或關(guān)閉，一側(cè)油液不經(jīng)過液壓缸而直接回流至儲油罐，另一側(cè)油液繼續(xù)注入液壓缸內(nèi)，這樣活塞兩側(cè)就會產(chǎn)生壓差而被推動，進(jìn)而產(chǎn)生輔助力推動轉(zhuǎn)向拉桿，使轉(zhuǎn)向更加輕松。
機(jī)械液壓助力技術(shù)成熟穩(wěn)定，完全機(jī)械結(jié)構(gòu)不依賴電子設(shè)備，可靠性高，路感清晰，方便駕駛員判斷轉(zhuǎn)向角度，因此應(yīng)用十分廣泛。但其缺點(diǎn)也很明顯，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，占用空間大，設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)成本都較高。而且單純的機(jī)械式液壓助力系統(tǒng)助力力度不可調(diào)節(jié)，很難兼顧低速和高速行駛時(shí)對指向精度的不同需求，更不能滿足自動駕駛需求。
2、電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS）
電子式液壓助力與機(jī)械式液壓助力的區(qū)別主要是油泵的驅(qū)動方式不同，機(jī)械式液壓助力的液壓泵直接是通過發(fā)動機(jī)皮帶驅(qū)動的，而電子式液壓助力利用 ECU檢測方向盤的轉(zhuǎn)向角度，并由電力驅(qū)動電子泵對液壓缸施力，可以將方向盤設(shè)計(jì)得很“輕”，方便駕駛員使用。
電子液壓助力的電子泵，不用依靠發(fā)動機(jī)本身的動力帶動，而且電子泵是由電子系統(tǒng)控制的，不需要轉(zhuǎn)向時(shí)，電子泵關(guān)閉，進(jìn)一步減少能耗。電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電子控制單元，利用對車速傳感器、轉(zhuǎn)向角度傳感器等傳感器的信息處理，可以通過改變電子泵的流量來改變轉(zhuǎn)向助力的力度大小。
3、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ EPS）
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）主要由方向盤傳感器、控制單元和助力電機(jī)構(gòu)成，由于可以避免液壓助力系統(tǒng)的液壓泵、液壓管路、轉(zhuǎn)向柱閥體等結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)和構(gòu)造簡單。
EPS 工作原理是在方向盤轉(zhuǎn)動時(shí)，方向盤傳感器將轉(zhuǎn)動信號傳到控制單元，控制單元通過計(jì)算給電機(jī)提供適當(dāng)?shù)碾妷海?qū)動電機(jī)輸出的扭矩，再經(jīng)減速器降轉(zhuǎn)速提扭矩后推動轉(zhuǎn)向拉桿，提供轉(zhuǎn)向助力。
EPS主要優(yōu)點(diǎn)是不含任何機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)和構(gòu)造簡便，助力與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)，能夠讓方向盤在低速時(shí)更輕盈，高速時(shí)更穩(wěn)定。缺點(diǎn)是需要長期保留機(jī)械裝置，以保證冗余度，否則萬一電子設(shè)備失效容易造成不良后果。
此外，根據(jù)輔助馬達(dá)的位置有四種形式的 EPS。它們是柱輔助型（C-EPS），齒輪輔助型（P-EPS）和齒條輔助型（R-EPS）。
柱輔助型C-EPS的助力電機(jī)安裝于轉(zhuǎn)向管柱上，在轉(zhuǎn)向管柱下面連接的是一個機(jī)械式的轉(zhuǎn)向機(jī)，電機(jī)助力轉(zhuǎn)矩作用于轉(zhuǎn)向管柱上。C- EPS 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)緊湊，其電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、傳感器及控制器等常一體化設(shè)計(jì)，布置在駕駛艙內(nèi)，工作環(huán)境較好，不占用發(fā)動機(jī)艙的空間，方便發(fā)動機(jī)艙布置，成本較低。缺點(diǎn)是驅(qū)動電機(jī)的助力要通過轉(zhuǎn)向管柱和轉(zhuǎn)向齒輪傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)上轉(zhuǎn)向管柱部件受力較大，可提供的助力大小受到限制；另外由于電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)布置在駕駛艙內(nèi)，更易引起駕駛艙內(nèi)產(chǎn)生噪聲；由于減速機(jī)構(gòu)等安裝在方向盤上，不利于轉(zhuǎn)向軸的吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，C-EPS 適用于中小型乘用車。
齒輪輔助型P-EPS助力電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)布置在轉(zhuǎn)向齒輪上，驅(qū)動電機(jī)的輸出力矩通過蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)傳遞到轉(zhuǎn)向齒輪上。P-EPS助力扭矩直接作用于轉(zhuǎn)向齒輪上，因此可以提供較大的轉(zhuǎn)向助力，助力效果較為迅速準(zhǔn)確。助力電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)布置在發(fā)動機(jī)艙，有利于降低駕駛艙噪聲水平。P-EPS 的缺點(diǎn)是：其電機(jī)和傳感器等部件安裝在發(fā)動機(jī)艙，器件的耐熱與防水等環(huán)境要求高，成本較高。因此，P-EPS適用于需求助力較大的中型乘用車。
齒條式R-EPS，助力電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)布置在轉(zhuǎn)向齒條上，電機(jī)助力扭矩作用于轉(zhuǎn)向齒條上。R-EPS 助力扭矩直接作用于轉(zhuǎn)向齒條上，因此可以提供更大的轉(zhuǎn)向助力，助力效果也最為迅速準(zhǔn)確。助力電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)布置在發(fā)動機(jī)艙，有利于降低駕駛艙噪聲水平。R-EPS 缺點(diǎn)是：其電機(jī)和傳感器等部件安裝在發(fā)動機(jī)艙，器件的耐熱與防水等環(huán)境要求高，成本較高。因此，R-EPS 適用于需求助力較大的大中型乘用車。
4、線控轉(zhuǎn)向（SBW）
線控轉(zhuǎn)向就是取消了轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，取而代之由路感反饋總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成、控制器以及相關(guān)傳感器組成。單純使用傳感器獲得方向盤旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)，然后ECU 將其折算為具體的驅(qū)動力數(shù)據(jù)，用電機(jī)推動轉(zhuǎn)向機(jī)轉(zhuǎn)動車輪。
可以說線控轉(zhuǎn)向完全擺脫了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向的各種限制，不但可以設(shè)計(jì)汽車轉(zhuǎn)向的力傳遞特性，而且可以設(shè)計(jì)汽車轉(zhuǎn)向的角傳遞特性，給汽車的轉(zhuǎn)向特性設(shè)計(jì)帶來更大的可發(fā)揮空間，更方便與自動駕駛其他子系統(tǒng)（如感知、動力、底盤等）實(shí)現(xiàn)集成，在改善汽車主動安全性能、駕駛特性、操縱性以及駕駛員路感方面具有優(yōu)勢，是自動駕駛汽車實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤與避障避險(xiǎn)必要的關(guān)鍵技術(shù)。
2014 款英菲尼迪 Q50 是第一款裝配線控轉(zhuǎn)向的量產(chǎn)車。為了保證冗余性，它有3 個 ECU，同時(shí)還有一套機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。如果電子控制裝置出現(xiàn)問題，則駕駛員可以恢復(fù)機(jī)械控制。
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