當(dāng)前隨著電子信息科技的進步，新型電子技術(shù)在汽車行業(yè)上的應(yīng)用突飛猛進。以數(shù)字化、信息化、大數(shù)據(jù)、云計算、5G 技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)為特征的新一輪科技革命正在興起，也正在給傳統(tǒng)的汽車行業(yè)帶來巨大的變革，汽車及零部件新技術(shù)的發(fā)展剛好成為應(yīng)用這些新技術(shù)的重要載體。隨著純電動汽車技術(shù)的發(fā)展，智能汽車、車聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)也將迎來快速發(fā)展和應(yīng)用，成為當(dāng)前汽車行業(yè)和市場激烈角逐的重要引擎。車聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為智能駕駛技術(shù)的戰(zhàn)略性發(fā)展問題，挑戰(zhàn)與機遇共存。

同時，國家工信部、交通運輸部、發(fā)改委等全面支持汽車行業(yè)與多個產(chǎn)業(yè)的網(wǎng)聯(lián)化、智能化協(xié)同發(fā)展。而助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車結(jié)構(gòu)中重要的“安全件”，其技術(shù)的發(fā)展直接影響著汽車智能駕駛技術(shù)的發(fā)展。對于汽車而言，需要接收駕駛?cè)说闹噶?，并按照駕駛?cè)诵枰能壽E運動，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)成為最核心的零部件之一。它是汽車實現(xiàn)轉(zhuǎn)向需求的直接部件，將直接影響和制約著智能駕駛技術(shù)的發(fā)展。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

在近 20 年，國內(nèi)汽車技術(shù)的發(fā)展突飛猛進，其中助力轉(zhuǎn)
向技術(shù)的發(fā)展也是日新月異。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最初的結(jié)構(gòu)形式是機械式轉(zhuǎn)向器，在轉(zhuǎn)向操作過程中靠人力來驅(qū)動轉(zhuǎn)向，全部是機械機構(gòu)，沒有外力的助力。這種轉(zhuǎn)向器路況對操作的影響比較大，操作起來比較費力，并且沒有那么精準(zhǔn)。隨后出現(xiàn)了助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，應(yīng)用最廣泛的是液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其組成有液壓泵、油壺、油管、液壓流體控制的方向機等。

由于液壓泵需要裝配在發(fā)動機上來獲取液壓動力源，伴隨著發(fā)動機的運行，一直需要消耗發(fā)動機的能量。并且液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對管路的清潔度要求比較要，在實際使用中存在效率低以及漏油的缺點，并且需要定期更換液壓油。液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車行業(yè)中存在了很長一段時間，自 2013 年以后在國內(nèi)乘用車領(lǐng)域已經(jīng)逐步被電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所替代，但是目前在商用車領(lǐng)域中還主要使用的是液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

目前，乘用車領(lǐng)域中轉(zhuǎn)向器主要是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由電子控制單元（ECU）、電機、扭矩或角度傳感器、齒輪齒條等主要機械件組成。由于其不需要直接消耗發(fā)動機的能量，在傳感器收到轉(zhuǎn)向的指令后，反饋給 ECU，通過 ECU 來控制電機實現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于靠電控單元來實現(xiàn)精準(zhǔn)控制，其能耗相比液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有非常明顯優(yōu)勢，并且同整車具有相同的設(shè)計壽命，不需要保養(yǎng)和維護，因此發(fā)展非常迅速。

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)目前主要有四種結(jié)構(gòu)形式，即管柱式助力轉(zhuǎn)向機（EPSc），單小齒輪式電動助力轉(zhuǎn)向（EPSp），雙齒輪式助力轉(zhuǎn)向機（EPSdp）、軸平行式助力轉(zhuǎn)向機（EPSapa）。管柱式助力轉(zhuǎn)向機（EPSc），其助力單元（電機 motor和電控系統(tǒng) ECU）安裝在管柱上， 駕駛員操控方向盤時，助力轉(zhuǎn)向扭矩通過管柱、中間軸傳遞到純機械轉(zhuǎn)向機。由于這種力矩傳遞方式，轉(zhuǎn)向管柱和中間軸受力較大，因此助力大小受到限制。同時由于其 Motor 和 ECU 隨管柱安裝在駕駛艙，產(chǎn)生的噪音對駕駛員較為敏感，目前這種管柱式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要大量應(yīng)用于低端車型（見圖 1）。


單小齒輪式電動助力轉(zhuǎn)向（EPSp），是將扭矩傳感器和助力機構(gòu)安裝在小齒輪上，通過蝸輪蝸桿減速機構(gòu)，將電機輸出力矩并作用在小齒輪上。這種結(jié)構(gòu)的助力不需要管柱部件來傳遞，因而電機可以提供更大的助力，主要應(yīng)用于中級轎車上（圖 2）。



雙齒輪式轉(zhuǎn)向機（EPSdp），Motor 和 ECU 安裝在轉(zhuǎn)向機
上，齒條兩端各有一個齒輪軸。電機通過驅(qū)動一個齒輪軸來帶動齒條移動，然后齒條再驅(qū)動另外一個齒輪軸，將助力傳遞給管柱和方向盤。這種結(jié)構(gòu)形式電機直接驅(qū)動齒輪齒條，能夠承載更大的助力，目前市場上中檔車型主要采用了這種結(jié)構(gòu)形式（圖 3）。



平行軸式轉(zhuǎn)向機（EPSapa），就是滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)形式，在其內(nèi)部有循環(huán)球結(jié)構(gòu)。齒條的一側(cè)是通過皮帶傳動方式，電機安裝在方向機上，與齒條平行。電機通過皮帶傳動，驅(qū)動循環(huán)球，從而來驅(qū)動齒條移動。然后齒條再驅(qū)動另一側(cè)的齒輪軸，將力矩轉(zhuǎn)遞給管柱和方向盤。這種結(jié)構(gòu)能夠提供更大的助力，齒條力能夠達到14KN 或更大，并且通過循環(huán)球式的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向機噪音較小，目前主要應(yīng)用于豪華轎車和較大型的商務(wù)車領(lǐng)域（圖 4）。



智能駕駛對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響

目前迅速崛起的智能駕駛技術(shù)、車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，成為各個汽車廠商爭相推出的新技術(shù)，從而來占領(lǐng)市場制高點。近幾年，自動駕駛技術(shù)被越來越多的車企所重視，隨著特斯拉自動駕駛技術(shù)在市場的推出，并且在國內(nèi)獨資建廠，極大地促進著國內(nèi)汽車企業(yè)新技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用步伐，國內(nèi)眾多車企也正在加速進行研發(fā)，力求在新一輪的競爭中立于不敗之地。依據(jù)美國汽車工程師學(xué)會 SAE 劃分的標(biāo)準(zhǔn)，智能輔助駕駛分為 5 個等級，從低到高依次為 L1-L5（見表 1）。



要實現(xiàn)自動駕駛，系統(tǒng)至少需要滿足 L3 及以上的安全級別，其電控系統(tǒng)失效比例是 10 fit，和飛機的失效率相當(dāng)。在這樣的條件下，電控系統(tǒng)需要進行“冗余”設(shè)計。最簡單的做法就是需要轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)兩套系統(tǒng)，當(dāng)一套系統(tǒng)失效以后，立即切換到備用系統(tǒng)。在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，“冗余”設(shè)計就要求電控系統(tǒng)為雙系統(tǒng)，即電機、電控系統(tǒng) ECU、傳感器等以雙系統(tǒng)的形式實現(xiàn)。

對于電機，一套系統(tǒng)為三相電機，“冗余”設(shè)計需要雙三相電機或 4 個三向電機，采用 6 相或者 12 相。雙三相電機構(gòu)成半冗余，達到 L2 級別。如果要達到 L3 級別及以上，需要采用 12相電機。而對于扭矩傳感器，要滿足 L3 級別的冗余設(shè)計，需提升扭矩信號的可靠性，則需要至少 3 路扭矩信號，通常采用獨立的雙 2 路信號的扭矩傳感器。而電子控制單元 ECU也需要進行冗余設(shè)計，需要設(shè)計兩套芯片系統(tǒng)。

結(jié)束語

隨著當(dāng)前汽車及零部件行業(yè)新技術(shù)的高速發(fā)展和國家對車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持，各汽車廠商都對智能駕駛技術(shù)的研發(fā)進行了大量地投入。智能駕駛的發(fā)展，也極大地促進了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)向智能化、自動化加快轉(zhuǎn)型發(fā)展。隨著自動駕駛技術(shù)的智能化程度逐步提高，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電控策略在環(huán)境適應(yīng)性、智能駕駛可靠性、安全性等面臨新的挑戰(zhàn) 。如何在復(fù)雜的路況環(huán)境下實現(xiàn)全自動駕駛，實現(xiàn)在極端工況下的失效模式識別及其冗余容錯控制等，成為未來電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的重要研究方向。