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汽車可變轉向系統(tǒng)結構及工作原理

2021-12-04 19:24:01·  來源：羅新聞  
　
所謂可變助力轉向，就是方向機助力是可以變化的。可變轉向系統(tǒng)根據“可變”助力不同，又可以分為兩類：一類是僅助力力度可變的助力轉向系統(tǒng)；另一類是速比可變的
所謂可變助力轉向，就是方向機助力是可以變化的?？勺冝D向系統(tǒng)根據“可變”助力不同，又可以分為兩類：一類是僅助力力度可變的助力轉向系統(tǒng)；另一類是速比可變的助力轉向系統(tǒng)。
一、僅助力力度可變的助力轉向系統(tǒng)
可變助力轉向系統(tǒng)能夠隨車速改變助力力度，在泊車或低速行駛狀態(tài)下轉動方向盤更加輕盈省力，對臂力較小的駕駛員尤為方便；而當車輛高速行駛時，則能夠降低助力，使方向盤轉動阻力增大，手感變沉，不再像低速時那樣靈敏，車輛的高速行駛穩(wěn)定性得到提升。
1.增加電子控制單元和電磁閥的機械式液壓助力
與傳統(tǒng)的機械式液壓助力系統(tǒng)相比，增加電子控制單元和電磁閥的機械式液壓助力系統(tǒng)多一套能夠讀取速度傳感器信息的電子控制單元，與轉向柱連接的機械閥上增加了電磁閥機構，如圖1所示。


通過電流控制電磁閥開度，可以改變助力油液的流量，使得油液推動助力活塞的力量被改變，實現了助力力度的調節(jié)。其控制原理及機械內部結構如圖2所示。


新君威使用的MAGNASTEER磁力可變助力轉向系統(tǒng)是比較常見的增加電子控制單元和電磁閥的機械式液壓助力系統(tǒng)。
當車速改變時，系統(tǒng)會改變車輛轉向所需要的助力。低速時，系統(tǒng)會提供較大的轉向助力，高速時轉向助力減小?？勺冎D向系統(tǒng)與動力轉向系統(tǒng)共同作用，可變助力轉向控制模塊在高速總線上通信，用VSS和SAS向執(zhí)行器指令最合適的電流。執(zhí)行器是一個可變電磁執(zhí)行器，該執(zhí)行器由一個多極永磁體、一個極片和一個電磁線圈組成，通過指令-3 至+3 A的電流至線圈，轉向助力將盡量匹配車速。最低車速時(約5km/h)，線圈因極相同而互相排斥。中速時(約70km/h)，沒有電流，只通過液壓進行轉向輔助。高速時，線圈因磁力相反而互相吸引，需要很大的操控力量進行轉動。模塊檢測到的任何故障都會導致系統(tǒng)電流為0。故障情況下，只通過液壓來輔助轉向，并設置DTC。
控制單元根據車速傳感器的信號對電磁閥開度進行控制，做到了助力力度隨速度可變的功能。
2. Servotronic伺服式助力轉向
Servotronic伺服式助力轉向是在機械液壓助力系統(tǒng)上增加電磁閥，目前這類轉向系統(tǒng)的使用非常廣泛。很多人把這套系統(tǒng)稱作電子液壓助力系統(tǒng)，從組成上看，它確實有電控單元。但是，該系統(tǒng)并沒有電子泵結構，其關鍵結構是加在傳統(tǒng)機械閥體之上的電磁閥。所以，不應當將其與電子液壓助力轉向混淆，該系統(tǒng)依舊屬于“進化型”的機械式液壓助力轉向系統(tǒng)。
Servotronic轉向系統(tǒng)的作用原理與新君威的magnasteer系統(tǒng)相同，控制單元根據車速傳感器的信號對電磁閥開度進行控制，如圖3所示。


系統(tǒng)通過改變助力液流量對轉向機構液壓缸內的油液壓力進行調節(jié)，進而改變助力力度。相比使用電子泵的電子液壓助力系統(tǒng)，Servotronic轉向系統(tǒng)有著更高的可靠性，并且傳承了機械液壓助力系統(tǒng)較高負載能力和可靠性較高等優(yōu)勢，尤其適合那些對轉向系統(tǒng)的負載能力要求較高并且需要精準操控性的車型。搭載伺服式液壓助力轉向系統(tǒng)的車型不少，大眾、奧迪、寶馬、保時捷以及沃爾沃等知名廠商的一些車型(如大眾輝騰、寶馬3系等)都曾使用或仍在使用這種轉向系統(tǒng)。
3. 電子液壓助力轉向
電子液壓助力轉向系統(tǒng)(ElectroHydraulic Power Steering，簡稱EHPS)的助力原理與機械式液壓助力系統(tǒng)完全相同。與機械式液壓助力相比，電子液壓助力系統(tǒng)不再使用由發(fā)動機通過皮帶驅動的液壓泵，而換成了由電力驅動的電子泵，如圖4所示。


電子液壓助力的優(yōu)勢首先體現在能耗上。由電能驅動的電子泵使用發(fā)電機和電池輸出的電能，不再消耗發(fā)動機本身的動力。電子泵的啟動和關閉均由電子系統(tǒng)控制，在不做轉向動作的時候，電子泵關閉，不像機械液壓助力泵那樣始終與發(fā)動機聯動，進一步降低了能耗。
電子液壓助力轉向系統(tǒng)的電子控制單元能夠通過對車速傳感器、橫向加速度傳感器、轉向角度傳感器等傳感器的信息的處理，實時改變電子泵的流量來調整轉向助力的力度大小，也就是隨速可變助力功能。當然，并不是只有電子液壓助力才能夠實現助力隨速可變。
在國內，電子液壓助力的使用非常廣泛，長安馬自達3、東風雪鐵龍旗下的凱旋、東風標致307的部分車型均采用電子液壓助力。
標致雪鐵龍家族的電子液壓助力轉向系統(tǒng)被稱作GEP。在正常情況下，GEP電子泵的轉速與車速成反比，車速越高，電子泵轉速越低。通常在低速時電子泵轉速為3000r/m，而高速時則降到800r/m，帶來了泊車時轉向輕盈而高速行駛時厚重沉穩(wěn)的手感。該系統(tǒng)要比傳統(tǒng)的機械式液壓助力轉向系統(tǒng)節(jié)省油耗0.1~0.2L/100km。
相比一般的電子助力轉向系統(tǒng)，東風雪鐵龍凱旋的電子液壓助力系統(tǒng)的特別之處在于其結構上多出一個檢測方向盤轉動速度的角速度傳感器，賦予了其大多數電子液壓助力轉向系統(tǒng)所不具備的“緊急避險模式”：當駕駛員以很快的速度轉動方向盤時，控制單元會根據收到的角傳感器信息瞬間提高電子泵轉速至5000rpm，轉向助力會瞬間提升。這種設計的本意是為了幫助駕駛者能夠在遇到突發(fā)情況時盡快改變方向避險，但是實際上，這套系統(tǒng)并未像理論上那樣發(fā)揮其作用。原因在于很多駕駛員不知道自己的車具備這樣的功能，在遇到突發(fā)狀況時他們仍然會以正常的轉向力度轉動方向盤，而此時方向盤卻比他們想象的要輕得多，導致方向盤轉動角度大大高于實際所需的角度，車輛會出現轉向過度，在駕駛員意識到這種情況反打方向時又很容易造成糾正方向過度，反而增加了發(fā)生事故的風險。
4. 電動助力轉向系統(tǒng)
電動助力轉向系統(tǒng)(Electric Power Steering ，簡稱EPS)是上世紀90年代后期才逐漸應用到量產車上的轉向技術。與液壓助力系統(tǒng)一樣，電動助力轉向系統(tǒng)仍然基于齒輪齒條式轉向機構，只不過助力機構由復雜的液壓機構變成了依靠電動機產生助力的系統(tǒng)。
電動助力轉向系統(tǒng)的結構非常簡單，如圖5所示。


沒有了液壓泵、儲液罐、液壓管路和轉向柱閥體結構，而是由傳感器、控制單元和助力電機構成。在轉向柱位置安裝了轉矩傳感器，當方向盤轉動時，轉矩傳感器探測到轉動力矩，并將之轉化成電信號傳給控制器，車速傳感器也同時信號傳給控制器，控制器運算夠供給電機適當的電壓，驅動電機轉動，電動機通過減速機構將扭矩放大推動轉向柱或轉向拉桿運動，實現助力。其根據速度可變助力的特性能夠讓方向盤在低速時更輕盈，而在高速時更穩(wěn)定。
電動助力轉向系統(tǒng)根據作用位置的不同又分兩種結構，這兩種結構分別對轉向柱和轉向拉桿施加助力。對轉向柱施加助力的電動助力結構，是將助力電機(帶有減速機構，起放大扭矩作用)直接連接在轉向柱上，如圖6所示。


電機輸出的輔助扭矩直接施加在轉向柱上，相當于電機直接幫助駕駛員轉動方向盤。
另一種結構是將助力電機布置在轉向拉桿上，直接用助力電機推動拉桿幫助車輪轉向，如圖7所示。


這種結構更加緊湊，并且便于布置，目前使用比較廣泛。相對第一種結構而言，這種結構的方向盤轉向部分與電機輔助是相對獨立的，路面的信息能夠很好地通過輪胎、齒輪齒條機構回饋至方向盤處，較第一種結構擁有更加清晰的路感，更好地照顧了駕駛樂趣。我們熟悉的第六代高爾夫、馬自達睿翼都采用這種結構的電動助力轉向系統(tǒng)。
二、速比可變的助力轉向系統(tǒng)
以上的幾種助力轉向系統(tǒng)，能夠改變的僅僅是助力力度，也就是只能改變方向盤轉動時的阻力，但是轉向比(可簡單理解為方向盤轉動的角度與對應的車輪轉動角度的比值)是不可變化的。而可變齒比(速比)的轉向系統(tǒng)則要先進的多，不僅能夠改變轉向助力的力度，還可以在不同情況下，改變方向盤轉角對應的車輪轉動角度。
不同廠家對這類系統(tǒng)的叫法是不同的，比如寶馬稱之為AFS主動轉向系統(tǒng)，奧迪稱之為ADS動態(tài)轉向系統(tǒng)，雷克薩斯、豐田將其稱之為VGRS，本田的這類系統(tǒng)名稱為VGR，而奔馳的可變轉向比系統(tǒng)則以“直接轉向系統(tǒng)”命名。
雖然功能類似，但是，可變齒比轉向系統(tǒng)在技術的實現上并不相同。目前主要有兩種方式實現這種功能：一種方式是機械式可變轉向比系統(tǒng)，該系統(tǒng)原理簡單、成本相對較低；而另一種是電子式可變轉向比系統(tǒng)，該系統(tǒng)結構比較復雜，是通過行星齒輪結構和電子系統(tǒng)實現的。
1. 機械式可變轉向比系統(tǒng)
奔馳的E級、S級都搭載了“直接轉向系統(tǒng)”，奔馳的直接轉向系統(tǒng)就是第一種方式的典型代表，它主要是在“齒輪齒條機構”的“齒條”上做變化，通過特殊工藝加工齒距間隙不相等的齒條，如圖8所示。


圖8
方向盤轉向時，齒輪與齒距不相等的齒條嚙合，轉向比就會發(fā)生變化，中間位置的左右兩邊齒距較密，齒條在這一范圍內的位移較小，在小幅度轉向時(例如變線、方向輕微調整時)，車輛會顯得沉穩(wěn)，而齒條兩側遠端的齒距較疏，在這個范圍內，轉動方向盤，齒條的相對位移會變大，所以在大幅度轉向時(如泊車、掉頭等)，車輪會變得更加靈活。這種技術除了對齒條的加工工藝要求比較嚴格之外，并沒有多少“高科技”在其中，缺點在于齒比變化范圍有限，并且不能靈活變化，而優(yōu)勢也很明顯——完全的機械結構，可靠性較高，耐用性好，結構也非常簡單。
2. 電子式可變轉向比系統(tǒng)
與機械式可變轉向比系統(tǒng)相比，電子式可變轉向比系統(tǒng)使用了更復雜的機械結構，并且需要與電子系統(tǒng)結合。這類系統(tǒng)能夠更好地實現“低速時輕盈靈敏，高速穩(wěn)健厚重”的需求，其為車輛行駛帶來的便利性和穩(wěn)定性都是普通的可變助力轉向系統(tǒng)和單純的機械式可變齒比轉向無法比擬的。以雷克薩斯的VGRS為例，我們可以看到，在不同車速下車輪轉動角度相同，但是對應的方向盤轉動角度卻是不同的(如圖9所示)。


圖10是國內現款寶馬5系(E60)使用的AFS主動轉向系統(tǒng)的結構。這是一套前面提到過的servotronic伺服式助力轉向機構，其助力力度的變化依靠圖中與液壓泵緊連的ECO閥(電控閥)實現。


通過轉向器及執(zhí)行單元的剖視圖(見圖11)，可以看出轉向柱被從當中打斷，我們將連接方向盤的轉向柱一端稱為輸入軸，將直接連接轉向齒輪的一端稱為輸出軸，二者間通過行星齒輪連接。行星齒輪組的殼體是一個可旋轉的蝸輪，能夠由電機驅動旋轉。這套系統(tǒng)有獨立的電子控制單元，根據轉向角傳感器、左右車輪轉速傳感器、橫向加速度傳感器的信號來控制電動機的開關及運轉方向。


當系統(tǒng)未通電或者系統(tǒng)發(fā)生故障時，電磁鎖會在彈簧的作用下卡在蝸桿的鎖槽內，鎖止蝸桿，殼體不可旋轉，此時輸入軸與輸出軸的轉速是相同的，傳動比不發(fā)生任何變化。系統(tǒng)此時只是一套可變助力力度的機械式液壓助力轉向系統(tǒng)。而當系統(tǒng)通入電流、電磁鎖打開、電動機開始旋轉時，就發(fā)生變化了。當車輛低速行駛時，電動機驅動蝸輪與輸入軸同向運轉，蝸輪殼體與輸入軸的旋轉角度相疊加，輸出軸的旋轉角度大于輸入軸，車輪便能轉動更大的角度，轉向動作被“放大”，使車輛變得非常靈活；而當車速較高時，需要更大的轉向比來提供精準沉穩(wěn)的指向，輔助電機會驅動蝸輪反向旋轉，與輸入軸的部分旋轉角度相抵，最終輸出軸的旋轉角度會低于輸入軸，轉向動作被“縮小”。這套AFS系統(tǒng)的轉向比可在10:1到18:1之間連續(xù)調節(jié)，其工作過程如圖12所示。


從原理上講，奧迪所使用的ADS動態(tài)轉向系統(tǒng)(Audi Dynamic Steering)依然運用了疊加原理，但是使用的結構(如圖13所示)卻與寶馬和豐田的系統(tǒng)有著天壤之別。ADS動態(tài)轉向系統(tǒng)的核心部件是一套以“諧波齒輪”傳動機構為核心的電控系統(tǒng)，“諧波齒輪”是利用柔輪、剛輪和波發(fā)生器的相對運動，特別是柔輪的可控彈性變形(形狀改變)來實現運動和動力傳遞的。


改變轉向比的原理是“諧波傳統(tǒng)”系統(tǒng)的錯齒運動。連著方向盤的輸入軸與柔輪(薄型環(huán)齒圈)相連，其內有柔性滾珠軸承，中心為電機驅動的橢圓轉子，與輸出軸相連的是外環(huán)面構成的剛輪，在轉子被鎖止時(電機未通電或發(fā)生故障)，轉向系統(tǒng)轉向比保持恒定。電機驅動中央轉子旋轉時，會帶動柔輪旋轉，當轉子與柔輪同向旋轉時，由于柔輪的齒數比外環(huán)剛輪的齒數小，所以剛輪的轉動角度便會大于柔輪，使轉向角度被放大，而當轉子反轉時，就能夠起到縮小轉向角度的作用(如圖14所示)。


相比行星齒輪系統(tǒng)，奧迪的ADS動態(tài)轉向系統(tǒng)使用的“諧波齒輪”傳動結構有諸多優(yōu)點：首先是結構相對簡單，沒有過多復雜的齒輪結構，零件數少便于維修；其次是這種結構承載能力高，傳動比大；再次，它的運轉平順，噪音較低，這點對于看重靜音的豪華車型來說非常重要；最后，這種結構傳動效率高，且響應速度快，運轉精度高。
當然，寶馬和豐田的可變轉向技術也一直在進化，在早期的AFS和VGRS系統(tǒng)上，相匹配的仍然是液壓助力機構，在新一代的寶馬5系上，液壓助力機構已經被電動助力(EPS)所取代，其結構更加簡單緊湊，助力力度的輸出更加精確，能耗也得到了有效的降低(如圖15所示)。而且，助力系統(tǒng)能夠通過助力電機直接驅動齒條，可以獨立于方向盤精確控制車輪轉動角度，與泊車雷達和車身電子系統(tǒng)聯動，實現了自動泊車的功能。
目前，可變齒比的轉向系統(tǒng)仍只是少數車型才能夠有的“高級裝備”，相比之下，可變助力力度的轉向系統(tǒng)離我們更近一些，市面上較常見的幾種可變助力的轉向系統(tǒng)中，電動助力轉向系統(tǒng)無疑是未來的發(fā)展趨勢。電動助力轉向系統(tǒng)的結構簡單緊湊、低成本、低能耗、高精度、高響應速度、便于集成控制、便于功能擴展(如自動泊車)的特性是那些基于液壓助力衍生而來的可變助力轉向系統(tǒng)所無法比擬的，在注重“能耗”和“環(huán)保”的今天，電動助力轉向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是不可逆轉的，并且未來其可靠性、負載能力也將進一步得到提升。
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