摘要：本章沿著汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的演進(jìn)過(guò)程來(lái)敘述：原始轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、帶有轉(zhuǎn)向比的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、機(jī)械液壓轉(zhuǎn)向HPS、電子液壓轉(zhuǎn)向EHPS、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS、以及最終的純線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

開(kāi)局先放一張轉(zhuǎn)向系統(tǒng)演進(jìn)的示意圖，接下來(lái)的內(nèi)容都會(huì)圍繞該圖展開(kāi)：

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的演進(jìn)過(guò)程

原始的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

最原始的車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，方向盤連接轉(zhuǎn)向柱，而轉(zhuǎn)向柱再與連接兩個(gè)車輪的拉桿連接（下圖中甚至沒(méi)有可以改變扭力輸出方向的萬(wàn)向節(jié)）。通過(guò)該套機(jī)械結(jié)構(gòu)，方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)即可傳導(dǎo)到車輪上。實(shí)際過(guò)程中，兩側(cè)車輪的轉(zhuǎn)向角度是不同的，對(duì)轉(zhuǎn)向幾何感興趣的讀者，可以自行搜索“阿克曼角”。

最原始的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

這種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)既沒(méi)有轉(zhuǎn)向助力，更沒(méi)有減速機(jī)構(gòu)，方向盤轉(zhuǎn)角與車輪轉(zhuǎn)角相等，轉(zhuǎn)向比為1：1?？ǘ≤囉捎隗w積有限，采用的即為上述轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

卡丁車

而這套最原始的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在兩個(gè)問(wèn)題：

1.乘用車一般重量1噸以上，商用車可能重達(dá)數(shù)十噸，憑人力很難擰的動(dòng)方向盤，例如很多玩過(guò)卡丁車的都表示胳膊擰方向盤十分費(fèi)力。

2.采用1：1的轉(zhuǎn)向比，在高速情況下，細(xì)微的轉(zhuǎn)動(dòng)就可能導(dǎo)致偏航，十分危險(xiǎn)。

因此，一般的乘用車轉(zhuǎn)向比會(huì)達(dá)到12：1到20：1左右，一般家用車打死方向至少需要轉(zhuǎn)一圈半，F(xiàn)1賽車為了提升操控靈敏性和反饋感，轉(zhuǎn)向比會(huì)在6：1左右。大轉(zhuǎn)向比一方面可以限制方向盤的細(xì)微轉(zhuǎn)動(dòng)，提升高速巡航時(shí)穩(wěn)定性，另一方面更長(zhǎng)的行程也可以增加轉(zhuǎn)向的扭矩，更加省力。

學(xué)過(guò)《機(jī)械原理》的應(yīng)該知道，可以減速增扭的機(jī)構(gòu)，無(wú)非就是齒輪組、齒輪紙條、蝸輪蝸桿、滾珠絲杠等機(jī)構(gòu)。根據(jù)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的空間特性，齒輪齒條和滾珠絲杠更為常用：

齒輪（斜）齒條轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，來(lái)自日本NSK

滾珠絲杠（循環(huán)球式）轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，來(lái)自瑞典SKF

滾珠絲杠由于將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)換為滾動(dòng)摩擦，其傳動(dòng)效率更高且壽命更長(zhǎng)。更重要的是，滾珠絲杠具有自鎖的特性，即扭矩只能由轉(zhuǎn)向柱傳遞給滾珠絲杠，反之則不行；而齒輪齒條則不會(huì)自鎖，齒輪和齒條可以相互傳力（此處仍然需要一定的機(jī)械原理知識(shí)）。這也就是說(shuō)，當(dāng)行駛在不平坦的路面上時(shí)，對(duì)于齒輪齒條機(jī)構(gòu)，崎嶇的路面可能引發(fā)車輪的被迫轉(zhuǎn)向，進(jìn)而反向傳導(dǎo)至方向盤上；而對(duì)于滾珠絲杠機(jī)構(gòu)，只要駕駛員不轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，車輪也不會(huì)因?yàn)槁访嫘螒B(tài)發(fā)生任何轉(zhuǎn)向。

越野場(chǎng)景

鑒于上述特性，滾珠絲杠轉(zhuǎn)向器，也叫循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器更廣泛地應(yīng)用在硬派越野（如奔馳G、豐田陸巡、三菱帕杰羅等）、以及載重量更大的大客車和大貨車上。而更強(qiáng)調(diào)操控的家用車輛則常采用齒輪齒條轉(zhuǎn)向器，其結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，成本更低，轉(zhuǎn)向的反饋也更加靈敏（俗稱“有路感”）。

即便采用了減速增扭的機(jī)械結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向需要的力道仍然不小，對(duì)于拉貨的重型卡車就更是如此。比如前面提到的老式拖拉機(jī)，筆者小時(shí)候在田間曾看到司機(jī)師傅轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)小臂青筋鼓起，看得出來(lái)十分費(fèi)力。再比如新中國(guó)成立之初生產(chǎn)的解放卡車，司機(jī)師傅都練就了一身好臂力。因此，和剎車系統(tǒng)一樣，業(yè)界想到給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)“助力”。

而根據(jù)出現(xiàn)時(shí)間順序，轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)可分為：機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向（HPS）、電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向（EHPS），以及電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（EPS）。

老式解放卡車

機(jī)械液壓轉(zhuǎn)向（HPS Hydraulic Power Steering）

機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)早在20世紀(jì)初就被發(fā)明，不過(guò)規(guī)模化的應(yīng)用要等到二戰(zhàn)結(jié)束。在這套系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向絲桿上集成了一個(gè)可以左右移動(dòng)的液壓缸，由三通閥控制其移動(dòng)方向。

機(jī)械液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)HPS

HPS具體的工作原理是：液壓泵由由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，液壓泵時(shí)可維持運(yùn)轉(zhuǎn)。而方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)三通控制閥的開(kāi)閉：方向盤左轉(zhuǎn)時(shí)候，左邊側(cè)節(jié)流閥打開(kāi)，液壓油經(jīng)過(guò)節(jié)流閥流向液壓缸驅(qū)動(dòng)車輪向左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)同理。方向盤不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)候，液壓油經(jīng)過(guò)中間的節(jié)流閥流回儲(chǔ)油罐。（這里需要基礎(chǔ)的《液壓傳動(dòng)》知識(shí)）

三通閥的類比：HPS的工作原理

可以看出，HPS會(huì)持續(xù)消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的能量，帶來(lái)的是油耗的上升，并且，液壓泵輸出功率會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速而發(fā)生變化，因此其轉(zhuǎn)向助力的大小并不穩(wěn)定。

電子液壓轉(zhuǎn)向（EHPS Electro-Hydraulic Power Steering）

電子液壓轉(zhuǎn)向EHPS的工作機(jī)理類似于前面提到的電子液壓制動(dòng)EHB，其將液壓泵的動(dòng)力源由發(fā)動(dòng)機(jī)替換為了電動(dòng)機(jī)，并且引入了扭矩傳感器和ECU來(lái)替代由機(jī)械控制的液壓閥。扭矩傳感器檢測(cè)到方向盤的傳來(lái)的扭力，ECU收到傳感器的信號(hào)后，控制液壓閥的開(kāi)閉和電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，即可完成助力轉(zhuǎn)向。

電子液壓轉(zhuǎn)向EHPS架構(gòu)

相比HPS，EHPS中電動(dòng)機(jī)無(wú)需時(shí)刻工作，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的削弱少很多；并且電動(dòng)機(jī)的輸出功率更加平穩(wěn)。液壓系統(tǒng)能夠輸出的力道非常大，因此更多應(yīng)用在商用車和重型卡車領(lǐng)域。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（EPS Electric Power Steering）

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS的原理則有點(diǎn)類似前面提到的電子機(jī)械制動(dòng)EMB。扭矩傳感器檢測(cè)到方向盤傳來(lái)扭矩?cái)?shù)據(jù)后，將其傳遞給ECU，ECU根據(jù)一定的算法邏輯，控制電動(dòng)機(jī)輸出扭矩，經(jīng)過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)減速后作用于轉(zhuǎn)向柱上，完成轉(zhuǎn)向助力。

當(dāng)然，電機(jī)和減速器可以有不同的布置，其動(dòng)力可以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向柱，也可以直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向絲桿，這都不影響我們對(duì)其原理的理解。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向，F(xiàn)rom 瑞典NSK

相較于EMB的難產(chǎn)，EPS的普及更為迅速，目前幾乎所有新量產(chǎn)的乘用車都采用了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向。其中一個(gè)重要原因就是：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的需要的輸出功率相對(duì)剎車系統(tǒng)較小，電機(jī)更容易帶動(dòng)，一般乘用車的轉(zhuǎn)向電機(jī)功率在300~800W之間。

● EPS的優(yōu)點(diǎn)有：

直接省去了液壓系統(tǒng)，大幅簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，提升了可靠性，降低了成本；

電機(jī)+齒輪可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)向角度的精確控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)向的線控；

人力輸入的機(jī)械連接并沒(méi)有被切斷，當(dāng)電動(dòng)助力失效時(shí)候，仍然可以通過(guò)人力來(lái)控制車輛，提供安全備份。

● 隨速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：

有過(guò)駕駛經(jīng)驗(yàn)的讀者應(yīng)該知道，在低速狀態(tài)下，方向盤一般十分輕便，而高速狀態(tài)下方向盤則較為沉重，不易轉(zhuǎn)動(dòng)。這就引出了“隨速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)”。如果在高速情況下，轉(zhuǎn)向助力維持低速的狀態(tài)，那么輕輕撥動(dòng)方向盤就可能造成很大的轉(zhuǎn)向動(dòng)作，進(jìn)而造成嚴(yán)重的事故。

因此，轉(zhuǎn)向助力應(yīng)當(dāng)隨著速度的增加而減少，這個(gè)減小可以是線性的也可以是非線性的，都可以通過(guò)ECU程序來(lái)進(jìn)行標(biāo)定。我們?cè)谲囋u(píng)節(jié)目中經(jīng)常會(huì)聽(tīng)到“轉(zhuǎn)向隨速增益”這個(gè)詞來(lái)形容方向盤的手感，就是這個(gè)意思。

線控轉(zhuǎn)向

在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步把轉(zhuǎn)向柱也去掉。采用一個(gè)轉(zhuǎn)向模擬器來(lái)收集方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，并給駕駛者提供一定的轉(zhuǎn)向阻尼。ECU根據(jù)轉(zhuǎn)角信息，驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成轉(zhuǎn)向動(dòng)作。

線控轉(zhuǎn)向與電子助力轉(zhuǎn)向的對(duì)比，來(lái)自Lexus

● 這種更為徹底的線控轉(zhuǎn)向的優(yōu)點(diǎn)有：

去掉轉(zhuǎn)向柱使得轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的布置更為靈活；

由于方向盤與執(zhí)行機(jī)構(gòu)不存在機(jī)械連接，因此可以利用程序?qū)崿F(xiàn)不同的轉(zhuǎn)向比，甚至實(shí)現(xiàn)非線性的轉(zhuǎn)向比，以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的駕駛需求（例如，在轉(zhuǎn)向角較大時(shí)可適當(dāng)降低轉(zhuǎn)向比，使得低速狀態(tài)下能夠更輕松地掉頭）；

通過(guò)與方向盤相連的轉(zhuǎn)向模擬器，可以更自由地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向阻尼，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的轉(zhuǎn)向手感；

前面提到“高速行駛下大幅度轉(zhuǎn)向會(huì)導(dǎo)致翻車”，而采用線控轉(zhuǎn)向，系統(tǒng)可以抑制人類的可能導(dǎo)致車輛失控的操作。

●線控轉(zhuǎn)向地缺點(diǎn)是：

如同EMB缺少可靠的備份，線控轉(zhuǎn)向取消了方向盤輸入與轉(zhuǎn)向輸出之間的機(jī)械連接，一旦線控系統(tǒng)失效，則無(wú)法通過(guò)人工補(bǔ)救。因此需要額外設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向備份系統(tǒng)。