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专家速成贴——助力转向系统介绍

我从2001年开始接触转向系统开发,2009年才基本淡出这个行当,转行做动力总成调教。切身的技术实践加之不断接触社会上对转向技术的忽悠,所以一直想好好写篇文章来科普一下,倡导“诺诺车文化”,提高广大车主的忽悠抵抗力。

【友情提示】这篇文章只要看懂了,随便卖弄几句,别人都会觉得你是转向系统的专业人士!

就以BMW为例吧!

A:液压助力转向系统】

和大多数车子一样,传统的BMW采用的是液压助力转向,发动机带动助力泵工作,使用油液为工作介质,推动齿条上的活塞左右运动达到助力效果。

这种助力转向系统虽然已经有70多年的历史,但是目前仍然占据大多数乘用车市场。我们习惯称之为HPS(液压助力转向)系统。

优点:

  • 小体积可以实现大助力(车子越重越有优势,这是液压系统的绝对优势)

  • 系统惯量小,回弹果断,路感丰富而清晰

  • 液压油具有天然粘滞特性,提供柔顺手感

缺点:

  • 油耗大,发动机必须时刻带动助力泵,不管你是否打方向都消耗燃料

  • 只有一种助力特性,要实现原地轻盈,高速就必然发飘;将就高速稳定,原地就必然沉重。因此传统HPS的助力特性不能随车速变化,或实现起来代价很昂贵

  • 系统部件多,装配工艺复杂

  • 无法做到免维护

  • 使用油液,容易污染环境

  • 方向打死时,容易伤泵

  • 工作噪音

    由于HPS技术成熟,成本也相对低廉(量产500~700元一套),因此至今还被多数轿车采用。

【B:液压可变助力转向系统】

严格的说,这种转向系统其实也属于HPS,因为它就是在传统的HPS上面加了一些电控执行器件,控制了流量或压力,通过与车速的对应,让手感得以变化。

这种系统我们也叫“电控液压转向系统”(EHPS),它的推出为HPS家族增色不少,有效的克服了HPS原地嫌重,高速嫌轻的矛盾。

在BMW上面的可变助力做法有两种:

1)在泵上安装电磁阀,调节泵的高压输出动力,车速高的时候,泵输出动力减少,方向盘助力减少,手感变重。(如下图)

2)在转向机上安装电磁阀,也是通过巧妙的玩弄液压游戏,等效调节转向扭杆的刚度,在车速高的时候,让转阀门开度降低,方向盘变重。(如下图)

此外,在VW的Polo上还应用过电动机驱动液压泵的系统,我们俗称“电动泵液压转向系统”,缩写是EPHPS,缩写多了就有点晕了吧?没事,记住汉字即可。这种系统呢,让泵的转速完全脱离了发动机转速,通过电脑控制泵的电机转速,需要提高助力时,电机就转快点;在需要减少助力的时候,泵就转慢点;直线行驶的话,泵就转得再慢一些。一方面可以调节助力,另一方面还可以适当的节能。

这种系统也不便宜,目前在国内销售的福克斯上也采用了这样的系统。福克斯车主可以试试看,停在安静的地库里,突然快速短抽方向,你会听到机舱里的一个声音频率升高,方向盘一停下来,马上频率又恢复,这就是转向泵电机的声音。

(电动泵总成)

注意,这类可变助力转向系统,是在HPS上硬生生的增加了一套硬件和电控的系统,成本比起传统的HPS来,基本翻一番。因此配备该系统的车子一般都很高档哈。不过,在这里很多销售会误导你说是电子转向,仅仅因为系统里面有了电脑和传感器,但其实它还是液压助力系统。

【C:电动助力转向系统】

后来,为了克服HPS的诸多缺点,工程师开始思考用电机直接提供助力。电动助力(电子助力)转向系统就问世了,简称EPS,这是所有转向系统里面效率最高的系统,换句话说,就是最节能。

优点:

电动助力转向系统完全由电脑控制,所以可以很容易的实现助力随车速调节和故障诊断。

而且它仅在有转向动作的时候消耗电力,直线行驶就无能量消耗,明显比液压助力转向节能,整车油耗可以因此下降3-5%。

EPS为一体式系统,集成度很高,方便了整车装配。

EPS为成熟稳定的产品,如果采用无刷电机,系统可做到终身免维护。

原材料也很环保,都可以很容易的实现循环再利用。

缺点:

当然,EPS也有它的天生弊端,这个往往只有开发人员才真正清楚,在这里就少提两句,免得泄漏天机。

首当其冲的就是泯灭了积极的路面反馈。为什么呢?

来自路面的侧向冲击会首先推动车轮,然后激励转向系统惯量,然后才能传递到方向盘上,被你感觉到。也就是说,最终传递到方向盘上的感觉才是“路感”。系统的惯量越大,路感就被削弱的越多,驾驶就会越没乐趣。

EPS都是采用了蜗轮蜗杆等类似减速机构的,机械部分转动惯量巨大!形象的说,如果液压助力系统的惯量如果是1的话,配套这台车需要的EPS的系统惯量则在200~300左右。也就是说,同样的路感,被EPS过滤后,就忽略不计了!就这个区别,EPS泯灭了真实路感。

没有路感是很不爽的事情,甚至方向盘回弹都很困难和迟缓。为了让普通驾驶员不至于对驾驶失去信心,开发人员加入了传感器识别方向盘角度,用软件+电机控制策略,根据当前的方向盘位置和车速,计算出一个回馈作用力,通过电机虚拟给驾驶员,感觉轮子还在路面上。其实,明白的人,心里都是没底的,EPS只适合日常驾驶,因为你不能通过EPS的回馈力来判断侧滑极限什么时候到来。

所以让驾驶者有种“戴了套”的感觉。

其次就是功率有限,不适合重型车,对汽车电力系统符合要求全面提高,缩短电池寿命。

无法察觉到两侧前轮气压不一致(对跑偏不敏感),容易导致轮胎过度偏磨。

当然,EPS还有它特有的好处。由于系统有方向盘角度传感器,扭矩传感器等智能器件,因此就有条件对单侧车轮亏气做出判断和修正,对双手同时脱离方向盘之类的危险动作做出判断和警示,还可以通过OBD开放的接口,根据司机喜好来调节总体助力的大小,以前的第一代国产途安就提供了12段助力大小可调,不过后来这个美妙的功能给屏蔽掉了。

图片是我们公司为大众配套的电动助力系统,年产量都是百万级别的,也是目前全球公认技术最高,可靠性最好的电动助力系统了。(同样也装配在BMW新款上面)

需要说明的是电动助力系统往往是转向齿比恒定的,不要和下面的主动转向系统混淆了。

【D:HPS主动转向系统】

我们公司(ZF)有一些偏执的开发者,希望在原地移库的时候减少方向盘来回圈数,而正常行驶时又可以回到普通转向系统的特性。因此开发出了主动转向系统(AFS),率先应用于宝马的530i上,目前已经延伸到7系和部分3系车型。

这个系统的基础其实还是液压助力系统,图片中可以看到助力油壶。设计者巧妙的引入了一套行星齿轮机构,通过一个小功率电机来驱动,可以改变输入到方向机的方向盘圈数。打个比方,某一工况下,你手上打了1圈,电脑命令电机再帮你打0.5圈,小齿轮得到的最终输入信息就是两者的叠加,即1.5圈,对于驾驶者来说,就感觉打了1圈方向盘就到头了,起到了提高传动比的主观效果。因为有一个小电机参与了输入轴的旋转,所以“主动”由此而来。

车速慢的时候,圈数少,可以方便操作;车速高的时候,圈数多,可以提高转向控制精度。

这个系统问世的最大意义倒不是齿比的可变,而是在于,它颠覆了方向盘和车轮转角的固定对应关系:

——谁说方向盘在中间位置时,车轮一定要笔直朝前?

——谁说不打方向盘,车轮就不能转向?

因此AFS系统可以轻易的对车辆的行驶姿态进行修正。比如你把着方向行驶,方向盘一直在中位,突然有侧风企图将你吹得偏离直线,电脑检测到后就可以启动小电机提供一个极小的前轮转角,帮你“打”方向,纠正回来。而整个过程之快,你浑然不知。一边的轮胎亏气了,车子通常会跑偏,你必须打一定角度的方向来纠正,使其直行,现在有了AFS也不需要了,你依然把稳方向即可,剩下的修正角度交给AFS电脑去补偿。

由于AFS系统是还基于液压助力系统的,因此保留了HPS系统的优点。但同时也保留了HPS油耗高、需要维护等缺点,反而以更加高昂的造价,限制了其使用范围。

在欧洲投放的初期,遭到很多车主的抱怨,觉得“需要很长时间来适应”,以及“最好BMW可以选装一个关闭装置,来返回传统的转向系统”

在德国,一套售后的主动转向系统的售价高达2800欧元。可以在国内买一台车开回家了吧。

【E:EPS主动转向系统】

技术仍然在发展,否则怎么持续盈利呢?

现售的新5系部分车型上装配了ZF更为先进的主动转向系统(AFS),它其实就是上一代液压主动转向系统和电动助力系统的结合体。液压系统全部被电机替代,原有的液压系统的那些优势全部消失。换来的是低油耗、低排放、方便的发动机怠速扭矩标定策略,当然还更加方便4S店进行“售后服务”,出问题没法修,直接换总成,价格绝对惊人,大家等着看吧。

不过,话说回来,贵有贵的理由,ZF的东西故障率也是相当的低。。

【F:可变齿比转向系统】

好多网友问到了可变齿比转向系统,这是一个复合概念。其实上面两种“主动转向系统-AFS”已经是相当意义上的“可变齿比”系统了。

这个概念,狭义的说,其实是指一种纯机械的转向系统,下图是本田公司在某一代雅阁上采用的齿条设计,齿条中间密,两边疏,这样方向盘在中间位置转动时,前轮的转角就小,转向灵敏度低;离开中间位置后,灵敏度就一下子提高。从机械上实现了小角度转向精度高,大角度转向圈数省的功能。

不过,缺点也是显而易见的,有几家人做的出来这样怪的齿条啊?要花多少钱啊?

【G:线控转向系统】

当然,还有研发成熟的更高级技术作为储备,就是线操控系统,也叫做Steer-by-wire。转向系统没有机械连接,直接用电线传输信息和动力。

这套系统就好像在玩电脑驾驶游戏,转向角度通过方向盘转角传感器交给前轴上的电机去执行,路面的回馈被探测到,用过方向盘上面的一个回馈电机来模拟出来,让驾驶员感受到,就好像一些高级的游戏手柄一样。它的优点就在于可以方便的进行车身布置,左/右舵都不影响机舱布置,为OEM节约一大笔费用。另外还可以方便的实现多轴、多轮转向,自动泊车、自动驾驶、偏航修正等。。。。。

但是缺点也是显而易见的,你敢开吗?

尼桑为了让自己的线控转向系统更加可靠,还是为其设计了机械连接,只是中间装有一个离合器,在系统正常运转的时候,离合器断开,上下互不干预;在系统出故障的时候,离合器结合,恢复到原来的机械转向系统。为此,系统有3个电控单元,其中两个用来独立计算线控转向系统的结果,第三个用来对比前两个的结果,结果一致就执行,不一致就表示出错。(如下图)

设计得这个复杂啊。。。得多少钱啊?汗一地。

ZF认为线控转向系统将在未来的10年内应用于量产汽车,目前面临的问题有两个:1-降低成本;2-提高可靠性。

这样的系统目前还不被德国的法规接受,我们一直在等待法规允许的那天可以批量应用。如今谁都知道中国是一个汽车相关法规不健全的市场,是一个喜欢追捧新事物的市场,是一个车主技术知识极度匮乏的市场,类似事情已经陆续在我们身边发生过,遇到类似情况,大家自己去识别。

【写在最后】

EPS逐渐成为主流趋势,目前有越来越多的中、高端车已经标配EPS转向系统了,因此追求“路感”和“驾控反馈”的票友逐渐成为弱势群体。

从诺诺现在接手调教的新车型来看,未来3年,也就是再下一代新车型大规模问世时,EPS必然会横行霸道,大事上演科技武装一切,蚕食HPS的市场份额。而那些更加高级科幻的转向系统,因为成本的关系,不会快速增长。

爱车的诺诺订阅号:icheNuonuo

责任编辑: 鲁达

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