车辆转向系统技术前沿与展望

引言 : 汽车转向系统是专门用来改变或者恢复汽车行驶方向的机构，其既保障车辆按照驾驶人操纵行驶，又使得车辆在受到路面偶然冲击或意外偏离行驶方向时与其他系统配合保持车辆稳定行驶。因而，转向系统直接影响车辆的操作稳定性与安全性，也是驾驶过程中至关重要的一个系统。从汽车诞生之日起，转向系统的经历了由纯机械人力控制到液压助力，乃至电控全电驱动的转变。这其中，现代汽车转向系统的发展大致可分为五个阶段，即液压伺服转向、电子伺服转向、电动助力转向(EPS)、主动转向和线控转向。其中，液压伺服转向也称液压助力转向，而电子伺服转向，也称电控液压助力转向。

可以看到，在转向系统的发展过程中，转向系统的功能特性的优化逐渐完善，系统电气化、集成化程度逐渐提高。未来，在自动驾驶相关技术以及绿色生活理念的推动下，汽车不仅仅是一个方便出行的交通工具，还会被赋予更多含义。而未来的汽车转向系统也一定是向着智能控制、节能环保以及更加安全舒适的方向靠近。

常见转向系统结构分析

图1 机械式转向系统结构组成

车辆转向系统技术发展具有一定的继承性，诸多技术的基本框架与传统的机械式无助力转向系统基本一致。转向系统一般包含转向操纵机构、转向器、转向执行机构三个部分。

在传统转向系统的框架下，随着针对转向器、控制器等部分的功能改进，发展出了多种常用的现代汽车转向系统。转向助力装置的引入，使得转向系统操纵更加轻便，减轻驾驶员驾驶过程中的紧张疲劳心理。电动机作为动力的引入，提升了能量利用率，并提升了控制灵敏性和精准性。

2.1 液压助力转向系统

液压助力转向系统按照液压系统的工作原理可分为常压式、常流式。常压式的助力 系统有液压油泵持续工作并在储能器内保持高压，压力过载时，通过卸荷油道卸载进行反馈调节，保证储能器高压稳定。在控制阀接通油路时，接通高压油的一侧工作腔压力升高，另一侧与低压油路连通，活塞两侧压差驱动转向执行机构控制转向运动。

常流式则在不工作时，保持油道内液压油低压流动，液压油泵功率消耗较小；工作时，通过控制阀将相应工作腔接到油泵输出端，而阻断其回油管路，另一侧工作腔仍与低压管路连接，压力输出驱动转向节克服转向阻力。虽然保持高压的常压式可以在控制阀切换状态后快速输出一定压力，反应速度更快，但常流式凭借无需长时间承受高压，无需储能器，油泵寿命更长，消耗功率较低等优势，被更广泛地应用各种车型上。

液压助力转向系统的转向盘到前轮的转向传动比是固定不变的，而事实上，转向系定传动比有一定的缺陷。低速、停车时，驾驶员为满足同样转向需求需要大角度地转动转向盘；而当车辆高速行驶时，定传动比的设计又不能满足低转向较高的操作灵敏度要求，那么车辆的稳定性和安全性会随之下降。因此，同时考虑到车辆在低速和高速时的转向特性，需要将车速纳入到汽车转向系统助力控制中。

图2 电控液压助力转向系统结构

电控液压助力转向就是在此基础上发展出来的。通过引入车速传感器等信号判断车辆行驶速度，电控液压转向系统借助电磁阀控制转向助力大小，使之可以根据车速变化，这一定程度上满足了转向系统在低速时的操作灵活性要求，又提高了高速时的稳定性。

2.2 电动助力转向系统

无论是液压助力转向还是电控液压助力转向，其转向助力的能源均来自由发动机带动的液压泵产生的液压能。在车辆行驶过程中，无论是否处于转向过程中，液压泵均在工作，这仍然造成了不必要的能量浪费。且此外，随着发动机的转速的提高，与发动机保持固定传动比的油泵的转速也逐渐升高，而在发动机怠速工况与高转速工况油泵供油量均要满足转向供油量需求，那么高速时供油量就会有大量冗余，不断高速循环的液压油产生了更多的能量耗散。也因此，以电驱动为能量来源的助力转向系统得以快速发展。电动助力转向系统不再由发动机直接功能，可以通过控制助力电动机的工作状态独立控制转向助力系统的供能情况，以提高能量利用率。

图3 电动液压助力转向系统1-动力转向器，2-转向助力传感器，3-止回阀，4-车速传感器，5-转向控制灯，6-发动机传感器，7-动力转向ECU，8-电动液压泵，9-限压阀，10-储油罐

电动液压助力转向系统是一种混合式的动力转向系统，其仍采用液压系统作为执行机构，而将液压泵改为电动机驱动，由电子控制单元结合车速信号、方向盘转角变化信号来控制电机转动，从而调节液压泵的供油量，基本结构见图3。 动力转向ECU接收传感器的包括车速、转向盘转角等信号， 并以此控制液压泵供油量，调节助力大小。转向盘转角增量越大，车越低，电动机的转速越高，提供的转向助力力矩越大。

直接助力式电动转向系统则是直接使用电机驱动，而不依赖于液压元件的动力转向系统。这类转向系统主要由机械式转向器、转向操纵机构、转向执行机构、转矩传感器、减速机构、离合器、电动机、电子控制单元和车速传感器等组成。

通过引入车速、转向盘转矩、转向盘转角增量、电机位置等传感器信号，电动助力式转向系统电子控制单元可以做出更加优化的决策，控制电动机的转向及工作电流，进而控制转向助力的大小。这进一步保证了车辆在低速时转向轻便，高速时，转向稳定、路感明确。

此外，为了保障安全，使用了电动助力的转向系统的应该保证在电动助力装置故障停止工作时驾驶员仍可以通过机械式的转向 传动系 操纵汽车。因此，电动机输出端的离合器设计十分重要，当电动助力不工作时，离合器断开，电动机不会因其内部电磁作用反力拖慢机械式转向操作。此外，当车速达到一定阀值，可以自动脱开离合器，转为手动转向，提升高速情况下的转向稳定性。

图4 直接式电动助力转向系统原理图

按照助力位置区分，直接式电动助力转向系统又可以分为转向轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式，而根据具体布置还可以分为图5中常见几种。

图5 直接式电动助力转向系统分类

现代车辆转向技术

3.1 线控转向技术基础

车辆线控转向技术是指，车辆控制器通过传感器信号判断车辆行驶状态及驾驶员转向意图，并通过数据线路控制液压激励器或电动机产生转向力矩，驱动转向轮以实现转向。其基本组成如图6，其中转矩反馈电机帮助驾驶员建立路感。线控转向技术的变传动比设计提升了转向操纵的舒适感，无需机械传动机构节省了一定的布置空间，减轻了整车质量；此外，线控转向为转向控制提供了新的思路，也更加贴合车辆电动化的发展趋势。

图6 线控转向系统组成

然而线控转向系统也存在很多实际应用问题，例如保证安全的冗余设计以及大量传感器的使用导致应用成本高，没有机械反馈的路感模拟真实性问题等。但其技术本身有很大的借鉴意义。

3.2 奥迪动态转向技术

3.2.1 ADS系统主要结构

Audi的动态转向技术（Audi Dynamic Steering, ADS）早期首先应用在登月车上，后来广泛应用于多系车型。ADS系统相比于传统的机械机构而言，不仅增加了电动助力机构，还在转向柱上集成了一套谐波齿轮机构。

图7 奥迪动态转向系统：（a）系统结构关系（包含谐波齿轮系以及电动助力电机）；（b）ADS系统网络架构

动态转向系统主要可以对转向传动比和电动助力力矩大小进行动态控制。驾驶员通过转向盘输入了力矩和转角，电动助力控制是通过力矩传感器测得转向盘处施加的力矩大小并根据一定的控制策略以及用户选择的工作模式进行转向助力大小控制；而动态转向控制则是根据车速、车辆姿态等传感器信号，通过运动叠加电机（ Electric motor ）驱动作动器，针对性地改变转向传动比，实现动态调整转向特性。

其中，动态转向传动比的实现依靠额外的叠加运动电机以及谐波齿轮系，详细结构如图8。运动叠加电机以及谐波齿轮系均与连接转向盘的转向轴同轴，因此整个运动叠加部分的结构十分紧凑，方便直接作为模块集成进传统的转向系统。此外，图8（a）中的锁定装置可以在不需要运动叠加电机动作时，转向输入轴与转向输出轴的相对关系锁定，即实现了传统的不可变转向传动比的电动助力转向；同时，这一锁定机构可以在运动叠加部分控制出错或是运动叠加电机故障时，锁定转向输入轴与输出轴的相对位置，保证可以进行正常的转向操作，从而保证行车安全。

图8 转向传动比动态调整机构结构：（a）结构安装关系；（b）运动叠加电机及谐波齿轮结构拆分

整个模块的核心机械结构即为谐波齿轮系，其自身具有很多优势，包括易于实现紧凑的同轴设计、整体质量小、易实现高传动比、可承载扭矩大、抗扭刚度高及低摩擦等 。谐波齿轮系的工作与行星齿轮的工作模式比较接近，其工作原理如图9。运动叠加电机驱动的 内转子 WG为椭圆形，其运动时可以通过柔性的薄壁球轴承FB改变薄壁太阳轮FS的形状，FS自身与转向输入轴末端相连，而环形内齿圈CS与转向输出轴相连。

当输入轴静止，即柔性太阳轮FS静止时，内转子WG运动会使FS形状随着WG改变，内转子运动一周，通过柔性太阳轮FS可以带动外部的环形内齿圈CS运动一个角度；而当运动叠加电机静止，即内转子WG静止，此时通过转向输入轴转动，可以带动柔性太阳轮绕柔性球轴承表面旋转，进而通过啮合关系带动外部环形内齿圈CS旋转。当转向输入轴与内转子同时运动时，即形成了驾驶员转向盘转角与运动叠加电机角度运动的叠加。由图9可以知道，整个的内转子转动一周带来的输出轴环形内齿圈CS运动叠加角度很小，其角传动比很大，也可以传递较大的扭矩。

图9 谐波齿轮系工作原理（WG：内转子，FS：薄壁太阳轮，CS：环形内齿圈，FB：柔性薄壁球轴承）

3.2.2 ADS系统功能分析

动态转向系统有多种工作状态，包括舒适、运动等模式。不同模式下以及不同的车速下，转向传动比的选择如图10。

图10 不同场景下可变转向传动比

当车辆处于低速行驶时，应尽可能降低转向时施加给转向盘的力矩以及大角度转动方向盘。此时可以采用运动叠加电机带动内转子WG与转向盘输入角度同向，叠加得到更大的转角输入，以避免驾驶员的大角度操作转向盘；同时，电动助力器的助力扭矩在这一工作状态下也应该提高，以克服低速时大的转向阻力矩。

当车辆处于高速行驶时，应尽可能保持车辆行驶的稳定性并是驾驶员有充足路感。此时可以采用运动叠加电机带动内转子WG与转向盘输入角度反向，即降低转向角传动比，降低转向灵敏度，保证高速行车稳定；同时，降低转向角传动比，转向盘所需要施加的扭矩更大，这也对车辆行驶有附加的稳定作用。

3.3 宝马主动转向技术

3.3.1 AFS系统主要结构

宝马公司的主动转向系统（Active Front Steering, AFS）是另一种形式的可变转向角传动比的转向系统。该系统相比于传统的机械机构，主要增加了两部分结构，其一，增设了电动助力机构；其二，在转向柱上集成了一套双行星齿轮机构，传统转向系统中的机械结构，如转向盘、转向柱、齿轮齿条转向器以及转向横拉杆等均保留了下来。

图11 主动转向系统的组件。1-液压油储油罐，2-转向助力系统冷却器，3-发动机控制模块，4-中央网关模块，5-便捷登车及起动系统控制模块，6-组合仪表，7-DSC（动态稳定控制系统控制模块），8-主动转向系统控制模块，9-转向柱开关中心，10-ICM（集成式底盘管理系统控制模块），11-液压泵，12-EVV阀，13-锁

主动转向系统主要可以对转向传动比和电动助力大小进行动态控制。驾驶员通过转向盘输入了力矩和转角，电动助力控制单元通过力矩传感器测得力矩大小进行转向助力大小控制；而主动转向系统控制单元则根据车速、车辆姿态等控制执行单元电动机输入叠加转向角，调节传动系的传动比。

图12 主动转向系统功能原理图