汽车转向系统进化之路

新用户02834186 2023-04-17 发布于上海

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在现代汽车系统及模块电子化的趋势下，电子控制执行系统的渗透率不断提升；随着电动车发展，由于传统发动机的消失，传动、转向、制动的动力源与执行方式发生了根本性的转变，电动控制执行系统则是成为了基本配置；进入自动驾驶时代，控制系统收集来自感知层的大量传感器的信息，将其处理分析，感知周围环境，规划驾驶线路，最终通过线控执行系统操纵车辆。

传统纯机械转向系统几乎被替代，由机械液压助力转向系统（HPS），升级至电子液压助力转向系统（EHPS）之后，由电力驱动的电动助力转向系统（EPS）逐步占据主流。随着汽车电子化程度不断加深，转向系统电子化渗透率加速，电动助力转向逐步占据主流，而未来自动驾驶时代的到来，进而进入线控转向。

1、机械液压助力转向系统（HPS）

机械液压助力转向，利用人体转动方向盘的力与发动机机械能结合，并结合液压对施力的放大效果，推动转向拉杆，完成转向动作。机械式液压助力系统主要包括齿轮齿条转向结构和液压系统(液压助力泵、液压缸、活塞等)两部分。工作原理是通过液压泵(由发动机皮带带动)提供油压推动活塞，进而产生辅助力推动转向拉杆，辅助车轮转向。

首先位于转向机上的机械阀体（可随转向柱转动），在方向盘没有转动时，阀体保持原位，活塞两侧的油压相同，处于平衡状态。当方向盘转动时，转向控制阀就会相应的打开或关闭，一侧油液不经过液压缸而直接回流至储油罐，另一侧油液继续注入液压缸内，这样活塞两侧就会产生压差而被推动，进而产生辅助力推动转向拉杆，使转向更加轻松。

机械液压助力技术成熟稳定，完全机械结构不依赖电子设备，可靠性高，路感清晰，方便驾驶员判断转向角度，因此应用十分广泛。但其缺点也很明显，结构较复杂，占用空间大，设计、制造和维护成本都较高。而且单纯的机械式液压助力系统助力力度不可调节，很难兼顾低速和高速行驶时对指向精度的不同需求，更不能满足自动驾驶需求。

2、电子液压助力转向系统（EHPS）

电子式液压助力与机械式液压助力的区别主要是油泵的驱动方式不同，机械式液压助力的液压泵直接是通过发动机皮带驱动的，而电子式液压助力利用 ECU检测方向盘的转向角度，并由电力驱动电子泵对液压缸施力，可以将方向盘设计得很“轻”，方便驾驶员使用。

电子液压助力的电子泵，不用依靠发动机本身的动力带动，而且电子泵是由电子系统控制的，不需要转向时，电子泵关闭，进一步减少能耗。电子液压助力转向系统的电子控制单元，利用对车速传感器、转向角度传感器等传感器的信息处理，可以通过改变电子泵的流量来改变转向助力的力度大小。

3、电动助力转向系统（ EPS）

电动助力转向系统（EPS）主要由方向盘传感器、控制单元和助力电机构成，由于可以避免液压助力系统的液压泵、液压管路、转向柱阀体等结构，设计和构造简单。

EPS 工作原理是在方向盘转动时，方向盘传感器将转动信号传到控制单元，控制单元通过计算给电机提供适当的电压，驱动电机输出的扭矩，再经减速器降转速提扭矩后推动转向拉杆，提供转向助力。

EPS主要优点是不含任何机械结构，设计和构造简便，助力与发动机转速无关，能够让方向盘在低速时更轻盈，高速时更稳定。缺点是需要长期保留机械装置，以保证冗余度，否则万一电子设备失效容易造成不良后果。

此外，根据辅助马达的位置有四种形式的 EPS。它们是柱辅助型（C-EPS），齿轮辅助型（P-EPS）和齿条辅助型（R-EPS）。

柱辅助型C-EPS的助力电机安装于转向管柱上，在转向管柱下面连接的是一个机械式的转向机，电机助力转矩作用于转向管柱上。C- EPS 系统优点是：结构紧凑，其电机、减速机构、传感器及控制器等常一体化设计，布置在驾驶舱内，工作环境较好，不占用发动机舱的空间，方便发动机舱布置，成本较低。缺点是驱动电机的助力要通过转向管柱和转向齿轮传递到转向机上转向管柱部件受力较大，可提供的助力大小受到限制；另外由于电机和减速机构布置在驾驶舱内，更易引起驾驶舱内产生噪声；由于减速机构等安装在方向盘上，不利于转向轴的吸能结构设计。因此，C-EPS 适用于中小型乘用车。

齿轮辅助型P-EPS助力电机和减速机构布置在转向齿轮上，驱动电机的输出力矩通过蜗轮蜗杆减速机构传递到转向齿轮上。P-EPS助力扭矩直接作用于转向齿轮上，因此可以提供较大的转向助力，助力效果较为迅速准确。助力电机和减速机构布置在发动机舱，有利于降低驾驶舱噪声水平。P-EPS 的缺点是：其电机和传感器等部件安装在发动机舱，器件的耐热与防水等环境要求高，成本较高。因此，P-EPS适用于需求助力较大的中型乘用车。

齿条式R-EPS，助力电机和减速机构布置在转向齿条上，电机助力扭矩作用于转向齿条上。R-EPS 助力扭矩直接作用于转向齿条上，因此可以提供更大的转向助力，助力效果也最为迅速准确。助力电机和减速机构布置在发动机舱，有利于降低驾驶舱噪声水平。R-EPS 缺点是：其电机和传感器等部件安装在发动机舱，器件的耐热与防水等环境要求高，成本较高。因此，R-EPS 适用于需求助力较大的大中型乘用车。

4、线控转向（SBW）

线控转向就是取消了转向盘与转向轮之间的机械连接，取而代之由路感反馈总成、转向执行总成、控制器以及相关传感器组成。单纯使用传感器获得方向盘旋转角度数据，然后ECU 将其折算为具体的驱动力数据，用电机推动转向机转动车轮。

可以说线控转向完全摆脱了传统转向的各种限制，不但可以设计汽车转向的力传递特性，而且可以设计汽车转向的角传递特性，给汽车的转向特性设计带来更大的可发挥空间，更方便与自动驾驶其他子系统（如感知、动力、底盘等）实现集成，在改善汽车主动安全性能、驾驶特性、操纵性以及驾驶员路感方面具有优势，是自动驾驶汽车实现路径跟踪与避障避险必要的关键技术。