汽车方向盘下的玄机:详解可变转向系统

2011-07-23 16:59:13来源: 互联网

引言: 汽车已经成为我们生活中不可或缺的部分,方向盘+换挡杆+踏板的组合似乎已经成为天经地义的汽车控制方式,但是它们各自的作用机理却鲜有人明了。就以我们手中的方向盘为例,广大车友对于常见的各类转向系统概念仍旧模糊,比如“电动助力和液压助力的差别”,“可变助力是怎么回事”等等问题都是大家所好奇的,下面,我们就要为大家系统的介绍各类常见的转向系统,为大家解答这些问题,并与大家一起讨论各种转向系统的玄机和奥秘。

  本篇文章,我们将会针对近来流行的各类“可变”转向系统进行系统的介绍,让大家了解所谓的“可变”转向的真面目。

  首先,我们要将“可变”助力大体划分为两个阵营:仅助力力度可变的助力转向系统以及速比可变的助力转向系统。我们先从仅能改变助力力度的转向系统看起。

  可变助力的优势:能够随车速改变助力力度,在泊车等低速行驶状态下转动方向盘更加轻盈省力,对臂力较小的女性尤为方便,而当车辆高速行驶时,则能够减少助力,使方向盘转动阻力增大,手感变沉,不再像低速时那样灵敏,车辆的方向会变得更容易控制,提升车辆的高速行驶稳定性。

“进化”的机械式液压助力--增加电子控制单元+电磁阀

代表车型:别克新君威

  在方向盘下的玄机(1)中,我们已经提到过,随着技术的发展,在助力转向系统中年代最久远的机械式液压助力系统也在不断的进化着,当今的机械式液压助力系统同样能够实现可变助力的功能,做到高速时沉稳、低速轻盈。

新君威的magnasteer系统示意图,该系统由德尔福提供

  新君威使用的“MAGNASTEER磁力可变助力转向系统”凭借其特立独行的名称让很多消费者云里雾里琢磨不出其本质,但是其实它的原理并不复杂:与传统的机械式液压助力系统相比,这类系统多出了一套能够读取速度传感器信息的电子控制单元,并与转向柱连接的机械阀上增加了电磁阀机构。通过电流控制电磁阀开度,可以改变助力油液的流量,使得油液推动助力活塞的力量被改变,就实现了助力力度的调节。控制单元根据车速传感器的信号对电磁阀开度进行控制,便做到了助力力度随速可变的功能。而这种系统的转向执行机构、液压泵等部件仍然是我们所熟悉的。

左:转向系统透视图                     右:安装在转向柱下端的电磁阀结构

Servotronic伺服式助力转向

  而这种在机械液压助力系统上增加电磁阀的方法,并非只被新君威所采用,这类转向系统目前的使用其实非常广泛,耳熟能详的Servotronic伺服式可变助力转向系统也是这种类型的转向系统。很多人把这套系统称作电子液压助力系统,从组成上看,它确实有电控单元不假,但是并没有电子泵结构,系统的关键依然是加在传统机械阀体之上的电磁阀结构,所以它不应当与电子液压助力转向相混淆,依旧是属于“进化型”的机械式液压助力转向系统。

Servotronic伺服式助力转向

  我们以汽车底盘、转向、传动技术的大牌--ZF(采埃孚)生产的Servotronic伺服式液压助力转向系统产品为例,给大家做一简单介绍:Servotronic转向系统的作用原理与新君威的magnasteer系统相同,控制单元根据车速传感器的信号对电磁阀开度进行控制,通过改变助力液流量实现对转向机构液压缸内的油液压力的调节,进而改变助力力度,相比使用电子泵的电子液压助力系统有着更高的可靠性,并且依旧保持机械液压助力系统的较高负载能力和可靠性较高等优势,尤其适合那些对转向系统的负载能力要求较高并且需要精准操控性的车型。

Servotronic伺服式助力转向系统组成及结构简图

  在市面上,搭载伺服式液压助力转向系统的车型不在少数,大众、奥迪、宝马、保时捷以及沃尔沃等知名欧洲厂商的产品(如大众辉腾、宝马3系等)都曾使用或仍在使用这种转向系统。

这些车型匹配的都是Servotronic伺服式液压助力转向系统

电子液压助力

代表车型:凯旋、海马欢动

    关于电子液压助力的特性我们已经介绍的很清楚了,由于电子液压泵的运转由控制单元一手掌握,所以其转速高低不仅可变并且能够随时根据控制单元的指令进行变化,自然能够轻松实现助力力度的改变。忘记电子液压助力转向的特点了?

  在国内,电子液压助力的使用非常广泛,马自达3、PSA(标致雪铁龙)旗下的凯旋、307(部分车型)等均采用电子液压助力,在自主品牌中,海马欢动则是电子液压助力系统的典型代表,其“SSPS转速可变式助力转向系统”的真身实际上就是电子液压助力系统。

  比较有意思的是标致雪铁龙(PSA)家族的这套被称作“GEP”的电子液压助力转向系统,在正常情况下,GEP电子泵的转速与车速成反比,车速越高,电子泵转速越低。通常在低速时电子泵转速为3000rpm,而高速时会降到800rpm,带来了泊车时转向轻盈而高速行驶时厚重沉稳的手感。并且据称该系统要比传统的机械式液压助力转向系统节省油耗0.1-0.2L/100km。

凯旋的电子液压助力系统组成示意

  相比一般的电子助力转向系统,它的特别之处在于其在结构上多出了一个检测方向盘转动速度的角速度传感器,赋予了其大多数电子液压助力转向系统所不具备的“紧急避险模式”,当驾驶者以很快的速度转动方向盘时,控制单元会根据收到的角传感器信息瞬间提高电子泵转速至5000rpm,转向助力会瞬间提升,这种设计的本意是为了帮助驾驶者能够在遇到突发情况时尽快改变方向避险,但是实际上,这套系统并未像理论上那般发挥其作用,原因在于很多消费者在购车后根本就不知道自己的爱车具备这样的功能,在遇到突发状况时他们仍然会以正常的转向力度转动方向盘,而此时方向盘却比他们想象的要轻得多,导致方向盘转动角度大大高于实际所需的角度,车辆会出现过度的转向,在驾驶者意识到这种情况反打方向时又很容易造成纠正方向过度,反而增加了发生事故的风险。如果您一直都没有想明白为什么自己的车子突然像个疯子般不听使唤,那么,这个“紧急避险模式”就是您一直在找的答案。请牢记:如果驾驶配置了GEP可变助力转向系统的车型,紧急并线时一定要控制转动方向盘的力度,并对转向阻力突然大幅减小做好心里准备。

电动助力

代表车型:新奥拓、6代高尔夫、睿翼

  关于电动助力转向,我想在这里完全不需要再介绍其助力力度变化的机理了,我们知道以电子马达提供助力的电动助力转向系统在执行效率和响应速度方面都是液压助力系统所不能比拟的。而且,与车辆系统总线连接的控制单元能够让这套系统发挥更多的作用,我们熟悉的“自动泊车”功能中车辆之所以能够自动转向,就是依靠行车电脑与电动助力转向系统的联动实现的。

可变转向比(齿比)转向系统-主动转向系统

代表车型:宝马5系(E60、F10)、丰田新皇冠、雷克萨斯LS460L、奥迪Q5、奔驰新E级

  前面提到的几种“可变”转向,能够改变的仅仅是助力力度,说白了只是能够改变方向盘转动时的阻力而已,但是转向比(可简单理解为方向盘转动的角度与对应的车轮转动角度的比值)是不可变化的,我们接下来要说到的可变齿比(速比)的转向系统则要先进的多,不仅能够改变转向的助力力度,在不同情况下,方向盘转角对应的车轮转动角度也是可以变化的。

  不同厂家对这类系统的叫法可谓五花八门,比如宝马称之为AFS主动转向系统(Active Front Steering,这个缩写与我们熟悉的随动转向大灯缩写是相同的),奥迪将其称之为动态转向系统(Audi Dynamic Steering),雷克萨斯/丰田使用的则是可变齿比转向系统VGRS(Variable Gear Ratio Steering),本田的这类系统名称为VGR,与丰田命名类似,而奔驰的可变转向比系统则以“直接转向系统”命名。虽然功能类似,但是他们使用的技术却是截然不同的。

  简单地说,可变齿比转向系统在技术层面上并不是一个水平的,目前主要有两种方式实现这种功能,一种方式是依靠特殊的齿条实现,原理简单,成本也相对较低,没有过高的技术含量,而另一种就比较复杂,是通过行星齿轮结构和电子系统实现的。由于目前并没有明确的分类,所以我们姑且将它们分为机械式和电子式吧。

机械式可变转向比系统:奥秘在于齿条,原理简单

奔驰的E级、S级都搭载了“直接转向系统”

  奔驰的直接转向系统就是第一种方式的典型代表,它主要是在“齿轮齿条机构”的“齿条”上做文章,通过特殊工艺加工齿距间隙不相等的齿条,这样方向盘转向时,齿轮与齿距不相等的齿条啮合,转向比就会发生变化,中间位置的左右两边齿距较密,齿条在这一范围内的位移较小,在小幅度转向时(例如变线、方向轻微调整时),车辆会显得沉稳,而齿条两侧远端的齿距较疏,在这个范围内,转动方向盘,齿条的相对位移会变大,所以在大幅度转向时(如泊车、掉头等),车轮会变得更加灵活。这种技术除了对齿条的加工工艺要求比较严格之外,并没有多少“高科技”在其中,缺点在于齿比变化范围有限,并且不能灵活变化,而优势也很明显--完全的机械结构,可靠性较高,耐用性好,结构也非常简单。

电子式:科技含量高,仍在进化

    与上面的方式相比,宝马、丰田所使用的可变齿比转向系统明显要先进许多,使用了更复杂的机械结构并且需要与电子系统结合使用。能够更好的实现“低速时轻盈灵敏,高速稳健厚重”的需求,其为车辆行驶带来的便利性和稳定性都是普通的可变助力转向系统和单纯的“机械式”可变齿比转向无法比拟的。

以雷克萨斯的VGRS为例,我们可以看到,在不同车速下
车轮转动角度相同,但是对应的方向盘转动角度却是不同的

  接下来,我们就从国内的现款宝马5系(E60)使用的AFS主动转向系统入手,来深入了解一下“可变转向比”实现的过程。从结构上看,这是一套我们前面提到过的servotronic伺服式助力转向机构,其助力力度的变化是依靠图中与液压泵紧连的ECO阀(电控阀)实现,而改变转向比的玄机,就藏在转向器及执行单元的外壳之下。

  我们来看转向器及执行单元的剖视图,这里就是AFS的秘密所在。转向柱被从当中打断,我们将连接方向盘的转向柱一端称为输入轴,将直接连接转向齿轮的一端称为输出轴,二者间通过行星齿轮连接,行星齿轮组的壳体是一个可旋转的蜗轮,能够由电机驱动旋转。这套系统有独立的电子控制单元,根据转向角传感器、左右车轮转速传感器、横向加速度传感器的信号控制电动机的开关及运转方向。

  当系统未通电或者系统发生故障时,电磁锁会在弹簧的作用卡在蜗杆的锁槽内,锁止蜗杆,壳体不可旋转,此时输入轴与输出轴的转速是相同的,传动比不会发生任何变化,此时它只是一套可变助力力度的机械式液压助力转向系统。而当系统通入电流,电磁锁打开,电动机开始旋转时,变化就发生了。当车辆低速行驶时,电动机驱动蜗轮与输入轴同向运转,蜗轮壳体与输入轴的旋转角度相叠加,输出轴的旋转角度便大于输入轴,车轮便能转动更大的角度,我们的转向动作被“放大”,使车辆变得非常灵活,而当车速较高时,我们需要更大的转向比来提供精准沉稳的指向,辅助电机会驱动蜗轮反向旋转,与输入轴的部分旋转角度相抵,最终输出轴的旋转角度会低于输入轴,我们的转向动作被“缩小”。这套AFS系统的转向比可在10:1到18:1之间连续调节。

  丰田在雷克萨斯的诸多车型所使用的VGRS系统也是依靠行星齿轮结构对方向盘的转向动作进行放大或缩小,原理与宝马的AFS系统一致,只是在电机的布置位置和结构的设计上有所差异。我们在这里就不做详尽的介绍了。

丰田的VGRS可变齿比转向系统结构示意

  奥迪所使用的动态转向系统(Audi Dynamic Steering)从原理上来讲依然是运用了叠加的原理,但是使用的结构却与宝马和丰田的系统有着天壤之别,其核心部件是一套以谐波齿轮传动机构为核心的电控系统。大家对于“谐波齿轮”的概念可能都比较陌生,它是利用柔轮、刚轮和波发生器的相对运动,特别是柔轮的可控弹性变形(形状改变)来实现运动和动力传递的(定义来自网络)。

动态转向系统-Audi Dynamic Steering结构图

  改变转向比的原理是谐波传统系统的错齿运动。连着方向盘的输入轴与柔轮(薄型环齿圈)相连,其内有柔性滚珠轴承,中心为电机驱动的椭圆转子,与输出轴相连的是外环面构成的刚轮,在转子被锁止时(电机未通电或发生故障),转向系统转向比保持恒定。而电机驱动中央转子旋转时,会带动柔轮旋转,当转子与柔轮同向旋转时,由于柔轮的齿数比外环刚轮的齿数小,所以刚轮的转动角度便会大于柔轮,使转向角度被放大,而当转子反转时,就能够起到缩小转向角度的作用。

  相比行星齿轮系统,奥迪的动态转向系统使用的谐波齿轮传动结构有诸多优点,首先是结构相对简单,没有过多复杂的齿轮结构,零件数少便于维修。其次是这种结构承载能力高,不娇气,传动比大;同时,它的运转平顺,噪音较低,这点对于看重静音的豪华车型来说非常适合;另外,这种结构传动效率高,且响应速度快,运转精度高。

  当然,宝马和丰田的可变转向技术也一直在进化着,在早期的AFS和VGRS系统上,相匹配的仍然是液压助力机构,在新一代的宝马5系(F10)上,液压助力机构已经被电动助力(EPS)所取代,结构更加简单紧凑,助力力度的输出更加精确,能耗也得到了有效的降低。而且,助力系统能够通过助力电机直接驱动齿条,可以独立于方向盘精确控制车轮转动角度,与泊车雷达和车身电子系统联动,实现了自动泊车的功能,真正解放双手。

新一代宝马5系(F10)上,电动助力转向已经取代了液压助力系统

  与丰田的VGRS系统所匹配的助力转向系统也有所升级。LS460以上的车型所装备的IFS(intelligent front steering)智能前转向系统,使用的就是电动助力转向系统,该系统将可变齿比系统与电动助力设计成了一体,省去了螺旋电缆,结构更加简单紧凑,系统的运行效率也进一步提高。上市不久的新一代皇冠4.3车型使用的也是VGRS+EPS电动助力转向系统的组合。

小结:

  目前来看,可变齿比的转向系统仍然只是少数品牌车型才能够享受到的“高级装备”,相比之下可变助力力度的转向系统要离我们更近一些,普及程度也非常高。眼下,市面上较常见的这几种可变助力的转向系统中,电动助力系统无疑是未来的发展趋势,结构简单紧凑、低成本、低能耗、高精度、高响应速度、便于集成控制、便于功能扩展(如自动泊车)的特性是那些基于液压助力衍生而来的可变助力系统所无法比拟的,尤其在注重“能耗”和“环保”的今天,电动助力系统发展的趋势是不可逆转的,并且未来其可靠性、负载能力也将会进一步提升。

  目前,电动助力转向系统技术已经比较成熟,所以车友们在选车的时候,如果用车条件相对宽松(非赛道用,非越野用,非激烈驾驶用)可以优先考虑使用电动助力转向系统的车型,精准操控与低能耗兼得,何乐而不为呢?

 

关键字:方向盘  玄机

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2011/0723/article_4072.html
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