电子转向助力系统「可变助力转向系统」

时间：2023-05-22 18:16:09来源：

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。