线控转向,自动驾驶称霸路上的右膀

刘云涛 http://www.jk100f.com/baidianfengzixun/jiankangbaiwen/m/44509.html

现在追忆起来，生命里第一次对转向留下深刻印象的时间应该是在小学三四年级。那时，邻居家有一台犁地用的手扶拖拉机。农忙时节，这台手扶拖拉机总是被临时停在他家门前的空地上，以便可以随时征战黄土地。而休息中的手扶拖拉机就成了周围孩子们眼中的“变形金刚”，它除了充当我们各种游戏的道具外，还充当了我们双手和衣服上的机油肇事者。

其中有一个游戏就是借助它比谁的力气大，比拼的方法就是看谁通过掰动车把手能将车头转动更大的角度。游戏开始后，大家排好队，便开始了一轮轮毫无技巧地生拉硬拽。但那时我们可以掰动的幅度实在有限，以至于当裁判的小朋友都无法明辨到底谁掰的角度更大一点。最后无可奈何，裁判只能将胜利者给了今天请他吃辣条的小朋友。这可能也是我所经历的最早的黑哨了。

（图片来源网络）

上了大学之后，阴差阳错地读了车辆工程专业，汽车转向系统的构造和原理变成了考试的内容。成了社畜之后，新一代线控转向系统又成了你钉耙型知识结构绕不去的坎，内卷同事不可多得的好知识。想起了小时候的手扶拖拉机，冥冥之中，缘分早已在15年前安排好，垂死挣扎也是逃不掉的。

线控底盘系列第二期，我就来挖掘下线控转向系统的花边新闻，科普一下内卷同事的硬核知识。

传统转向系统

汽车转向系统在各大学《汽车构造》这本书中的定义大致如下：用来改变或者恢复汽车行驶方向的专设机构，保证汽车能按驾驶员的意愿进行直线或转向行驶。但在辅助驾驶和自动驾驶入侵后，后半句可能要改成“保证汽车能按驾驶员的意愿或智驾域控制器的意愿进行直线或转向行驶”。

汽车转向系统也如汽车制动系统一样，做大做强之后开始招聘行政秘书来分担日常工作，行政秘书的要求也由踏实稳重变成机灵活泼。基于这个套路，经过上百年的缓慢演进，汽车转向系统由无助力的机械转向系统（MS）逐渐发展出有助力的机械液压助力转向系统（HPS，HydraulicPowerSteering）、电液助力转向系统（EHPS，ElectroHydraulicPowerSteering）和电动助力转向系统（EPS，ElectricPowerSteering）三种动力转向系统。

MS已经功成身退，但它的原理永远回荡在车辆工程专业的课堂中，它的优秀代表也顺利进入大小汽车博物馆供后人参观。HPS、EHPS、EPS作为动力转系统的三杰，因各有千秋，截至当前，谁都没能消灭谁，一同活跃在各自合适的舞台。HPS和EHPS由于动力十足、价格低廉，一同统治着商用车的江山。EPS由于体积小、耗电少、轻便灵活，是乘用车市场的土皇帝。

下文我们逐一对上述四种汽车转向系统做一个简单介绍。

一、机械转向系统（MS）

MS可以称得上是汽车转向帝国的开国将军，在20世纪50年代动力转向系统成熟之前，一直承担着汽车帝国的开疆拓土。在MS中，转向轮所需要的力必须全部由驾驶员通过转动方向盘来提供，中间所有传递力的构件都是机械的。

下图是古董级的红旗CA桥车上的机械转向系统，是大学《汽车构造》课本里的常驻嘉宾，虽说仅代表一种机械转向系统结构，但对理解转向系统的工作原理足矣。由下图看出，MS主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。

(图片来源网络)

（1）转向操纵机构。和驾驶员接触最亲密的部分，主要由方向盘、转向轴、转向管柱等组成，主要作用是将驾驶员转动方向盘的力传递给转向器。

（2）转向器。将转向操纵机构传递过来的旋转运动转换为直线运动，同时承担着减速增扭的作用。转向器的结构五花八门，经典结构有齿轮齿条式、循环球式和蜗杆滚轮式，哥仨占据转向器市场90%以上的份额。

我就拿最简单的齿轮齿条式转向器举例，来简单说明下转向器的原理。如下图所示，转向操作机构带动上面齿轮旋转，上面旋转齿轮带动下面齿条左右移动，就是这么一个简单原理。虽看着贼简单，但针对某一款车进行齿轮齿条转向器参数设计，可是车辆工程专业本科毕业设计绕不过去的难题。

(图片来源网络)

（3）转向传动机构。转向传动机构主要包括转向横拉杆、转向节臂等组成，作用是将转向器输出的力和运动传到转向桥两侧的转向节，驱动两侧转向轮偏转，且使两个转向轮偏转角按一定关系变化，以保证汽车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能小。

MS饱受诟病的最大缺点就是费力，而且路况越复杂，转向越费力，这可能也是那个年代女司机非常少的原因之一。

二、机械液压助力转向系统（HPS）

HPS是最早被应用的动力转向系统，诞生于年，比第一辆汽车发明的时间年，仅晚了十几年，由此可见，省力的诉求自汽车诞生之初便被提了出来。但直到年，克莱斯勒才将验证充分、成熟可靠的HPS作为选配装置装配在其Imperial车系上。半个世纪的打磨，一代汽车人青丝变白发。

HPS在MS的基础上主要增加液压助力泵、油壶等助力装置，其中液压助力泵直接与发动机输出相连。在转向过程中，发动机会输出部分动力驱动助力泵给液压油加压，再由液压油将动力传递给转向助力装置，为驾驶员提供助力。这与机械液压制动利用发动机进气歧管的负压有异曲同工之妙，难怪发动机被称为汽车的“心脏”，转向、制动全与其息息相关。

(图片来源网络)

优点：方向盘与转向轮之间全部机械连接，不仅操控精准、而且路感反馈清晰；转向助力的动力源头为发动机，因此可以利用的转向动力澎湃且源源不断；技术成熟，可靠性高，即使助力系统失效，转向系统依然可以依靠机械连接进行无助力转向。难怪即使在今天，还是商用车领域的“宠儿”。

缺点：只要发动机启动，无论车是否转向，发动机都带着液压助力泵玩，做了很多无用功，整体能耗较高；复杂的液压管路结构、繁多的油液控制阀门，导致整体结构比较复杂，装配空间要求较大；整套油路经常保持高压状态，寿命会受到影响，且存在液压油泄漏而污染环境的风险。

三、电液助力转向系统（EHPS）

EHPS是基于HPS升级而来，基本转向原理类似于HPS，主要升级的是HPS源源不断消耗发动机动力的问题。在EHPS中，液压助力泵不再使用发动机驱动，而是由新增的电机驱动。电控单元收集轮速传感器等数据，经过综合处理后控制液压阀的开启程度来改变油液压力，从而实现转向助力力度的大小调节。

优点：继承了HPS操控精准、路感反馈清晰的优势；与HPS相比，大幅降低了能耗；且转向助力可以根据转角、车速等参数自行调节，反应更加灵敏。

缺点：增加了较多的电子单元，导致整体结构复杂度增加，成本略有上升，可靠性不如HPS；且液压油泄漏的问题依旧存在。

四、电动助力转向系统（EPS）

EPS是目前乘用车上应用最广泛的动力转向系统。EPS完全抛弃时不时来个液压油小泄露从而污染环境的液压系统，完全改由电机提供转向助力。

EPS主要由力矩传感器、EPS控制单元、带有电机位置传感器的电机、减速器、转向器等组成，下图展示了一种典型EPS结构。

（图片来源：