汽车转向系统介绍（一）

转向系统作为汽车底盘四大系统之一，其功能是可根据驾驶员意图及道路情况随时对整车的行径方向做出合适调整并能够保持车辆稳定行驶的关键技术，系统主要由操纵机构、转向器、传动机构三部分组成。

图1 转向系统作为汽车底盘的组成之一

操纵机构：在传统的驾驶模式中，其主要功能是传递驾驶员的操纵力，由方向盘、转向柱等组成；

转向器：通过齿轮、齿条、拉杆等机械零件连接操纵机构与传动机构，是转向系统中减速及增力的传动装置，其作用是通过增大方向盘传到转向节的力并可改变力的传递方向，以此实现对车辆转向的灵活控制；

传动机构：通过力的传递让转向轮偏转角按一定比例关系变化，以确保汽车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能小。

传统的转向系统主要由机械部件构成，其总成结构如下图所示：

图2 传统汽车转向系统

随着汽车从机械化到电子化再到智能化的演变，其转向系统亦经历了机械转向系统（MS）、液压助力转向系统（Hydraulic Power Steering，HPS）、电子液压助力转向系统（Electric Hydraulic Power Steering，EHPS）、电动助力转向系统（Electric Power Steering，EPS）以及即将为适应高阶智驾而诞生的线控转向系统（Steer By Wire，SBW）多个阶段。

图3 汽车转向系统发展阶段

MS：系统全部由机械件构成，车辆的转向力来源以驾驶员施加在方向盘上的力为唯一，在早期的解放牌汽车上便是应用了该系统。

HPS：在MS的基础上加装一套液压助力系统，该系统以液压油为辅助动力，可在方向盘转动时通过由发动机带动工作的液压助力泵产生的动力来推动机械转向器工作，以此来减轻驾驶员需施加在方向盘上的力道。由于该系统的组成以机械件为主，因此具有结构简单、成本低等特点，目前主要应用于商用车领域，其结构如下：

图4 HPS结构图

EHPS：在工作原理上EHPS与HPS基本是一致的，只不过由于在HPS中液压助力泵是由发动机带动工作的，无论整车是否有转向需求，只要发动机工作，液压助力泵便会一同工作，这对于整车的能耗无形之中便提升了。因此EHPS通过以ECU控制电机的方式为液压助力泵提供驱动力，从而解决由发动机带动液压助力泵所产生的能耗高问题。EHPS的应用是转向系统由机械化迈向电动化的第一步。

同时，在HPS中由于其系统依然以机械为主，因此液压助力泵所产生的助力仅是与驾驶员施加给方向盘的角度相关，即转角越大助力也越大，与车速等信息并无任何关联。在EHPS中，由于ECU系统的介入，除了转角参数外，ECU还可结合此时的车速信息来调节电机的转速和转向油流量，电子化的控制方式使得转向助力力矩连续可调，让不同车速下对车辆的转向控制相对于HPS更加灵敏且精准。该系统目前主要应用于商用车领域。

图5 EHPS

EPS：在液压系的转向系统中，由于液体回路的存在，转向系统在应用过程中便会存在漏液的风险，因此为了彻底解决该问题，EPS取消了液压助力系统并代之以助力电机，通过ECU对电机的控制，将其产生的助力扭矩作用于转向柱或转向器上从而实现车轮的角偏移。

在EHPS的应用中电动化已成趋势，因此EPS在取消液压系统的基础上通过增加扭矩传感器、车速传感器等电子装置对行车过程中的车速、方向盘扭矩、转动方向等信息进行采集，通过软件策略的控制，实现向不同的驾驶工况下的驾驶员提供合适的助力。该系统的组成如下图所示：

图6 EPS组成

在汽车电动化时代，EPS是目前汽车转向系统的主流方案，但由于该系统中的电机功率及助力扭矩有限，因此在车身质量较重的中大型商用车领域，其在转向上的助力效果要略逊于液压系转向系统，因此EPS目前主要应用于乘用车领域，且渗透率已接近100%，其系统原理简图如下所示：

图7 EPS系统原理

在目前国内汽车市场上，对EPS的应用中按照助力电机布置位置的不同，可将其分为转向轴助力式（C-EPS）、齿轮助力式（P-EPS）和齿条助力式（R-EPS/DP-EPS）三种类型。其中：由于C-EPS的助力电机位于转向轴上，在整车布置时它处于驾驶室位置，因此对于电机本身的IP要求要略低，但是由于距离驾驶员近，因此对于此类系统要求其工作时电机的噪声要更低。同时该系统的电机输出扭矩小，一般被应用于A/B级别的微小型车上。

图8 C-EPS示意图

P-EPS的助力电机相对于C-EPS的安装为主要靠下，在整车布置中常位于机舱内，由于运行环境相对差些，因此对于此系统下的助力电机在IP要求上要高些，但由于其距离驾驶员的距离远，所以在噪声上的要求便低了，此类系统常应用于C/D级别车上。

图9 P-EPS示意图

在齿条助力式转向系统中，助力电机安装于转向执行机构的齿条处，在整车环境中其位于机舱内，因此对于电机本身的IP要求更高。此系统下，助力电机的输出最大扭矩相对较大，因此该系统常应用于中大型的SUV或轿跑上。其中，在力的传动上，DP采用蜗轮蜗杆，而R采用滚珠丝杆。

图10 齿条助力式转向系统示意图

对不同EPS总结如下：

图11 EPS

随着汽车智能化的到来，在高级别的自动驾驶要求下，整车控制单元需要对转向系统实现主动的、高效的控制，因此在完全没有人力介入的背景之下，EPS不再适用于此环境之中。而在线控转向系统还未普及的当下，要满足L3+的智驾场景，作为线控转向系统的过渡方案，冗余EPS或可较好的进行应对。冗余EPS是在EPS的基础上采用两套相同的控制系统对需求功能进行统一管理，当某系统出现失效时，另一系统可实现快速接管，通过此冗余方式来确保在较高智驾环境下的转向系统故障时整车可进入安全状态。

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