各車系最新動力轉向技術

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汽車已經成為我們生活中不可或缺的部分,方向盤+換擋桿+踏板的組合似乎已經成為天經地義的汽車控制方式,但是它們各自的作用機理卻鮮有人明了。就以我們手中的方向盤為例,廣大車友對於常見的各類轉向系統概念仍舊模糊,比如「電動助力和液壓助力的差別」,「可變助力是怎麼回事」等等問題都是大家所好奇的,下面,我們就要為大家系統的介紹各類常見的轉向系統,為大家解答這些問題,並與大家一起討論各種轉向系統的玄機和奧秘。

在上一篇文章中,我們已經為大家詳細介紹了目前主要的助力轉向系統,大家可以點擊查看方向盤下的玄機(一):助力轉向系統解讀進行回顧,而這篇文章,將會針對近來流行的各類「可變」轉向系統進行系統的介紹,讓大家了解所謂的「可變」轉向的真面目。

首先,我們要將「可變」助力大體劃分為兩個陣營:僅助力力度可變的助力轉向系統以及速比可變的助力轉向系統。我們先從僅能改變助力力度的轉向系統看起。

可變助力的優勢:能夠隨車速改變助力力度,在泊車等低速行駛狀態下轉動方向盤更加輕盈省力,對臂力較小的女性尤為方便,而當車輛高速行駛時,則能夠減少助力,使方向盤轉動阻力增大,手感變沉,不再像低速時那樣靈敏,車輛的方向會變得更容易控制,提升車輛的高速行駛穩定性。

● 「進化」的機械式液壓助力–增加電子控制單元+電磁閥
代表車型:老款BMW3系(E90)、老款奧迪A6(C6)、輝騰、君威
在方向盤下的玄機(1)中,我們已經提到過,隨著技術的發展,在助力轉向系統中年代最久遠的機械式液壓助力系統也在不斷的進化著,當今的機械式液壓助力系統同樣能夠做到可變助力的功能,做到高速時沉穩、低速輕盈。

–Servotronic伺服式助力轉向

雖然電動助力轉向系統正在成為潮流,但是基於傳統機械液壓助力轉向技術而衍生的Servotronic伺服式助力轉向至今仍然活躍在眾多車型上。

Servotronic可謂老當益壯。與傳統的機械式液壓助力系統相比,這類系統多出了一套能夠讀取速度傳感器信息的電子控制單元,並與轉向柱連接的機械閥上增加了電磁閥機構。通過電流控制電磁閥開度,可以改變助力油液的流量,使得油液推動助力活塞的力量被改變,就做到了助力力度的調節。控制單元根據車速傳感器的信號對電磁閥開度進行控制,便做到了助力力度隨速可變的功能。而這種系統的轉向執行機構、液壓泵等部件仍然是我們所熟悉的。

很多人把這套系統稱作電子液壓助力系統,從組成上看,它確實有電控單元不假,但是並沒有電子泵結構,系統的關鍵依然是加在傳統機械閥體之上的電磁閥結構,所以它不應當與電子液壓助力轉向相混淆,依舊是屬於「進化型」的機械式液壓助力轉向系統。

這種基於機械液壓助力系統的可變助力轉向系統,相比使用電子泵的電子液壓助力系統有著更高的可靠性,並且依舊保持機械液壓助力系統的較高負載能力和可靠性較高等優勢,尤其適合那些對轉向系統的負載能力要求較高並且需要精準操控性的車型。

在市面上,搭載伺服式液壓助力轉向系統的車型不在少數,大眾、奧迪、BMW、保時捷以及沃爾沃等知名歐洲廠商的產品(如大眾輝騰、BMW3系等)都曾使用或仍在使用這種轉向系統。


『這些車型匹配的都是Servotronic伺服式液壓助力轉向系統
不過BMW3系及奧迪A6L的接班人都已經裝上了電動助力轉向系統』

–MAGNASTEER磁力可變助力轉向系統
雖然最新款的君威已經跟隨邁銳寶投靠了「電動助力」的陣營,但是我們仍記得在它當初上市時,那套「MAGNASTEER磁力可變助力轉向系統」曾憑借其特立獨行的名稱讓很多消費者如墜五里霧中琢磨不出其本質。其實它的原理和上面提到的Servotronic一樣,依然是機械式液壓助力轉向系統的進化產品。

『雖然2012款君威投靠了電動助力轉向的陣營,但2011款君威以及之前的車款
都還在使用機遇機械液壓助力轉向而來的MAGNASTEER轉向系統』

德爾福提供的這套助力轉向系統在通用旗下可謂門生眾多,除了國產的君威君越當年曾經搭載之外,在歐洲、北美、大洋洲的歐寶、薩博、雪佛蘭、凱迪拉克、霍頓等品牌上廣泛服役,至今已經有十多年的歷史。
● 電子液壓助力
代表車型:凱旋、老款福克斯
關於電子液壓助力的特性我們已經介紹的很清楚了,由於電子液壓泵的運轉由控制單元一手掌握,所以其轉速高低不僅可變並且能夠隨時根據控制單元的指令進行變化,自然能夠輕鬆做到助力力度的改變。忘記電子液壓助力轉向的特點了?
在國內,電子液壓助力的使用非常廣泛,老款福克斯、老款馬自達3、PSA(標致雪鐵龍)旗下當年的凱旋、307(部分車型)等均採用電子液壓助力,在自主品牌中,海馬歡動則是電子液壓助力系統的典型代表,其「SSPS轉速可變式助力轉向系統」的真身實際上就是電子液壓助力系統。


『這些車型使用的都是電子液壓助力轉向系統』
比較有意思的是標致雪鐵龍(PSA)家族的這套被稱作「GEP」的電子液壓助力轉向系統,在正常情況下,GEP電子泵的轉速與車速成反比,車速越高,電子泵轉速越低。通常在低速時電子泵轉速為3000rpm,而高速時會降到800rpm,帶來了泊車時轉向輕盈而高速行駛時厚重沉穩的手感。並且據稱該系統要比傳統的機械式液壓助力轉向系統節省油耗0.1-0.2L/100km。


相比一般的電子助力轉向系統,它的特別之處在於其在結構上多出了一個檢測方向盤轉動速度的角速度傳感器,賦予了其大多數電子液壓助力轉向系統所不具備的「緊急避險模式」,當駕駛者以很快的速度轉動方向盤時,控制單元會根據收到的角傳感器信息瞬間提高電子泵轉速至5000rpm,轉向助力會瞬間提升。

這種設計的本意是為了幫助駕駛者能夠在遇到突發情況時盡快改變方向避險,但是實際上,這套系統並未像理論上那般發揮其作用,原因在於很多消費者在購車後根本就不知道自己的愛車具備這樣的功能,在遇到突發狀況時他們仍然會以正常的轉向力度轉動方向盤,而此時方向盤卻比他們想像的要輕得多,導致方向盤轉動角度大大高於實際所需的角度,車輛會出現過度的轉向,在駕駛者意識到這種情況反打方向時又很容易造成糾正方向過度,反而增加了發生事故的風險。如果您一直都沒有想明白為什麼自己的車子突然像個瘋子般不聽使喚,那麼,這個「緊急避險模式」就是您一直在找的答案。請牢記:如果駕駛配置了GEP可變助力轉向系統的車型,緊急並線時一定要控制轉動方向盤的力度,並對轉向阻力突然大幅減小做好心理準備。

● 電動助力
代表車型:奧迪A6L(C7)、邁銳寶、速騰

關於電動助力轉向,我想在這里完全不需要再介紹其助力力度變化的機理了,(點擊這里溫習《方向盤下的玄機(一)》)我們知道以電子馬達提供助力的電動助力轉向系統在執行效率和響應速度方面都是液壓助力系統所不能比擬的。而且,與車輛系統總線連接的控制單元能夠讓這套系統發揮更多的作用,我們熟悉的「自動泊車」功能中車輛之所以能夠自動轉向,就是依靠行車電腦與電動助力轉向系統的聯動做到的。
● 可變轉向比(齒比)轉向系統-主動轉向系統
代表車型:BMW5系(E60、F10)、雷克薩斯LS460L、奧迪Q5、奧迪A6L(C7)、
賓士新E級、賓士S級

前面提到的幾種「可變」轉向,能夠改變的僅僅是助力力度,說白了只是能夠改變方向盤轉動時的阻力而已,但是轉向比(可簡單理解為方向盤轉動的角度與對應的車輪轉動角度的比值)是不可變化的,我們接下來要說到的可變齒比(速比)的轉向系統則要先進的多,不僅能夠改變轉向的助力力度,在不同情況下,方向盤轉角對應的車輪轉動角度也是可以變化的。

不同廠家對這類系統的叫法可謂五花八門,比如BMW稱之為AFS主動轉向系統(Active Front Steering,這個縮寫與我們熟悉的隨動轉向大燈縮寫是相同的),奧迪將其稱之為動態轉向系統(Audi Dynamic Steering),雷克薩斯/豐田使用的則是可變齒比轉向系統VGRS(Variable Gear Ratio Steering),本田的這類系統名稱為VGR,與豐田命名類似;而賓士的可變轉向比系統則以「直接轉向系統」(Direct-Steer)命名。雖然功能類似,但是他們使用的技術卻是截然不同的。

不同廠商的可變轉向比技術賓士直接轉向系統(Direct-Steer)BMWAFS主動前輪轉向系統
(Active Front Steering)
奧迪動態轉向系統
(Audi Dynamic Steering)
豐田/雷克薩斯VGRS
(Variable Gear Ratio Steering)
本田VGR
(Variable Gear Ratio)

簡單地說,可變齒比轉向系統在技術層面上並不是一個水平的,目前主要有兩種方式做到這種功能,一種方式是依靠特殊的齒條做到,原理簡單,成本也相對較低,沒有過高的技術含量,而另一種就比較複雜,是通過行星齒輪結構和電子系統做到的。由於目前並沒有明確的分類,所以我們姑且將它們分為機械式和電控式吧。

–機械式可變轉向比系統:奧秘在於齒條,原理簡單


『賓士的E級、S級都搭載了「直接轉向系統」』

賓士的直接轉向系統就是第一種方式的典型代表,名字叫「直接轉向」,解決方案也確實「直接」。它主要是在「齒輪齒條機構」的「齒條」上做文章,通過特殊工藝加工出齒距間隙不相等的齒條,這樣方向盤轉向時,齒輪與齒距不相等的齒條嚙合,轉向比就會發生變化,中間位置的左右兩邊齒距較密,轉動方向盤,齒條在這一範圍內的位移相對較小,在小幅度轉向時(例如變線、方向輕微調整時),車輛會顯得沉穩,而齒條兩側遠端的齒距較疏,在這個範圍內,轉動方向盤,齒條的相對位移會變大,所以在大幅度轉向時(如泊車、掉頭等),車輪會變得更加靈活。這種技術除了對齒條的加工工藝要求比較嚴格之外,並沒有多少「高科技」在其中,缺點在於齒比變化範圍有限,並且不能靈活變化,而它優勢也很明顯–完全的機械結構,可靠性較高,耐用性好,結構也非常簡單。

本田的VGR技術與賓士的「直接轉向技術」如出一轍,同樣是在齒條的齒距變化上面做文章,依靠齒條上齒距的疏密設計來做到所謂的「可變轉向比」。

–電控式:科技含量高,可主動改變齒比
與上面的方式相比,BMW、豐田、奧迪等品牌所使用的可變齒比轉向系統明顯要先進許多,它們使用了更複雜的機械結構並且需要與電子系統結合使用。這些系統能夠更好的做到「低速時輕盈靈敏,高速穩健厚重」的需求,其為車輛行駛帶來的便利性和穩定性都是普通的可變助力轉向系統和單純的「機械式」可變齒比轉向無法比擬的。

BMWAFS主動轉向系統


『新老5系都搭載了主動轉向系統,BMW在這一領域算得上是先行者』
BMW和ZF(采埃孚)聯合開發AFS主動前輪轉向系統正是要找到一種靈活性和高速穩定性兼得的解決方案,事實證明他們做到了。下面我們就來深入了解一下「可變轉向比」做到的過程。

首先需要明確的一點是,BMW的主動轉向系統和助力轉向系統完全是兩個獨立的系統,千萬不要因為它有個「主動」的名字,就以為「車道保持」「自動泊車」之類的功能全是它的傑作,那其實是電動助力轉向系統的功勞,和「主動轉向系統」一點關係都沒有。當然,也有一些廠商出於集成化和模塊化的考慮,將電動助力轉向與可變齒比機構整合在了一起。


下面是一輛老款BMW5系(E60)轉向系統的組成圖,其中的助力轉向系統是一套我們前面提到過的servotronic伺服式助力轉向機構,其助力力度的變化是依靠圖中與液壓泵緊連的ECO閥(電控閥)做到,而改變轉向比的機構,則是位於在轉向柱底部的主動轉向系統執行單元。

我們來看主動轉向系統執行單元的剖視圖,這里就是AFS的秘密所在。轉向柱被從當中打斷,我們將連接方向盤的轉向柱一端稱為輸入軸,將直接連接轉向齒輪的一端稱為輸出軸,二者間通過行星齒輪連接,行星齒輪組的殼體是一個可旋轉的蝸輪,能夠由電機驅動旋轉。這套系統有獨立的電子控制單元,根據轉向角傳感器、左右車輪轉速傳感器、橫向加速度傳感器的信號控制電動機的開關及運轉方向。

當系統未通電或者系統發生故障時,電磁鎖會在彈簧的作用下卡在蝸桿的鎖槽內,鎖止蝸桿,殼體不可旋轉,此時輸入軸與輸出軸的轉速是相同的,傳動比不會發生任何變化。而當系統通入電流,電磁鎖打開,電動機開始旋轉時,變化就發生了。當車輛低速行駛時,電動機驅動蝸輪與輸入軸同向運轉,蝸輪殼體與輸入軸的旋轉角度相疊加,輸出軸的旋轉角度便大於輸入軸,車輪便能轉動更大的角度,我們的轉向動作被「放大」,使車輛變得非常靈活,而當車速較高時,我們需要更大的轉向比來提供精準沉穩的指向,輔助電機會驅動蝸輪反向旋轉,與輸入軸的部分旋轉角度相抵,最終輸出軸的旋轉角度會低於輸入軸,我們的轉向動作被「縮小」。這套AFS系統的轉向比可在10:1到18:1之間連續調節。

豐田在雷克薩斯的諸多車型所使用的VGRS系統也是依靠行星齒輪結構對方向盤的轉向動作進行放大或縮小,原理與BMW的AFS系統一致,只是在電機的布置位置和結構的設計上有所差異。我們在這里就不做詳盡的介紹了。

奧迪所使用的動態轉向系統(Audi Dynamic Steering)從原理上來講依然是運用了疊加的方式,但是使用的結構卻與BMW和豐田的系統有著天壤之別,也是在所有的可變轉向比技術里最特別的一種—-其核心部件是一套含有諧波齒輪傳動機構的電控系統。目前該系統已經出現在諸多國產的奧迪車型上。

『奧迪A6L(C7)上就搭載了Dynamic Steering動態轉向系統』

大家對於「諧波齒輪」的概念可能都比較陌生,它是利用柔輪、剛輪和波發生器(橢圓轉子)的相對運動,特別是柔輪的可控彈性變形(形狀改變)來做到運動和動力傳遞的(定義來自網路)。改變轉向比的原理是諧波傳統系統的錯齒運動。連著方向盤的輸入軸與柔輪(薄型環齒圈)相連,其內有柔性滾珠軸承,中心為電機驅動的橢圓轉子,與輸出軸相連的是外環面構成的剛輪,在轉子被鎖止時(電機未通電或發生故障),轉向系統轉向比保持恒定。而電機驅動中央轉子旋轉時,會帶動柔輪旋轉,當轉子與柔輪同向旋轉時,由於柔輪的齒數比外環剛輪的齒數小,所以剛輪的轉動角度便會大於柔輪,使轉向角度被放大,而當轉子反轉時,就能夠起到縮小轉向角度的作用。根據不同的駕駛模式,奧迪的動態轉向系統還擁有兩種不同的工作曲線,分別對應運動模式和舒適模式。

相比行星齒輪系統,奧迪的動態轉向系統使用的諧波齒輪傳動結構有諸多優點,首先是結構相對簡單,沒有過多複雜的齒輪結構,零件數少便於維修。其次是這種結構承載能力高,不嬌氣,傳動比大;同時,它的運轉平順,噪音較低,這點對於看重靜音的豪華車型來說非常適合;另外,這種結構傳動效率高,且響應速度快,運轉精度高。

小結:
目前來看,可變齒比的轉向系統仍然只是少數品牌車型才能夠享受到的「高級裝備」,相比之下可變助力力度的轉向系統要離我們更近一些,普及程度也非常高。眼下,市面上較常見的這幾種可變助力的轉向系統中,電動助力系統無疑是未來的發展趨勢,結構簡單緊湊、低成本、低能耗、高精度、高響應速度、便於集成控制、便於功能擴展(如自動泊車)的特性是那些基於液壓助力衍生而來的可變助力系統所無法比擬的,尤其在注重「能耗」和「環保」的今天,電動助力系統發展的趨勢是不可逆轉的,並且未來其可靠性、負載能力也將會進一步提升。

而高端產品使用的可變齒比轉向系統,最容易普及的無疑是賓士的「直接轉向」技術,未來即便普及到微型車上也不稀奇,在相對而言成本較高的電控可變轉向比技術中,奧迪的技術最為特別,看來頗有新意,加上其在噪音和承受載荷等方面的優勢,對於那些大尺寸的豪華車型似乎是個不錯的選擇。

汽修女神

現在那些汽修的微信比較牛B?我想學習一下

聽說有個汽車維修技術微信聯盟,聯盟的微信都很厲害。

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汽修女神

呵呵,我都關注了,還看了他們的歷史信息,都好精彩啊!
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關於作者:
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