方向盤(pán)下的玄機：詳解可變轉向系統

可變轉向比（齒比）轉向系統-主動(dòng)轉向系統

代表車(chē)型：寶馬5系（E60、F10）、豐田新皇冠、雷克薩斯LS460L、奧迪Q5、奔馳新E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(shuō)白了只是能夠改變方向盤(pán)轉動(dòng)時(shí)的阻力而已，但是轉向比（可簡(jiǎn)單理解為方向盤(pán)轉動(dòng)的角度與對應的車(chē)輪轉動(dòng)角度的比值）是不可變化的，我們接下來(lái)要說(shuō)到的可變齒比（速比）的轉向系統則要先進(jìn)的多，不僅能夠改變轉向的助力力度，在不同情況下，方向盤(pán)轉角對應的車(chē)輪轉動(dòng)角度也是可以變化的。

　　不同廠(chǎng)家對這類(lèi)系統的叫法可謂五花八門(mén)，比如寶馬稱(chēng)之為AFS主動(dòng)轉向系統（Active Front Steering，這個(gè)縮寫(xiě)與我們熟悉的隨動(dòng)轉向大燈縮寫(xiě)是相同的），奧迪將其稱(chēng)之為動(dòng)態(tài)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(lèi)系統名稱(chēng)為VGR，與豐田命名類(lèi)似，而奔馳的可變轉向比系統則以“直接轉向系統”命名。雖然功能類(lèi)似，但是他們使用的技術(shù)卻是截然不同的。

　　簡(jiǎn)單地說(shuō)，可變齒比轉向系統在技術(shù)層面上并不是一個(gè)水平的，目前主要有兩種方式實(shí)現這種功能，一種方式是依靠特殊的齒條實(shí)現，原理簡(jiǎn)單，成本也相對較低，沒(méi)有過(guò)高的技術(shù)含量，而另一種就比較復雜，是通過(guò)行星齒輪結構和電子系統實(shí)現的。由于目前并沒(méi)有明確的分類(lèi)，所以我們姑且將它們分為機械式和電子式吧。

機械式可變轉向比系統：奧秘在于齒條，原理簡(jiǎn)單

奔馳的E級、S級都搭載了“直接轉向系統”

　　奔馳的直接轉向系統就是第一種方式的典型代表，它主要是在“齒輪齒條機構”的“齒條”上做文章，通過(guò)特殊工藝加工齒距間隙不相等的齒條，這樣方向盤(pán)轉向時(shí)，齒輪與齒距不相等的齒條嚙合，轉向比就會(huì )發(fā)生變化，中間位置的左右兩邊齒距較密，齒條在這一范圍內的位移較小，在小幅度轉向時(shí)（例如變線(xiàn)、方向輕微調整時(shí)），車(chē)輛會(huì )顯得沉穩，而齒條兩側遠端的齒距較疏，在這個(gè)范圍內，轉動(dòng)方向盤(pán)，齒條的相對位移會(huì )變大，所以在大幅度轉向時(shí)（如泊車(chē)、掉頭等），車(chē)輪會(huì )變得更加靈活。這種技術(shù)除了對齒條的加工工藝要求比較嚴格之外，并沒(méi)有多少“高科技”在其中，缺點(diǎn)在于齒比變化范圍有限，并且不能靈活變化，而優(yōu)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(jiǎn)單。

電子式：科技含量高，仍在進(jìn)化

　　與上面的方式相比，寶馬、豐田所使用的可變齒比轉向系統明顯要先進(jìn)許多，使用了更復雜的機械結構并且需要與電子系統結合使用。能夠更好的實(shí)現“低速時(shí)輕盈靈敏，高速穩健厚重”的需求，其為車(chē)輛行駛帶來(lái)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(wú)法比擬的。

以雷克薩斯的VGRS為例，我們可以看到，在不同車(chē)速下
車(chē)輪轉動(dòng)角度相同，但是對應的方向盤(pán)轉動(dòng)角度卻是不同的

　　接下來(lái)，我們就從國內的現款寶馬5系（E60）使用的AFS主動(dòng)轉向系統入手，來(lái)深入了解一下“可變轉向比”實(shí)現的過(guò)程。從結構上看，這是一套我們前面提到過(guò)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）實(shí)現，而改變轉向比的玄機，就藏在轉向器及執行單元的外殼之下。

　　我們來(lái)看轉向器及執行單元的剖視圖，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(pán)的轉向柱一端稱(chēng)為輸入軸，將直接連接轉向齒輪的一端稱(chēng)為輸出軸，二者間通過(guò)行星齒輪連接，行星齒輪組的殼體是一個(gè)可旋轉的蝸輪，能夠由電機驅動(dòng)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(chē)輪轉速傳感器、橫向加速度傳感器的信號控制電動(dòng)機的開(kāi)關(guān)及運轉方向。

　　當系統未通電或者系統發(fā)生故障時(shí)，電磁鎖會(huì )在彈簧的作用卡在蝸桿的鎖槽內，鎖止蝸桿，殼體不可旋轉，此時(shí)輸入軸與輸出軸的轉速是相同的，傳動(dòng)比不會(huì )發(fā)生任何變化，此時(shí)它只是一套可變助力力度的機械式液壓助力轉向系統。而當系統通入電流，電磁鎖打開(kāi)，電動(dòng)機開(kāi)始旋轉時(shí)，變化就發(fā)生了。當車(chē)輛低速行駛時(shí)，電動(dòng)機驅動(dòng)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于輸入軸，車(chē)輪便能轉動(dòng)更大的角度，我們的轉向動(dòng)作被“放大”，使車(chē)輛變得非常靈活，而當車(chē)速較高時(shí)，我們需要更大的轉向比來(lái)提供精準沉穩的指向，輔助電機會(huì )驅動(dòng)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(huì )低于輸入軸，我們的轉向動(dòng)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(chē)型所使用的VGRS系統也是依靠行星齒輪結構對方向盤(pán)的轉向動(dòng)作進(jìn)行放大或縮小，原理與寶馬的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。

豐田的VGRS可變齒比轉向系統結構示意

　　奧迪所使用的動(dòng)態(tài)轉向系統（Audi Dynamic Steering）從原理上來(lái)講依然是運用了疊加的原理，但是使用的結構卻與寶馬和豐田的系統有著(zhù)天壤之別，其核心部件是一套以諧波齒輪傳動(dòng)機構為核心的電控系統。大家對于“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(fā)生器的相對運動(dòng)，特別是柔輪的可控彈性變形(形狀改變)來(lái)實(shí)現運動(dòng)和動(dòng)力傳遞的（定義來(lái)自網(wǎng)絡(luò )）。

動(dòng)態(tài)轉向系統-Audi Dynamic Steering結構圖

　　改變轉向比的原理是諧波傳統系統的錯齒運動(dòng)。連著(zhù)方向盤(pán)的輸入軸與柔輪（薄型環(huán)齒圈）相連，其內有柔性滾珠軸承，中心為電機驅動(dòng)的橢圓轉子，與輸出軸相連的是外環(huán)面構成的剛輪，在轉子被鎖止時(shí)（電機未通電或發(fā)生故障），轉向系統轉向比保持恒定。而電機驅動(dòng)中央轉子旋轉時(shí)，會(huì )帶動(dòng)柔輪旋轉，當轉子與柔輪同向旋轉時(shí)，由于柔輪的齒數比外環(huán)剛輪的齒數小，所以剛輪的轉動(dòng)角度便會(huì )大于柔輪，使轉向角度被放大，而當轉子反轉時(shí)，就能夠起到縮小轉向角度的作用。

　　相比行星齒輪系統，奧迪的動(dòng)態(tài)轉向系統使用的諧波齒輪傳動(dòng)結構有諸多優(yōu)點(diǎn)，首先是結構相對簡(jiǎn)單，沒(méi)有過(guò)多復雜的齒輪結構，零件數少便于維修。其次是這種結構承載能力高，不嬌氣，傳動(dòng)比大；同時(shí)，它的運轉平順，噪音較低，這點(diǎn)對于看重靜音的豪華車(chē)型來(lái)說(shuō)非常適合；另外，這種結構傳動(dòng)效率高，且響應速度快，運轉精度高。

　　當然，寶馬和豐田的可變轉向技術(shù)也一直在進(jìn)化著(zhù)，在早期的AFS和VGRS系統上，相匹配的仍然是液壓助力機構，在新一代的寶馬5系（F10）上，液壓助力機構已經(jīng)被電動(dòng)助力（EPS）所取代，結構更加簡(jiǎn)單緊湊，助力力度的輸出更加精確，能耗也得到了有效的降低。而且，助力系統能夠通過(guò)助力電機直接驅動(dòng)齒條，可以獨立于方向盤(pán)精確控制車(chē)輪轉動(dòng)角度，與泊車(chē)雷達和車(chē)身電子系統聯(lián)動(dòng)，實(shí)現了自動(dòng)泊車(chē)的功能，真正解放雙手。

新一代寶馬5系（F10）上，電動(dòng)助力轉向已經(jīng)取代了液壓助力系統

　　與豐田的VGRS系統所匹配的助力轉向系統也有所升級。LS460以上的車(chē)型所裝備的IFS（intelligent front steering）智能前轉向系統，使用的就是電動(dòng)助力轉向系統，該系統將可變齒比系統與電動(dòng)助力設計成了一體，省去了螺旋電纜，結構更加簡(jiǎn)單緊湊，系統的運行效率也進(jìn)一步提高。上市不久的新一代皇冠4.3車(chē)型使用的也是VGRS+EPS電動(dòng)助力轉向系統的組合。

小結：

　　目前來(lái)看，可變齒比的轉向系統仍然只是少數品牌車(chē)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(jiàn)的這幾種可變助力的轉向系統中，電動(dòng)助力系統無(wú)疑是未來(lái)的發(fā)展趨勢，結構簡(jiǎn)單緊湊、低成本、低能耗、高精度、高響應速度、便于集成控制、便于功能擴展（如自動(dòng)泊車(chē)）的特性是那些基于液壓助力衍生而來(lái)的可變助力系統所無(wú)法比擬的，尤其在注重“能耗”和“環(huán)?！钡慕裉?，電動(dòng)助力系統發(fā)展的趨勢是不可逆轉的，并且未來(lái)其可靠性、負載能力也將會(huì )進(jìn)一步提升。

　　目前，電動(dòng)助力轉向系統技術(shù)已經(jīng)比較成熟，所以車(chē)友們在選車(chē)的時(shí)候，如果用車(chē)條件相對寬松（非賽道用，非越野用，非激烈駕駛用）可以?xún)?yōu)先考慮使用電動(dòng)助力轉向系統的車(chē)型，精準操控與低能耗兼得，何樂(lè )而不為呢？