方向盤(pán)下的玄機(jī)：詳解可變轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

可變轉(zhuǎn)向比（齒比）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)-主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

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(jí)

　　前面提到的幾種“可變”轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的阻力而已，但是轉(zhuǎn)向比（可簡(jiǎn)單理解為方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與對(duì)應(yīng)的車(chē)輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)則要先進(jìn)的多，不僅能夠改變轉(zhuǎn)向的助力力度，在不同情況下，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度也是可以變化的。

　　不同廠家對(duì)這類(lèi)系統(tǒng)的叫法可謂五花八門(mén)，比如寶馬稱(chēng)之為AFS主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Active Front Steering，這個(gè)縮寫(xiě)與我們熟悉的隨動(dòng)轉(zhuǎn)向大燈縮寫(xiě)是相同的），奧迪將其稱(chēng)之為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Audi Dynamic Steering），雷克薩斯/豐田使用的則是可變齒比轉(zhuǎn)向系統(tǒng)VGRS(Variable Gear Ratio Steering)，本田的這類(lèi)系統(tǒng)名稱(chēng)為VGR，與豐田命名類(lèi)似，而奔馳的可變轉(zhuǎn)向比系統(tǒng)則以“直接轉(zhuǎn)向系統(tǒng)”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(zhuǎn)向系統(tǒng)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(xiàn)這種功能，一種方式是依靠特殊的齒條實(shí)現(xiàn)，原理簡(jiǎn)單，成本也相對(duì)較低，沒(méi)有過(guò)高的技術(shù)含量，而另一種就比較復(fù)雜，是通過(guò)行星齒輪結(jié)構(gòu)和電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(jī)械式和電子式吧。

機(jī)械式可變轉(zhuǎn)向比系統(tǒng)：奧秘在于齒條，原理簡(jiǎn)單

奔馳的E級(jí)、S級(jí)都搭載了“直接轉(zhuǎn)向系統(tǒng)”

　　奔馳的直接轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就是第一種方式的典型代表，它主要是在“齒輪齒條機(jī)構(gòu)”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(zhuǎn)向時(shí)，齒輪與齒距不相等的齒條嚙合，轉(zhuǎn)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(nèi)的位移較小，在小幅度轉(zhuǎn)向時(shí)（例如變線、方向輕微調(diào)整時(shí)），車(chē)輛會(huì)顯得沉穩(wěn)，而齒條兩側(cè)遠(yuǎn)端的齒距較疏，在這個(gè)范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)，齒條的相對(duì)位移會(huì)變大，所以在大幅度轉(zhuǎn)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(duì)齒條的加工工藝要求比較嚴(yán)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(shì)也很明顯--完全的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可靠性較高，耐用性好，結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)向系統(tǒng)明顯要先進(jìn)許多，使用了更復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)并且需要與電子系統(tǒng)結(jié)合使用。能夠更好的實(shí)現(xiàn)“低速時(shí)輕盈靈敏，高速穩(wěn)健厚重”的需求，其為車(chē)輛行駛帶來(lái)的便利性和穩(wěn)定性都是普通的可變助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和單純的“機(jī)械式”可變齒比轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動(dòng)角度相同，但是對(duì)應(yīng)的方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角度卻是不同的

　　接下來(lái)，我們就從國(guó)內(nèi)的現(xiàn)款寶馬5系（E60）使用的AFS主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)入手，來(lái)深入了解一下“可變轉(zhuǎn)向比”實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。從結(jié)構(gòu)上看，這是一套我們前面提到過(guò)的servotronic伺服式助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，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(xiàn)，而改變轉(zhuǎn)向比的玄機(jī)，就藏在轉(zhuǎn)向器及執(zhí)行單元的外殼之下。

　　我們來(lái)看轉(zhuǎn)向器及執(zhí)行單元的剖視圖，這里就是AFS的秘密所在。轉(zhuǎn)向柱被從當(dāng)中打斷，我們將連接方向盤(pán)的轉(zhuǎn)向柱一端稱(chēng)為輸入軸，將直接連接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的蝸輪，能夠由電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。這套系統(tǒng)有獨(dú)立的電子控制單元，根據(jù)轉(zhuǎn)向角傳感器、左右車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器、橫向加速度傳感器的信號(hào)控制電動(dòng)機(jī)的開(kāi)關(guān)及運(yùn)轉(zhuǎn)方向。

　　當(dāng)系統(tǒng)未通電或者系統(tǒng)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(nèi)，鎖止蝸桿，殼體不可旋轉(zhuǎn)，此時(shí)輸入軸與輸出軸的轉(zhuǎn)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(jī)械式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。而當(dāng)系統(tǒng)通入電流，電磁鎖打開(kāi)，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)時(shí)，變化就發(fā)生了。當(dāng)車(chē)輛低速行駛時(shí)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪與輸入軸同向運(yùn)轉(zhuǎn)，蝸輪殼體與輸入軸的旋轉(zhuǎn)角度相疊加，輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度便大于輸入軸，車(chē)輪便能轉(zhuǎn)動(dòng)更大的角度，我們的轉(zhuǎn)向動(dòng)作被“放大”，使車(chē)輛變得非常靈活，而當(dāng)車(chē)速較高時(shí)，我們需要更大的轉(zhuǎn)向比來(lái)提供精準(zhǔn)沉穩(wěn)的指向，輔助電機(jī)會(huì)驅(qū)動(dòng)蝸輪反向旋轉(zhuǎn)，與輸入軸的部分旋轉(zhuǎn)角度相抵，最終輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度會(huì)低于輸入軸，我們的轉(zhuǎn)向動(dòng)作被“縮小”。這套AFS系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向比可在10:1到18:1之間連續(xù)調(diào)節(jié)。

　　豐田在雷克薩斯的諸多車(chē)型所使用的VGRS系統(tǒng)也是依靠行星齒輪結(jié)構(gòu)對(duì)方向盤(pán)的轉(zhuǎn)向動(dòng)作進(jìn)行放大或縮小，原理與寶馬的AFS系統(tǒng)一致，只是在電機(jī)的布置位置和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上有所差異。我們?cè)谶@里就不做詳盡的介紹了。

豐田的VGRS可變齒比轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

　　奧迪所使用的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Audi Dynamic Steering）從原理上來(lái)講依然是運(yùn)用了疊加的原理，但是使用的結(jié)構(gòu)卻與寶馬和豐田的系統(tǒng)有著天壤之別，其核心部件是一套以諧波齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為核心的電控系統(tǒng)。大家對(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)，特別是柔輪的可控彈性變形(形狀改變)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞的（定義來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）。

動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)-Audi Dynamic Steering結(jié)構(gòu)圖

　　改變轉(zhuǎn)向比的原理是諧波傳統(tǒng)系統(tǒng)的錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)。連著方向盤(pán)的輸入軸與柔輪（薄型環(huán)齒圈）相連，其內(nèi)有柔性滾珠軸承，中心為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的橢圓轉(zhuǎn)子，與輸出軸相連的是外環(huán)面構(gòu)成的剛輪，在轉(zhuǎn)子被鎖止時(shí)（電機(jī)未通電或發(fā)生故障），轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向比保持恒定。而電機(jī)驅(qū)動(dòng)中央轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)柔輪旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子與柔輪同向旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于柔輪的齒數(shù)比外環(huán)剛輪的齒數(shù)小，所以剛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度便會(huì)大于柔輪，使轉(zhuǎn)向角度被放大，而當(dāng)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時(shí)，就能夠起到縮小轉(zhuǎn)向角度的作用。

　　相比行星齒輪系統(tǒng)，奧迪的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用的諧波齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)有諸多優(yōu)點(diǎn)，首先是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，沒(méi)有過(guò)多復(fù)雜的齒輪結(jié)構(gòu)，零件數(shù)少便于維修。其次是這種結(jié)構(gòu)承載能力高，不嬌氣，傳動(dòng)比大；同時(shí)，它的運(yùn)轉(zhuǎn)平順，噪音較低，這點(diǎn)對(duì)于看重靜音的豪華車(chē)型來(lái)說(shuō)非常適合；另外，這種結(jié)構(gòu)傳動(dòng)效率高，且響應(yīng)速度快，運(yùn)轉(zhuǎn)精度高。

　　當(dāng)然，寶馬和豐田的可變轉(zhuǎn)向技術(shù)也一直在進(jìn)化著，在早期的AFS和VGRS系統(tǒng)上，相匹配的仍然是液壓助力機(jī)構(gòu)，在新一代的寶馬5系（F10）上，液壓助力機(jī)構(gòu)已經(jīng)被電動(dòng)助力（EPS）所取代，結(jié)構(gòu)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(tǒng)能夠通過(guò)助力電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)齒條，可以獨(dú)立于方向盤(pán)精確控制車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度，與泊車(chē)?yán)走_(dá)和車(chē)身電子系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)向已經(jīng)取代了液壓助力系統(tǒng)

　　與豐田的VGRS系統(tǒng)所匹配的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也有所升級(jí)。LS460以上的車(chē)型所裝備的IFS（intelligent front steering）智能前轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使用的就是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)將可變齒比系統(tǒng)與電動(dòng)助力設(shè)計(jì)成了一體，省去了螺旋電纜，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單緊湊，系統(tǒng)的運(yùn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)的組合。

小結(jié)：

　　目前來(lái)看，可變齒比的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍然只是少數(shù)品牌車(chē)型才能夠享受到的“高級(jí)裝備”，相比之下可變助力力度的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)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(zhuǎn)向系統(tǒng)中，電動(dòng)助力系統(tǒng)無(wú)疑是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、低成本、低能耗、高精度、高響應(yīng)速度、便于集成控制、便于功能擴(kuò)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(tǒng)所無(wú)法比擬的，尤其在注重“能耗”和“環(huán)?！钡慕裉欤妱?dòng)助力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)是不可逆轉(zhuǎn)的，并且未來(lái)其可靠性、負(fù)載能力也將會(huì)進(jìn)一步提升。

　　目前，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，所以車(chē)友們?cè)谶x車(chē)的時(shí)候，如果用車(chē)條件相對(duì)寬松（非賽道用，非越野用，非激烈駕駛用）可以優(yōu)先考慮使用電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車(chē)型，精準(zhǔn)操控與低能耗兼得，何樂(lè)而不為呢？