方向盤下的玄機：詳解可變轉向系統(tǒng)

可變轉向比（齒比）轉向系統(tǒng)-主動轉向系統(tǒng)

代表車型：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(tǒng)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(tǒng)的叫法可謂五花八門，比如寶馬稱之為AFS主動轉向系統(tǒng)（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(tài)轉向系統(tǒng)（Audi Dynamic Steering），雷克薩斯/豐田使用的則是可變齒比轉向系統(tǒng)VGRS(Variable Gear Ratio Steering)，本田的這類系統(tǒng)名稱為VGR，與豐田命名類似，而奔馳的可變轉向比系統(tǒng)則以“直接轉向系統(tǒng)”命名。雖然功能類似，但是他們使用的技術卻是截然不同的。

　　簡單地說，可變齒比轉向系統(tǒng)在技術層面上并不是一個水平的，目前主要有兩種方式實現這種功能，一種方式是依靠特殊的齒條實現，原理簡單，成本也相對較低，沒有過高的技術含量，而另一種就比較復雜，是通過行星齒輪結構和電子系統(tǒng)實現的。由于目前并沒有明確的分類，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(tǒng)：奧秘在于齒條，原理簡單

奔馳的E級、S級都搭載了“直接轉向系統(tǒng)”

　　奔馳的直接轉向系統(tǒng)就是第一種方式的典型代表，它主要是在“齒輪齒條機構”的“齒條”上做文章，通過特殊工藝加工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(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（例如變線、方向輕微調整時），車輛會顯得沉穩(wěn)，而齒條兩側遠端的齒距較疏，在這個范圍內，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，并沒有多少“高科技”在其中，缺點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，結構也非常簡單。

電子式：科技含量高，仍在進化

　　與上面的方式相比，寶馬、豐田所使用的可變齒比轉向系統(tǒng)明顯要先進許多，使用了更復雜的機械結構并且需要與電子系統(tǒng)結合使用。能夠更好的實現“低速時輕盈靈敏，高速穩(wěn)健厚重”的需求，其為車輛行駛帶來的便利性和穩(wěn)定性都是普通的可變助力轉向系統(tǒng)和單純的“機械式”可變齒比轉向無法比擬的。

以雷克薩斯的VGRS為例，我們可以看到，在不同車速下
車輪轉動角度相同，但是對應的方向盤轉動角度卻是不同的

　　接下來，我們就從國內的現款寶馬5系（E60）使用的AFS主動轉向系統(tǒng)入手，來深入了解一下“可變轉向比”實現的過程。從結構上看，這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）實現，而改變轉向比的玄機，就藏在轉向器及執(zhí)行單元的外殼之下。

　　我們來看轉向器及執(zhí)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(tǒng)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(tǒng)未通電或者系統(tǒng)發(fā)生故障時，電磁鎖會在彈簧的作用卡在蝸桿的鎖槽內，鎖止蝸桿，殼體不可旋轉，此時輸入軸與輸出軸的轉速是相同的，傳動比不會發(fā)生任何變化，此時它只是一套可變助力力度的機械式液壓助力轉向系統(tǒng)。而當系統(tǒng)通入電流，電磁鎖打開，電動機開始旋轉時，變化就發(fā)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于輸入軸，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(wěn)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于輸入軸，我們的轉向動作被“縮小”。這套AFS系統(tǒng)的轉向比可在10:1到18:1之間連續(xù)調節(jié)。

　　豐田在雷克薩斯的諸多車型所使用的VGRS系統(tǒng)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，原理與寶馬的AFS系統(tǒng)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(tǒng)結構示意

　　奧迪所使用的動態(tài)轉向系統(tǒng)（Audi Dynamic Steering）從原理上來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(tǒng)有著天壤之別，其核心部件是一套以諧波齒輪傳動機構為核心的電控系統(tǒng)。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，特別是柔輪的可控彈性變形(形狀改變)來實現運動和動力傳遞的（定義來自網絡）。

動態(tài)轉向系統(tǒng)-Audi Dynamic Steering結構圖

　　改變轉向比的原理是諧波傳統(tǒng)系統(tǒng)的錯齒運動。連著方向盤的輸入軸與柔輪（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（電機未通電或發(fā)生故障），轉向系統(tǒng)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，由于柔輪的齒數比外環(huán)剛輪的齒數小，所以剛輪的轉動角度便會大于柔輪，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。

　　相比行星齒輪系統(tǒng)，奧迪的動態(tài)轉向系統(tǒng)使用的諧波齒輪傳動結構有諸多優(yōu)點，首先是結構相對簡單，沒有過多復雜的齒輪結構，零件數少便于維修。其次是這種結構承載能力高，不嬌氣，傳動比大；同時，它的運轉平順，噪音較低，這點對于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。

　　當然，寶馬和豐田的可變轉向技術也一直在進化著，在早期的AFS和VGRS系統(tǒng)上，相匹配的仍然是液壓助力機構，在新一代的寶馬5系（F10）上，液壓助力機構已經被電動助力（EPS）所取代，結構更加簡單緊湊，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)能夠通過助力電機直接驅動齒條，可以獨立于方向盤精確控制車輪轉動角度，與泊車雷達和車身電子系統(tǒng)聯動，實現了自動泊車的功能，真正解放雙手。

新一代寶馬5系（F10）上，電動助力轉向已經取代了液壓助力系統(tǒng)

　　與豐田的VGRS系統(tǒng)所匹配的助力轉向系統(tǒng)也有所升級。LS460以上的車型所裝備的IFS（intelligent front steering）智能前轉向系統(tǒng)，使用的就是電動助力轉向系統(tǒng)，該系統(tǒng)將可變齒比系統(tǒng)與電動助力設計成了一體，省去了螺旋電纜，結構更加簡單緊湊，系統(tǒng)的運行效率也進一步提高。上市不久的新一代皇冠4.3車型使用的也是VGRS+EPS電動助力轉向系統(tǒng)的組合。

小結：

　　目前來看，可變齒比的轉向系統(tǒng)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(tǒng)要離我們更近一些，普及程度也非常高。眼下，市面上較常見的這幾種可變助力的轉向系統(tǒng)中，電動助力系統(tǒng)無疑是未來的發(fā)展趨勢，結構簡單緊湊、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（如自動泊車）的特性是那些基于液壓助力衍生而來的可變助力系統(tǒng)所無法比擬的，尤其在注重“能耗”和“環(huán)?！钡慕裉?，電動助力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是不可逆轉的，并且未來其可靠性、負載能力也將會進一步提升。

　　目前，電動助力轉向系統(tǒng)技術已經比較成熟，所以車友們在選車的時候，如果用車條件相對寬松（非賽道用，非越野用，非激烈駕駛用）可以優(yōu)先考慮使用電動助力轉向系統(tǒng)的車型，精準操控與低能耗兼得，何樂而不為呢？