方向盤下的玄機(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)-主動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動時的阻力而已，但是轉(zhuǎn)向比（可簡單理解為方向盤轉(zhuǎn)動的角度與對應(yīng)的車輪轉(zhuǎn)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(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，方向盤轉(zhuǎn)角對應(yīng)的車輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)（Active Front Steering，這個縮寫與我們熟悉的隨動轉(zhuǎn)向大燈縮寫是相同的），奧迪將其稱之為動態(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)，本田的這類系統(tǒng)名稱為VGR，與豐田命名類似，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。雖然功能類似，但是他們使用的技術(shù)卻是截然不同的。

　　簡單地說，可變齒比轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在技術(shù)層面上并不是一個水平的，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)，原理簡單，成本也相對較低，沒有過高的技術(shù)含量，而另一種就比較復(fù)雜，是通過行星齒輪結(jié)構(gòu)和電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。由于目前并沒有明確的分類，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，原理簡單

奔馳的E級、S級都搭載了“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，通過特殊工藝加工齒距間隙不相等的齒條，這樣方向盤轉(zhuǎn)向時，齒輪與齒距不相等的齒條嚙合，轉(zhuǎn)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(nèi)的位移較小，在小幅度轉(zhuǎn)向時（例如變線、方向輕微調(diào)整時），車輛會顯得沉穩(wěn)，而齒條兩側(cè)遠(yuǎn)端的齒距較疏，在這個范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)動方向盤，齒條的相對位移會變大，所以在大幅度轉(zhuǎn)向時（如泊車、掉頭等），車輪會變得更加靈活。這種技術(shù)除了對齒條的加工工藝要求比較嚴(yán)格之外，并沒有多少“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(jī)械結(jié)構(gòu)，可靠性較高，耐用性好，結(jié)構(gòu)也非常簡單。

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(zhuǎn)向系統(tǒng)和單純的“機(jī)械式”可變齒比轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動角度相同，但是對應(yīng)的方向盤轉(zhuǎn)動角度卻是不同的

　　接下來，我們就從國內(nèi)的現(xiàn)款寶馬5系（E60）使用的AFS主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)入手，來深入了解一下“可變轉(zhuǎn)向比”實(shí)現(xiàn)的過程。從結(jié)構(gòu)上看，這是一套我們前面提到過的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，我們將連接方向盤的轉(zhuǎn)向柱一端稱為輸入軸，將直接連接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的蝸輪，能夠由電機(jī)驅(qū)動旋轉(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、左右車輪轉(zhuǎn)速傳感器、橫向加速度傳感器的信號控制電動機(jī)的開關(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，電磁鎖會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)，此時輸入軸與輸出軸的轉(zhuǎn)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(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，電動機(jī)開始旋轉(zhuǎn)時，變化就發(fā)生了。當(dāng)車輛低速行駛時，電動機(jī)驅(qū)動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，車輪便能轉(zhuǎn)動更大的角度，我們的轉(zhuǎn)向動作被“放大”，使車輛變得非常靈活，而當(dāng)車速較高時，我們需要更大的轉(zhuǎn)向比來提供精準(zhǔn)沉穩(wěn)的指向，輔助電機(jī)會驅(qū)動蝸輪反向旋轉(zhuǎn)，與輸入軸的部分旋轉(zhuǎn)角度相抵，最終輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度會低于輸入軸，我們的轉(zhuǎn)向動作被“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型所使用的VGRS系統(tǒng)也是依靠行星齒輪結(jié)構(gòu)對方向盤的轉(zhuǎn)向動作進(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。我們在這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

　　奧迪所使用的動態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Audi Dynamic Steering）從原理上來講依然是運(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機(jī)構(gòu)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(yùn)動，特別是柔輪的可控彈性變形(形狀改變)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動和動力傳遞的（定義來自網(wǎng)絡(luò)）。

動態(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)的錯齒運(yùn)動。連著方向盤的輸入軸與柔輪（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（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)動中央轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，會帶動柔輪旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子與柔輪同向旋轉(zhuǎn)時，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)動角度便會大于柔輪，使轉(zhuǎn)向角度被放大，而當(dāng)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時，就能夠起到縮小轉(zhuǎn)向角度的作用。

　　相比行星齒輪系統(tǒng)，奧迪的動態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用的諧波齒輪傳動結(jié)構(gòu)有諸多優(yōu)點(diǎn)，首先是結(jié)構(gòu)相對簡單，沒有過多復(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，傳動比大；同時，它的運(yùn)轉(zhuǎn)平順，噪音較低，這點(diǎn)對于看重靜音的豪華車型來說非常適合；另外，這種結(jié)構(gòu)傳動效率高，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)被電動助力（EPS）所取代，結(jié)構(gòu)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(jī)直接驅(qū)動齒條，可以獨(dú)立于方向盤精確控制車輪轉(zhuǎn)動角度，與泊車?yán)走_(dá)和車身電子系統(tǒng)聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)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(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。LS460以上的車型所裝備的IFS（intelligent front steering）智能前轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使用的就是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)將可變齒比系統(tǒng)與電動助力設(shè)計(jì)成了一體，省去了螺旋電纜，結(jié)構(gòu)更加簡單緊湊，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車型使用的也是VGRS+EPS電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組合。

小結(jié)：

　　目前來看，可變齒比的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍然只是少數(shù)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(zhuǎn)向系統(tǒng)要離我們更近一些，普及程度也非常高。眼下，市面上較常見的這幾種可變助力的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，電動助力系統(tǒng)無疑是未來的發(fā)展趨勢，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、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(zhuǎn)的，并且未來其可靠性、負(fù)載能力也將會進(jìn)一步提升。

　　目前，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)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(zhuǎn)向系統(tǒng)的車型，精準(zhǔn)操控與低能耗兼得，何樂而不為呢？