第4章 转向系统新技术
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• 4.3 四轮转向(Wheels Steering System，简 称 4WS) • (1)概述 • 四轮转向4WS（four wheel steering）是指 后轮也和前轮相似，具有一定的转向功能 ，不仅可以与前轮同方向转向，也可以与 前轮反方向转向。其主要目的是增强轿车 在高速行驶或者在侧向风力作用下的操纵 稳定性，在轿车高速行驶时便于由一个车 道向另一个车道的移动调整，以及减少调 头时的转弯半径。
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（2）电动助力转向系统的基本工作原理： • 汽车在转向时, 扭矩传感器会“ 感觉”到转 向盘的力矩和拟转动的方向。这些信号会 发给电子控制单元, 电控单元会根据传动力 矩、拟转的方向和车辆速度等数据信号, 向 电动机控制器发出动作指令。电动机就会 根据需要输出合适大小的转动力矩以产生 助动力, 实现助力转向的实时控制。如果不 转向, 则本套系统处于休眠状态等待调用。 由于它不转向时不工作, 所以也节省了能源 。
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• 综上所述，汽车线控转向与传统的转向系 统相比，大大提高了汽车的操纵稳定性、 安全性和舒适性，是未来汽车转向系统的 发展趋势。随着电子元件成本的降低、42V 电源技术的应用以及可靠性和控制算法的 提高，线控转向技术以及其它线控技术会 在不久的将来全面替代传统的机械结构系 统。线控技术将通过整合动力、转向、制 动、悬架等系统，对汽车进行集成优化控 制，大幅度提高整车性能，最终实现无人 驾驶。
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• （3）EPS 的主要部件： • 1) 扭矩传感器: • 由力矩传感器和旋转传感器组成。力矩传 感器感知转向盘的转向力矩大小, 旋转传感 器感知转向盘的旋转速度（检查是否转向 很急）, 并把感知的这两个信号传递到电子 控制单元。目前采用较多的扭矩传感器是 扭杆式电位计传感器。
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• 四轮转向装置按照前后轮的偏转角和车速 之间的关系分为两种类型： • 转角传感型：前轮和后轮的偏转角存在一 定的因变关系，即后轮可以按照前轮的偏 转方向偏转俗称同相位偏转、也可以做反 向偏转俗称逆相位偏转。 • 车速传感型：即是根据事先设定好的程序 ，当车速达到一定值时（通常为35-40km/h ），后轮能与前轮同方向偏转，当低于设 定值时，则与前轮反方向偏转。
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• 线控技术是从应用于航空驾驶上的“FlyBy-Wire”发展而来，即由电线或者电信号实 现传递控制，而不是通过机械连接装置。 线控技术将驾驶员的动作转化为电信号， 由此来传递指令操纵汽车。
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• 1）线控转向系统的工作原理： • 汽车线控转向系统的工作原理是：转向盘 转角传感器将检测到的转向数据信号以及 汽车运动中的各种信息通过数据总线传递 给电控单元，电控单元对这些信息综合分 析，根据自身的内部控制策略，向转向执 行系统发出指令，进行转向操作。
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• 电控单元： • 电控单元对转向盘转角、前轮转角以及车 速等信号进行分析处理，判别汽车的运动 状态，向转向盘回正电机和转向执行电机 发送指令，控制电机协调工作，保证汽车 在各种工况下都具有理想的动态响应，从 而减轻驾驶员的负担。
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• 另外，电控单元还可以对驾驶员的操作指 令进行识别，判断在当前状态下驾驶员的 转向操作是否合理，当驾驶员发出不合理 指令，汽车趋于非稳定状态时，线控转向 系统会屏蔽驾驶员的错误指令，强行介入 转向操作，自动进行稳定控制，以合理的 方式自动驾驶车，使之尽快恢复到稳定状 态。 • 线控转向系统的优点： • 1)提高汽车操纵稳定性
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• 5) 减速机构: 用来增大电动机的输出扭矩。 主要有两种形式: 蜗轮蜗杆减速机构和双行 星齿轮减速机构。前者主要用于转向轴助 力式转向系统, 后者主要用于齿轮助力式和 齿条助力式转向系统。
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（4）电动助力转向系统的特点： • 1）降低了燃油消耗。这是因为本系统仅在 转向盘转动的情况下才使用动力；而传统 的动力转向系统要求常运转油泵。 2）系统只有直流电动机为主要零件，所使 用的其他零件少，因而具有很高的可靠性 ，转向系统可以做到免维护。
• 2) 车速传感器: 用于检测汽车的行驶速度, 并进行自诊断, 把检测到的信号送入电子控 制单元。常采用电磁感应式传感器, 安装在 变速箱。（车速不同，响应不同）
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• 4) 电子控制单元( ECU) ： 它是整个控制系 统的核心, 完成对各个传感器输入信号的处 理, 依据控制规则计算出所需的参数值, 通 过驱动电路, 实现对电机的控制。 • 分析下图：
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• 模拟“路感” • “路感”可以理解为驾驶员手上的力与汽 车的运动状态的一种对应关系。驾驶员可 以通过转向盘反馈的“路感”信息来感知 汽车的运动状态(包括行驶状态和道路状况 等)。在转向系统里，转向力与“路感”是 一对矛盾，两者彼此制约。转向力小能减 少驾驶员的体力消耗，却缺乏“路感”。 线控转向系统由于其转向盘和转向轮之间 无机械连接，驾驶员的“路感”必须完全 通过模拟生成。
• 3)提高汽车的舒适性 • 由于该设计取消了传统的机械结构连接， 地面的不平和转向轮的不平衡等扰动不会 传递到转向盘上，从而减轻驾驶员的疲劳 。而转向柱的取消使驾驶员腿部活动的空 间增加，驾驶和出入更方便自由。 • 4)改善汽车燃油经济性 • 线控转向系统取消了转向柱等机械连接， 减轻了整车的质量，降低了油耗，改善了 整车的燃油经济性。
• 4.1 电 动 转 向 系统(Electrical Power Steering，简称EPS • (1)概述 • 所谓电动转向( EPS) , 就是在机械转向系统 中, 电动机为动力, 以转向盘的转速和转矩 以及车速为输入信号, 通过电子控制装置, 协助人力转向, 并获得最佳转向力特性的伺 服系统。EPS用电动机直接提供助力, 助力 大小由电子控制单元( ECU) 控制。
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• 2）线控转向系统的结构： • 汽车线控转向系统主要由转向盘模块、转 向执行模块和电控单元(ECU)三个部分组成 。典型的前轮线控转向系统结构下图所示 。
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• 转向执行模块： • 转向执行模块主要包括前轮转角传感器、 转向执行电机、转向电机控制器和前轮转 向组件。转向执行模块的主要功能是，转 角传感器将测得的车轮转角信号反馈给电 控单元，并接受电控单元的指令，通过转 向电机控制器控制转向车轮转动，实现驾 驶员的转向意图。
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• 4.2汽车线控转向系统 • 线控转向完全颠覆了传统的机械转向设计 理念，取消了转向盘和转向轮的机械连接 ，取而代之的是电子线路控制，从而彻底 摆脱了传统转向系统所固有的弊端，更利 于和其他系统集成并进行统一协调与控制 。线控转向现已成为当今汽车转向系统的 研究热点和未来的发展趋势。
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• 四轮转向的优点： • 1）提高了汽车在高速行驶时和在溜滑路面 上的转向性能。 • 2）转向能力强，转向响应快，可以显著提 高车辆的转向性能。 • 3）机动性好
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• 四轮转向可分为机械式、液压式、电控机 械式、电控液压式和电控电动式等几种类 型。目前使用最广泛的4WS系统为电控液 压式，主要用于前轮采用液压助力转向系 统的汽车中。
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• 操纵稳定性是判断转向系统优劣的第一要 素。具有变传动比特点的线控系统，可以 根据车速、发动机转速以及其它相关参数 的变化来不断调整传动比，当汽车低速行 驶时，调低传动比，以减少转向或停车时 转向盘转动的角度；高速行驶时，调高传 动比，以防止转向盘过于灵敏。（可以无 极调节）
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• 3）改善了转向性能。在EPS中, 电动机产 生助力转矩, 通过适当的控制方法,可以针 对不同的转向需求产生不同的助力效果。 同时可以消除液压助力系统的转向迟滞效 应, 增强了转向车轮对转向盘的随动性能 。
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• 4）轻量化显著。液压动力系统因有液压缸 、油泵、转阀、液压管道等部件, 使系统 结构复杂,零件数目多, 占用空间大, 布置 不方便。EPS 则表现出了明显的优势, 系 统结构紧凑、质量减轻、无油渗漏问题、 系统易于布置等。
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• 线控转向系统的关键技术： • 可靠性技术 • 线控转向技术发展过程中最大的困扰是可 靠性的问题。 • 线控转向系统由于转向盘和转向轮之间无 机械连接，必须完全依靠电子元件来工作 ，而目前电子元件的可靠性远不及机械部 件，失效形式又多种多样。一旦在转向过 程中电子元件出现故障，汽车无法完成转 向动作，将处于失控状态。
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• 分离左侧离合器，车辆左转，分离右侧离 合器，车辆右转，转弯时两侧履带都在运 动。如果把左侧或是右侧制动器拉到底， 则会产生左侧或是右侧履带停止，产生较 急的侧滑或转向。（手扶拖拉机） • 优点：转向需要的空间减小，转向效果好 缺点：结构复杂。
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工作原理：四轮转向系统ECU根据传感器的 信号计算出控制量，控制后轮转向系统控 制箱的步进电动机转动驱动扇形齿轮。另 一方面，利用转向操纵使后轮转向系统控 制箱的锥齿轮旋转，以此决定控制阀杆的 行程和方向。这样控制阀内油路变换，从 而改变后轮转向。
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• 4.4差速转向 • 差速转向是靠调整左右两侧车轮的转动速 度来实现不同半径的转向甚至原位转向。 这种转向系统高效、成本低、转向半径小 、机动灵活、被广泛应用于机器人、坦克 等机械上。在简单的农用车上也在广泛使 用。 • 传统汽车在转向过程中会实现差速，反之 ，通过差速也可以实现转向。
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• 同时，电控单元通过分析转向盘转角、车 轮转角等信号，控制转向盘回正电机，从 而模拟出相应的“路感”。 • 路感指驾驶时候路面通过车身，方向盘对 驾驶者作出的反馈，一般运动型轿车和跑 车的话，路感都很清晰，也就是说不用看 ，就能清晰感觉出自己刚才走过了一段什 么路，你甚至能感受轮胎压过石子的感觉 。
• 2)增强汽车被动安全性 • 在汽车发生碰撞时，转向柱、转向盘会给 驾驶员的胸腔和头部造成极大的冲击，直 接威胁驾驶员的生命安全。而线控转向系 统取消了机械转向柱，完全避免了碰撞事 故中转向柱对驾驶员的伤害。对于使用操 纵杆控制的线控转向系统，转向盘的取消 更有利于保护驾驶员的安全。
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• 4.3 四轮转向(Wheels Steering System，简 称 4WS) • (1)概述 • 四轮转向4WS（four wheel steering）是指 后轮也和前轮相似，具有一定的转向功能 ，不仅可以与前轮同方向转向，也可以与 前轮反方向转向。其主要目的是增强轿车 在高速行驶或者在侧向风力作用下的操纵 稳定性，在轿车高速行驶时便于由一个车 道向另一个车道的移动调整，以及减少调 头时的转弯半径。
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（2）电动助力转向系统的基本工作原理： • 汽车在转向时, 扭矩传感器会“ 感觉”到转 向盘的力矩和拟转动的方向。这些信号会 发给电子控制单元, 电控单元会根据传动力 矩、拟转的方向和车辆速度等数据信号, 向 电动机控制器发出动作指令。电动机就会 根据需要输出合适大小的转动力矩以产生 助动力, 实现助力转向的实时控制。如果不 转向, 则本套系统处于休眠状态等待调用。 由于它不转向时不工作, 所以也节省了能源 。
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• 综上所述，汽车线控转向与传统的转向系 统相比，大大提高了汽车的操纵稳定性、 安全性和舒适性，是未来汽车转向系统的 发展趋势。随着电子元件成本的降低、42V 电源技术的应用以及可靠性和控制算法的 提高，线控转向技术以及其它线控技术会 在不久的将来全面替代传统的机械结构系 统。线控技术将通过整合动力、转向、制 动、悬架等系统，对汽车进行集成优化控 制，大幅度提高整车性能，最终实现无人 驾驶。
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• （3）EPS 的主要部件： • 1) 扭矩传感器: • 由力矩传感器和旋转传感器组成。力矩传 感器感知转向盘的转向力矩大小, 旋转传感 器感知转向盘的旋转速度（检查是否转向 很急）, 并把感知的这两个信号传递到电子 控制单元。目前采用较多的扭矩传感器是 扭杆式电位计传感器。
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• 四轮转向装置按照前后轮的偏转角和车速 之间的关系分为两种类型： • 转角传感型：前轮和后轮的偏转角存在一 定的因变关系，即后轮可以按照前轮的偏 转方向偏转俗称同相位偏转、也可以做反 向偏转俗称逆相位偏转。 • 车速传感型：即是根据事先设定好的程序 ，当车速达到一定值时（通常为35-40km/h ），后轮能与前轮同方向偏转，当低于设 定值时，则与前轮反方向偏转。
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• 线控技术是从应用于航空驾驶上的“FlyBy-Wire”发展而来，即由电线或者电信号实 现传递控制，而不是通过机械连接装置。 线控技术将驾驶员的动作转化为电信号， 由此来传递指令操纵汽车。
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• 1）线控转向系统的工作原理： • 汽车线控转向系统的工作原理是：转向盘 转角传感器将检测到的转向数据信号以及 汽车运动中的各种信息通过数据总线传递 给电控单元，电控单元对这些信息综合分 析，根据自身的内部控制策略，向转向执 行系统发出指令，进行转向操作。
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• 电控单元： • 电控单元对转向盘转角、前轮转角以及车 速等信号进行分析处理，判别汽车的运动 状态，向转向盘回正电机和转向执行电机 发送指令，控制电机协调工作，保证汽车 在各种工况下都具有理想的动态响应，从 而减轻驾驶员的负担。
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• 另外，电控单元还可以对驾驶员的操作指 令进行识别，判断在当前状态下驾驶员的 转向操作是否合理，当驾驶员发出不合理 指令，汽车趋于非稳定状态时，线控转向 系统会屏蔽驾驶员的错误指令，强行介入 转向操作，自动进行稳定控制，以合理的 方式自动驾驶车，使之尽快恢复到稳定状 态。 • 线控转向系统的优点： • 1)提高汽车操纵稳定性
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• 5) 减速机构: 用来增大电动机的输出扭矩。 主要有两种形式: 蜗轮蜗杆减速机构和双行 星齿轮减速机构。前者主要用于转向轴助 力式转向系统, 后者主要用于齿轮助力式和 齿条助力式转向系统。
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（4）电动助力转向系统的特点： • 1）降低了燃油消耗。这是因为本系统仅在 转向盘转动的情况下才使用动力；而传统 的动力转向系统要求常运转油泵。 2）系统只有直流电动机为主要零件，所使 用的其他零件少，因而具有很高的可靠性 ，转向系统可以做到免维护。
• 2) 车速传感器: 用于检测汽车的行驶速度, 并进行自诊断, 把检测到的信号送入电子控 制单元。常采用电磁感应式传感器, 安装在 变速箱。（车速不同，响应不同）
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• 4) 电子控制单元( ECU) ： 它是整个控制系 统的核心, 完成对各个传感器输入信号的处 理, 依据控制规则计算出所需的参数值, 通 过驱动电路, 实现对电机的控制。 • 分析下图：
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• 模拟“路感” • “路感”可以理解为驾驶员手上的力与汽 车的运动状态的一种对应关系。驾驶员可 以通过转向盘反馈的“路感”信息来感知 汽车的运动状态(包括行驶状态和道路状况 等)。在转向系统里，转向力与“路感”是 一对矛盾，两者彼此制约。转向力小能减 少驾驶员的体力消耗，却缺乏“路感”。 线控转向系统由于其转向盘和转向轮之间 无机械连接，驾驶员的“路感”必须完全 通过模拟生成。
• 3)提高汽车的舒适性 • 由于该设计取消了传统的机械结构连接， 地面的不平和转向轮的不平衡等扰动不会 传递到转向盘上，从而减轻驾驶员的疲劳 。而转向柱的取消使驾驶员腿部活动的空 间增加，驾驶和出入更方便自由。 • 4)改善汽车燃油经济性 • 线控转向系统取消了转向柱等机械连接， 减轻了整车的质量，降低了油耗，改善了 整车的燃油经济性。
• 4.1 电 动 转 向 系统(Electrical Power Steering，简称EPS • (1)概述 • 所谓电动转向( EPS) , 就是在机械转向系统 中, 电动机为动力, 以转向盘的转速和转矩 以及车速为输入信号, 通过电子控制装置, 协助人力转向, 并获得最佳转向力特性的伺 服系统。EPS用电动机直接提供助力, 助力 大小由电子控制单元( ECU) 控制。
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• 2）线控转向系统的结构： • 汽车线控转向系统主要由转向盘模块、转 向执行模块和电控单元(ECU)三个部分组成 。典型的前轮线控转向系统结构下图所示 。
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• 转向执行模块： • 转向执行模块主要包括前轮转角传感器、 转向执行电机、转向电机控制器和前轮转 向组件。转向执行模块的主要功能是，转 角传感器将测得的车轮转角信号反馈给电 控单元，并接受电控单元的指令，通过转 向电机控制器控制转向车轮转动，实现驾 驶员的转向意图。
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• 4.2汽车线控转向系统 • 线控转向完全颠覆了传统的机械转向设计 理念，取消了转向盘和转向轮的机械连接 ，取而代之的是电子线路控制，从而彻底 摆脱了传统转向系统所固有的弊端，更利 于和其他系统集成并进行统一协调与控制 。线控转向现已成为当今汽车转向系统的 研究热点和未来的发展趋势。
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• 四轮转向的优点： • 1）提高了汽车在高速行驶时和在溜滑路面 上的转向性能。 • 2）转向能力强，转向响应快，可以显著提 高车辆的转向性能。 • 3）机动性好
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• 四轮转向可分为机械式、液压式、电控机 械式、电控液压式和电控电动式等几种类 型。目前使用最广泛的4WS系统为电控液 压式，主要用于前轮采用液压助力转向系 统的汽车中。
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• 操纵稳定性是判断转向系统优劣的第一要 素。具有变传动比特点的线控系统，可以 根据车速、发动机转速以及其它相关参数 的变化来不断调整传动比，当汽车低速行 驶时，调低传动比，以减少转向或停车时 转向盘转动的角度；高速行驶时，调高传 动比，以防止转向盘过于灵敏。（可以无 极调节）
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• 3）改善了转向性能。在EPS中, 电动机产 生助力转矩, 通过适当的控制方法,可以针 对不同的转向需求产生不同的助力效果。 同时可以消除液压助力系统的转向迟滞效 应, 增强了转向车轮对转向盘的随动性能 。
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• 4）轻量化显著。液压动力系统因有液压缸 、油泵、转阀、液压管道等部件, 使系统 结构复杂,零件数目多, 占用空间大, 布置 不方便。EPS 则表现出了明显的优势, 系 统结构紧凑、质量减轻、无油渗漏问题、 系统易于布置等。
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• 线控转向系统的关键技术： • 可靠性技术 • 线控转向技术发展过程中最大的困扰是可 靠性的问题。 • 线控转向系统由于转向盘和转向轮之间无 机械连接，必须完全依靠电子元件来工作 ，而目前电子元件的可靠性远不及机械部 件，失效形式又多种多样。一旦在转向过 程中电子元件出现故障，汽车无法完成转 向动作，将处于失控状态。
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• 分离左侧离合器，车辆左转，分离右侧离 合器，车辆右转，转弯时两侧履带都在运 动。如果把左侧或是右侧制动器拉到底， 则会产生左侧或是右侧履带停止，产生较 急的侧滑或转向。（手扶拖拉机） • 优点：转向需要的空间减小，转向效果好 缺点：结构复杂。
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工作原理：四轮转向系统ECU根据传感器的 信号计算出控制量，控制后轮转向系统控 制箱的步进电动机转动驱动扇形齿轮。另 一方面，利用转向操纵使后轮转向系统控 制箱的锥齿轮旋转，以此决定控制阀杆的 行程和方向。这样控制阀内油路变换，从 而改变后轮转向。
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• 4.4差速转向 • 差速转向是靠调整左右两侧车轮的转动速 度来实现不同半径的转向甚至原位转向。 这种转向系统高效、成本低、转向半径小 、机动灵活、被广泛应用于机器人、坦克 等机械上。在简单的农用车上也在广泛使 用。 • 传统汽车在转向过程中会实现差速，反之 ，通过差速也可以实现转向。
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• 同时，电控单元通过分析转向盘转角、车 轮转角等信号，控制转向盘回正电机，从 而模拟出相应的“路感”。 • 路感指驾驶时候路面通过车身，方向盘对 驾驶者作出的反馈，一般运动型轿车和跑 车的话，路感都很清晰，也就是说不用看 ，就能清晰感觉出自己刚才走过了一段什 么路，你甚至能感受轮胎压过石子的感觉 。
• 2)增强汽车被动安全性 • 在汽车发生碰撞时，转向柱、转向盘会给 驾驶员的胸腔和头部造成极大的冲击，直 接威胁驾驶员的生命安全。而线控转向系 统取消了机械转向柱，完全避免了碰撞事 故中转向柱对驾驶员的伤害。对于使用操 纵杆控制的线控转向系统，转向盘的取消 更有利于保护驾驶员的安全。
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