智能汽车线控转向技术详解

在电动化与智能化两大发展趋势之下，我国正处于功能汽车向智能汽车转型的拐点，无数新兴技术得到长足进步，作为智能驾驶的主要载体，汽车线控底盘技术将创造一个新的未来，未来高阶自动驾驶将基于线控化底盘来实现。

线控技术是指由“电线”或者电信号来传递控制，取代传统机械连接装置的“硬”连接来实现操控的一种技术。线控底盘由转向、制动、悬架、驱动、换挡五大系统构成。线控系统取消了部分笨重且精度较低的气动、液压及机械连接，取而代之以电信号驱动的传感器、控制单元及电磁执行机构，因此具有结构紧凑、可控性好、响应速度快等优势。今天首先为大家介绍线控转向技术。

相对乘用车而言，商用车转向技术需要克服重载、长轴距及多轴转向等难题。目前，商用车转向系统的主要功能是提供转向助力，而转向助力随速调节、自动回正、主动转向控制及助力模式自主调节等先进功能还处在研发试装阶段，未大批量应用。商用车转向助力是以液压助力为主，而它面临许多问题需要解决：

（1）由于存在高压油路，会产生噪声。

（2）助力特性不可调节，驾驶体验差。

（3）无电控/线控功能。

随着电控化和智能化技术的发展，商用车转向系统正向电控转向技术和线控转向技术方向转变。目前，电动液压助力转向（Electro-Hydraulic Power Steering，EHPS） 系统、电动助力转向（Electric Power Steering，EPS） 系统及其它新构型转向器技术等。这些新型商用车电控转向系统不仅解决了传统液压助力转向系统的固有缺点，而且明显改善了整车转向性能，具备主动控制功能，从而提升了驾驶安全和驾驶体验。

1 电动液压助力转向系统

如图1 所示， 是由液压转向（Hydraulic Power Steering，HPS） 和电机组合而成，支持原车HPS 系统的接口接入。该EHPS系统适用于轻型货车、中型货车、重型货车以及中型客车和大型客车。随着新能源商用车（公交、物流、环卫等） 的迅速发展，传统液压转向系统液压泵的动力源由发动机转变为电机，车上的高压电池系统使应用大功率电动泵成为可能。这里的EHPS 系统就是指应用了大功率电动泵的液压助力转向系统。

随着国家对新能源汽车安全质量重视程度的提升，2020年5月12日发布了强制性国家标准《GB38032—2020 电动客车安全要求》，其中4.5.2条增加了行驶中助力系统控制要求，即车辆行驶过程中，当整车出现断B级高压电的异常情况时，在车速大于5 km/h 时应保持转向系统维持助力状态或至少保持转向助力状态30 s。

因此，目前电动客车电动泵多采用双源供电控制模式来满足法规要求。其它电动商用车按照《GB 18384—2020 电动汽车安全要求》执行。商用车EHPS系统组成，如图2所示。目前壹为4.5吨及以上车型均采用HPS系统，自研底盘预留EHPS布置空间。

2 电动助力转向系统

轻型商用车电动助力转向系统（Electric Power Steering，EPS） 多采用电动循环球转向器（如图3），它相比EHPS 系统省去了电动液压泵、储油罐等零部件，具有系统简单、质量减轻、响应快、控制精准等优点。转向助力由原来的液压助力转变为电机助力，控制器直接控制电机产生助力。在驾驶员转动方向盘时，传感器将转角和转矩信号传递给控制器，控制器接收转角转矩信号等信息后，通过计算，输出控制信号，控制电机产生助力。在方向盘不转动时，转向助力控制单元不发出信号，助力电机不工作。常见电动循环球转向系统组成如图4所示。目前壹为自研小吨位车型采用EPS方案。

3 直拉杆式电动转向系统

直拉杆式电动转向系统是一种新型商用车电动转向系统，它由电机通过减速机构带动滚珠丝杆实现直拉杆的直线伸缩，同时直拉杆与转向节相连接，带动车轮实现转向功能。目前已完成样机研发的零部件厂商有德国ZF 和日本NSK。国内厂商有中国公路车辆机械厂，并在某公交车上进行了性能验证。2018年6月26日，在德国采埃孚科技日期间，德国ZF 展示了全球首款全电动商用车转向器样机ReAX EPS 系统，如图5所示，开辟了电动货车和电动客车自动化发展的新道路。2021年4月22日，日本NSK 在上海车展上展示了应用于商用车转向的直拉杆式EPS 系统，如图6所示，它采用“电机+涡轮蜗杆+滚珠丝杠”的技术方案，实现了大转向力矩输出和精准控制，能满足商用车电动转向负载需求。综上可知，直拉杆式电动转向技术是商用车下一代EPS 系统的重要技术路线。

4 其它新型电动转向系统

目前，国内外高校和厂商面向商用车电动转向大转矩需求也研发了不少新构型的电动转向器，为商用车电动转向技术发展提供了新思路。

行星齿轮式电动转向器

它由助力电机、圆柱齿轮减速机构、行星齿轮减速机构、蜗轮蜗杆减速机构、壳体和摇臂输出轴等主要零部件组成。采用行星齿轮减速机构和圆柱齿轮减速机构的组合结构来对助力电机的动力输出进行减速增扭，实现大转矩；利用蜗轮蜗杆传动机构来传递方向盘的操控扭力及车轮转向阻力负载的逆向反馈。行星齿轮式电动转向器的剖视图，如图7 a 所示；样机的外形图，如图7 b 所示。

摆线针轮式电动转向器

如图8 所示， 摆线针轮式电动转向器由电机、摆线针轮减速器和螺旋伞齿减速器等组成，电机通过摆线针轮减速器与螺旋伞齿减速器连接，转向输入轴与螺旋伞齿减速器连接。该构型结构设计巧妙，又能够得到较大转矩输出，使商用车转向轻便灵敏。

电磁助力电动转向器

如图9所示，电磁助力电动转向器在转向输入轴上设置齿条螺母，该齿条螺母总成与设置在壳体总成内的齿扇摇臂轴啮合。齿条螺母总成上设置有永磁体，在上/下盖总成上分别设置有与永磁体相对应的直流电磁线圈。在转向输入轴上设置有传感器。转向器ECU根据转角、转速和转矩等信息，给直流电磁线圈输入不同方向和强度的电流，利用磁极同性相斥、异性相吸的特性，实现齿条螺母的移动，带动齿扇摇臂轴转动，从而实现助力转向。

随着自动驾驶技术的发展，对线控转向的安全冗余技术越来越重视。目前，在运营的自动驾驶示范车辆上普遍采用软硬件备份的策略满足安全冗余的要求，如采用双转向电机、双转向控制器、双传感器、双通信线路等。同时，国内外高校也在研发基于整车系统的安全冗余设计，通过各执行器之间形成交叉冗余的互补机制来实现车辆在各种部件失效工况下的整体安全冗余，以降低系统硬件成本和系统复杂度，不过该技术还未投入应用。综上所述，目前商用车的线控转向技术还存在因车型载荷大小、布置位置差异（1桥或3桥等）、技术成熟度等因素而采用不同的技术路线，且每条技术路线都在向电动转向技术发展。