● 可变转向比(齿比)转向系统-主动转向系统
代表车型:宝马5系(E60、F10)、雷克萨斯LS460L、奥迪Q5、奥迪A6L(C7)、
奔驰新E级、奔驰S级
前面提到的几种“可变”转向,能够改变的仅仅是助力力度,说白了只是能够改变方向盘转动时的阻力而已,但是转向比(可简单理解为方向盘转动的角度与对应的车轮转动角度的比值)是不可变化的,我们接下来要说到的可变齿比(速比)的转向系统则要先进的多,不仅能够改变转向的助力力度,在不同情况下,方向盘转角对应的车轮转动角度也是可以变化的。
不同厂家对这类系统的叫法可谓五花八门,比如宝马称之为AFS主动转向系统(Active Front Steering,这个缩写与我们熟悉的随动转向大灯缩写是相同的),奥迪将其称之为动态转向系统(Audi Dynamic Steering),雷克萨斯/丰田使用的则是可变齿比转向系统VGRS(Variable Gear Ratio Steering),本田的这类系统名称为VGR,与丰田命名类似;而奔驰的可变转向比系统则以“直接转向系统”(Direct-Steer)命名。虽然功能类似,但是他们使用的技术却是截然不同的。
不同厂商的可变转向比技术 | |
奔驰 | 直接转向系统(Direct-Steer) |
宝马 | AFS主动前轮转向系统 (Active Front Steering) |
奥迪 | 动态转向系统 (Audi Dynamic Steering) |
丰田/雷克萨斯 | VGRS (Variable Gear Ratio Steering) |
本田 | VGR (Variable Gear Ratio) |
简单地说,可变齿比转向系统在技术层面上并不是一个水平的,目前主要有两种方式实现这种功能,一种方式是依靠特殊的齿条实现,原理简单,成本也相对较低,没有过高的技术含量,而另一种就比较复杂,是通过行星齿轮结构和电子系统实现的。由于目前并没有明确的分类,所以我们姑且将它们分为机械式和电控式吧。
--机械式可变转向比系统:奥秘在于齿条,原理简单
『奔驰的E级、S级都搭载了“直接转向系统”』
奔驰的直接转向系统就是第一种方式的典型代表,名字叫“直接转向”,解决方案也确实“直接”。它主要是在“齿轮齿条机构”的“齿条”上做文章,通过特殊工艺加工出齿距间隙不相等的齿条,这样方向盘转向时,齿轮与齿距不相等的齿条啮合,转向比就会发生变化,中间位置的左右两边齿距较密,转动方向盘,齿条在这一范围内的位移相对较小,在小幅度转向时(例如变线、方向轻微调整时),车辆会显得沉稳,而齿条两侧远端的齿距较疏,在这个范围内,转动方向盘,齿条的相对位移会变大,所以在大幅度转向时(如泊车、掉头等),车轮会变得更加灵活。这种技术除了对齿条的加工工艺要求比较严格之外,并没有多少“高科技”在其中,缺点在于齿比变化范围有限,并且不能灵活变化,而它优势也很明显--完全的机械结构,可靠性较高,耐用性好,结构也非常简单。
本田的VGR技术与奔驰的“直接转向技术”如出一辙,同样是在齿条的齿距变化上面做文章,依靠齿条上齿距的疏密设计来实现所谓的“可变转向比”。
--电控式:科技含量高,可主动改变齿比
与上面的方式相比,宝马、丰田、奥迪等品牌所使用的可变齿比转向系统明显要先进许多,它们使用了更复杂的机械结构并且需要与电子系统结合使用。这些系统能够更好的实现“低速时轻盈灵敏,高速稳健厚重”的需求,其为车辆行驶带来的便利性和稳定性都是普通的可变助力转向系统和单纯的“机械式”可变齿比转向无法比拟的。
宝马AFS主动转向系统
『新老5系都搭载了主动转向系统,宝马在这一领域算得上是先行者』
宝马和ZF(采埃孚)联合开发AFS主动前轮转向系统正是要找到一种灵活性和高速稳定性兼得的解决方案,事实证明他们做到了。下面我们就来深入了解一下“可变转向比”实现的过程。
首先需要明确的一点是,宝马的主动转向系统和助力转向系统完全是两个独立的系统,千万不要因为它有个“主动”的名字,就以为“车道保持”“自动泊车”之类的功能全是它的杰作,那其实是电动助力转向系统的功劳,和“主动转向系统”一点关系都没有。当然,也有一些厂商出于集成化和模块化的考虑,将电动助力转向与可变齿比机构整合在了一起。
下面是一辆老款宝马5系(E60)转向系统的组成图,其中的助力转向系统是一套我们前面提到过的servotronic伺服式助力转向机构,其助力力度的变化是依靠图中与液压泵紧连的ECO阀(电控阀)实现,而改变转向比的机构,则是位于在转向柱底部的主动转向系统执行单元。
我们来看主动转向系统执行单元的剖视图,这里就是AFS的秘密所在。转向柱被从当中打断,我们将连接方向盘的转向柱一端称为输入轴,将直接连接转向齿轮的一端称为输出轴,二者间通过行星齿轮连接,行星齿轮组的壳体是一个可旋转的蜗轮,能够由电机驱动旋转。这套系统有独立的电子控制单元,根据转向角传感器、左右车轮转速传感器、横向加速度传感器的信号控制电动机的开关及运转方向。
当系统未通电或者系统发生故障时,电磁锁会在弹簧的作用下卡在蜗杆的锁槽内,锁止蜗杆,壳体不可旋转,此时输入轴与输出轴的转速是相同的,传动比不会发生任何变化。而当系统通入电流,电磁锁打开,电动机开始旋转时,变化就发生了。当车辆低速行驶时,电动机驱动蜗轮与输入轴同向运转,蜗轮壳体与输入轴的旋转角度相叠加,输出轴的旋转角度便大于输入轴,车轮便能转动更大的角度,我们的转向动作被“放大”,使车辆变得非常灵活,而当车速较高时,我们需要更大的转向比来提供精准沉稳的指向,辅助电机会驱动蜗轮反向旋转,与输入轴的部分旋转角度相抵,最终输出轴的旋转角度会低于输入轴,我们的转向动作被“缩小”。这套AFS系统的转向比可在10:1到18:1之间连续调节。
丰田在雷克萨斯的诸多车型所使用的VGRS系统也是依靠行星齿轮结构对方向盘的转向动作进行放大或缩小,原理与宝马的AFS系统一致,只是在电机的布置位置和结构的设计上有所差异。我们在这里就不做详尽的介绍了。