淺談智能駕駛對轉向系統的發展影響

黃先寶，金玉閔

淺談智能駕駛對轉向系統的發展影響

黃先寶，金玉閔

（博世華域轉向系統有限公司南京分公司，江蘇 南京 210000）

隨著汽車及零部件行業的飛速發展，助力轉向系統技術也得到了飛速發展和更新換代，從最初的機械助力轉向，到液壓助力轉向，再到電動助力轉向系統。尤其是隨著當前汽車行業智能駕駛和車聯網的發展，電動助力轉向系統的高級功能開發和技術進一步提速，通過冗余設計從而來支持整車自動駕駛技術。

智能駕駛；車聯網；助力轉向系統；冗余設計

1 引言

當前隨著電子信息科技的進步，新型電子技術在汽車行業上的應用突飛猛進。以數字化、信息化、大數據、云計算、5G技術和物聯網為特征的新一輪科技革命正在興起，也正在給傳統的汽車行業帶來巨大的變革，汽車及零部件新技術的發展剛好成為應用這些新技術的重要載體。隨著純電動汽車技術的發展，智能汽車、車聯網等新技術也將迎來快速發展和應用，成為當前汽車行業和市場激烈角逐的重要引擎。車聯網已經成為智能駕駛技術的戰略性發展問題，挑戰與機遇共存。同時，國家工信部、交通運輸部、發改委等全面支持汽車行業與多個產業的網聯化、智能化協同發展。

而助力轉向系統作為汽車結構中重要的“安全件”，其技術的發展直接影響著汽車智能駕駛技術的發展。對于汽車而言，需要接收駕駛人的指令，并按照駕駛人需要的軌跡運動，轉向系統成為最核心的零部件之一。它是汽車實現轉向需求的直接部件，將直接影響和制約著智能駕駛技術的發展。

2 轉向系統發展現狀

在近20年，國內汽車技術的發展突飛猛進，其中助力轉向技術的發展也是日新月異。轉向系統最初的結構形式是機械式轉向器，在轉向操作過程中靠人力來驅動轉向，全部是機械機構，沒有外力的助力。這種轉向器路況對操作的影響比較大，操作起來比較費力，并且沒有那么精準。

隨后出現了助力式轉向系統，應用最廣泛的是液壓助力轉向系統和電動助力轉向系統。液壓助力轉向系統，其組成有液壓泵、油壺、油管、液壓流體控制的方向機等。由于液壓泵需要裝配在發動機上來獲取液壓動力源，伴隨著發動機的運行，一直需要消耗發動機的能量。并且液壓助力轉向系統對管路的清潔度要求比較要，在實際使用中存在效率低以及漏油的缺點，并且需要定期更換液壓油。液壓轉向系統在汽車行業中存在了很長一段時間，自2013年以后在國內乘用車領域已經逐步被電動助力轉向系統所替代，但是目前在商用車領域中還主要使用的是液壓助力轉向系統。目前，乘用車領域中轉向器主要是電動助力轉向系統，由電子控制單元（ECU）、電機、扭矩或角度傳感器、齒輪齒條等主要機械件組成。由于其不需要直接消耗發動機的能量，在傳感器收到轉向的指令后，反饋給ECU，通過ECU來控制電機實現助力轉向。電動助力轉向系統由于靠電控單元來實現精準控制，其能耗相比液壓轉向系統具有非常明顯優勢，并且同整車具有相同的設計壽命，不需要保養和維護，因此發展非常迅速。

3 電動助力轉向系統的發展現狀

電動助力轉向系統目前主要有四種結構形式，即管柱式助力轉向機（EPSc），單小齒輪式電動助力轉向機（EPSp），雙齒輪式助力轉向機（EPSdp）、軸平行式助力轉向機（EPSapa）。

管柱式助力轉向機（EPSc），其助力單元（電機motor和電控系統ECU）安裝在管柱上，駕駛員操控方向盤時，助力轉向扭矩通過管柱、中間軸傳遞到純機械轉向機。由于這種力矩傳遞方式，轉向管柱和中間軸受力較大，因此助力大小受到限制。同時由于其Motor和ECU隨管柱安裝在駕駛艙，產生的噪音對駕駛員較為敏感，目前這種管柱式轉向系統主要大量應用于低端車型（見圖1）。

圖1 管柱式助力轉向機（EPSc）

單小齒輪式電動助力轉向（EPSp），是將扭矩傳感器和助力機構安裝在小齒輪上，通過蝸輪蝸桿減速機構，將電機輸出力矩并作用在小齒輪上。這種結構的助力不需要管柱部件來傳遞，因而電機可以提供更大的助力，主要應用于中級轎車上（圖2）。

雙齒輪式轉向機（EPSdp），Motor和ECU安裝在轉向機上，齒條兩端各有一個齒輪軸。電機通過驅動一個齒輪軸來帶動齒條移動，然后齒條再驅動另外一個齒輪軸，將助力傳遞給管柱和方向盤。這種結構形式電機直接驅動齒輪齒條，能夠承載更大的助力，目前市場上中檔車型主要采用了這種結構形式（圖3）。

圖2 管柱式助力轉向機（EPSp）

平行軸式轉向機（EPSapa），就是滾珠絲杠螺母副的結構形式，在其內部有循環球結構。齒條的一側是通過皮帶傳動方式，電機安裝在方向機上，與齒條平行。電機通過皮帶傳動，驅動循環球，從而來驅動齒條移動。然后齒條再驅動另一側的齒輪軸，將力矩轉遞給管柱和方向盤。這種結構能夠提供更大的助力，齒條力能夠達到14KN或更大[1]，并且通過循環球式的結構，轉向機噪音較小，目前主要應用于豪華轎車和較大型的商務車領域（圖4）。

圖3 雙齒輪式轉向機（EPSdp）

圖4 平行軸式轉向機（EPSapa）

4 智能駕駛對轉向系統的影響

目前迅速崛起的智能駕駛技術、車聯網技術等，成為各個汽車廠商爭相推出的新技術，從而來占領市場制高點。近幾年，自動駕駛技術被越來越多的車企所重視，隨著特斯拉自動駕駛技術在市場的推出，并且在國內獨資建廠，極大地促進著國內汽車企業新技術的開發應用步伐，國內眾多車企也正在加速進行研發，力求在新一輪的競爭中立于不敗之地。

表1 美國汽車工程師學會SAE智能輔助駕駛等級劃分

依據美國汽車工程師學會SAE劃分的標準，智能輔助駕駛分為5個等級，從低到高依次為L1-L5[2]（見表1）。要實現自動駕駛，系統至少需要滿足L3及以上的安全級別，其電控系統失效比例是10 fit，和飛機的失效率相當。在這樣的條件下，電控系統需要進行“冗余”設計。最簡單的做法就是需要轉向系統能夠實現兩套系統，當一套系統失效以后，立即切換到備用系統。

在轉向系統中，“冗余”設計就要求電控系統為雙系統，即電機、電控系統ECU、傳感器等以雙系統的形式實現。對于電機，一套系統為三相電機，“冗余”設計需要雙三相電機或4個三向電機，采用6相或者12相。雙三相電機構成半冗余，達到L2級別。如果要達到L3級別及以上，需要采用12相電機。而對于扭矩傳感器，要滿足L3級別的冗余設計，需提升扭矩信號的可靠性，則需要至少3路扭矩信號，通常采用獨立的雙2路信號的扭矩傳感器。而電子控制單元ECU也需要進行冗余設計，需要設計兩套芯片系統。

5 結束語

隨著當前汽車及零部件行業新技術的高速發展和國家對車聯網技術的支持，各汽車廠商都對智能駕駛技術的研發進行了大量地投入。智能駕駛的發展，也極大地促進了電動助力轉向系統向智能化、自動化加快轉型發展。隨著自動駕駛技術的智能化程度逐步提高，轉向系統的電控策略在環境適應性、智能駕駛可靠性、安全性等面臨新的挑戰[3]。如何在復雜的路況環境下實現全自動駕駛，實現在極端工況下的失效模式識別及其冗余容錯控制等，成為未來電動助力轉向系統發展的重要研究方向。

[1] 左建令.汽車電動助力轉向系統的分類及應用特點[J].上海汽車.2009.12:25-27.

[2] 段徐平,鄭虎.自動駕駛中的電動助力轉向系統[J].汽車電器.2018年第6期:28-31.

[3] 陳俐,李雄,程小宣,羅來軍,喻凡.汽車線控轉向系統研究進展綜述[J].汽車技術.2018年第4期:23-34.

Intelligent Driving Effect on the Development of Steering System

Huang Xianbao, Jin Yumin

( Bosch HUAYU Steering Systems Co., Ltd., Nanjing Branch, Jiangsu Nanjing 210000 )

With the rapid development of automobile and the parts industry, power steering systems technology has also obtained the rapid development and upgrading. The power steering system developed from the initial mechanical power steering, then the hydraulic power steering, and later on to the electric power steering system. Especially with the development of auto industry, intelligent car driving and networking, the advanced functions of the electric power steering system development is speed up, and through the redundancy design to support the vehicle automated driving technology.

Intelligent driving; Car networking; Power steering system; Redundancy design

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.010

U463.4

A

1671-7988(2021)02-28-03

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黃先寶（1982-），男，就職于博世華域轉向系統有限公司南京分公司。