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方向盘天天摸,方向盘下面你未必懂

作者:车猫 2015年12月23日

转向系统对主观操控感受的影响甚至高于悬架本身,想选台操控满意的车子,还真得懂点转向技术。而平时我们听到的多是:“这车装备的是电子转向”,“它的转向是可调的”,“电子可变转向省油”,“主动转向应该是最厉害的”… 已经晕了吧?别说你,4S店销售自己也不明白,但还得“专业地”向你介绍。

不少老粉丝知道我做过转向系统开发,希望听我聊一下目前到底有些啥NB的转向技术,各自的优缺点,以及如何识别忽悠。今天找了一些实例,把方向盘下面的世界讲清楚。文章依然坚持专业而浅显的风格,目的是同一个话题只需读一篇文章,请准备好瓜子饮料!

【液压助力转向系统】

可能有些学车早的人跟我一样,开过驾校里不带助力的桑塔纳。而如今的轿车已经极少再有纯靠人力转向的了,基本都配备了转向助力。液压助力转向系统是历史最悠久的转向助力技术,统治地球已经快70年了,至今还占据新车型的大半江山(简称HPS)。

经典液压助力转向系统

图:经典液压助力转向系统(HPS)

助力泵通过皮带连着发动机,转向机负责把方向盘的动作变为精确的液压推动力,拉动车轮转向。

这个系统,只要发动机工作,系统就有助力,一直被广泛沿用,因为如下优点:

1)功率密度高。不必占用太多空间,就可以实现很大助力,这也是液压系统的先天优势,车子越重,优势越突显;

2)路感清晰敏锐。这也是HPS的先天优势,因为系统机械惯量很小。注意,这个优势至今还没有被任何新技术逾越;

3)手感柔滑。液压油具有天然粘滞特性,因此HPS天生手感丝滑柔顺。

宝马E46转向机总成

图:宝马E46转向机总成(ZF制造)

当然,HPS的市场配套份额也在逐年递减,因为如下缺点:

1)经济性不好。发动机时刻带着助力泵转,不管你是否打方向都在消耗燃料。浪费掉的能量变成热量让油液升温,因此HPS通常还需要一个专用散热器;

2)助力特性无法兼顾全车速。大家都知道,车速越快,方向盘越轻。这可难坏了工程师:若要低速轻便,那高速就会发飘;要高速稳定,那低速转向就会费劲;取平均的话,又可能两边挨骂。最让工程师不省人事的是,在停车挪车时,发动机通常工作在怠速,泵的输出功率也处于最小,这时司机却需要最大助力,矛盾+郁闷啊!

3)天冷天热,手感会不一样。原因很简单,转向油的粘度受温度影响大呗!

4)系统零件种类多,装车工艺繁杂耗时。

5)无法做到免维护。以诺诺上海店修过的BMW为例,E46的助力泵下课是常事儿,当你原地转向时发现机舱内闷响,就说明离下课不远了。转向机漏油要换总成也不少见,还有漂移爱好者半个月烧烂两套转向系统,才知道对HPS如此缺乏认识。

宝马E46使用的助力泵

图:宝马E46使用的助力泵(Luk造)

1)容易造成连带损坏。转向油如同HPS的血液,血液可以运输能量也能传播病毒,扩散感染。当转向泵过度磨损后,金属磨屑会随油液在系统里循环流动,继续使用就会造成系统精密零件的二次损坏,比如转向机里的转阀(超精密)或其他密封零件。遇到这种维修,必须把系统里每根“血管”翻来覆去洗干净,再检查是不是发生了二次损坏。

2)液压油容易污染环境。核心介质是油嘛,漏油、换油都有环境风险,不多说了。

【电控液压助力转向系统】

如果梦见上帝说“我只能帮你实现一个愿望”,那么转向工程师将首选HPS的助力随车速可变。

自从HPS问世以来,工程师就致力于如何让HPS的助力随车速增加而减少。早期应用的方案是在泵上做文章,通过巧妙的技术手段,让泵在高转速下的输出反而减少,这样在高转速的助力就会有所收敛,方向盘略沉稳。一汽大众早期就有不少车型装过变排量泵。

可是转速高并不代表车速高,尤其是在中国的驾驶习惯下,因此这样的设计依然只是过客。

可变助力应用最为成熟的方案是在传统HPS的转阀附近增加一个电磁阀,根据当前车速对液流特性进行调节,真正实现“原地轻盈,高速稳健”的转向手感。

ZF的Servotronic产品

图:ZF的Servotronic产品

EHPS使用的电磁阀

图:EHPS使用的电磁阀(奔驰S65 AMG)

火柴盒大小的EHPS电控单元

图:火柴盒大小的EHPS电控单元(奥迪A6)

这套系统就叫电控液压助力转向系统(简称EHPS),因为增加了电控部件和电控单元,转向机也变得更加复杂、精密,系统价格基本翻了一番,因此在高端车里才比较多见。欧洲的奥迪A4老早就不惜血本,用上了EHPS,但以操控著称的宝马3系,却是这辈子都没想过用它(惊讶吧?)。

当然,聪明的宝马在助力选择上其实是走了折中路线,只是在悬架上通过技术手段做了补偿,提高了高速稳定性;并借“路感至上”的名义,冠冕堂皇地解释了为什么原地转向比别人重,成功预防了车主抱怨。处处都说明,有个性多么重要!

奥迪A4的EHPS转向机

图: 奥迪A4的EHPS转向机(ZF造)

自从EHPS问世,调校助力大小和车速的关系,就变成一件相当精妙有趣的事情了。当年为了调出一组曲线,在试车场上挂着设备开上一整天车是常事。事实上,最终的手感,在很大程度上依然受制于转向机核心零件的设计水准和加工精度。

当然,还有其他的类型的EHPS。比如在最早的那批Polo上应用的EHPS系统,液压泵终于告别了发动机,换用电机驱动,而电机的输出完全听命于ECU根据车速和方向盘转速计算出来的“真实需求”。

电动泵EHPS

图:电动泵EHPS(电子液压助力)

这款EHPS不但实现了助力随车速变化,还切断了发动机和泵的关联,首次证明了转向系统节能是可行的。可惜生命力并不长,因为对电机要求高,系统造价昂贵,成本和收益无法平衡,加之一些固有短板,因此在后来的Polo降本行动中,EHPS首当其冲被换为了普通HPS。后来还看到福克斯等少数车型采用过类似系统,但都是经过降本取舍后才有一定的应用价值。

电动泵单元

图:电动泵单元(福特Focus)

EHPS家族中还有一些奇葩方案,比如用各种方法人为制造浪费来“消耗”助力能量换取路感的,丢西瓜捡芝麻,不属于主流技术,这里就不多讲了。EHPS的命名也有多个版本,主要应各个厂商的喜好,比如ECPS,ECHPS,EPHS都出现过,指的是同一类事物。

我见过好几次4S店销售员混淆概念,推销时把EHPS说成是电子转向,但其本质还是液压转向系统,液压系统的缺点一个没少。在第二集里面,诺诺会给大家介绍彻底摆脱了液压身份的电子助力转向系统(简称EPS),可能你已经见过很多媒体对EPS的介绍,或者百度可以搜到各种EPS的科普,但你一定没有读过诺诺笔下的EPS。作为一名跟EPS核心技术打了七、八年交道的研发人员,我会努力贡献一篇独一无二的科普帖。

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