汽车的底盘可以说是汽车上最为复杂的技术,不光悬架结构复杂多变,即便是同样的结构,不同工程师调出来的风格取向也是天差地别。除了行驶的感受外,转向时车辆的特性,手感也可以有多种风格,今天的文章我们不聊别的,就聊底盘系统里一个小配置——可变速比转向。
什么是可变速比转向?
汽车的转向系统依靠方向盘、万向节、齿轮、齿条实现转向功能。当驾驶员转动方向盘时,转矩通过方向盘管柱带动齿轮转动,然后驱动齿条,从而带动转向节实现方向的控制。要实现可变速比转向,可以在齿轮和电控系统上作文章。
传统的汽车转向系统的齿轮比(转向比)是由小齿轮与齿条齿轮相比的齿数决定的,且与车速无关。
如果小齿轮与齿条齿轮采用恒定的齿比,这种转向系统称之为固定传动比转向系统(Constant Gear Ratio,简称CGR),那么不管驾驶员如何转动方向盘,整个转向的过程中,转向的角度都是恒定变化。这就带来一个问题,低速时,改变方向需要转动更多的角度实现转向,而高速时,由于车速加快,小幅度转动方向盘又带来过大的修正了,降低了车辆稳定性。
比方说,如果转向系统的传动比是针对高速巡航而设计,那么当低速行驶时,如倒车移库,需要输入的转向角会更高,增加了驾驶员的负担;反之,如果转向器传动比针对低速而优化,则车辆对小转向角的反应过度,使准确驾驶变得困难,速度越快时,越容易发生危险。
这时候,可变速比转向就应运而生了。可变速比转向(Variable Gear Ratio Steering,简称 VGRS)是一种通过技术手段使方向盘转动角度与车轮转向角度的比例(即转向比)实现动态变化的汽车转向系统。其核心逻辑是根据车辆行驶速度、转向角度等参数,自动调整转向系统的传动比,从而在不同场景下优化驾驶体验,兼顾低速灵活性与高速稳定性。
如何实现可变速比转向?
实现可变速比转向主要有两种方式,分别是机械层面改变齿轮(条)形状,以及电子层面改变转向比,如线控技术等。
机械层面上,VGR齿条通过调整转向齿条的疏密程度,改变传动比,进而实现可变速比转向。具体来说,齿条上的齿在整个齿条的中心附近靠得更近,靠近齿条两端位置的齿距离更远,使得转向系统在中央位置时(车辆直行)对转向角度输入的反应较慢,随着转向角度的增大,转向比随之增加,此时方向盘转动更小的角度,就能获得更大的转向角度。
机械层面上,VGR的缺点也非常明显,那就是在制造的时候,齿比已经设定好了,只能通过转向角度改变,但无法随着车辆的行驶速度而变化,这时候就需要引入电气化设备了。
以某品牌的VGRS结构为例,其在转向管柱位置增加了一个谐波传动减速器,实现转向比的调节。谐波传动减速器可以改变输入输出的角度值,主要由波发生器(电机)、柔性齿轮、刚性齿轮等构件组成,它依靠波发生器装配上柔性轴承使柔性齿轮产生可控弹性变形,并与刚性齿轮相啮合来传递运动和动力的齿轮传动。
有了VGRS后,转向系统的控制策略就能实现根据车速来自由调节转向比了。例如,当稳定性控制检测轮胎打滑或者车辆偏航时,谐波传动减速器可以切换到大转向比,以便驾驶员可以以更小的角度快速调整方向。
除此以外,还有更现代化的线控转向技术。以某品牌采用的线控转向技术DAS(Direct Adaptive Steering)为例:DAS通过方向盘传感器检测转向角和扭矩,输入ECU——ECU接受转向角、扭矩以及其他参数,如车速确定所需的转向量——ECU输出指令,电机驱动转向齿条实现转向,同时ECU还输出指令,让方向盘电机产生力矩反馈给驾驶员。
因为不存在机械设计的限制,DAS线控转向允许转向比例完全可变,方向盘和转向齿条完全解耦,不再受转向反冲或振动影响,从而加快了转向响应并改善了精度。此外,得益于完全电驱的转向结构,使得其可以胜任辅助驾驶,如自主转向,自动泊车等功能,而无需人类驾驶员的干预。(朋月)