线控转向系统——未来驾驶的必选项？

作为纯电动战略的重要车型，近期bZ4X的亮相开启了丰田电动新时代。在从“概念”变“量产”的过程中，丰田采用了One Motion Grip（OMG）技术，首次实现线控转向系统与异形方向盘相结合。由于异形方向盘可以拥有更广阔的视野和更大的空间，最早的时候被用于F1赛车中。而在在量产车世界里，第一部使用异型方向盘的是新款的特斯拉Model S。在异形方向盘的使用过程中，车企遇到了哪些难题？线控转向系统拥有哪些优势，在落地的过程中又遇到哪些瓶颈？希望本期技术分享能够带来一些解答。

异形方向盘的困境

去年，特斯拉宣布“重新定义方向盘”，新款Model S果断引入了被称之为“Yoke”的轭式方向盘。不过，美国一本知名杂志在实际试驾后评价并不好，其认为Yoke唯一优势是前方视野比较好，但在某些驾驶场景中可能存在安全性隐忧——因为异形设计不适合大角度的换手操作，驾驶者在转弯时没有办法确切掌握方向盘的转向角度。究其原因，在于特斯拉这种异形轭式方向盘外观看上去很酷，但是没有渐进式转向或者是线控转向技术的支撑。

自动驾驶的究极形态就是没有方向盘，电脑控制一切。这就不难理解一向走在前沿的特斯拉为什么率先使用异型方向盘了。从改变方向盘形状到最后取消方向盘，特斯拉的自动驾驶走的是“渐进式”发展路线。但这一次，特斯拉的转向系统并没有跟上方向盘设计改变的步伐，也就是说方向盘设计很超前，但转向技术没跟上。
丰田的bZ4X算是第二台应用异形方向盘的车型。虽然两者的方向盘十分相似，但技术上却有着天差地别。

bZ4X采用了一项特斯拉没有的线控转向系统，舍弃了方向盘与轮胎之间的机械连接。线控转向系统体现了bZ4X智能化技术的水平，或将帮助丰田在与特斯拉等新造车势力的竞争中获得自己的市场地位。

传统转向系统限制转向比

在转向系统中，转向传动比一直是非常重要的指标，它指的是方向盘转向角度与车轮转向角度之比。转向比越大意味着车轮转动同样的角度，需要打更多的方向盘，反之亦然。一般来说，转向比越小的车子，指向性更精准，驾驶者只需要打很少的方向就可以获得更多的转向。

丰田bZ4X 量产车的异形方向盘

赛车的转向比一般在8:1到10:1之间，就是说车手转动方向盘8°~10°，前轮就会转动1°。在个别赛道上，F1赛车最大的转向比甚至会调到6:1，这有助于车手控制赛车，不必大幅度打方向。城市道路要比赛道复杂许多，考虑到安全性和驾驶友好性，家用车的方向盘不能过于敏感，因此家用车的转向比通常会在12:1到20:1之间，也就是说，在同一个弯道中，家用车需要打更多的方向。

对于很多车辆来说，转向比这个参数是可以动态变化的。当车子处于静止或者低速状态下大角度转向，系统会默认给出一个较小的转向传动比，让车子更灵活；而当汽车处于高速行驶或小角度转向时，系统的转向传动比就会增大，提高汽车高速转向的稳定性。总之一套好的转向系统就是要让驾驶者觉得低速轻盈，高速稳健。
无论是纯机械式可变转向比系统还是电子式可变转向比系统，由于机械结构的存在，它们都有转向比的一个上限。反之，线控转向系统就不存在这个问题。在这套系统中，转向执行器的转向作业完全由电信号控制，理论上不管有没有方向盘，电脑都可以精准控制转向角度，甚至可以做到“左打方向，车向右；右打方向，车向左”。

线控转向系统落地难在哪里？

作为全球首款搭载线控转向技术的量产车型，日产英菲尼迪旗下Q50把广泛应用于航空领域的线控转向技术带进了汽车市场，一直备受关注。从机械转向到线控转向的变革，是飞行器技术发展史上的重大革新，其大大提升了飞机驾驶的准确性和稳定性。如今，线控转向系统已经在航空和航天领域得到全面普及。Q50所应用的线控主动转向，与目前广泛应用在F16、F22、歼20等先进战斗机和波音330、空客777等民用客机上的转向系统拥有相同的工作原理和基本技术构造。

线控转向系统使用软件和电子设备来控制汽车前轮，常规状态下通过电子信号来控制汽车转向。Q50仍然保留方向盘和车轮之间的机械结构，仅用作备用系统。如果发现故障，可以重新启动机械连接。基于线控转向技术，悬挂系统中的传感器和软件结合起来帮助方向盘模拟道路的感觉。通过消除机械损耗，可以降低传统系统的响应，转向响应更快，消除了方向盘的振动。

丰田BZ4X 车型的 Z FWD 版本内

转向是Q50驱动模式选择器的一部分，在触摸屏上进行调整。根据车型不同，最多有4种预先设定的模式，外加一种个性化的设置，允许驾驶员根据个人的驾驶风格和道路类型选用。这套系统配置了3个电子控制单元。正常情况下，系统会打开离合器以断开机械连接。如果这3个部件全部失灵，离合器就会啮合，汽车便恢复老式的机械转向。

然而，新车上市不久，美国国家公路交通安全管理局提交的一份召回报告显示，线控转向技术还不够成熟。日产召回2014年生产的23款英菲尼迪Q50豪华轿车。经过研究分析，发现问题出在线控主动转向系统控制单元程序有偏差，当发动机在电瓶处于低电压状态下启动时，控制单元有可能对方向盘角度作出误判，导致方向盘和车轮的转动角度存在差异。即使方向盘转到中立位置，车轮也可能不会返回到直行位置，不能按驾驶员的意图起步前行或转向。如果发动机舱内温度降至冰点以下，这种线控转向系统可能会失灵，故障还可能延迟机械连接备用系统的及时响应。不管是人机共驾的时代还是自动驾驶时代，转向失灵都会造成灾难性后果。

在采用线控技术的车辆中，方向盘和轮胎之间没有物理连接。事实上，线控系统在技术上根本不需要使用方向盘。当方向盘被使用时，一些类型的转向感觉模拟器通常被用来向驾驶员提供反馈。既然线控转向那么聪明，也是自动驾驶所必需的技术，那么为什么搭载线控转向的量产车还屈指可数？

一方面尽管航空标准远高于汽车，可飞机的行驶环境相对稳定，没有像地面那么多“硬碰硬”的震动，实际上可靠性方面的挑战没有汽车那么大。另一方面，电动助力转向对于目前的汽车来说已经完全够用了，出于安全考虑，采用线控驱动技术的速度在过去几年有所放缓。机械系统可能会失灵，也确实会失灵，但监管机构仍认为它们比电子系统更可靠。线控系统也比机械控制更昂贵，因为它们要复杂得多，所以线控转向技术一直在汽车界里不温不火。

Q50的失利让线控转向技术一时间在量产车中再无后继，但着眼于未来的供应商们并没有放弃相关技术的开发，博世、采埃孚和捷太格特是比较有代表性的几家。博世的方案和英菲尼迪的有所不同，其完全取消传统中间轴链接，实现上转向与下转向的非机械连接，将其结构分为上转向执行机构、下转向执行机构及主控制机，电控方面采用非耦合方式。博世在安全冗余方面，对整车电源、通讯、信号、转向系统的电机、处理器都采取了全冗余的系统方案。这相当于有两套系统实时并联工作，当其中一套失效时，另一套继续保证转向指令被执行。虽然博世称可以通过算法模拟驾驶手感，但在没有物理硬连接的情况下，线控转向还是很难还原真实的路感，总有一种开模拟器的感觉，这也是追求驾驶乐趣的消费者一直所担忧的问题。

目前线控转向主要采用电控系统备份冗余式，取消传统方向盘与转向机之间的机械部分，在方向盘处布置多个传感器以实现输入信号的冗余度，转向机构采用多个电机+ECU系统来实现控制冗余度。利用电控系统备份冗余的挑战在于方向盘和轮胎之间没有了机械连接，转多少完全由ECU电子控制单元说了算，相当于制造两套重复的转向机构，导致额外增加成本和重量，同时对于电子设备的可靠性有非常高的要求。另外存在的一些问题是，电子部件能不能达到像机械部件那样的可靠度？在电子部件出现故障时，如何保证系统依旧能实现基本的转向功能？没有机械链接结构，手感模拟器怎么提供给驾驶员合适的路感？怎么通过软件（算法）来实现方向盘圈数、敏感度？

丰田bZ4X的技术底蕴

丰田首次在bZ4X上取消了方向盘与转向轮之间的机械连接，完全由电能实现转向，摆脱了传统转向系统的各种限制。线控转向系统能够自由设计汽车转向的力传递特性和角传递特性，给汽车转向特性的设计带来无限的空间，是汽车转向系统的重大革新。在线控转向系统上，丰田又一次展示了其完善且成熟成套技术。作为全新的下一代汽车转向技术，线控转向是未来汽车实现自动驾驶重要的一部分。

与竞争对手相比，丰田的线控转向系统具备两大竞争优势：
首先，去除了转向柱等机械连接，完全避免了撞车事故中转向柱对驾驶员的伤害，提高汽车安全性能。智能化的ECU根据汽车的行驶状态判断驾驶员的操作是否合理，并做出相应的调整。当汽车处于极限工况时，能够自动对汽车进行稳定控制。方向盘转动角度设定为±150°，而轮胎转向角则由车速决定。车速较低时，车辆更需要灵活性，需要较大的转向比，因此轮胎最大转向角会达到最大值。而在高速行驶时，车辆更加需要稳定性，需要更小的转向比，轮胎最大转向角就会偏小。

无论是大转向比还是小转向比，在线性转向系统的加持下，都能够用同一个方向盘转角范围解决。这样就可以让双手在转向的时候，无论怎样都不需要离开3~9点位置，在任何时候都能享受到类似F1赛车的驾驶感受。无需换手打轮即可完成转向操作，极大减轻了驾驶员在掉头、入库、弯道行驶等时的操作负担，而且控制更加轻便精准。

其次，给予驾驶者更足的信心。汽车线控转向系统工作时，用传感器检测驾驶员的转向数据，然后通过数据总线将信号传递给车上的ECU，并从转向控制系统获得反馈命令；转向控制系统也从转向操纵机构获得驾驶员的转向指令，并从转向系统获得车轮情况，从而指挥整个转向系统的运动。转向系统控制车轮转到需要的角度，并将车轮的转角和转动转矩反馈到系统的其余部分，比如反馈到转向操纵机构，能使驾驶员获得路感，这种路感的大小可以根据不同的情况由转向控制系统控制。

机械时代的路感调校好后是不可变的，但线控转向由于方向盘和转向车轮之间无机械连接，驾驶员能够从信号中提取出最能够反应汽车实际行驶状态和不同路面状况的信息，模拟生成出真实的路感。驾驶过程是人-车-路相互作用的过程，是一个闭环的系统，驾驶员需要获得从汽车和道路上反馈来的信息，进而对驾驶操作进行修正，保证汽车安全高效运行。

未来，线控技术在汽车领域能否有更多落地的应用，是否会带领汽车行业走向下一个颠覆性的变革洪流之中，相信时间会给我们答案。

(编译自global.toyota  Apr.12,2022）

编译：李忠东

来源：荣格-《国际汽车设计及制造》

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