【清流閑話·新能源車】汽車轉向發展史之如何讓車像螃蟹一樣行走

　　刷短視頻刷到生理不適、且對新能源和車圈有興趣、愿意靜下來讀一點長文章的人。

　　本文適合如下閱讀場景：

　　1、午飯后，來杯咖啡;

　　或者：

　　2、晚飯后，泡杯茶邊喝邊看。

　　所以叫，閑話。

　　這一回，我們聊聊車圈Top玄學：轉向系統。

　　轉向系統：

　　司機和車的最親切直接交流

　　沒人不愛車，不分男女。

　　沒人不愛酷炫炸裂的車外觀，和易于操控的絲滑感，不分男女。

　　比亞迪仰望U8橫向移動

　　(來源：仰望發布會視頻)

　　舉個例子。比亞迪在今年發布了高端品牌——仰望，旗下U8車型在發布會開場像螃蟹一樣地橫向移動到舞臺中央，并原地旋轉一圈，這個炸裂的表現引發了大量關注和討論，這個開場也讓比亞迪品牌朝著“酷炫高端大氣”踏上堅實的一步，在眾多人心目中也變成既好又好的首選。但是，不同于絕大部分汽車使用轉向系統來掉頭，其實U8的表現是巧妙地使用了一種特殊的輪胎來實現，但這種輪胎因為無法高速使用，并且磨損極大而無法在乘用車領域量產。

　　比亞迪U8原地掉頭

　　(來源：仰望發布會視頻)

　　汽車像螃蟹一樣走路，炫酷，可以，但沒必要。實際情況還得靠我們方向盤+轉向系統來操作。

　　汽車轉向系統就是可以按照駕駛員的意愿控制汽車行駛方向的執行系統。如果把整臺車看作人的身體，那轉向系統就是汽車的腰腹核心，它的好壞直接決定了你駕駛日常的舒適度和在做復雜運動時的表現。比如《頭文字D》里有這么經典的一幕：藤原拓海利用排水渠過彎技驚四座，除了要用極高的速度入彎，另一個關鍵就是精準的轉向，差一點就會車毀人亡。

　　AE86排水渠過彎超車

　　(來源：頭文字D電影)

　　一個現代轉向系統的示意圖大致如下，如果被各種詞匯和結構弄得暈頭轉向也沒關系，你可以想象一下，你小時候是不是喜歡騎到爸爸脖子上，當你轉動爸爸的頭(圖上的方向盤)，他的脖子(轉矩傳感器)感受到你的力量發送到他的大腦(ECU)，知道你要左拐去游樂場，大腦發送信號給腰腹肌肉(電動機)扭胯(轉向器)帶動雙腿(輪胎)進行左拐，行云流水地完成這套動作。

　　汽車轉向示意圖

　　(來源：ATC汽車底盤)

　　不過上圖的這套系統也經歷了超過百年的歷程，包含數次迭代和更新才變成這樣。到了新能源車時代，轉向系統正朝著更智能、更電氣化的方向飛速狂奔。但不管它怎么變，其發展核心的脈絡就是讓車變得更“大眾”，讓人開車更輕松，最好人人都能彎道超車、排水溝過彎。我們可以把它的歷史大致分為以下幾段：

　　19世紀末到20世紀初，純機械的轉向系統，開車最為費勁，轉向全靠臂力硬掰，司機必須是“大力水手”;

　　20世紀50年代，在機械系統之外額外加上了通過液體壓力來提供助力的裝置，簡稱液壓助力轉向系統 HPS(Hydraulic Power Steering)，這個時候轉向主要還是靠臂力，助力只是輔助;

　　20世紀90年代至今，進化出使用電機來提供助力的轉向系統，簡稱電子轉向系統 EPS(Electrical Power Steering)，此時轉向力主要由電機提供，人力主要提供意圖，人人可以開車。同時，還出現了后輪轉向來輔助讓大車的轉向更簡單;

　　新能源車時代，電氣化、智能化技術快速進步，轉向系統在進一步實現冗余的基礎上，慢慢具備主動控制，并逐步替換掉剩余的機械連接，往純線控轉向SbW(Steering by Wire)發展。從發動機向電機的變化讓輪邊電機的方案成為可能，這種方式也讓汽車原地掉頭變成現實。

　　轉向的市場格局

　　(數據來源：佐思汽研)

　　機械時代：

　　邁巴赫與奔馳奠定發家基礎

　　轉向系統是司機和車的最直接交流，但是在汽車問世之初，這種交流既不親切、也不友好，甚至可以說是蠻力相向、需要“大打出手”。

　　1886年，戴姆勒基于馬車開發出第一臺汽車，其轉向系統也沿用了傳統馬車的轉向結構，但它的問題是車輪與轉向傳動機構之間的機械連接特別長，導致駕駛者轉向時非常費力且難以控制。以下圖為例：兩個成年男性150kg，當時的汽車250kg，橡膠輪胎的動摩擦因數為0.3，假設齒輪傳動比5比1，大致推算轉向力需要24kg，所以當時的駕駛員基本都是成年男性，而且這車操作困難容易翻車，開車也很容易受傷。

　　第一臺汽車與轉向

　　(來源：Steering Handbook)

　　為了解決這個問題，1889年，威廉·邁巴赫，也就是我們熟知的邁巴赫汽車的創始人，通過一種特殊的機械設計降低了轉向力，這個設計被奔馳在1893年首次應用在量產的維多利亞車型上進行推廣。雖然這種設計改善了轉向能力，但是仍需要使用蠻力轉向，每次開車都等于在健身房做力量訓練。在這個階段女性和大部分男性無法駕駛仍然是因為臂力不夠。

　　助力時代：

　　一切都是為了讓開車不那么物理費力

　　在20世紀40年代，乘用車在干燥水泥路上需要的方向盤轉向力仍達8公斤之大，這無疑進一步提高了駕駛的門檻。它大致等同于現在去開一個老式的大貨車，以前的貨車司機可都是彪形大漢。而現代轉向的設計理念是駕駛員施加在轉向盤上的作用力不超過3公斤，即一個普通的成年女性也可以輕松駕駛。

　　老式大貨車的方向盤與轉向

　　(來源：網絡)

　　轉向助力隨之應運而生。克萊斯勒是第一個采用助力轉向系統的車企，這套助力轉向系統是基于1926年Francis·W.Davis的發明專利開發的，但卻首次應用在1951年的克萊斯勒的New Yorker車型上，前后相隔25年之久——是的你沒看錯，這么一個創意設計落地人類花了25年。而在這么長的時間里，人類都在用“大力水手”的模式開車。

　　Davis的轉向傳動是一套液壓-機械活塞的反饋控制，簡單來說就是轉動方向盤，一方面會轉動里面的機械裝置，另一方面還會擠壓一個密閉活塞里的液體，液體被擠壓后壓力增大，然后把壓力輸出到轉向器上形成助力，這樣駕駛者就可以節省很多力氣來控制方向盤了。

　　1926年10月，Davis向美國通用汽車、克萊斯勒汽車及配件商Gemmer等廠商展示了液壓助力轉向系統，所有人對這套系統表現的性能都很興奮，它不僅僅提供了助力，而且實際裝車后發現操控感很強，并且轉向時不會出現機械式的搖擺或晃動問題，這也進一步降低了操作難度。在各家哄搶之下，最終，當時的美國汽車巨頭通用獲得了與Davis合作的機會。

　　液壓助力轉向的出現是一個重大里程碑

　　(來源：USA Auto Industry in World War II)

　　但這套機械液壓助力轉向系統的上車之路十分坎坷。在經歷了漫長的開發-測試-驗證后，1933年，這套系統準備首次量產應用在通用汽車的凱迪拉克品牌上。但由于碰到美國經濟大蕭條，通用汽車產量縮減到15000臺/年，而應用液壓助力轉向系統又會增加額外不少成本，所以通用擱置了這個項目。這一擱置就是20多年，直到1951年，克萊斯勒再次將液壓助力轉向的車型推向市場，但由于此時Davis的專利保護期滿了，Gemmer公司也可以提供類似產品，并通過更好的價格與更優的工程化贏得此單。

　　Gemmer公司憑借價格和服務快速商業化

　　(來源：USA Auto Industry in World War II)

　　這是助力轉向系統零的突破，接下來的兩年里，HPS從零快速攀升到100萬套/年，到1956年，近1/4的美國銷售的車輛裝備HPS，其中Gemmer公司是行業領頭羊。

　　同時，Gemmer公司開始海外擴張，在1953年與德國采埃孚ZF合作，并開始在德國生產銷售，這又打開了另外一個潘多拉的盒子。

　　到這里，HPS已經開始讓轉向掙脫人力大小的束縛，解放了更多不健身的老司機和女性，但仍然存在問題：

　　一、隨著汽車的發展，車輛變得越來越大、越來越重;

　　二、因為低速的摩擦系數高，汽車在低速轉向時仍需要駕駛員對方向盤施加接近10公斤力才能使汽車轉動，在側方位停車等日常的低速駕駛中依然有大卡車的駕駛感。

　　市場在召喚。于是，大約1970年代開始出現使用電機來進行助力的轉向系統研發。

　　最開始很自然的想法是電機能提供更大的扭矩，那么直接在HPS上加一個電機就行了，電子液壓轉向系統EHPS(Electrical Hydraulic Power Steering)應運而生，但很快由于可靠性和成本的原因“曇花一現式”地淡出了歷史舞臺。

　　1988年，電子助力轉向系統EPS首次應用在日本鈴木Suzuki Servo緊湊車型上，這個車型的整體質量輕，其電動轉向的電機功率只有240W，但整體的技術棧已經完備：駕駛者輸入至方向盤的力矩被力矩傳感器監測到，然后控制器計算出需要輸入的助力并驅動電機，電機動力傳遞至轉向系統，這跟我們前面提到的“轉爸爸頭”的自然模型已經非常接近了。這項專利的另一個顯著特點是車輛的行駛速度也被考慮并輸入至控制單元，這使得可以依據駕駛條件調校轉向手感。

　　這個技術框架延續到了現代EPS，變化的是電機的功率、控制器的計算能力以及電機布置的位置，具體分為：電機助力直接作用在管柱上的C-EPS、電機助力直接作用在轉向齒輪P-EPS、電機助力直接作用在齒條上R-EPS。這三種不同類型的EPS都存在在現代的汽車里面，可以去找找你的愛車手冊，看看你車里的EPS是哪一種。

　　不同類型的EPS對比

　　(來源：清流資本研究)

　　EPS逐漸成為現代汽車的標配，轉向力可以被輕易控制到很低，到這個時候幾乎已經沒有人再討論乘用車需要的轉向力太大而讓人開車費勁了。但又迎來另一個問題，車越來越大，特別是電動車，中國用戶認為車是家的移動第二空間，普遍喜歡大車，所以轉向和掉頭需要的道路空間也非常大。但隨著城市里車越來越多，特別在一些老城區，道路十分擁擠，給的空間又不太夠，矛盾就變得很突出了。

　　市場又來發出使命召喚了，于是，后輪轉向出現了。

　　王謝堂前燕，飛入新能源：后輪轉向

　　現代乘用車轉向通常都布置在前輪，大家對后輪轉向相對陌生，當下由于新能源汽車的滲透提升，后輪轉向也開始從幕后走向前臺。它作為前輪轉向的補充，原多用于大型豪華轎車和SUV上，例如，寶馬5/7系、奧迪Q7/8都可以選裝后輪轉向，而小鵬X9在宣傳時就號稱是“全球唯一標配后輪轉向的MPV”，其實不止小鵬，新勢力里面問界M9、智己L7等都可以搭載后輪轉向。

　　小鵬X9全系標配后輪轉向

　　(來源：小鵬汽車)

　　為什么電動車會越來越多采用后輪轉向呢?一方面是純電平臺的電動車須把電池放在前后軸之間，普遍軸距較長，而軸距長會增加轉彎半徑，而后輪轉向技術能夠有效提高靈活性;另一方面后輪轉向技術是基于電氣操作，在純電平臺上更容易實現。

　　后輪轉向角度通常在2-5°之間，雖然不大，但可以“四兩撥千斤”：當我們需要車輛進行轉彎的時候，前輪隨著方向盤轉動，后輪則會自動朝著相反的方向調整微小的幾度，最終帶來的結果是車輛快速朝著目標方向轉動，轉彎半徑大幅減少。

　　幾個主流車型后輪轉向的角度

　　(來源：網絡)

　　比如大眾途銳(C級大型SUV，與Q7/X5同級別，車長4878mm)，在后輪轉向介入之后，車輛的轉彎半徑從6.09米減少到5.59米，接近大眾高爾夫6(A級車，車長4199mm)的5.45m。

　　這也是為什么小鵬X9選擇標配后輪轉向并且大力宣傳，畢竟對于一臺車長4891mm軸距接近3米的車來說，沒有后輪轉向確實駕駛的難度會提高。后輪轉向的普及也符合轉向系統降低駕駛的門檻，讓車變得更符合“大眾”的發展脈絡。

　　主動控制時代：

　　充滿高級感的線控轉向與分布式驅動

　　隨著新能源車的發展和滲透，同時進一步朝著自動駕駛邁進，轉向系統準備進入”主動控制“時代了。線控轉向SbW被認為是未來的理想方案。SbW是全動力轉向，不僅僅是提供額外的力量來減輕駕駛員的操作力量，更重要的是它能夠實現對車輛轉向的全面控制，是實現自動駕駛必不可少的執行器件，是特斯拉無方向盤座艙方案的基礎，是真正解放司機的終極方案。

　　特斯拉無方向盤座艙

　　(來源：特斯拉)

　　線控轉向系統取消了傳統轉向系統中方向盤與轉向執行器間的機械連接，要由兩個電機、控制器及相關傳感器等部分組成，和EPS系統的直觀差異為取消了方向盤與齒輪齒條轉向的機械連接，完全使用電信號進行控制：

　　EPS與SbW的對比

　　(來源：智電汽車)

　　國外主機廠和零部件廠商在SbW早有布局，日本走在前列：英菲尼迪在2014年的Q50就首次量產了線控轉向，但他采用了雙系統，仍然保留了機械結構做冗余備份。但他在市場也沒有完成很好的示范表現和推廣，一是因為整車變更重了，二是后來因為控制單元有可能對方向盤角度作出誤判的事故而發生了召回。

　　豐田的bZ4X在2022年也搭載了線控轉向系統，方向盤在只有正負150度的轉向幅度下，車輛能夠完成包括左右轉、掉頭、入庫、繞樁、麋鹿測試在內的各種復雜測試動作，甚至是空曠場地比較激烈的駕駛動作。國內當前絕大部分線控轉向產品仍處于研發或小批量應用階段，為高階自動駕駛汽車的落地做技術儲備。

　　政策端也在逐步開放，2022年1月1日，汽車轉向系統新國標正式實施，取代已經執行超過20年的GB 17675-1999。新國標的重要變化將解除以往對轉向系統方向盤和車輪物理解耦的限制，意味著線控轉向可以逐步落地。但目前由于法規細則以及測試標準等細節還沒明確，估計離量產落地還有3-5年。在過渡期內要滿足L2+、L3級別輔助駕駛的要求，即電動助力轉向系統EPS在發生單點失效的情況下，依然具備一定的助力能力，冗余EPS將成為這階段智能駕駛系統的關鍵性零部件。

　　分布式驅動

　　電機取代發動機后，電機可以分布式驅動未來也會對汽車的轉向能力產生影響。比如比亞迪仰望U8在后續使用普通輪胎也可以保留原地掉頭的功能：實現它的基礎是左右兩側車輪的反向轉動，通過在車輛左右兩側車輪施加方向相反的驅動力矩，輪胎會突破路面附著極限進行轉動，使車輛產生繞質心的轉動，進而實現車輛原地轉向動作。

　　比亞迪U8原地掉頭測試示意圖

　　(來源：比亞迪官網)

　　它通過四個獨立驅動的電機將動力直接在輪邊釋放，然后基于四電機矢量控制精準地控制車身姿態，不過U8依然需要R-EPS來執行日常的非180度掉頭的轉向場景，當然分布式驅動的方案并不是比亞迪的專屬，Rivian和奔馳EQG也都發布過類似的功能。

　　附贈：老司機裝x指南

　　轉向系統是駕駛員與車輛之間最直接的交流。我們都有這樣的經驗：在買車試車、或者去試開朋友新車之后，通常第一句話就是，我喜歡/不喜歡這車的轉向，而銷售或者你朋友會回懟一句——這車轉向手感很棒啊!這個分歧是沒法調和的，因為每個人對轉向都有自己的主觀感受，主機廠驗收汽車轉向的時候，主觀評價也是非常重要的一個環節，作為一篇(假裝)“嚴謹”的科普文章，我們從駕駛員的角度來”科(Zhuang)學(Bi)“地拆解一下如何評價一臺車的轉向。

　　按車速以及方向盤輸入角度來綜合分配，我們可以分為三類：

　　中心區

　　中心區的定義為：方向盤轉動正負3°，此時的工況為車速高、方向盤輸入小，直線行駛為主，側向加速度0.1-0.2g 。我們日常的城區駕駛95%的情況方向盤都是處于中心區，如果方向盤在中心區域能自己保持一個穩定的狀態，它將大大減輕了司機的精力，同時還能保持車輛在一條直線上。其最重要的兩個指標：

　　(1)Torque Deadband力矩死區，理想狀態是隨著車速增加死區應減少;

　　(2)Yaw Deadband橫擺死區，理想狀態是隨車速增加不要快速改變。

　　中心區指標：力矩和橫擺死區

　　(來源：IND4汽車人)

　　一個最基本原則就是：Torque Deadband小于Yaw Deadband，作為駕駛感受那就像“開在一個槽里”，當轉向過了中心區，方向盤先變重，然后車輛才出現橫擺，如果反了，那這個車輛轉向系統一定不是一個優秀的設計。

　　非中心區

　　方向盤轉動大于3°，車速有低有高，方向盤輸入大，場景包括高速彎道、突發情況避障等極限工況，側向加速大于0.3g。其最核心的指標是偏航率增(Yaw-Rate)，即隨著方向盤的大幅轉動，體現在方向盤上的力矩是否線性增加。

　　非中心區示意

　　(來源：網絡)

　　停車

　　停車場景是車速低，方向盤輸入大。此階段評價的內容主要集中在低速大轉角的范圍之內。所以基本上集中于方向盤本身的感受之上，對于車輛的Yaw的關注并不多，主要關注方向盤輸入的左右對稱性，回正的性能以及平滑性。

　　當然主機廠會有更多的指標和測試來綜合評價轉向，但大致的場景和分類就包含這三方面。希望當下次你跟朋友一起去試駕的時候，除了評價這車轉向手感不錯，還可以用如下形容詞說這車：開起來沒有“槽感”、偏航率增不夠線性、左右輸入不太對稱和絲滑......朋友一定會給你豎起大拇指，夸你是個老司機!