在深入探讨了汽车的制动系统后，我们现在将目光转向另一关键系统——转向系统。
- 转向系统的概念
传统的汽车转向系统，以方向盘为中心，通过一系列精密的传动机构，操控前轮的转动，从而实现对整车横摆角速度和横向位移的精准控制。这一系统涉及多个关键部件，包括方向盘、转向管柱、转向机（或称转向器）、转向扭矩传感器、方向盘转角传感器等。此外，在液压助力转向系统或电子液压助力转向系统中，还包括转向动力泵、转向储液罐、转向硬管和软管等部件。
与制动系统相比，转向系统的构成似乎更为简洁，这主要得益于其高集成度的设计。许多电子助力装置，例如电机，都已集成在转向管柱或转向机内部。当然，这种差异也与两个系统所负责的任务不同有关：转向系统主要操控两个前轮，而制动系统则需要同时管理四个轮子。
各部件之间的连接关系如图所示，其中方向盘转角传感器被精心安置在转向管柱顶端的方向盘内部，以确保对转向动作的实时监测与精准反馈。
几乎所有汽车都采用前轮转向，这背后有多种解释，包括避免事故、防止转向过度以及减少轮胎磨损等。然而，究其根本，原因其实很简单：在汽车刚被发明的时候，马车就已经采用了前轮转向，且这种设计一直延续至今。
至于马车为何选择前轮转向，有一种可能的解释是：前轮转向时，车辆的行驶方向与车轮转动方向保持一致，即车轮向右则车辆向右，向左则车辆向左。相比之下，后轮的转动方向与车辆整体行驶方向相反，这种设计在直观上显得不够直观，甚至可能让一些人感到困惑。因此，前轮转向成为了自然而然的选择。
当然，并非所有履带式车辆都采用前轮转向。例如，推土机和坦克等履带式车辆通常采用差速转向技术，即通过离合器和制动器控制两侧履带以不同速度或甚至相反方向运动，从而实现转向。然而，这种差速转向技术在汽车中并不常见。若要实现汽车差速转向，需对两侧车轮施加不同的纵向力，而这正是“跑偏”现象出现的原因之一。尽管目前汽车并未普遍采用这种方式进行常规转向（这确实有些不寻常），但对于自动驾驶技术而言，这种技术值得进一步探索和挖掘。我们将在后续内容中深入探讨这一技术。
2. 转向工作原理
当驾驶员转动方向盘时，转向系统开始工作。这个过程的能量传递路径如下：
- 驾驶员在方向盘上施加转动力矩和角度。
- 方向盘通过转向柱进行转动。
- 转向柱底部的齿轮齿条机构与转向机相连，将转向柱的转动转化为转向机齿条的横向直线运动。
- 发动机驱动转向助力泵，产生高压液体。
- 这些液压通过转向油管传递到液压助力转向机。
- 液压助力转向机内的双作用液压缸活塞受到液压推动，产生助力，进一步推动齿条进行横向直线运动。
- 转向机两端的转向横拉杆通过推动或拉动转向节来调整车轮方向。
- 车轮与地面间产生横向力，使车辆完成转向动作。
转向时遇到的阻力主要来源于车轮与地面的摩擦力，以及系统内部的摩擦力。早期的转向系统纯属机械结构，如90年代北京吉普的方向盘沉重，驾驶体验不佳，于是有了“助力转向”的改进。助力转向有多种类型，包括液压助力转向、电动液压助力转向、电动助力转向和线控转向等。这里，我们将详细介绍液压助力转向的工作原理。
液压助力转向系统的工作原理
液压助力转向系统是一种常见的助力转向技术。其工作原理可以概括为以下几点：
- 驾驶员在方向盘上施加转动力矩和角度，这一动作启动了转向系统。
- 转向柱将方向盘的转动传递到底部的齿轮齿条机构，该机构与转向机相连，将转动转化为齿条的横向直线运动。
- 发动机驱动转向助力泵，产生高压液压油。
- 这些液压油通过转向油管传递到液压助力转向机。
- 在液压助力转向机内，双作用液压缸活塞受到液压推动，产生助力，进一步推动齿条进行横向直线运动。
- 转向机两端的转向横拉杆通过推动或拉动转向节来调整车轮方向，实现车辆的转向。
液压助力转向系统通过液压油的推动，为驾驶员提供额外的助力，从而减轻转向时的力量需求，提高驾驶的舒适度和便捷性。
电动液压助力转向EHPS
随着液压转向系统的广泛使用，人们逐渐发现其存在一些问题，如发动机带动转向助力泵转动导致的额外油耗、低速时助力不足以及高速时助力过大。为了解决这些问题，电动液压助力转向EHPS应运而生。其工作原理如下：
- 当驾驶员在方向盘上施加转动力矩和角度时，这一动作会启动转向系统。
- 方向盘通过转向柱进行转动，而转向柱底部与转向机相连的齿轮齿条机构则将这种转动转化为齿条的横向直线运动。
- 转向扭矩传感器会实时检测驾驶员施加在方向盘上的扭矩。
- ECU（电子控制单元）会根据传感器检测到的扭矩以及车速等信息，智能计算并控制电动机的转动，从而带动转向助力泵产生高压液压油。
- 这些液压油经过转向油管被输送到液压助力转向机。
- 在液压助力转向机内部，双作用液压缸的活塞受到液压推动，产生助力，进一步推动齿条进行横向直线运动。
- 最终，转向机两端的转向横拉杆通过推动或拉动转向节来调整车轮方向，实现车辆的灵活转向。
EHPS系统通过电动机的智能控制，有效地解决了传统液压转向系统在油耗、助力控制等方面的不足，提高了驾驶的舒适度和操控性能。
电动液压助力转向系统（请注意右侧的大型组件，包括储液罐、电机、泵和控制器）与电动助力转向EPS相比，虽然在一定程度上降低了整车油耗并改善了某些工况下的助力表现，但因其结构和技术复杂性（涉及电子和液压双重系统），很快便被更简洁的EPS方案所取代。如今，EPS已成为乘用车转向助力的主流选择。通常，“电控”或“线控”转向的概念可粗略理解为至少包含EPS系统。EPS系统根据助力介入的时机和方式，主要分为以下三类：
- C-EPS（Column-EPS）：主要对转向柱的转矩进行助力。
- P-EPS（Pinion-EPS）：助力转向柱底端的齿轮齿条机构中的齿轮。
- R-EPS（Rack-EPS）：在转向机上对齿条的直线运动进行助力。其中，R-EPS又可根据传动方式的不同，进一步细分为R-EPS、DP-EPS（双小齿轮EPS）和BD-EPS（带传动EPS）。
电动助力转向的类型
电动助力转向（EPS）是现代乘用车转向系统中的主流技术。根据助力介入的时机和方式，EPS系统主要可分为三类：C-EPS、P-EPS和R-EPS。C-EPS主要对转向柱的转矩进行助力，而P-EPS则作用于转向柱底端的齿轮齿条机构中的齿轮。R-EPS则是在转向机上对齿条的直线运动进行助力，这一类型又可根据传动方式的不同，进一步细分为R-EPS、DP-EPS（双小齿轮EPS）和BD-EPS（带传动EPS）。
C-EPS的特点在于其助力电机被安装在转向管柱的上端。这一设计使得C-EPS能够直接对转向柱的转矩进行助力，进而提升驾驶的便捷性和舒适度。
P-EPS的助力电机则被设计安装在转向管柱的下端。这种布局使得P-EPS能够对转向管柱的转向力进行助力，从而在驾驶过程中提供更为流畅和稳定的操控体验。
R-EPS的助力电机被精心安置在转向机上，紧邻助力端齿条，这样的布局使得R-EPS在驾驶过程中能够更加高效地提供助力，确保操控的精准与稳定。接下来，让我们一起探寻R-EPS的内部构造。
对于自动驾驶而言，不同类型的EPS在最大出力和控制效果上确实存在一些差异，但选择哪种EPS并不需要直接“指定”，而是需要根据所开发的功能提前进行计算，并将需求提供给EPS系统。
EPS的工作原理如下：
- 驾驶员通过方向盘施加转动力矩和角度。
- 方向盘的转动带动转向柱一起转动。
- 转向柱通过与转向机相连的齿轮齿条机构，将转动转化为转向机齿条的横向直线运动。
- 转向扭矩传感器检测到方向盘扭矩的输入。
- ECU根据驾驶员输入的扭矩、方向盘转角以及车速等信息，计算并控制电动机产生扭矩，从而对转向管/齿轮/齿条的运动进行助力。
- 转向机两端的转向横拉杆通过推动或拉动转向节，来改变车轮的方向。
- 车轮与地面间产生横向力，实现车辆的转向。
值得注意的是，EPS系统已经摒弃了液压零件，完全转变为一个纯电控机械系统。此外，还有线控转向技术，它不同于传统的机械连接方式。在线控转向系统中，驾驶员的方向盘输入力矩并不直接作为动力源来转动车轮或触发助力。相反，它通过监控驾驶员输入的方向盘转角和角速度，利用驱动电机直接控制车轮的转动。这种方式消除了方向盘和车轮之间的机械刚性连接。
在EPS系统中，离合器仅在故障时接合，使驾驶员能够通过方向盘直接操控车轮转动。而Force Actuator的作用在于模拟转向时的阻力，为驾驶员提供更为真实的手感体验。至于Steering Angle Actuator，它实际上就是先前所提到的电机与助力传动机构的结合体，负责控制车轮的转向动作。
当驾驶自动化系统发出转向请求时，该请求通常以方向盘转向角或扭矩的形式呈现。EPS会根据这些具体数值，精确计算应施加的电机扭矩，以确保达到预期的车轮转向角度。需明确的是，车轮的转向角度是直接决定车辆行驶路径的关键因素，而扭矩则仅仅是实现这一转动角度的手段，并非最终目的。
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