【清流閑話·新能源車】汽車轉(zhuǎn)向發(fā)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(zhuǎn)向系統(tǒng)。

　　轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：

　　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(fā)布會視頻)

　　舉個例子。比亞迪在今年發(fā)布了高端品牌——仰望，旗下U8車型在發(fā)布會開場像螃蟹一樣地橫向移動到舞臺中央，并原地旋轉(zhuǎn)一圈，這個炸裂的表現(xiàn)引發(fā)了大量關(guān)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(zhuǎn)向系統(tǒng)來掉頭，其實U8的表現(xiàn)是巧妙地使用了一種特殊的輪胎來實現(xiàn)，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(lǐng)域量產(chǎn)。

　　比亞迪U8原地掉頭

　　(來源：仰望發(fā)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(zhuǎn)向系統(tǒng)來操作。

　　汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就是可以按照駕駛員的意愿控制汽車行駛方向的執(zhí)行系統(tǒng)。如果把整臺車看作人的身體，那轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就是汽車的腰腹核心，它的好壞直接決定了你駕駛?cè)粘５氖孢m度和在做復雜運動時的表現(xiàn)。比如《頭文字D》里有這么經(jīng)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(guān)鍵就是精準的轉(zhuǎn)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(xiàn)代轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的示意圖大致如下，如果被各種詞匯和結(jié)構(gòu)弄得暈頭轉(zhuǎn)向也沒關(guān)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(zhuǎn)動爸爸的頭(圖上的方向盤)，他的脖子(轉(zhuǎn)矩傳感器)感受到你的力量發(fā)送到他的大腦(ECU)，知道你要左拐去游樂場，大腦發(fā)送信號給腰腹肌肉(電動機)扭胯(轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向示意圖

　　(來源：ATC汽車底盤)

　　不過上圖的這套系統(tǒng)也經(jīng)歷了超過百年的歷程，包含數(shù)次迭代和更新才變成這樣。到了新能源車時代，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)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(fā)展核心的脈絡(luò)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(zhuǎn)向系統(tǒng)，開車最為費勁，轉(zhuǎn)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(tǒng)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(zhuǎn)向系統(tǒng) HPS(Hydraulic Power Steering)，這個時候轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)，簡稱電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng) EPS(Electrical Power Steering)，此時轉(zhuǎn)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(xiàn)了后輪轉(zhuǎn)向來輔助讓大車的轉(zhuǎn)向更簡單;

　　新能源車時代，電氣化、智能化技術(shù)快速進步，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在進一步實現(xiàn)冗余的基礎(chǔ)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(zhuǎn)向SbW(Steering by Wire)發(fā)展。從發(fā)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(xiàn)實。

　　轉(zhuǎn)向的市場格局

　　(數(shù)據(jù)來源：佐思汽研)

　　機械時代：

　　邁巴赫與奔馳奠定發(fā)家基礎(chǔ)

　　轉(zhuǎn)向系統(tǒng)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(fā)出第一臺汽車，其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也沿用了傳統(tǒng)馬車的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，但它的問題是車輪與轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)之間的機械連接特別長，導致駕駛者轉(zhuǎn)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(shù)為0.3，假設(shè)齒輪傳動比5比1，大致推算轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chuàng)始人，通過一種特殊的機械設(shè)計降低了轉(zhuǎn)向力，這個設(shè)計被奔馳在1893年首次應(yīng)用在量產(chǎn)的維多利亞車型上進行推廣。雖然這種設(shè)計改善了轉(zhuǎn)向能力，但是仍需要使用蠻力轉(zhuǎn)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?cè)匀皇且驗楸哿Σ粔颉?/p>

　　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(zhuǎn)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(xiàn)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(xiàn)代轉(zhuǎn)向的設(shè)計理念是駕駛員施加在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向

　　(來源：網(wǎng)絡(luò))

　　轉(zhuǎn)向助力隨之應(yīng)運而生。克萊斯勒是第一個采用助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車企，這套助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是基于1926年Francis·W.Davis的發(fā)明專利開發(fā)的，但卻首次應(yīng)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(chuàng)意設(shè)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(zhuǎn)向傳動是一套液壓-機械活塞的反饋控制，簡單來說就是轉(zhuǎn)動方向盤，一方面會轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向器上形成助力，這樣駕駛者就可以節(jié)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(zhuǎn)向系統(tǒng)，所有人對這套系統(tǒng)表現(xiàn)的性能都很興奮，它不僅僅提供了助力，而且實際裝車后發(fā)現(xiàn)操控感很強，并且轉(zhuǎn)向時不會出現(xiàn)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(zhuǎn)向的出現(xiàn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)的上車之路十分坎坷。在經(jīng)歷了漫長的開發(fā)-測試-驗證后，1933年，這套系統(tǒng)準備首次量產(chǎn)應(yīng)用在通用汽車的凱迪拉克品牌上。但由于碰到美國經(jīng)濟大蕭條，通用汽車產(chǎn)量縮減到15000臺/年，而應(yīng)用液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)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(zhuǎn)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(chǎn)品，并通過更好的價格與更優(yōu)的工程化贏得此單。

　　Gemmer公司憑借價格和服務(wù)快速商業(yè)化

　　(來源：USA Auto Industry in World War II)

　　這是助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)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(yè)領(lǐng)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(chǎn)銷售，這又打開了另外一個潘多拉的盒子。

　　到這里，HPS已經(jīng)開始讓轉(zhuǎn)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(fā)展，車輛變得越來越大、越來越重;

　　二、因為低速的摩擦系數(shù)高，汽車在低速轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，在側(cè)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(xiàn)使用電機來進行助力的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研發(fā)。

　　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(zhuǎn)向系統(tǒng)EHPS(Electrical Hydraulic Power Steering)應(yīng)運而生，但很快由于可靠性和成本的原因“曇花一現(xiàn)式”地淡出了歷史舞臺。

　　1988年，電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS首次應(yīng)用在日本鈴木Suzuki Servo緊湊車型上，這個車型的整體質(zhì)量輕，其電動轉(zhuǎn)向的電機功率只有240W，但整體的技術(shù)棧已經(jīng)完備：駕駛者輸入至方向盤的力矩被力矩傳感器監(jiān)測到，然后控制器計算出需要輸入的助力并驅(qū)動電機，電機動力傳遞至轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這跟我們前面提到的“轉(zhuǎn)爸爸頭”的自然模型已經(jīng)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(jù)駕駛條件調(diào)校轉(zhuǎn)向手感。

　　這個技術(shù)框架延續(xù)到了現(xiàn)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(zhuǎn)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(xiàn)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(xiàn)代汽車的標配，轉(zhuǎn)向力可以被輕易控制到很低，到這個時候幾乎已經(jīng)沒有人再討論乘用車需要的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)，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(fā)出使命召喚了，于是，后輪轉(zhuǎn)向出現(xiàn)了。

　　王謝堂前燕，飛入新能源：后輪轉(zhuǎn)向

　　現(xiàn)代乘用車轉(zhuǎn)向通常都布置在前輪，大家對后輪轉(zhuǎn)向相對陌生，當下由于新能源汽車的滲透提升，后輪轉(zhuǎn)向也開始從幕后走向前臺。它作為前輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向，而小鵬X9在宣傳時就號稱是“全球唯一標配后輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向。

　　小鵬X9全系標配后輪轉(zhuǎn)向

　　(來源：小鵬汽車)

　　為什么電動車會越來越多采用后輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彎半徑，而后輪轉(zhuǎn)向技術(shù)能夠有效提高靈活性;另一方面后輪轉(zhuǎn)向技術(shù)是基于電氣操作，在純電平臺上更容易實現(xiàn)。

　　后輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彎的時候，前輪隨著方向盤轉(zhuǎn)動，后輪則會自動朝著相反的方向調(diào)整微小的幾度，最終帶來的結(jié)果是車輛快速朝著目標方向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)彎半徑大幅減少。

　　幾個主流車型后輪轉(zhuǎn)向的角度

　　(來源：網(wǎng)絡(luò))

　　比如大眾途銳(C級大型SUV，與Q7/X5同級別，車長4878mm)，在后輪轉(zhuǎn)向介入之后，車輛的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向確實駕駛的難度會提高。后輪轉(zhuǎn)向的普及也符合轉(zhuǎn)向系統(tǒng)降低駕駛的門檻，讓車變得更符合“大眾”的發(fā)展脈絡(luò)。

　　主動控制時代：

　　充滿高級感的線控轉(zhuǎn)向與分布式驅(qū)動

　　隨著新能源車的發(fā)展和滲透，同時進一步朝著自動駕駛邁進，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)準備進入”主動控制“時代了。線控轉(zhuǎn)向SbW被認為是未來的理想方案。SbW是全動力轉(zhuǎn)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?qū)崿F(xiàn)對車輛轉(zhuǎn)向的全面控制，是實現(xiàn)自動駕駛必不可少的執(zhí)行器件，是特斯拉無方向盤座艙方案的基礎(chǔ)，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(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中方向盤與轉(zhuǎn)向執(zhí)行器間的機械連接，要由兩個電機、控制器及相關(guān)傳感器等部分組成，和EPS系統(tǒng)的直觀差異為取消了方向盤與齒輪齒條轉(zhuǎn)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(chǎn)了線控轉(zhuǎn)向，但他采用了雙系統(tǒng)，仍然保留了機械結(jié)構(gòu)做冗余備份。但他在市場也沒有完成很好的示范表現(xiàn)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(fā)生了召回。

　　豐田的bZ4X在2022年也搭載了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，方向盤在只有正負150度的轉(zhuǎn)向幅度下，車輛能夠完成包括左右轉(zhuǎn)、掉頭、入庫、繞樁、麋鹿測試在內(nèi)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(nèi)當前絕大部分線控轉(zhuǎn)向產(chǎn)品仍處于研發(fā)或小批量應(yīng)用階段，為高階自動駕駛汽車的落地做技術(shù)儲備。

　　政策端也在逐步開放，2022年1月1日，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)新國標正式實施，取代已經(jīng)執(zhí)行超過20年的GB 17675-1999。新國標的重要變化將解除以往對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方向盤和車輪物理解耦的限制，意味著線控轉(zhuǎn)向可以逐步落地。但目前由于法規(guī)細則以及測試標準等細節(jié)還沒明確，估計離量產(chǎn)落地還有3-5年。在過渡期內(nèi)要滿足L2+、L3級別輔助駕駛的要求，即電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS在發(fā)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(tǒng)的關(guān)鍵性零部件。

　　分布式驅(qū)動

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

　　比亞迪U8原地掉頭測試示意圖

　　(來源：比亞迪官網(wǎng))

　　它通過四個獨立驅(qū)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(tài)，不過U8依然需要R-EPS來執(zhí)行日常的非180度掉頭的轉(zhuǎn)向場景，當然分布式驅(qū)動的方案并不是比亞迪的專屬，Rivian和奔馳EQG也都發(fā)布過類似的功能。

　　附贈：老司機裝x指南

　　轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是駕駛員與車輛之間最直接的交流。我們都有這樣的經(jīng)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(zhuǎn)向，而銷售或者你朋友會回懟一句——這車轉(zhuǎn)向手感很棒啊!這個分歧是沒法調(diào)和的，因為每個人對轉(zhuǎn)向都有自己的主觀感受，主機廠驗收汽車轉(zhuǎn)向的時候，主觀評價也是非常重要的一個環(huán)節(jié)，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(zhuǎn)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(qū)

　　中心區(qū)的定義為：方向盤轉(zhuǎn)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(cè)向加速度0.1-0.2g 。我們?nèi)粘５某菂^(qū)駕駛95%的情況方向盤都是處于中心區(qū)，如果方向盤在中心區(qū)域能自己保持一個穩(wěn)定的狀態(tài)，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(qū)，理想狀態(tài)是隨著車速增加死區(qū)應(yīng)減少;

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

　　中心區(qū)指標：力矩和橫擺死區(qū)

　　(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(zhuǎn)向過了中心區(qū)，方向盤先變重，然后車輛才出現(xiàn)橫擺，如果反了，那這個車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一定不是一個優(yōu)秀的設(shè)計。

　　非中心區(qū)

　　方向盤轉(zhuǎn)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(fā)情況避障等極限工況，側(cè)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(zhuǎn)動，體現(xiàn)在方向盤上的力矩是否線性增加。

　　非中心區(qū)示意

　　(來源：網(wǎng)絡(luò))

　　停車

　　停車場景是車速低，方向盤輸入大。此階段評價的內(nèi)容主要集中在低速大轉(zhuǎn)角的范圍之內(nèi)。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(guān)注并不多，主要關(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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!