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主動式轉向系統 如何運作?

設計精密的行星齒輪組是BMW主動式轉向系統的核心,這套系統可根據車速高低來增加或減少轉向齒比,以使車輛更易駕馭。

當主動式轉向系統於三年多前首度應用在BMW大5系列車款上時,可說是駕駛輔助功能的決定性進步,因為它可根據車速快慢,有效地輔佐駕駛調整車輛的轉向齒比。當車輛於低速行駛時,駕駛只需小幅轉動方向盤即可得到大幅度的轉向;而在高速之下,即便方向盤實際轉向幅度過大,系統也會限制車輛的轉向齒比,帶來更佳的方向穩定性。主動式轉向系統也可避免因道路表面不平坦而引起的車身偏轉,以減少意外的發生。尤有甚者,當駕駛於低速停車時,此系統也可提供較大的輔助力道,主動增加轉向幅度,使停車更加方便輕鬆。

當駕駛的轉向指令傳達到前輪時,傳統的齒棒與小齒條只能回饋固定的轉向齒比,這是因為轉向系統的衝突性迫使工程師必須在設計上有所妥協。若選擇直接的轉向反應,駕駛雖然可在蜿蜒山徑盡情享受操控快感,但直駛於高速路段時,容易因轉向過度而影響車輛的穩定性;相反地,若採取較間接的轉向回饋,雖可使高速行車的穩定性增加,然而當駕駛停車或過彎時,操控車輛將費力許多。
工程師們努力研發數十年便是為了解決以上的衝突。史考特回溯至1990年代中期,他說:「當時大家都致力於線傳轉向系統的開發,但是這個系統在機械或電子配備上所需的成本太高,無法真正應用。」目前,仍無車廠可將線傳轉向系統配備於量產車上,理由有二:一是相關立法機關對線傳轉向系統的規範非常嚴厲,不過最主要障礙還是在於電子系統必須確實地傳達轉向回饋予駕駛。史考特也承認說:「BMW一向以精準敏銳的轉向著稱,但若必須藉由線傳轉向系統達到BMW嚴格的標準,以目前的技術來說實在不太可能!」

然而,BMW的工程師們已經成功地藉由行星齒輪雙組創造可變式的轉向齒比—主動式轉向系統(Active Steering system),它具備線傳轉向系統的優點,成為方向盤與前輪的重要連結。此外,主動式轉向系統一旦故障,僅是恢復傳統的固定轉向比例;但是駕駛卻可由搭載主動式轉向系統的車輛得到路面的絕佳回饋感,以及出色的操控快感。

藉由行星齒輪雙組的運作,使「干擾」駕駛傳送出的轉向指令變成可能之事。在行星齒輪組內的兩組齒輪中,位於上方的一組負責連接轉向機柱,而下方的齒輪則與環型齒輪嚙合,進而控制前輪的轉向,也負責增加齒輪的旋轉運動;而這兩組齒輪與環型齒輪嚙合時,同時也帶動第三個行星齒輪元件,形成整個齒輪作動。在齒輪組合中,中間部分是兩個齒輪,上齒輪連結方向盤,而下方的齒輪則將指令傳達給轉向齒條。在前述齒輪的外側則是行星齒輪,負責連結上下方齒輪的作動,而環型齒輪則讓整個系統的運轉無礙。此系統的設計雖然可如傳統裝置一般精確地傳達轉向指令,卻無法提供更具可變性的操控性能。

因此,BMW的研發團隊發展一套簡易卻聰明的設計增加系統的可變性。環型齒輪除了內側具齒牙之外,其外側也設置齒牙;而其外側齒牙與蝸輪齒牙齧合以接收蝸輪傳動的額外旋轉動能,而這個動能來自一具高轉速的步進馬達。因而環型齒輪可傳送額外的旋轉動能給低位的行星齒輪,進而連結車輪轉向系統的轉向齒條。所以,系統可根據步進馬達的轉向作動,依駕駛狀況提供更多或更少的轉向齒比。

由於這些額外的功能,使得BMW工程師研發出這套更能符合駕駛需求的轉向系統,此系統可在低速行車或停車時提供最大的轉向齒比、奔馳於蜿蜒山路時展現優異的操控性能、以及在高速駕駛時確保極佳的穩定性。因此,相較於傳統的轉向設計,主動式轉向系統帶給駕駛更高的安全性及更靈敏的操控反應。

現於搭載六缸引擎的全新BMW 3系列、全新3系列Touring與全新BMW 130i也可選配的主動式轉向系統,除了使車輛操控性更加卓越之外,也在其他方面輔助駕駛。工程師們將系統設計得更為智慧,並結合動態穩定控制系統(DSC),使車輛的安全性更加提升。例如,當車尾的動態不穩而將失控時,主動式轉向系統可藉由動態穩定控制系統的感知器測得的資訊,立刻辨認這個訊息並主動反向修正轉向作動,減緩車身偏轉的傾向,及時提供妥善且有效的輔助。如此便不需要動態穩定控制系統介入,以降低引擎動力輸出或鎖定打滑車輪。當然,若主動式轉向系統無法及時解除車輛失控之危機,此時動態穩定控制系統便會主動發揮功能以維持車輛的穩定性。

主動式轉向系統的另一功能是增進煞車的安全性,一般來說,當左右兩側的輪胎接接觸到不同摩擦係數的地表時,例如一側位於積雪地面而另一側為柏油路段,致使輪胎轉速有所落差,此時假設駕駛猛然緊急煞車,將會非常危險。且若在防鎖定煞車系統(ABS)關閉之下重踩煞車,非常容易因車輪被鎖住而造成車身側傾。為了避免此種險況發生,在車輛發生偏移現象時,防鎖定煞車系統會在抓地力較弱的車輪施加較強的煞車力道,所以駕駛僅需微幅調整方向盤的轉向幅度即可使車身維持在正確的路線上。

然而主動式轉向系統卻不容許如此危機發生,其一旦偵測到車身具偏轉的可能時,便會立即主動發揮偏轉補償功能,矯正車輛的偏轉傾向,並施予抓地力較強的車輪更大的煞車力道,大幅縮短煞停距離,解除車身偏滑傾向之危機。
榮獲數座國際獎項的BMW主動式轉向系統,創立汽車工業上重要的里程碑,其僅以一套齒輪組合便使BMW車款的舒適性、便利性、操控性以及安全性更臻於完美境界。