线控转向：下一代转向技术

线控转向技术的发展历程

在过去的一个世纪里，非道路市场涌现出多种转向技术方案，尤其是在探索大型设备的最优转向方式上。早期机械采用由齿轮和连杆构成的机械转向系统，这类系统需要操作人员耗费大量体力完成转向操作。

20 世纪 50 年代出现了重大变革，液压助力转向技术问世，正式开启了转向设计的新纪元，这一技术至今仍在各类非道路工程机械中得到应用。

传统液压转向系统通常包含液压转阀，该阀直接调节液压油流向转向油缸，进而实现设备转向。一种较新的方案是混合动力转向系统，在传统系统基础上增设电控阀，该阀接收全球定位系统（GPS）信号，并与传统系统并行工作。

当前，转向技术正逐步向线控转向迁移，该技术将驾驶室内的液压部件全部移除，转向信号完全通过 “有线” 方式传输。这类系统由多个核心部件组成，包括转向输入装置（通常为操作杆或方向盘），该装置将转向信号发送至控制器（一般为设备控制器）；随后控制器向执行输出装置发出指令（输出装置可为电动执行器，不过主流仍为电液阀），因为液压油缸仍是控制转向桥的实用方式。

线控转向系统中使用的电液阀需符合功能安全规范，部分还集成诊断功能和冗余控制，这些特性在传统液压转向系统中并不常见。许多非道路设备原始设备制造商选择全冗余双通道转向系统，即便检测到故障，操作人员仍能继续完成转向操作。

非道路设备转向技术的发展：从传统式到线控式

Parker Hannifin 对线控转向技术的研究可追溯至 20 世纪 90 年代末，彼时公司助力叉车制造商完成从燃油 / 柴油发动机向纯电动动力总成的转型，同时推动转向系统从机械 / 液压式向纯电动线控式升级。此后，线控转向技术的应用领域不再局限于物料搬运，还拓展至草坪养护、农业、采矿、精密施工、船舶领域，以及各类小众非道路车辆市场。

线控转向技术受欢迎的原因

线控转向技术普及率提升的核心驱动力，是非道路市场对全自主作业机械的需求 —— 通过自动化作业流程实现性能、效率和可靠性的最优化，同时减少对高成本高技能人工的依赖。在全自主作业机械尚未完全成熟前，许多原始设备制造商正研究实现特定机械功能自动化的可行性，转向功能便是其中之一。线控转向支持基于软件的系统直接控制转向，转向信号通常来自 GPS，而非操作人员的手动输入。

更高的机械设计灵活性是另一大研发目标。移除机械转向柱和转阀后，操作人员的视野得到改善，同时驾驶室内的空间被释放，可用于打造更灵活的内饰布局、设计新型操作控制装置，甚至实现 180° 旋转座椅等个性化设计。

由于方向盘与机械系统完全分离，线控转向系统能有效隔绝冲击、噪音和振动，减少操作人员长时间作业后的疲劳感。此外，原始设备制造商可根据目标市场选择不同的转向输入装置（如方向盘或操作杆），甚至可将方向盘布置在座椅扶手上。

非道路车辆转向的演变：从传统转向到线控转向

线控转向还能让原始设备制造商更便捷地设计基础转向系统架构，并将其应用于多款机械平台，随后通过软件调整，为各平台定制专属的转向性能或转向特性。这种设计方式能大幅缩短后续设备的工程研发周期，让制造商的转向性能设计更贴合客户需求。

成本考量始终是技术升级的重要因素。线控转向系统的零部件数量通常更少，尤其是液压油管的布置量大幅减少，这不仅能降低装配成本，还有望减少因液压泄漏引发的保修成本。

兼顾安全性的系统架构

鉴于各类系统的功能安全等级存在差异，线控转向系统已发展出两种不同的架构方案。第一种为 “故障安全” 架构，当系统检测到故障时，设备会通过预警装置向操作人员发出提示，随后平稳降速直至停机，以便开展维修工作。

第二种为 “故障运行” 架构，该架构配备两套完全独立的冗余系统通道。当系统出现故障时，设备同样会向操作人员发出故障预警，但操作人员仍可正常完成转向操作。

系统架构类别决定了输入装置、逻辑控制单元和输出装置等核心部件的设计标准。企业在选定架构时，通常需明确两个核心问题：是否需要冗余设计（冗余设计是实现故障运行架构的常用方式），以及是否需要配套相应等级的诊断功能和传感器。

依据 ISO 13849-1 标准的风险评估树

线控转向系统在正常工作状态下，操作人员与前轮之间无直接机械连接，因此该技术功能安全设计的核心要求是：即便系统出现任何故障，操作人员仍能保持基础的转向操控能力。

目前已有多项标准明确了线控转向系统的功能安全要求，其中 IEC 61508 和 ISO 13849 是两大主流功能安全标准。这两项标准为系统风险的系统化、透明化防控提供保障，助力企业获得监管机构和客户的信任。同时，标准还为自动保护系统的设计、部署、维护和应用制定了功能安全指导规范，适用于采用电气、电子或可编程电子器件的安全相关系统。

IEC 61508 标准的核心特性包括安全完整性等级（SIL），该等级用于衡量系统实现安全功能的能力；另一特性为危险分析，即对潜在危险及其发生概率进行评估。

此外，IEC 61508 还依据安全完整性等级制定了软件相关要求，包括软件验证和开发技术规范。按照该要求，企业需在详细的软件规范中明确系统功能，同时记录测试流程及测试执行情况，最终验证实际测试结果与设计要求的一致性。

ISO 13849 标准也提供了与安全完整性等级相关的风险判定方法。尽管该标准并非专门针对转向系统，但许多原始设备制造商仍广泛采用，因其为安全相关控制系统制定了通用要求，而转向系统通常被归为此类。该标准能帮助设计人员根据风险评估结果，选择匹配的系统架构、确定零部件的可靠性指标并制定诊断策略，使系统设计与所需性能等级相契合。

移动设备转向系统架构：移动设备的转向系统通常需符合 ISO 25119 或 ISO 13849 标准规定的特定性能等级，部分系统可根据需求设计相应的功能安全等级

定制化的操作转向体验

早期采用线控转向技术的企业曾反馈，操作人员对转向手感存在不满 —— 由于方向盘与系统之间无机械或液压连接，方向盘会持续空转且无极限位置，同时转向阻力在所有工况下保持恒定，这让操作人员产生与设备的 “脱节感”，最终影响作业效率。但在过去 25 年多的时间里，转向输入装置不断升级，现已能实现可控的触觉反馈，在保持系统稳定、安全、低噪的同时，模拟传统液压转向系统的操作手感。

为还原传统转向的触觉反馈，多数设备制造商采用电动旋转制动器实现 “阻力反馈” 控制。通过调节旋转制动器的电流，可实时控制转向阻力，生成特定的扭矩阻力，且该阻力可根据不同作业工况定制。旋转制动器的参数可灵活调校，以此优化人机交互界面（HMI），这在传统转向系统中难以实现。

具体应用示例包括：

根据不同作业工况调整转向阻力，如低速精准操作时提高转向灵敏度，高速行驶时降低灵敏度以保证稳定性；
根据不同作业功能调整转向传动比（即方向盘满圈转向的圈数）；
结合转向油缸压力调整转向阻力，补偿下游液压回路可能出现的延迟问题；
在方向盘转动过程中设置定位卡点，提示操作人员当前方向盘的特定位置，或预警设备潜在故障。

Parker Hannifin 研发了一款名为触觉反馈装置（TFD）的转向输入设备，该设备应用了公司专利的磁流变（MR）流体技术。磁流变流体是一种智能流体，在磁场作用下，其剪切强度会大幅提升，直至呈现半固态状态。通过电磁铁调节磁场强度，可快速、精准地控制磁流变流体的激活状态；因此，调节输入触觉反馈装置的电流，就能实时改变磁流变流体的特性、调整转向阻力，同时还能模拟方向盘向左 / 向右满转时的极限位置。

目前，Parker Hannifin 还在研发一款名为力反馈装置（FFD）的旋转输入设备，该设备在 12-16 牛・米的磁流变旋转制动器基础上，增设了 2-3 牛・米的小型伺服电机，并集成转向传感器和控制单元。该产品能为工业车辆带来类似乘用车的转向手感，电机采用直驱设计，无齿轮啮合噪音和间隙。采用小型电机也能大幅优化功能安全分析流程，因为大型电机若发生故障，可能会产生过大扭矩，超出操作人员的操控范围。