汽车电动助力转向系统

1、汽车电动助力转向系统文献综述一、汽车转向系统概述汽车转向系统(Steering System)!汽车的一个重要构成部件，是保障汽车安全驾驶十分重要的安全装置，其功能就是要求能够按照驾驶员的意图来控制汽车的行驶方向，它直接影响到汽车的整体操纵性和行驶稳定性。因此在设计汽车的转向系统时，一方面要求其工作要安全可靠、操作轻便、高效节能、机动性良好等，另一方面更要求它能够在各种工况(其中常见的包括直线行驶、正常转向、原地转向和快速转向等)下，根据不同的路面状况和行驶速度，为驾驶员提供较好的路感。一直以来，各汽车生产厂家、高等院校和科研机构都将如何更好地设计汽车的转向特性，从而使汽车具有良好的操纵性能视

2、为重要的研究课题。尤其在今天， 车辆越来越高速、车流越来越密集、驾驶人员越来越非职业化，如何针对众多不同层次和水平的驾驶人员进行汽车的操纵性优化设计显得尤为重要。汽车转向系统经历了纯机械式转向系统、液压助力转向系统、电动液压助力转向系统和电动助力转向系统四个基本发展阶段。纯机械式转向系统(Manual Steering) 是以驾驶员的体力作为转向的动力来源， 其所有力的传递部件都是机械的。早期的汽车转向就是采用该系统，这种机械式的转向系统，优点在于结构简单、工作可靠和造价低廉; 而不足之处在于:由于采用纯粹的机械构件，为了产生足够大的转向扭矩，就需要加大方向盘，整个机构显得较为笨拙，占用驾驶室

3、的空间也较大; 另一方面对于驾驶员而言转向操纵负担比较重，特别是重型汽车由于转向阻力较大，仅仅依靠驾驶员的转向力很难实现灵活的转向，这也就大大限制了它的使用范围，因此这种纯机械式转向系统目前仅应用于一部分转向操纵力不大、对车辆操控性能要求不高的微型轿车或农用车上。1953 年通用汽车公司首次在车辆上使用了液压助力转向系统，此后该技术得到了迅速发展。液压助力转向(Hydraulic Power Steering ,简称HPS源统一般由液压泵、油管、 压力流量控制阀体、传动皮带以及储油罐等部件构成。它是以液压油作为动力传递介质，通过液压泵产生动力来推动机械式转向器，从而实现转向的。这种液压助力转向

4、系统的特点是: 其助力特性为曲线，适合驾驶人员的驾驶习惯；缺点是无论车辆是否转向，HPS都一直在工作，而且在原地或低速大角度转向时，液压泵需要输出更大的功率以获得较大的助力，因此在一定程度上造成资源浪费。另外其液压泵是通过汽车发动机的动力来驱动控制阀的开度，该开度与转向助力的大小成比例关系，因此不能很好地兼顾汽车低速时的转向轻便性和高速时的操纵稳定性。当发动机停止工作如故障或车辆熄火时，HPS等不再提供助力。20 世纪 80年代后期，汽车转向系统出现了变减速比的HPS。 随后的数年内，动力转向系统的技术革新基本上都是基于该系统的，比较有代表性的是变流量泵液压动力转向系统(Variable Di

5、splacement Power Steering Pump) 和电动液压助力转向(Electric Hydraulic Power Steering ,简称 EHPS系统。其中，电控液压助力转向系统所采用的液压泵是电动泵，而非汽车发动机皮带直接驱动，它克服了传统的液压助力转向系统的缺点。它由电子控制单元根据车辆的行驶速度、 转向角度等信号计算出其工作的最理想状态。如在低速大转向时，电子控制单元驱动电子液压泵以高速运转输出较大功率，使驾驶员转向更为省力; 而在高速行驶时，电子控制单元则驱动电子液压泵以较低的速度运转，在不影响高速转向的同时，节省了发动机功率。然而系统尽管解决了上述矛盾，但却无法

6、改变液压助力转向系统无论是否转向都需要消耗能量的这一固有缺陷。电动助力转向系统(ElectricPower Steering System简称EPS)乍为一种新型的动力转向系统，自被开发开始，就一直被作为高新技术应用在汽车上，表现出良好的发展前景。该系统的基本工作原理是: 转矩传感器和车速传感器分别测出驾驶者施加在转向盘上的操纵力矩和车辆当前的行驶速度( 回正时还要用到角度传感器 )，然后将这两个信号传递给电子控制单元J 电子控制单元的微处理器根据内置的控制策略和算法，计算出此时需要的理想助力力矩，再换算为相应的电流，驱动助力电机按该电流运行; 该电机产生的助力力矩再经过蜗轮蜗杆减速机构减速增

7、扭后传送到机械式转向系统上，和驾驶者的操纵力矩叠加在一起去克服转向阻力矩，实现车辆的最终转向。EPS弥补了 HPS和EHPS勺缺点，具有节能、环保、高效、安全等诸多优点，是未来动力转向系统的发展方向，目前多装置在前轴荷在900 KG 以下的中小型汽车上。2、 电动助力转向系统的特点随着汽车电子技术的日益发展，对汽车设计的要求以及对汽车的控制水平的要求也越来越高，尤其对汽车的节能和环保特性的要求越来越高。传统的液压助力转向系统(HPS)存在的消耗能源和环境污染等不足己变得越来越明显，不能完全满足时代发展的需求。而电动助力转向系统(EPS)将最新的电力电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转向系

8、统，能明显改善车辆的静态性能和动态性能、有效提高行驶中驾驶员的轻便性和安全性、同时也更加节能和环保。对于纯电动汽车而言，采用EPS是必然选择，因为它本身不用内燃机，助力转向系统动力的来源只有来自电机，所以纯电动汽车动力转向系统的选择只能是EPS或者EHPS 一般来讲，设计者都是趋向于选择 EPS因此，未来的转向系统中，电动助力转向将成为汽车动力转向系统的主流，对该系统进行开发和研究成为越来越多的汽车企业和科研机构的工作重点。与其它助力转向系统相比，该系统突出的优点体现在:(1) 更加节能与环保。EPS由于没有液压装置，属于典型的“按需供能型”( on-demand ) 系统，即只有转向时系统才

9、工作，而车辆没运行或者直线行驶时不消耗能量，这样将消耗相对较少的能量。因而与液压动力系统相比，在各种行驶状况下均可节能80哌IJ 90%而在不转向情况下，装有 EPS的车辆燃油消耗将降低 2.5%;在使用转向情况下，则降低5.5%。同时又由于在40的低温下，EPS也能够很好地工作，而传统的液压系统要等到液压油预热后才能正常工作，因为EPS没有起动时的这样一个预热过程，所以也节省了能量。EPS同时不存在传统液压助力转向系统中液态油的泄漏问题，从而也避免了环境污染，顺应了环保的时代要求。(2) 助力效果更好。EPS可以针对车辆行驶的各种工况，通过优化助力特性曲线，使得助力更加精确，助力效果更加理想

10、。另外还可以采用阻尼控制减小由路面不平产生的对转向系统的干扰，保障汽车低速行驶时的转向轻便性，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性。(3) 重量大大减少。与HPSffi比，EPS的结构更加简单，零件数目也大大减少， 因而带来重量的大大减轻，同时还使布置更加方便，并且降低了工作时的噪o(4) 安全性更好。与HPS比较，当EPS出现故障时，系统可通过电磁离合器立即切断电机与减速传动机构的动力传送，迅速转入纯机械转向状态。另外由于直接由电机提供助力，因此EPS虫立于车辆的驱动系统的工作，只要电动汽车的DC-D8发生故障，即使在车辆未启动或出现其它故障时也能提供助力。(5) 生产和

11、开发周期更短。EPS的前期研发时间较长，但是一旦设计完成，就可以通过修改相应的程序，快速实现与特定车型的匹配，因而能大大减少针对不同车型的研发时间。(6) 改善了转向系统的回正特性。在一定的车速下，当驾驶员转动转向盘一个角度后松开，车辆本身具有使车辆回到直线行驶方向的能力，这是车辆固有结构所决定的。EPS系统可以对该回正过程进行控制，利用软件在最大限度内调整设计参数以使车辆获得最佳的回正特性。而在传统的液压控制系统中，汽车设计一旦完成，其回正特性就不能再改变，否则必须改造底盘的机械结构，实现起来有较大困难。(7) EPS 效率一般较HPSW,使用车辆范围广，尤其适用于电动汽车。电动助力转向系统

12、自20 世纪 80 年代中期提出以来，作为今后汽车动力转向系统的发展方向，同时也作为节能环保的高科技产品，必将取代现有的机械转向系统、 液压助力转向系统和电控液压助力转向系统，而成为汽车动力转向系统的主流。3、 电动助力转向系统的分类及工作原理根据助力电机装配位置不同，EPS系统分为转向轴式EPS (Column-EPS助 力 电 机 安 装 于 转 向 柱 上 ， 简 称C-EPS)， 多 应 用 于 小 型 汽 车 : 齿 轮 式 EPS(Pinion-EPS ，助力电机安装于齿轮齿条上，通过小齿轮处提供助力，简称P-EPS),多用于中小型汽车；齿条式EPS (Rack-EPS,助力电机安

13、装于小齿轮齿 条上，通过齿条处提供助力，简称R-EPS),多应用在中型车辆及高档轿车中。齿条式EPS还可以分为电机轴和齿条轴轴向交叉布置，电机轴和齿条轴轴向平行布置以及电机轴和齿条轴同轴布置(DD-EPS )，如图 1.1 所示。如图1.1 EPS分类本文的主要研究对象是转向柱式电动助力转向系统，即C-EPS如图1.2 C-EPS系统结构图C-EPS系统的整体结构如图1.2所示。它由电子控制单元(Electric Control Unit ,简称 ECU)转矩传感器(Torque Sensor),角度传感器(Rotation Speed Sensor),电动机(Motor)、转向盘(Steer

14、ing Wheel) 及蜗轮蜗杆减速机构 (Worm Gear)等组成。EPS的转向轴由与扭杆相连的输入轴和输出轴组成，输出 轴通过传动机构带动横向拉杆使车轮转向，输出轴除了通过扭杆与输入轴相连 外，还经过减速机构、离合器与助力电机相连6 o当驾驶员转动方向盘时，电 动助力转向系统开始工作，转向柱上的扭矩和角度传感器把方向盘的输入信号 (转向力矩和旋转角度)，以电压信一号的形式送至 ECU与此同时ECU卖取汽车 的车速信号以及车辆驱动电机或车辆发动机的转速信号。ECU 艮据转向力矩大小和方向、发动机或电动机转速、车速、方向盘转角、方向盘转速等信号，判断是否需要助力以及助力的大小和方向。若需要助

15、力，则依据预先设计的助力特性曲线计算出必要的助力力矩，并按照一定的控制策略和算法，输出相应的控制信号给驱动电路，由驱动电路提供相应的电流给助力电机，助力电机输出的转矩，由减速机构放大后再传送给转向轴，起助力转向的作用，从而完成转向助力的功能。若出现故障或车速超出设定值则控制助力电机停止输出，系统不提供助力，同时，离合器切断，以避免机械转向系统受电机惯性的影响，系统转为人工手动转向。由于电控单元可以采集车速、方向盘的转矩和转角信号，所以EPSg供的助力大 小可以根据控制策略调整，这给设计性能优良的电动助力转向系统提供了可能。良好的控制策略可以使得驾驶员操纵方向盘的作用力大小合适、路感良好、转向系

16、统反应速度快、实时性好。随着电子技术的发展，更高速性能更强的MCU和电机的专用驱动芯片的出现将使神经网络等复杂算法在EPS上能够实现，同时还保证了 EPS系统助力的跟随的实时性，提高了电动助力转向系统的整体性能。四、国内外电动助力转向研究现状国外自20世纪80年代中期就开始了对EPS进行研究和生产，并日益成为世 界汽车技术发展的研究热点。最早的 EPS应用于日本的彳型轿车上，1988年2 月日本铃木公司首先在 Cervo车和Alto车上装备了 EPS此后，EPS日本得到 迅速的发展，1993年，日本本田汽车公司将 EPSg备于爱克NSX包车上，并取 得良好的市场销售效果。同一年， 在欧洲市场销

17、售的一种经济型轿车菲亚特的Punto也将美国Delphi公司生产的EPS列为标准装备。此后，大众的 Polo、欧 宝的 318i 也相继选用并安装了Delphi 公司的EPS。 1999年， 德国奔驰和西门子公司开始投巨资开发EPS;同期日本的大发汽车公司和三菱汽车公司分别在Mira和Minica车上装备了 EPS, Honda公司的Insight轿车目前也己选装了 EPS;英 国卢卡斯（LUCAS讼司等也对EPS进行了相关研制和开发。与国外相比，国内开展EPS系统及其控制技术的研究相对较晚，1992年清 华大学率先研制了 EPS的试验样机，并在试验台上进行了性能试验研究，国内由 此开始了对E

18、PS系统的相关研究。其后，吉林大学、华中科技大学、武汉理工大 学等科研院校以及相关企业也纷纷开展了对 EPS的研究和开发，在系统匹配设 计、助力电机、控制系统计算机仿真、系统建模、车辆转向性能的评价、驾驶员路感、转矩及电流的补偿控制、各种传感器等领域进行了积极的探索。如清华大学季学武、陈奎元、吴文江等研究了 EPS系统中的跟随性，认为助 力转矩的偏差值是EPS跟随性和驾驶员转向路感的重要参考，而方向盘转矩和转 向轴的转动噪声是引起助力转矩偏差的主要来源。他们还对EPS系统的稳定性和 抗干扰等方面进行了类似的探讨。华中科技大学刘照、杨家军、 廖道训也讨论了相关问题，方法上不同的是采用了基于混合灵

19、敏度的控制算法来设计实际控制器，认为采用现代鲁棒控制理论设计的 EPS系统有更好的抗干扰性能。又如，合 肥工业大学陈卫平等进行了 EPS的模糊自整定控制系统参数的控制方法的研究： 北京理工大学的林逸，施国标等人提出了对EPS性能客观评价的详细方法，等等。 但就目前来看，国内的有关研究主要是建立在引进国外技术的基础上而进行。对于EPS系统中的关键技术研究，如ECU传感器、控制技术等，与国外先进技术 相比还是有较大的差距。五、电动助力转向系统的应用发展趋势EPS的应用发展，一方面需要考虑关键零部件如各种传感器、 助力电机、MCU车载电源系统等的未来发展趋势; 另一方面需要综合考虑包含侧向加速度和横

20、摆角速度等多个因素在内的实际应用系统的未来发展趋势。从关键零部件的发展来看:1、传感器目前正向着小型化、集成化、更大工作温度范围的方向发展。传感器是EPS的重要部件，EPS的传感器包括转矩传感器、车速传感器、角度传感器等， 主要有接触式电阻转向传感器、非接触式光电转向传感器以及新型磁阻式转向传感器之分。早期的EPS专矩传感器多为接触式传感器，这种传感器工作时容易因产生摩擦而造成磨损。非接触式转矩传感器则使用了磁、光和感应技术，有效地避免了这一不足，是未来应用的趋势。随着人们对车辆的行驶安全性、乘坐舒适性和操纵稳定性要求的进一步提高，单一功能的传感器己不能满足多种性能的需求，而采用多个传感器又势

21、必造成成本的增加，同时还有安全的隐患，所以未来传感器将向着多功能集成的方向发展。另外， 目前所使用的转矩传感器印刷电路IC使用的温度范围相对较窄，约为一 300C-800C未来可通过设计小体积的抗热封装结构来拓展使用温度至一400C-1250C， 从而扩大其应用范围。此外，传感器的小型化也是未来的发展趋势之一，这将更加减少占用空间，同时降低能耗，达到环保的目的。2、助力电机向着高功率而体积小的方向发展。早期的EPS主要为微型或者小型车辆设计，但随着EPS4中型、大型车上的 广泛应用，对转向助力的需求日益加大。如此一来就必须加大助力电机的功率，也就必须增大电机的直径。然而这对于尺寸和安装位置都有较高要求的 EPS尤其 是C-EPS而言是很困难的。为此，对于电动机来说，如何在提高功率的同时尽量 减小电动机的外形尺寸成为未来发展的主要方向。解决的方法可以采用DD型EPS将电动机与齿轮齿条型转向器组合在一起，但其外形仍然较大，有可能会 与变速器以及发动机的油底壳相干涉，因此在整车设计时需要考虑如何布置。另外，在电动机的选择上，目前EPS的电动机多为直流永磁电动机或永磁无刷电动 机，而无刷电动机将是今后电动机发展的方向。3、车载电源系统向着42V电