秦汉论文 汽车电动助力转向特性分析

1、石家庄科技信息职业学院毕 业 论 文题目：汽车电动助力转向特性分析 学 号： 090115007 姓 名： 秦 翰 专业班级： 09-15汽车电子技术 指导教师： 刘国新 完成日期： 2011-11-20 汽车电动助力转向特性分析摘要：汽车电动助力转向系统(Electric Power Steering System简称EPS)是近年来发展起来的种新型动力转向系统，具有节能、质量轻、安全、环保等一系列优点，正逐步取代传统的液压助力转向系统，成为未来汽车转向系统的发展方向，其出现并迅速成为世界汽车技术研究的热点。汽车转向系统的发展经历了从简单的纯机械转向系统、液压助力转向系统，电控液压助力转向系

2、统，到更为节能、操纵性能更好的电动助力转向系统这几个阶段。本文论述了EPS的特点、工作原理、结构组成、国内外的研究现状，通过对EPS各组成部分和汽车转向系统的分析出了EPS性能评价指标，并对三种助力特性曲线的特点进行了分析和比较。EPS系统作为今后汽车转向系统的发展方向，这给EPS带来了更加广阔的应用前景。关键词：电动助力转向；特性；发展目录1 绪论11.1研究的目的和意义11.2国内外发展状况3国外发展状况31.2.2 国内发展状况42转向系统的概述62.1转向系统的发展过程6机械式转向系统6液压式助力转向系统(HPS)7电液式助力转向系统(EHPS)82.2电动助力转向系统10电动助力转向

3、系统的结构10电动助力转向系统的工作原理11电动助力转向系统的类型13电动助力转向的关键技术14电动助力转向系统的优点153 电动助力转向系统受力与性能分析173.1电动助力转向系统受力173.2 理想转向盘力矩的研究183.3电动助力转向系统性能的主要评价指标19 转向回正能力评价193.3.2 转向轻便性评价193.3.3 转向盘中间位置操纵稳定性评价203.3.4 转向盘振动评价203.3.5 转向路感及路感强度214 电动助力转向助力特性研究224.1助力特性曲线定义224.2转向助力特性曲线设计概述224.3电动助力特性曲线类型23直线型24折线型25曲线型254.4不同助力特性曲线

4、参数的影响265 结论与发展295.1结论295.2发展29参考文献301 绪论随着我国经济的持续发展，人民生活水平不断提高，汽车渐渐走入人们生活中，成为现代步伐的工具，而随着汽车保有量的增加以及由此带来的一系列问题，使得“安全、节能、环保” 成为未来汽车发展的三大主题。汽车电动助力转向(Electric Power Steering，简称EPS)由于具有能耗低、环保性能较好、体积小、重量轻等诸多优点，成为现代汽车转向系统的发展方向。EPS采用电动机直接提供助力，助力大小由电控单元控制，是一项关系现代汽车发展主题的高新技术，所以已经就受到高度重视。近几年来，随着电子技术的发展，电动助力转向系统

5、逐渐成熟，成本也不断降低，现在取代传统的液压助力转向(Hydraulic Power Steering，简称HPS)，其应用前景十分广阔。1.1研究的目的和意义在汽车低速停车入库时，驾驶员转向所需的手力较大；而高速行驶时转向所需的手力较小。因此电动助力转向系统的助力大小也应该是变化的，即随着车辆行驶和转向状态的变化而变化。合理的转向助力特性曲线不仅可保持汽车低速行驶时转向轻便灵活，而且可保持中高速行驶时的路感和操纵稳定性。随着电子技术的发展，汽车电子化是当前汽车技术发展的趋势，电动助力转向系统是继电子液压助力系统后产生的种新的助力转向系统。我国汽车正以每年30%的速度递增，2008年汽车产量已

6、突破900多万辆，按照发展趋势，今后大部分微型车和轿车都将采用电动助力转向器，因此，电动助力转向器的市场前景十分广阔。所以对电动助力转向系统的研究具有很重要的理论价值和实际意义。1.2国内外发展状况在汽车的发展历程中，转向系统经历了四个发展阶段。从最初的机械式转向系统发展为液压助力转向系统，然后又出现了电控液压助力转向系统和电动助力转向系统。随着电子技术的发展，电子控制式机械 液压动力转向系统应运而生，该系统在某些性能方面优于传统的液压动力转向系统，但仍然无法彻底解决液压动力转向系统的固有缺陷。电动助力转向系统，是继液压动力转向系统后产生的种动力转向系统，是世界汽车技术发展的研究热点和前沿技术

7、之一，它属于与传统液压动力转向系统不同的另种动力转向系统。它直接依靠电动机提供辅助扭矩，通过控制电动机电流的幅值和方向，从而实现转向器电动助力的要求，这种系统使汽车在低速时能减轻操纵力，从而提高操纵的轻便性；而当汽车在高速行驶时，电子控制系统保证提供最优控制传动比和稳定的转向手感，从而提高高速行驶时的操纵稳定性。因此它可以较好地解决液压动力转向系统所不能解决的矛盾。目前，电动助力转向系统有代替液压动力转向系统的趋势。国外发展状况EPS是继液压助力转向系统后产生的种动力转向系统。从上个世纪50年代开始，汽车工程师就开始对电动助力转向产生兴趣。但是由于成本等原因，直很难设计生产出在性能和价格比上可

8、以与液压助力转向系统匹敌的电动助力转向系统。经过二十几年的发展，EPS技术日趋完善，其应用范围己经从最初的微型轿车向更大型轿车和商用客车方向发展，如本田的Accord和菲亚特的Punto等中型轿车已经安装EPS，本田甚至还在其Ancra NSX赛车上装备了EPS。EPS的助力型式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，Delphi为Punto车开发的EPS属全速范围助力型，其控制形式与功能也进步加强，并且首次设置了两个开关，其中一个用于郊区，另一个用于市区和停车。当车速大于7Okm/h后，这两种开关设置的程序则是一样的，以保证汽车在高速时有合适的路感。这样即使汽车行驶到高速公路时驾驶员忘记切换

9、开关也不会发生危险。市区型开关还与油门相关，使得在踩油门加速和松油门减速时，转向更平滑。日本早期的EPS仅仅在低速和停车时提供助力，高速时EPS将停止工作。新一代的EPS不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。如铃木公司装备的款EPS是个负载路面车速感应型助力转向系统。1.2.2 国内发展状况在我国，电动助力转向的开发还处于起步阶段，并且处于实验室研究阶段，仅有为数不多院校开展了电动助力转向系统的研究。1993年，清华大学汽车工程系的教授指导硕士研究生进行了EPS系统的探索性研究，清华大学的季学武教授还申请了“种车用光电式扭矩传感器”专利，因为扭矩传感器直是电动助力转

10、的核心部件。吉林大学也进行电动助力转向系统的研究，并制作了试验台架，取得许多的试验数据，为下一步的研究开发提供有用的试验数据。合肥工业大学机械汽车学院完成了转向系运动学、动力学分析计算，提出了关于EPS的控制策略，并在汽车转向试验台上对控制策略进行了检验，同时进行了道路试验证明其合理性，为EPS的产品化奠定了坚实的基础。但是关于电动助力转向系统，国内的文献大多集中在控制策略，对助力特性曲线方面的研究很少，但就其中的某方面进行了讨论，对电动助力转向系统中助力特性曲线的研究有发展空间:（1）车速对助力增益的影响不清楚；（2）助力特性曲线确定的理论依据不明确，没有明确指出所采用的助力特性曲线到底对汽

11、车的转向路感、操纵稳定性有没有影响；（3）如何根据转向轻便性、转向路感综合确定转向助力特性曲线。2转向系统的概述汽车转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构，其作用是使汽车能在行驶过程中按照驾驶员的操纵要求而适时地改变其行驶方向，在受到路面传来的冲击及偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持汽车继续稳定行驶。因此，转向系统的性能直接影响着汽车的操纵稳定性和安全性。随着汽车技术的迅猛发展，人们对汽车转向操纵性能的要求也日益提高，为了保证车辆在任何工况下转动方向盘时，都有较理想的操纵稳定性和转向轻便性，人们对转向系统进行了不断改进，使其性能得到不断提高。2.1转向系统的发展过程机械式转向系统

12、图 2-1机械式转向系统如图2-1所示，机械式转向系统以驾驶员的体力作为转向动力，所有传递动力的部件都是机械的，没有辅助动力源。机械转向系统主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成。转向操纵机构就是驾驶员操纵转向器工作的机构，包括从转向盘到转向器输入端的零部件等。操纵汽车转向时，驾驶员对转向盘的操纵力是非常有限的，因此需要借助增力装置来使转向车轮发生偏转。而转向器就是把转向盘传来的转矩按定传动比进行放大并输出。转向器是完成由旋转运动到直线运动的组齿轮机构，同时也是转向系中的减速传动装置。目前较常用的有齿轮齿条式、循环球曲柄指销式、蜗杆曲柄指销式、循环球齿条齿扇式、蜗杆滚轮式等。转向传

13、动机构是把转向器的运动传给转向车轮的机构，包括从摇臂到转向车轮的零部件。整个机械转向系统的工作方式为:驾驶员需要转向时，对转向盘施加转向力矩，该力矩通过转向轴输入到机械转向器，力矩经转向器减速放大后由转向摇臂传到转向直拉杆，最后再传给固定于转向节上的转向节臂，使转向节和它所支承的转向车轮发生偏转；与此同时，经梯形转向机构带动另侧的转向车轮同时发生偏转，从而改变汽车的行驶方向。根据机械式转向器形式的不同，可以将其分为:齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。应用最广泛的主要是齿轮齿条式和循环球式(用于需要较大的转向力时)。循环球式转向器由于是滚动摩擦形式，因而正传动效率很高，操作方便且使用

14、寿命长，而且承载能力强，故广泛地应用于载货汽车上。齿轮齿条式转向器与循环球式相比，最大特点是刚性大，结构紧凑重量轻，且成本低。由于这种方式容易将反作用力由车轮传至转向盘，因此具有对路面状态反应灵敏的优点，但同时也容易产生打手和摆振等现象，且其承载能力相对较弱，故主要应用于小汽车及轻型货车上，目前我国大部分轿车上采用的就是齿轮齿条式机械转向系统。液压式助力转向系统(HPS)液压助力转向于20世纪30年代首先应用在重型车辆上。由于当时汽车装载质量和整备质量的增加，在转向过程中需要克服的前轮转向阻力矩也将相应增加，作用在转向盘上的转向力也随着增加，使驾驶员感到“转向沉重”。当前轴负荷增加到某个数值后

15、，靠人力去转动转向轮就很吃力。为使驾驶员操纵轻便，提高车辆的机动性，最有效的方法就是在汽车的转向系中加装转向助力装置，借助于汽车发动机的动力驱动油泵、空气压缩机和发电机等，以液力、气力或电力增大驾驶员操纵前轮转向的力量，使驾驶员可以轻便灵活地操纵汽车转向，减轻劳动强度，提高了行驶安全性。液压助力转向系统除了传统的机械转向器以外，尚需增加控制阀、动力缸、油泵、油罐和管路等。而轿车对动力转向的要求与重型车辆不完全相同。比如重型车辆对动力转向系统噪声的要求较低，轿车则对噪声要求很高，轿车还要求选用的转向器系统结构要更简单、尺寸更小、成本更低等。但是重型车辆动力转向技术的发展无疑为轿车动力转向技术奠定

16、了基础。传统液压助力转向系统按转向控制阀形式分为滑阀式和转阀式两种。目前在轿车上的液压助力转向采用的是转阀式控制阀。在轿车上装备液压助力转向系统有如下优点:（1）减轻驾驶员的疲劳强度。动力转向可以减小驾驶员的转向操纵力，提高转向轻便性。（2）提高转向灵敏度。可以比较自由地根据操纵稳定性要求选择转向器传动比，不会受到转向力的制约；允许转向车轮承受更大的负荷，不会引起转向沉重问题。（3）衰减道路冲击，提高行驶安全性。液压系统的阻尼作用可以衰减道路不平度对转向盘的冲击。液压助力转向系统缺点:（1）选定参数完成设计之后，助力特性就确定了，不能再进行调节与控制，因此协调轻便性与路感的关系困难:如按低速性

17、能设计转向系统时，高速行驶时转向力往往过小，“路感”较差，甚至感觉汽车发“飘”，从而影响操纵稳定性;而按高速性能设计转向系统时，低速时转向力往往过大。（2）即使在不转向时，油泵也直运转，增加了能量消耗。（3）存在渗油与维护问题，提高了保修成本，且泄漏的液压油会对环境造成污染。电液式助力转向系统(EHPS)近年来，随着电子技术的不断发展，转向系统中愈来愈多的采用电子器件，相应的就出现了电液助力转向系统。电液助力转向可以分为两大类:电动液压助力转向系统和电控液压助力转向。电动液压是在液压助力系统基础上发展起来的，它将原来由发动机带动的液压助力泵改为由电机驱动，节省了燃油消耗。电控液压是在传统的液压

18、助力转向系统的基础上增加了电控装置构成的。电液助力转向系统的助力特性可根据转向速率、车速等参数设计为可变助力特性，使驾驶员能够更轻松便捷的操纵汽车。现代电液助力转向系统主要通过车速传感器将车速传递给电子元件，或微型计算机系统，控制电液转换装置改变动力转向的助力特性，使驾驶员的转向手力能根据车速和行驶条件的变化而改变，即在低速行驶或转急弯时能以很小的转向手力进行操作，而在高速行驶时能以稍重的转向手力进行稳定操作，使汽车的操纵轻便性和稳定性达到最合适的平衡状态。为了保证转向轻便性，要求增大转向器的传动比，这样虽然可以减小转向盘上的手力，但同时也会造成汽车对操纵反应的迟缓，甚至可能导致驾驶员无法进行

19、紧急避障等转向操作，即转向不够“灵”。机械式转向器的设计目的就是保证汽车在各种行驶条件下都能将转向盘上的手力保持在驾驶员能接受的合理范围内，同时又要保证适当的转向灵敏度，但是机械式转向器的结构特点注定无法解决“轻”与“灵”的矛盾，而电液助力转向系统则在定程度上解决了这矛盾。电控液压助力转向系统在传统液压助力转向系统的基础上有了定的改进，但液压装置的存在，使得该系统仍有难以克服的缺点，如:还存在渗油问题，零件增加，管路复杂，不便于安装维修及检测等。另外，虽然引入车速实现车速感应型变助力特性，但是在原有液压系统的基础上又增加了电子系统，使系统越加复杂，成本增加。在液压助力转向系统中，只要发动机运转

20、，不管是否转向，液压泵都始终处于工作状态。另外，在发动机转速升高时，油泵供油量不断增加，而实际上动力转向系统所要求的供油量应随着发动机转速的升高保持不变或下降，因此，发动机转速高时，油泵输出的大部分油液通过溢流阀返回，在油泵内部循环流动，导致油泵发热，造成严重的能量消耗，使汽车燃油消耗量增加了4%6%。二十世纪八十年代以来，电动助力转向(EPS)作为种全新的动力转向模式进入了业界的视野，并很快成为动力转向系统研究与开发的热点。它直接依靠电动机提供辅助扭矩，通过控制电动机电流的幅值，实现转向器电动助力的要求，这种系统使汽车在低速行驶时操纵力减小，提高了操纵的轻便性；而当汽车在高速行驶时，电子控制

21、系统提供最优传动比和稳定的转向路感，提高高速行驶时的操纵稳定性。电动助力转向系统较好地解决了液压助力转向系统所不能解决的问题。2.2电动助力转向系统电动助力转向系统的结构图2-2 EPS的组成电动助力转向系统的主要部件包括传感器、减速机构、电动机、电子控制单元等。（1）车速传感器和转矩传感器车速传感器的功能是测量汽车行驶速度。转矩传感器的功能是测量驾驶员作用在转向盘上的力矩大小与方向，以及转向盘转角的大小和方向。这些信号都是EPS的基本控制信号。转矩测量系统比较复杂且成本较高，所以精确、可靠、低成本的转矩传感器是决定EPS能否占领市场的关键因素之一。目前采用较多的是在转向柱的位置加扭杆，通过测

22、量扭杆的变形得到转矩，另外也有采用非接触式转矩传感器。其原理是:当输入轴与输出轴之间发生相对扭转位移时，磁极环之间的空气间隙发生变化，从而引起电磁感应系数变化。非接触式转矩传感器的优点是体积小，精度高，缺点是成本较高。（2）减速机构EPS的减速机构与电动机相连，起减速增扭的作用，常采用蜗轮蜗杆机构，也有采用行星齿轮机构。有的EPS还配有离合器，装在减速机构侧，是为了保证EPS只在预先设定的车速行驶范围内起作用，当车速达到某值时，离合器分离，电动机停止工作，转向系统转为手动转向。当电动机发生故障时，离合器将自动分离。减速机构通过离合器与电动机相连，起减速增矩作用，常采用蜗轮蜗杆机构也有采用行星齿

23、轮机构，离合器装在减速机构侧是为了保证EPS只在预先设定的车速范围内起作用。（3）电动机电动机的功能是根据电子控制单元的指令输出适宜的辅助转矩，是EPS的动力源。多采用无刷永磁式直流电动机。电动机对EPS的性能有很大影响，是EPS的关键部件之一，所以EPS对电动机有很高要求，不仅要求低转速大转矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻，而且要求可靠性高、易控制。为此，设计时常针对EPS的特点，对电动机的结构做些特殊地处理，如沿着转子的表面开出斜槽或螺旋槽，定子磁铁设计成不等厚等。根据电子控制单元的指令输出适宜的辅助转矩，是EPS的动力源。（4）电子控制单元电子控制单元(ECU)的功能是根据转矩传感

24、器信号和车速传感器信号，进行逻辑分析与计算后，发出指令，控制电动机和离合器。此外，ECU还有安全保护和自我诊断功能，ECU通过采集电动机的电流、电压、发动机工况等信号判断其系统工作状况是否正常，旦系统工作异常，助力将自动取消，同时ECU将进行故障诊断分析。ECU通常是单片机系统，也有采用数字信号处理器(Digital signal Processing，简称DSP)作为控制单元。控制系统与控制算法也是EPS的关键之一，控制系统应有强的抗干扰能力，以适应汽车多变的行驶环境。控制算法应快速正确，满足实时控制的要求，并能有效地实现理想的助力规律与特性。（5）蓄电池，电源给整个EPS提供电力。电动助力

25、转向系统的工作原理电动助力转向系统的基本组成包括扭矩传感器、车速传感器、控制单元(ECU)电动机、减速机构和离合器等。在EPS系统中传感器主要有扭矩传感器、方向盘转速传感器、速度传感器。扭矩传感器时刻检测转向盘的运动情况，将驾驶员转动转向盘的方向、角度信息传送给控制单元。方向盘转速传感器用于测量转向盘的旋转速度，速度传感器测量汽车的行驶速度，两者的测量结果同样送到控制单元。控制单元是EPS系统的核心部分，也是EPS系统研究的重点。控制单元般以个八位或十六位微处理器为核心，外围集成刀D电路、输入信号接口电路、报警电路、电源。要求具有简单计算、查表、故障诊断处理、存储、报警、驱动等功能。电动机的功

26、能是根据控制单元的指令输出适宜的辅助扭矩，是EPS的动力源。电动机对EPS的性能有很大影响，是EPS的关键部件之一，所以EPS常采用蜗轮蜗杆机构，也有采用行星齿轮机构。EPS的离合器，装在减速机构侧，是为了保证EPS只在预先设定的车速行驶范围内起作用。当车速达到某值时，离合器分离，电动机停止工作，转向系统转为手动转向。另外，当电动机发生故障时离合器将自动分离。电动助力转向系统是在传统机械转向机构基础上增加信号传感装置、控制单元和转向助力机构。EPS的转向轴由靠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转向拉杆使车轮转向，输出轴除通过扭杆与输入轴相连外，还经行星齿轮减速机构离合器与助力

27、电动机相连。驾驶者在操纵转向盘时，给输入轴输入了个角位移，输入轴和输出轴之间的相对角位移使扭杆受扭，扭矩传感器将扭杆所受到的扭矩转化为电压信号输入电控单元；与此同时，车速传感器检测到的车速信号也输入电控单元，电控单元综合转向盘的输入力矩、转动方向以及车速等输入信号，判断是否需要助力以及助力的方向。若需要助力，则依照既定的助力控制策略计算电动机助力转矩的大小并输出相应的控制信号给驱动电路，驱动电路提供相应的电压或电流给电动机，电动机输出转矩由蜗轮蜗杆传动装置放大再施加给转向轴，从而完成实时控制助力转向；若出现故障或车速超出设定值则停止对电动机供电，系统不提供助力，同时，离合器分离，以避免转向系统

28、受电动机惯性力矩的影响，系统转为人工手动助力。ESP系统的工作分为转向、回正、休眠3个状态。汽车在转向时，转矩传感器把采集到的转向盘力矩和转动方向信号，车速传感器把采集到的汽车行驶速度信号，通过数据总线发给电子控制单元ECU根据转动力矩、转动的方向、行驶速度等数据信号，进行综合逻辑分析与计算后，选择条合适的助力特性曲线，向电动机控制器发出动作指令电动机就会根据具体的需要输出大小可变的转动力矩，从而产生了助力转向。当驾驶员使转向盘转动某角度后松开时，电子控制单元根据传感器得到的车速、车况等数据信息，在存储器中的回正特性曲线簇中迅速找出条最佳的回正特性曲线，以此曲线参数向电动机控制器发出动作指令，

29、使系统自动调整轮回到正中。由于EPS提供的转向回正动作是在软硬件共同作用下实现的。因此能够真正地达到与车辆动态性能相匹配的水平。EPS系统只有在0起作用，当车速接近中时，电动机得到的电流减小，助力减小；当车速超过时，电动机电流被切断，离合器分离，变为常规的转向装置，本套系统处于休眠状态在中低速域控制类型的EPS系统中，的设置为45km/h (铃木轿车)；在全域控制型EPS系统中可达到80km/h或更高。电动助力转向系统的类型根据电动机布置位置的不同，电动助力转向系统可以分为转向轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式三种类型。（1）转向轴助力式转向轴助力式EPS系统的电动机固定在转向轴侧面，装有个电磁

30、控制的离合器，通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴实现转向助力。这种方案可以使转向器占用的空间减至最小。由于各部件相对独立，因此维修方便，设计时也有很大的灵活性。但是电动机输出力矩的波动容易传递到转向盘上。如果电动机的安装位置和驾驶员的乘坐位置很近的话，必须考虑对电动机噪声的抑制。铃木公司的Alto汽车采用的是这种布置方案。（2）齿轮助力式齿轮助力式EPS系统的转矩传感器、电动机、减速机构以及离合器集成在一起，电动机直接通过减速机构驱动齿轮轴进行助力。齿轮助力式EPS系统提供的转向助力作用比转向轴助力式EPS系统要大，适合于前轴负荷中等的汽车。三菱公司的Minia微型汽车采用了这种方案。（

31、3）齿条轴助力式齿条助力式EPS系统是利用电动机和减速机构直接驱动齿条提供助力的。转矩传感器单独安装在转向小齿轮附近，而电动机和减速机构集成在起，安装在小齿轮另端的齿条上，电动机的动力直接作用在齿条上。该类型根据减速传动机构的不同可分为两种:种是电动机做成中空的，转向齿条从中间穿过，电动机的动力经滚珠螺杆螺母减速机构后传给齿条。这种结构是第一代电动助力转向系统，由于电动机位于齿条壳内，结构复杂、价格高、维修也很困难。本田公司的Accord轿车采用的是这种方案。另一种是电动机与齿条的壳体相对独立，电动机的动力经另小齿轮传给齿条，由于易于制造和维修，成本低，已取代了第一代产品。齿条助力式EPS系统

32、的优点是结构紧凑，不受安装位置的限制，电动机的力矩波动不易传递到转向盘上，系统刚度好、传动能力大，可以提供较大的助力转矩，适用于前轴负荷较大的汽车。电动助力转向的关键技术电动助力转向系统它与转向轻便性以及舒适性和安全性密切相关，该系统的关键技术包括以下几个方面。(l)电动机与传感器技术电动助力转向技术的发展及运用主要归功于电动机技术、电子技术和控制理论的发展。EPS系统对电动机有很高的要求，包括功率、尺寸和性能等。轿车上使用的电源通常是12V，依据不同的车型和制造商，蓄电池输出的最大电流般是758OA。这就决定了其最大的输出功率为9OOW。受功率限制，EPS系统必须提高各元件的效率，以获得所需

33、的输出功率能依据转向阻力在25O55OW之间变化，而转向阻力主要取决于转向轴负荷质量。除了功率要求，电动机还必须满足转向系统的其它特定要求。如平滑性，即驾驶员不应当在转向盘上感觉到任何由于电动机输出力矩的波动所引起的冲击；电动机的转动惯量应当足够小；避免转向失控等。传感器是电动助力转向系统中最重要的器件之一，在电动助力转向系统中需要的传感器有:扭矩传感器、方向盘转速传感器、速度传感器，它们对车辆状况进行实时检测，并将检测到的信息传递给控制单元，因此传感器质量的好坏将直接影响整个系统的性能。如何制造出体积小、成本低、可靠性好而且测量精度高的传感器就成为电动助力转向系统的关键技术之一。(2)助力特

34、性助力特性关系到转向轻便性与路感，目前国内外对路感问题的研究手段主要以试验为主。助力特性是EPS系统的控制目标，助力特性是否合理决定着EPS系统的助力性能。EPS系统的助力特性属于车速感应型，主要分为全速型和低速型两种。全速型是指EPS系统在任何车速下都提供助力；低速型是指EPS系统只有低速时才提供助力，当车速超过某预定值时，EPS系统停止工作。低速型的优点是对系统的要求相对较低，缺点是不能改善汽车的高速操纵稳定性。全速型的优点是能改善汽车的高速操纵稳定性，缺点是对系统的要求相对较高。(3)控制策略EPS系统能否获得满意的性能，除了要有好的硬件保证外，还必须要有良好的控制软件来支撑。汽车的行驶

35、工况多种多样，EPS系统工作时不但受到来自地面随机干扰和不确定因素的影响，同时发动机发出的热辐射与电磁干扰对整个系统也会产生很大的影响。这些因素都对EPS系统的控制策略提出很高的要求。PD控制技术、动态补偿技术、自适应控制技术、鲁棒控制技术等控制理论的发展为EPS系统的成功开发提供了有力的保障。随着智能控制技术的进步发展，EPS系统控制策略必将在发展中不断加以完善。(4)故障诊断与可靠性由于EPS系统是项新技术，它没有液压助力转向系统那么长的使用历史，因此EPS系统的故障诊断与可靠性应受到充分重视。EPS系统一般有两种主要故障表现形式:是系统停止工作，如果这种故障出现在汽车行驶过程中，容易出现

36、意外交通事故。另一种更严重的故障就是系统在没有驾驶员转向输入的情况下使车轮转向，导致汽车偏离原来的方向。这是绝对不允许发生的。在这些故障中，有些可以通过机械设计的方法减少故障的发生。这与传统液压助力转向系统采用的方法没有本质区别。作为个电控系统有些故障是不能通过机械设计方法来避免的，而是需要通过故障诊断的方法来有效地加以校正。电动助力转向系统的优点电动助力转向是项采用现代控制方法的高新技术，与传统液压助力转向相比，它具有下述优点:（1）EPS系统能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所引起的对转系的扰动。（2）EPS系统只在转向时电动机才提供助力，因而能减少燃料消耗。（3）由于EPS系

37、统由电动机提供助力，电动机由蓄电池供电，因此EPS能否助力与发动机是否起动无关，即使在发动机熄火或出现故障时也能提供助力。（4）EPS系统取消了油泵、皮带、皮带轮、液压软管、液压油及密封件等，其零件比即S减少很多，因而其质量更轻、结构更紧凑，在安装位置选择方面也更容易，并且能降低噪声。（5）EPS系统没有液压回路，比HPS更易调整和检测，装配自动化程度更高，并且可以通过设置不同的程序，快速与不同车型匹配，因而能缩短生产和开发周期。（6）EPS不存在渗油问题，消除了液压助力中液压油泄漏问题，可大大降低保修成本，减小对环境的污染，更加环保。（7）由于低温下油的粘性较大，HPS系统在低温下启动发动机

38、后，转向操纵力较高，而电动助力转向系统在低温下不会增加转向操纵力和发动机负荷，因而其具有良好的低温工作性能。3 电动助力转向系统受力与性能分析3.1电动助力转向系统受力EPS系统所受的力主要有驾驶员作用在方向盘的操纵力、电动机的助力矩和整个转向系统所受的阻力矩，汽车转向时，作用在方向盘上的操纵力矩和EPS系统的电动机助力矩通过转向机构克服转向阻力矩，从而实现对汽车的向，而操纵力矩和电动机助力力矩的大小则与整个转向系统所受的阻力有关。下面分别对作用在EPS中的力矩进行分析:(1）方向盘的操纵力在汽车进行转向运动中，由驾驶员通过作用在方向盘的切向力对汽车进行操纵。般驾驶员都希望转向时能操作轻便，在

39、高速时仍能保持稳定，且具有良好的“路感”，因此驾驶员对汽车的操纵力分成两种情况:第一种：改变汽车行驶方向时驾驶员作用在转向盘上的切向力。第二种：保持汽车行驶方向不变(包括直线运动和固定某个方向的运动)时驾驶员保持方向盘不动的力。这种在车轮转向角位置保持不变行车时，驾驶员作用在转向盘上的力称为方向盘把持力。(2)阻力矩影响转向力矩的因素有许多，例如车速、载荷、路面摩擦系数、转向轮胎类型及气压、轮胎力学特性、前轮定位参数、转弯半径、转向系统干摩擦特性、转向角速度与角加速度、侧倾转向效应、转向系统刚度、车辆参数等等。转向力矩是由于转向轮与地路面之间相互作用以及转向系统内部的摩擦而共同产生的。地面对转

40、向轮的作用力主要包括侧向力、切向力与法向力。构成车轮转向力矩的主要是自轮胎回正力矩和侧向力回正力矩，其次是重力回正力矩和切向力回正力矩。其中轮胎自回正力矩和侧向力回正力矩与侧向力成正比，而重力回正力矩与前轴负荷、转向角成正比。在前轴左右轮负荷差别不大的情况下，切向力回正力矩很小。车速对转向力矩的影响是通过侧向加速度间接实现的，并不是直接体现出来。在极低速转向以及原地转向条件下，轮胎与地面之间的静摩擦力矩占主导地位，故转向力矩大大高于其它车速下行驶的力矩。在低速大转角行驶条件下，汽车的侧向加速度较小，因此轮胎的侧偏角很小，由侧向力形成的回正力矩较小，而此时转角大，由前轴负荷形成的重力回正力矩占主

41、要地位。当汽车在中高速行驶时，其侧向加速度较大，导致车轮的侧向力较大，故转向阻力矩主要由侧向力引起的回正力矩，而重力回正力矩相比之下显得不重要。在较大的侧向加速度下，车身发生侧倾导致载荷的转移，从而左右轮胎的侧偏刚度发生显著变化，最终导致侧向力下降，因此转向力矩下降，这是车速影响转向力矩变化的原因之；当侧向加速度过大时，轮胎可提供的侧向力饱和并使得轮胎的拖距减小，从而导致轮胎自回正力矩下降；此外，由于载荷的转移，车轮与地面的侧向附着系数下降，也导致侧向力下降。(3)助力矩主要是为了改善汽车操纵的轻便性而外加的力矩，由电控单元ECU依据车速和力矩信号控制助力电流的幅值，电动机产生作用于转向系统助

42、力矩，以提高驾驶员转向时的操纵轻便性。3.2 理想转向盘力矩的研究 图3-1 转向盘力矩与车速变化关系图图3-1所示，日本皇冠尊严400转向盘力矩随侧向加速度和车速的变化特性曲线。图3-1为4000辆轿车在车速为100km/h、正弦输入、频率0.33Hz时，随侧向加速度的增加，平均转向盘力矩的变化特性曲线。从图3-1可以看出，随侧向加速度的增加，转向盘力矩有增大的趋势。1999年，通用公司采用瑞典驾驶模拟器(VTI)测试了在侧向加速度为3m/s²时随车速的不同驾驶员所偏好的转向盘力矩特性曲线，得出驾驶员所偏好的转向盘力矩具有随着车速的增大而增大趋势的结论。3.3电动助力转向系统性能的

43、主要评价指标汽车电动助力转向系统与传统的转向系统相比有很大区别，对汽车的转向轻便性、转向回正性和路感、可靠性等方面将会产生新的影响，因此，传统汽车转向系统的试验与评价指标就不能完全适用于EPS系统，必须建立适用于EPS的试验和评价指标我国国家标准GB/T6323.494和GB/T6323.594分别对汽车转向回正性和转向轻便性进行了规范，这两项试验可以用来评价装备EPS汽车的转向回正性和轻便性。为了评价装备EPS汽车高速行驶时转向盘中间位置附近区域的操纵稳定性，应进行转向盘中间位置附近区域操纵稳定性试验，另外，针对EPS总成，还需要进行转向盘振动试验、能量消耗试验和可靠性试验等。 转向回正能力

44、评价汽车转向后转向盘能自动回正，使汽车保持稳定的直线行驶状态，这是汽车转向系的基本要求之一，但转向系统中摩擦力矩的存在会降低转向盘的回正特性。在装有EPS的汽车上，采用合理的助力特性曲线和控制策略能有效提高转向盘的回正特性，获得更好的转向盘中间位置区域的路感。汽车转向回正能力可通过整车道路试验或台架试验测得。对整车道路试验，可参照GB/T62.494汽车操纵稳定性试验方法转向回正性能试验进行，即令汽车沿半径为15m的圆周行驶，调整车速使侧向加速度为4m/s²，然后松开转向盘，汽车在回正力矩作用下，前轮将自动回复到直线行驶状态，记录这个过程的时间t、车速u、转向盘转角和横摆角速度，整理

45、出横摆角速度和时间的曲线。评价指标可依据我国汽车行业标准QC/T4802000汽车操纵稳定性指标极限值与评价方法，采用松开转向盘3秒时的残余横摆角速度绝对值和横摆角速度总方差两项指标进行评价。台架试验过程中在转向器输出端施加最大输出力(力矩)的8%，采用转向盘从两个极限位置回到中间位置所需时间来评价。3.3.2 转向轻便性评价汽车装备EPS的个重要目的就是为了提高汽车的转向轻便性，可以通过整车道路试验和台架试验来测量汽车的转向轻便性。对于整车道路试验，一般有原地转向试验和双纽线试验两种，其中我国国家标准GB/T6323.594对双纽线试验进行了规范。对台架试验，一般进行模拟原地转向试验。(1)

46、原地转向试验汽车原地静止，转向盘从中间位置正向转动到极限位置，再逆向转动到另一极限位置，然后回复到起始中间位置。测定作用于转向盘上的转向力。(2)双纽线试验试验时风速应不大于5 m/s²，大气温度在0到40范围内，汽车按照画在场地上的双纽线以10km/h的车速行驶。在双纽线最宽处，顶点和中点(即结点)的路径两侧各放置两个标桩，共计放置16个标桩。标桩与试验路径中心线的距离，为车宽的一半加50cm，或按转弯通道圆宽的二分之一加50cm。试验中记录转向盘转角及转向盘转矩，并按双纽线路径每一周整理出转向盘转矩一转向盘转角曲线。通常以转向盘最大转矩、转向盘最大作用力及转向盘作用功来评价转向轻

47、便性。3.3.3 转向盘中间位置操纵稳定性评价汽车高速行驶必须具有良好的操纵稳定性，目前国外通常中间位置转向试验来评价汽车高速行驶时的操纵稳定性。（1）试验方法试验时，汽车以100km/h的速度作(近似于)正弦曲线的蛇行行驶，正弦运动的周期为5s，转向盘输入频率基准值为0.2HZ，侧向加速度峰值基准为0.29。试验在无风、水平路面上进行。试验汽车上装有转向盘转角、转向盘转矩、车速与横摆角速度等传感器，要测量的数据有:车速，转向盘转角，转向盘作用力矩，汽车侧向加速度，其中，汽车侧向加速度的数值可以得用横摆角速度与车速的乘积求得。（2）转向盘力输入方面的评价指标转向盘中间位置操纵稳定性试验的原始数

48、据中包含许多车辆转向特性信息，根据需要可绘制出转向盘转角与侧向加速度、转向盘力矩与侧向加速度、转向盘力矩与转向盘转角等多条特性曲线。这些特性曲线中分别包含着不同的评价指标。转向盘转角与侧向加速度关系曲线反映的是转向盘角输入特性，从这条曲线中至少可提取4个参数作为评价指标，即转向灵敏度、最小转向灵敏度、转向灵敏度比和转向迟滞。转向盘力矩与侧向加速度关系曲线反映的是转向盘力输入特性，通过这条关系曲线可以评价车辆的回正性能，库仑干摩擦，路感，转向盘非线性力的大小等。3.3.4 转向盘振动评价路面不平度、机械振动和助力机构力矩波动会引起转向盘振动，使驾驶员感到紧张和疲劳，路面不平度引起的振动通常是高频

49、振动，而电动助力机构引起的转向盘振动般在低转向盘转速和低频时发生。为此可将转向盘振动试验分两种情况进行:一种是在不平路面上进行整车道路试验，包括直线行驶工况和常用转向行驶工况，测试转向盘力矩和角加速度；另一种是进行原地转向或台架试验，测量转向盘力矩和角加速度。转向盘振动可以用转向盘力矩峰值、转向盘力矩均方根值和转向盘角加速度均方根三项指标来评价。3.3.5 转向路感及路感强度汽车转向的轻便性与路感是相互矛盾的，一般驾驶员都希望车辆转向时力“轻”些好，即在转向时系统提供大的助力，这样可以减少驾驶员的体力消耗，但转向太“轻”又不好，因为转向力中还包含着前轮侧向力的信息，使汽车的运动状态(包括车轮与

50、路面的附着状态)与驾驶员手上的力有一种对应关系，这就是“路感”，如果这种“路感”很清晰，驾驶员就会感到“心中有数”，有把握地操纵汽车，所以转向力又不能太小。确切地说，转向力中与前轮侧向力有对应关系的那部分(回正力矩部分)不能太小，而与前轮侧向力无关的各种摩擦力矩则是越小越好。汽车转向轻便性是对低速行驶时(如原地转向)提出的要求，而路感则是针对汽车高速行驶时提出。汽车在高速行驶时，应能把车轮与路面的接触状态以反力的形式传至转向盘，使驾驶员感到此种力反馈及其差别。清晰的路感，对驾驶员非常重要，特别是在高速行驶时，它能够给驾驶员提供一种正确判断车轮与路面附着情况的信息，让驾驶员心中有数，以便在不同的

51、道路条件下，采取合适的运行方式(高速、转向和制动)，确保车辆的行驶安全。因此，在某种意义上说，路感实际上是给予驾驶员操纵汽车的一种安全感，做到心中有数、防患于未然。通常，路感按车辆的行驶状态或转向盘的位置，可以分高速直线行驶、转向和回正过程的路感。4 电动助力转向助力特性研究4.1助力特性曲线定义助力特性是指助力随汽车运动状况和受力状况车速和方向盘力矩变化而变化的规律。对电动助力转向，助力与直流电机电流成比例，故可采用电机电流与方向盘力矩、车速的变化关系曲线来表示助力特性。汽车在高速行驶时，能把车轮与路面的接触状态以反力和位移形式通过转向系传至方向盘，使驾驶员感到此种力和位移的反馈及其差别，这

52、就是所谓的路感。汽车转向过程中的转向轻便性与路感是相互矛盾的。满足轻便就要求转向系统能提供较大的助力，而助力增加后，路感就变差了。如果路感很清晰，驾驶员就会心中有数，有利于提高行驶安全性。理想的助力特性应能充分协调好转向轻便性与路感的关系，并提供给驾驶员与手动转向尽可能一致的、可控的转向特性。在满足转向轻便性的条件下，如果路感强度在整个力特性区域内不变，驾驶员就能容易地判定汽车行驶状况的变化，预测出所需要的转向操纵力矩的大小。4.2转向助力特性曲线设计概述转向助力特性曲线决定了汽车在不同车速下的转向手力与转向路感，在具体进行助力特性曲线设计前，还必须明确不同车速下对转向手力和路感的不同要求。为

53、此，首先分析各种车速条件下的转向特点，根据前面对不同车速下转向力矩的分析可以得到下面的结论：(l)当汽车在零车速和极低车速下进行转向，如原地转向及停车入库时转向，此时轮胎地面之间的滑动摩擦力与转向系统干摩擦力之和远远大于重力回正力矩，而侧向力回正力矩接近为零，此车速下的转向特点是转角大、转向手力大，但转向手力随转角增加不明显。(2)当汽车低速行驶时进行转向，如在弯道很急的山路上转向，此时重力回正力矩和转向系统摩擦力在转向力矩中占主要地位，而侧向力回正力矩相对较小，此车速下的转向特点是转角较大、转速快，转向手力较大并随转角上升缓慢上升。(3)当汽车以中速行驶时进行转向，如在乡村较平直的公路上行驶

54、，此时的转向手力中所包含的侧向力回正力矩超过重力回正力矩，在转向力矩中占主要地位。转向的特点是转角较小，转向手力也较小。(4)当汽车高速行驶中进行转向如在高速公路上的转向，此时的转向特点是大多数时间方向盘都处于中间位置只偶尔对它作些细微的调整，故转角小，转向手力小。从上面的分析可以看出，随车速的增加方向盘的转角是逐步减小的，这导致在低速下转向力很大，而高速下转向力较小，相应的转向路感也随车速上升而降低。根据对不同车速下转向特点的分析，以及参考机械转向系统和动力转向系统的设计要求，可得到以下助力特性曲线设计原则：（1）在零车速和极低车速下电动机助力的主要目的是提供助力，克服轮胎与地面之间的滑动摩

55、擦力和转向系统的干摩擦力来减小转向手力，使得转向轻便，而此车速下与路感对应的侧向力回正力矩很小，对转向路感没有要求。（2）在低速转向时，此时电动机助力主要用于克服重力回正力矩和转向系统摩擦力。由于此车速下驾驶员对路面的信息要求不高，因此对转向路感也无具体要求。（3）汽车在零车速或低速行驶转向过程中，转向阻力矩较大，为使转向轻便，降低驾驶员劳动强度，此时应尽可能发挥较大的助力转向效果，且助力矩增幅应较大。（4）在中速下转向时，由于车速增加，转角逐渐减小，与侧向力回正力矩对应的转向路感也随之逐步减小，为保证路感此时助力应随车速增加而逐步减小，以便在保证转向轻便性的同时，保持转向路感基本不变。（5）

56、在转向力矩很小的区域里希望助力矩越小越好，甚至不施加助力，以便保持较好的路感和节约能源。（6）在高速行驶时为使驾驶员获得良好的路感，保证行车安全，应停止助力。（7）助力矩不能大于同工况下无助力时的转向驱动力矩，即助力矩应小于转向力矩，否则将出现“打手”现象。（8）当车速由低速向高速变化时，手力大小应平滑上升，不能有很明显的波动，以免操纵力矩出现跳跃感。（9）当手力大于某个值时，对应的电动机助力电流也很大，为防止电动机过热烧坏电动机或使电机退磁，规定当手力大于某个值后助力不再增加。4.3电动助力特性曲线类型EPS系统的助力特性曲线按照助力车速范围的不同，可分为全车速范围助力型和中低速范围助力型两

57、种。中低速范围助力型曲线只在低于某个车速时，电动机才提供助力，高于此车速时不提供助力，并切换为机械转向。这种助力特性曲线在车速切换点存在手力的突变，而全车速范围助力型在整个车速范围内都可提供助力。电动助力特性曲线按照曲线形状可分为:线性和非线性两种。线性助力特性曲线特点是模型简单，助力增益在固定车速下是固定不变的，所以控制实施更简便易行。但是在转向阻力上升很快时，只能按固定比例提供助力，所以会造成手力较大。而采用非线性，如抛物线型助力特性曲线，在一定车速下助力随手力增大而迅速增加，因此更有利于减少手力。以下为三种典型EPS助力特性曲线。图中助力特性曲线可以分成三个区，0<<区为无助力区，< <区为助力变化区，>区为助力不变区。直线型图4-1直线型曲线图4-1为直线型助力特性曲线，它的特点是在助力变化区，助力与转向盘力矩成线性关系。当转向盘输入力矩小于时，系统不工作，汽车靠转向盘输入力矩进行转向;当转向盘输入力矩达到时，系统开始工作，并提供助力力矩，帮助驾驶员转向；当超过时，系统提供最大助力力矩并保持助力恒定。该助力特性曲线可用以下函数表示:折线型图4-2所示为典型的折线型助力特性曲线，它的特点是在助力变化