淺談汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

郭紫威

摘 要：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車的主要子系統(tǒng)之一，近年來，汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（簡稱為“EPS”）已成為現(xiàn)代汽車中的常規(guī)配置，是一種直接依靠電機(jī)提供輔助扭矩的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。其性能直接關(guān)系到汽車的操縱舒適性和穩(wěn)定性，對安全行車、減少交通事故、保護(hù)駕駛員的人身安全以及改善駕駛員的工作條件起著重要作用。

關(guān)鍵詞：電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；特點；類型；工作原理；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：G463.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點

1. 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比具有的優(yōu)點

（1）可降低發(fā)動機(jī)能耗。液力式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車不轉(zhuǎn)向時，動力轉(zhuǎn)向液壓泵也一直在工作，這樣會消耗發(fā)動機(jī)的能量。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)只有轉(zhuǎn)向時電動機(jī)才工作，不轉(zhuǎn)向時無需消耗發(fā)動機(jī)能量。因此，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能耗低。與液壓式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在各種行駛工況下均可節(jié)能80%～90%。

（2）重量輕，安裝方便。電動式EPS無液壓泵、液壓缸、液壓控制閥、液壓管路及液壓油等液壓部件，電動助力機(jī)構(gòu)的零件少，結(jié)構(gòu)緊湊，重量可大幅度減輕，因而動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)易于布置，并且能降低噪聲。

（3）系統(tǒng)安全，可靠性強(qiáng)。當(dāng)電動式EPS出現(xiàn)故障時，可立即切斷電動機(jī)與助力齒輪機(jī)構(gòu)的動力傳遞，迅速轉(zhuǎn)入人工—機(jī)械轉(zhuǎn)向狀態(tài)。此外，由于電動式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是由電動機(jī)提供助力，電動機(jī)可由蓄電池供電，因此，在發(fā)動機(jī)熄火或因故障而不能運轉(zhuǎn)時，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍能正常工作，可確保汽車行駛的安全性。

（4）工作性能好。液壓助力增減控制有一定的滯后性，反應(yīng)敏感性和隨動性較差。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由電子控制器直接控制電動機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)向動力，反應(yīng)敏感性好，容易實現(xiàn)轉(zhuǎn)向動力最優(yōu)化。此外，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)比液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有更好的低溫工作性能。

（5）生產(chǎn)與開發(fā)周期短。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過設(shè)置不同的程序進(jìn)行控制就可與不同車型匹配，從而縮短了生產(chǎn)和開發(fā)周期。

2. 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍有一些尚未解決的問題

（1）直接助力式電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供的輔助動力比較小，很難用于大型車輛。

（2）電動機(jī)、減速機(jī)構(gòu)等部件會影響汽車的操縱穩(wěn)定性，擁有正確的匹配整車性能至關(guān)重要。

（3）使用轉(zhuǎn)矩傳感器、電動機(jī)和減速機(jī)構(gòu)等部件會增加系統(tǒng)的成本。

二、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型

1. 轉(zhuǎn)向柱助力式

轉(zhuǎn)向柱助力式EPS具有結(jié)構(gòu)簡單和維修方便的特點。助力電機(jī)安裝在轉(zhuǎn)向柱上，電機(jī)助力扭矩通過蝸輪蝸桿減速增扭后直接作用在轉(zhuǎn)向柱上。相對于其他EPS，它對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的改動最小，所以最適合將以前生產(chǎn)的無助力效果的純機(jī)械轉(zhuǎn)向汽車改裝成電動助力轉(zhuǎn)向汽車。電機(jī)可以裝在轉(zhuǎn)向柱的任何位置， 轉(zhuǎn)向柱式的成本最低，目前市場占有 量較大。適合微型車輛如1.1t以內(nèi)的小型車。

2. 直接助力式

齒條助力式EPS轉(zhuǎn)向齒條上裝兩個小齒輪，一個小齒輪與轉(zhuǎn)向盤相連，助力電機(jī)通過另一個小齒輪與齒條嚙合，為齒條提供助力，電動機(jī)直接帶動齒條助力，助力效果比齒輪助力式好。

3. 齒輪助力式

齒輪助力式EPS通過小齒輪與齒條嚙合，電機(jī)的助力扭矩傳輸在小齒輪軸上，具有結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點。與轉(zhuǎn)向柱式EPS相比，在不增加質(zhì)量的情況下，增大了系統(tǒng)的剛度，不需要管柱部件傳遞，電機(jī)可以提供更大的助力。它安裝在駕駛室外，位于發(fā)動機(jī)室下方，常受到塵土、泥巴和雨水等的腐蝕，要求ECU、電動機(jī)、傳感器等耐高溫、防水性能好。其技術(shù)要求比轉(zhuǎn)向柱式的高，適用于1.3t以內(nèi)的中小型車。

4. 齒條助力式

齒條助力式EPS電機(jī)、減速裝置套在齒條外側(cè)，通過錐齒輪和滾珠絲杠構(gòu)成二級減速機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)最緊湊，性能最好，電動機(jī)直接帶動進(jìn)行齒條助力，助力效果最好，響應(yīng)時間最短，電動機(jī)的振動、噪聲都不容易傳遞給駕駛員。隨著42V車載電源的應(yīng)用，其功率可達(dá)到很大值，適用于大負(fù)荷、大功率的汽車和豪華轎車及2.2t以內(nèi)的中型車。

三、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理

汽車轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)矩傳感器檢測到轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動方向和力矩的大小，將這些信號輸送到電控單元，電控單元根據(jù)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動方向、轉(zhuǎn)動力矩以及車輛速度等數(shù)據(jù)向電動機(jī)控制器發(fā)出信號指令，使得電動機(jī)輸出相應(yīng)方向及大小的轉(zhuǎn)動力矩以產(chǎn)生助力。

當(dāng)不轉(zhuǎn)向時，電控單元不向電動機(jī)控制器發(fā)出信號指令，電動機(jī)不工作。同時，電控單元會根據(jù)車輛的速度信號確定施加給轉(zhuǎn)向盤的阻力矩，從而減少駕車者在高速行駛時轉(zhuǎn)向盤“飄”的感覺。

四、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1. 電動機(jī)與傳感器技術(shù)

電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展及運用主要歸功于電動機(jī)技術(shù)、控制理論和電子技術(shù)的發(fā)展，EPS對電動機(jī)有很高的要求，包括尺寸、功率、性能等。

電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展還受制于它的價格和性能，電動機(jī)和傳感器的選擇也因此受到限制。目前的轉(zhuǎn)矩傳感器通常在機(jī)械精度、校準(zhǔn)難度和裝配、極限溫度和價格之間進(jìn)行折中選擇。多數(shù)情況下，總是有些參數(shù)受到限制。比如，為了降低價格而限制最高溫度，但是溫度又與系統(tǒng)的可靠性緊密相連。因此，轉(zhuǎn)矩傳感器應(yīng)能提供一個質(zhì)量高、穩(wěn)定可靠、響應(yīng)速度快的信號。

2. 控制技術(shù)

EPS是否能夠獲得令人滿意的性能，除了應(yīng)有好的硬件保證，還必須有良好的控制軟件來支撐。我們知道，汽車有多種多樣的行駛工況，EPS工作時不但受到來自不平地面的干擾和不穩(wěn)定因素的影響，同時還由于其安裝在發(fā)動機(jī)附近，發(fā)動機(jī)發(fā)出的電磁干擾與熱輻射對整個系統(tǒng)會產(chǎn)生很大的影響，這些因素會對EPS的控制策略的選擇提出很高要求。PID控制技術(shù)、自適應(yīng)控制技術(shù)、動態(tài)補(bǔ)償技術(shù)、魯棒控制技術(shù)等控制理論的發(fā)展，為該系統(tǒng)的成功開發(fā)提供了有力支持。隨著智能控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，EPS控制技術(shù)也將得到不斷完善。

3. 助力特性

助力特性關(guān)系到路感和轉(zhuǎn)向輕便性，目前國內(nèi)外對路感問題的研究手段主要以實驗為主。助力特性是否合理決定著EPS的助力性能。EPS的助力特性屬于車速感應(yīng)型，主要分為全速型和低速型兩種。全速型是指EPS在任何車速下都提供助力；低速型是指EPS只在低速時才提供助力，而當(dāng)車速超過某一設(shè)定值時，EPS停止工作。

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將最新的電力電子技術(shù)和高性能的電機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，能顯著改善汽車動態(tài)性能和靜態(tài)性能，提高行駛中駕駛員的舒適性和安全性，減少環(huán)境污染等。因此，未來的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中電動助力轉(zhuǎn)向?qū)⒊蔀檗D(zhuǎn)向系統(tǒng)主流。

參考文獻(xiàn)：

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