汽車電動轉向器選型與匹配

畢大寧

(山東先河悅新機電股份有限公司，山東 淄博 255120)

1 汽車電動轉向器(簡稱EPS)的選型

1.1 EPS的設計選型原則

1.1.1 助力要求

驅動EPS的助力大小是由以下3個因素決定的:

(1)轉向器輸出力，它取決于車輛前輪的載荷。

(2)車輛駕駛員轉向手力的要求。

(3)轉向器機械部分傳動效率。

考慮到以上情況，可以計算出驅動EPS的助力大小，然后根據要求的輸出輔助力，選定電機和減速機構。作為助力源，選定的電機和減速機構也要有所限制。尺寸必須能滿足安裝空間的要求。因為一方面安裝空間有限，另一方面EPS的輸入電壓有所限制，汽油車電壓為12 V，柴油車電壓為24 V。對于耗電量較小的緊湊型小車可以采用C-EPS。對于載重量較大的車輛采用P-EPS，對于中型車輛，采用R-EPS也受到了齒條齒輪轉向器強度的限制。為了消除上述的局限性，開發了具有雙小齒輪機構的EPS(以下簡稱為DP-EPS)，在這種R-EPS中，助力通過第二個小齒輪直接作用于齒條上，減小了第一個小齒輪的輸入負荷，這就形成R-EPS的另一個結構，從而使R-EPS可以在大型轎車上使用。在中型和大型商用車上采用的EPS，其轉向器則必須采用循環球轉向器結構，因此發展出循環球電動轉向器S-EPS。

1.1.2 EPS的安裝空間

EPS總成包括了一個電機和一套減速機構，其具有一定的尺寸和重量。EPS通常安裝在車輛的前部以替代傳統的液力或手動轉向系統，但仍要仔細考慮EPS的安裝空間。可吸能的轉向柱和發動機的撞擊吸能區是必須考慮的。EPS靠近發動機的部分不能影響發動機倉空間，且不能受發動機散熱影響。

ECU可分成2類:一種裝在汽車發動機倉內;一種則直接裝在駕駛倉轉向柱上。在這2種ECU中，ECU安裝在轉向傳動軸上的應用越來越廣泛。

1.2 各種EPS結構的應用

1.2.1 C-EPS的應用

C-EPS也就是在轉向傳動軸加裝減速機構——助力電機的結構，在汽車上應用越來越廣泛。

(1)由于其結構簡單、成本低，再加上ECU的連接線束可以更短，裝配工序可以更簡單。

(2)C-EPS大有擴大使用范圍的趨勢。已經發展到前橋載荷1 t轎車上。

(3)車內安裝電機和減速齒輪機構，車輛更安全，布置更容易，更容易替換原有的液壓轉向機構。

(4)對于小型車，更容易進行改型。這種結構由于電機更加小型化且輸出功率更大也可逐漸應用于噸位稍大的汽車上。

(5)因為電器設備不需要特殊的防水或防熱技術。

(6)減速器和扭矩傳感器安裝在轉向軸上，有限的空間可能會影響碰撞能量的吸收。這就要求必須設計新的結構去滿足碰撞法規的要求。

(7)近來，C-EPS越來越多地與其他零件集成一體。點火開關，自動變速箱的排擋桿，開關支架都可以與中間軸和轉向拉桿集成一體，由一個供應商提供。

1.2.2 P-EPS的應用

P-EPS的結構是在齒輪齒條式轉向器上(圖1)，電機通過一對減速蝸桿蝸輪對轉向小齒輪施加輔助力，作用到轉向齒條上。P-EPS的結構包括減速齒輪和扭矩傳感器，與C-EPS類似，但不同之處在于安裝位置。P-EPS安裝在發動機倉的下部，靠近排氣管。因此P-EPS的材料和結構必須耐熱和防水。大多數的P-EPS的ECU安裝在車廂內。但是這樣的安裝位置就要求較長的線束，可能會導致收音機雜音和整車裝配工序的增加。現在越來越多的P-EPS安裝在發動機倉內，ECU的工作環境更加惡劣，這就要求輔助的隔熱裝置。

P-EPS的結構有另外的好處，轉向柱上有足夠的空間，可用于安裝碰撞吸能機構，這就使P-EPS更可能適用于市場。目前，前置前驅動的車輛由于其緊湊的發動機倉，要求P-EPS有特殊的結構。小而緊湊的發動機倉，限制了P-EPS的安裝空間，在車輛前部的碰撞吸能機構更加難以布置。解決這個難題的方法是:雙小齒輪結構DP-EPS。來自方向盤和輔助機構的力被分別傳遞到兩個轉向齒輪軸上。電機和減速齒輪機構安裝在駕駛員相對一側。

1.2.3 R-EPS式或RD-EPS式

越來越多的EPS將應用于中型或大型轎車和商用車上，這反映了汽車節能要求的增長。然而C-EPS和P-EPS在中型或大型轎車上的應用，卻受到了限制。因為其轉向齒輪和轉向齒條的強度有限，不能適應較大的輸入力。為了解決這個問題，開發了電機直接驅動齒條的R-EPS。

R-EPS的轉向加力裝置分幾種結構，一種是雙小齒輪式電機通過蝸輪蝸桿帶動另一個小齒輪驅動齒條的DP型EPS;一種是電機通過皮帶傳動帶動滾珠絲桿驅動齒條的RP型EPS，見圖2;一種是電機包在齒條外側通過滾珠絲桿減速驅動齒條的RD型EPS，見圖3。這幾種結構的EPS大都采用無刷電機。

RD-EPS的轉向加力裝置:安裝在齒輪齒條殼體內的電機通過電機軸和特制的滾珠絲杠機構，提供一轉向助力在齒條上。這樣的結構使齒條完全適合于DD-EPS的電機的布置，并且結構更加緊湊。但是，DD-EPS的外形較大，就要求加大轉向齒條的直徑和加大電機本體，導致齒輪齒條殼體外徑增加，可能會與變速箱或發動機油底殼相干涉，這是在汽車布置時特別要注意的。

盡管有以上的擔心，RD-EPS仍然是一種理想的系統，其減速機構能夠提供較高的傳動效率。只要在整車開發的初始階段，充分考慮到RD-EPS的布置問題，就能實現開發工作。現在美國TRW公司大力發展R型皮帶式電動轉向器RP型EPS見圖5。JTEKT、TRW、MANDO、NEXTEER都在開發此類REPS產品。

1.2.4 循環球式(S-EPS)電動轉向器的選用

這是一種將電機和減速機構與循環球機械轉向器輸入軸安裝成一體的新型電動轉向器見圖6。它是專門為輕型卡車、中大型卡車和皮卡車設計的，它將改善電機的工作環境，又不影響原車轉向傳動軸的防沖撞性能。

1.3 EPS裝車問題

選好了電動轉向器后，怎么安裝在汽車上充分發揮助力作用，是在開發電動轉向器后遇到的又一個問題。

(1)理想的方案，是在汽車整機設計時就將電動轉向器考慮進去，設計在最理想的位置上。設計時包括總線的通訊協議都考慮進去。

(2)已有的車型改裝EPS存在的主要問題是安裝空間問題。以C-EPS型電動轉向器為例，該電動轉向器由于減速器直徑較大，而且還有電機要安裝，所占用駕駛內儀表盤下空間較大。而現有國產汽車的轉向管柱與傳動軸制動踏板臂、真空助力器推桿與轉向管柱的距離太小，大多數無法安裝下C-EPS型減速器，特別是帶防沖撞轉向管柱，布置較難。捷達轎車的轉向管柱防沖撞結構很復雜，根本無法安裝減速器-電機結構。這是目前這類汽車改裝存在的主要問題。電機在安裝時可以旋轉任一角度，但不能影響油門踏板、制動踏板的操作。

(3)C型管柱和減速器只能安裝在駕駛室內，因為傳感器和電機對環境要求高，環境溫度適宜有助于二者性能發揮和壽命延長。

P型和R型必然裝在發動機倉里，電機的不得和其他零件相碰，留有拆裝空間，盡量避免與排氣管距離太近。

如不能放在駕駛室內就要被迫放在發動機倉里，此處環境差、溫度高甚至會有油泥水，這對電動轉向器的工作是不利的。

所以一方面要提高電動轉向器高、低溫工作性能和防泥、水性能，一方面要盡力從汽車布置上給電動轉向器提供好的工作條件。電動轉向器的工作環境溫度應為－40～+125℃。

(4)控制器最好安裝在駕駛室儀表盤下面，固定在任一支架上，這樣一來工作環境好，但散熱不好。控制器與總線的通訊協議在設計時考慮。

(5)儀表板改造:從儀表板上取車速信號，加故障信號燈;或從總線上取得。

(6)電氣線束改造:電源、車速信號、扭距信號、通過控制器、控制信號線束、電源線束和接插件缺一不可。特別是新車型必須連接總線，通訊協議要提供給控制器廠家，以便預先設計好。

(7)管柱與傳動軸改造:將上管柱與減速器部分剛性連接，并通過支架與駕駛室或前圍剛性連接，下端用傳動軸與轉向器相連。保證轉動靈活、無卡滯。要保證轉向管柱與減速機殼同心，上傳動軸有充分擺動余地和伸縮調節的可能性。現在要求此伸縮量要達到127 mm。

(8)根據需要加裝隔熱裝置。

2 匹配問題

2.1 EPS的適用范圍

根據筆者的工作可以知道:不同的車型有不同的前軸負荷。不同車型電壓也不同，電流也有不同的要求，隨著前軸負荷提高電流相應提高才行。

2.2 電機的匹配

(1)EPS電機的特點

在選用電機時則應根據使用經驗，原車結構，匹配，電機性能(包括轉速和噪聲)以及成本諸因素確定。因為電動轉向器安裝位置很緊湊，所以對電機的尺寸有一定限制。一般來說電機尺寸小、功率大、性能好、壽命長，特別是噪聲低最受歡迎。

電機的性能包括:電機的額定電壓、額定電流、額定功率、額定額定扭矩、額定轉速和阻抗(內阻、感抗、容抗)。

對發展中型汽車電動轉向的最大難題主要是電機的功率和尺寸，電機消耗電流大對蓄電池的容量也造成一定的影響。

(2)電機的匹配

方向盤使用的最大轉速對轎車、微型車而言應該是60～90 r/min。現在通常采用的電動轉向器減速機構的速比為16.5左右，通常采用的電動轉向器轉速為1400～1500 r/min，要討論的就是如何在電機的最大工作轉速范圍發揮電機的最大功率。

根據某電機廠提供的電動轉向170 W電機測試數據，可以看出相應電機1000 r/min時，該電機的輸出功率最大為139.8 W，此時電壓為11.8 V，電流為24.9 A。也就是說方向盤的使用最大轉速為60 r/min時正處于電機的輸出功率最大狀態。

2.3 傳感器的選型與匹配

(1)傳感器有電磁感應式、電位器式(電阻式)、霍爾元件式、編碼器式、光電式等，更新型的傳感器有表面波式的。

(2)傳感器應有正反向電壓輸出，還應有兩條電路包括一條校準電路，以確保使用精度。

(3)電位器式傳感器是北斗星汽車安裝鈴木公司開發的一種成本較低的傳感器，由碳膜板和電刷等組成。這種傳感器最難的是碳膜和指狀鋼絲刷。

(4)傳感器還可以裝有熱敏電阻作為溫度傳感器來感知EPS系統和環境溫度。

3 電動轉向器的性能設計要求

(1)防止高速發飄功能

由于汽車行駛過程中轉向阻力是變化的。有動力轉向的汽車在高速行駛時由于輪胎的橫向阻力小，方向盤變得輕飄，很難捕捉路面的感覺，容易造成轉向過于靈敏而使汽車不易控制。所以在高速時要適當減低助力，甚至于加大轉動阻力，這種阻力的變化應該平滑過渡。該控制器設計時必須按理想的電動轉向手力模型進行，該電動轉向系統可根據車速通過控制助力電機，降低高速行駛時轉向助力，增大轉向手力，這樣才能真正解決高速發飄問題，而且成本相對較低［1］。

(2)主動回正功能

如果駕駛員在轉彎的過程中減小了施加在方向盤上的力矩，扭桿上的扭矩也相應減小。于是轉向力在減小的同時，轉向角度和轉向的速度都相應地減小，回轉速度也相應被精確地檢測到。控制單元根據轉向力、車速、發動機轉速、轉向角度、轉向速度和存儲在控制單元中的特性曲線圖計算出電動機需要的必要的回正力，并控制電動機工作，促使車輪回到直線行駛的方向，即中心位置。

(3)制止擺頭功能

在方向盤撒手回正過程中，當車輪出現第一個方向擺頭時、回正角度超過零點，角度傳感器就會出現相對零點的超越角度信號，控制器就會控制電機反向加力，阻止車輪繼續轉動;出現第二個方向回擺，回正角度超過零點，角度傳感器就會再次出現相對零點的超越角度信號，控制器就會再次控制電機反向加力，阻止車輪繼續轉動，可使汽車迅速制止擺頭。

(4)維持直線行駛功能

直線行駛功能是主動回正功能的一個擴展，當沒有力矩作用在方向盤上時，系統將產生助力使車輪回復到中心位置。為實現直線行駛功能，又分為長時間法則和短時間法則兩種不同的情況。

東風汽車有限公司三噸汽車DF3電動轉向控制器的設計要求已完全實現。經過四輪的道路試驗證明是完全可行的。

(5)解決汽車整車輕量化問題

車型采用了電動轉向后，整個轉向系統預計輕2～3 kg。解放4.5 t轉向器原用液壓助力轉向器(TRW)，采用S-EPS轉向器后輕了10 kg。

4 電動轉向器適用范圍

電動轉向器適用范圍如表1所示。

表1 電動轉向器適用范圍

5 對各種車型的EPS產品匹配建議

(1)乘用車EPS產品推薦表如表2所示。

表2 乘用車EPS產品推薦表

(2)商用車EPS產品推薦表如表3所示。

表3 商用車EPS產品推薦表

【1】鈕因昌．電動助力轉向器的設計要求［J］．天津汽車，2009(5):35－36．