電子助力轉向系及四輪轉向系淺析（一）

◆文/江蘇 趙寶平 劉曉雪 鄧飛虎

電子助力轉向系及四輪轉向系淺析（一）

◆文/江蘇 趙寶平 劉曉雪 鄧飛虎

汽車轉向系是汽車底盤四大系統之一，其功能是按照駕駛員的意愿控制汽車的行程安全，因此汽車轉向系統的零部件都稱為保安件。同時，汽車轉向系和制動系都有保障汽車安駛方向的功能。對于轉向系來說，最主要的要求就是轉向的靈敏性和操縱的輕便性。

隨著汽車技術及電子技術的迅猛發展，汽車新技術、新工藝、新材料層出不窮。尤其大量電子技術在汽車上得到了廣泛應用，使得汽車的動力性、燃油經濟性、舒適性、操縱性以及環保性能得到了較大的改善。現代汽車各大系統均采用了電子控制技術，包括汽車轉向系統不僅從傳統機械液壓式動力轉向系統也發展至電子助力轉向系統(EPS)。

一、電子助力轉向系的基本結構和工作原理

普通動力轉向系的助力特性是不變的，且與車速無關，這會導致停車及低速時，轉向盤操縱沉重，中速時較輕快，當車速增高時更加輕快。如果考慮停車及低速時的輕便性，則使高速時操縱力過小，路感下降，易出現轉向過度；反之會使停車及低速時操縱力過大，轉向沉重，效率下降。為了實現在各種行駛條件下轉向盤上所需要的力都是最佳值，必須采用更先進的電子控制動力轉向系統。電子控制動力轉向系可分為：電動式動力轉向系、電控液力式轉向系、電動液力式轉向系。本文先介紹電動式動力轉向系。

1.電子助力轉向系概述

(1)電子助力轉向系的組成

如圖1所示，該系統通常由轉矩傳感器、車速傳感器、電動機、電磁離合器、減速機構、電子控制單元等組成。各部件在車上的布置如圖2所示。

圖1 電子助力轉向系的組成

圖2 電子助力轉向系在車上的布置

(2)電子助力轉向系的工作原理

當操縱轉向盤時，裝在轉向軸上的轉矩傳感器不斷測出轉向軸上的轉矩，并由此產生一個電壓信號。該信號與車速信號同時輸入電子控制單元，電子控制單元根據這些輸入信號進行運算處理，確定助力轉矩的大小和轉向，即選定電動機的電流和轉向，調整轉向的助力。電動機的轉矩由電磁離合器通過減速機構減速增矩后，加在汽車的轉向機構上，使之得到一個與工況相適應的轉向作用力。

(3)電子助力轉向系(EPS)部件結構及工作原理

①轉矩傳感器

轉矩傳感器也稱轉向傳感器，其作用是測定轉向盤與轉向器之間的相對轉矩，并將其作為電動助力的依據之一。轉矩傳感器的結構、原理如圖3所示。

圖3 轉矩傳感器原理

用磁性材料制成的定子和轉子可以形成閉合的磁路，線圈A、B、C、D分別繞在極靴上，形成一個橋式回路。轉向軸扭轉變形的扭轉角與轉矩成正比，所以只要測定軸的扭轉角，就可間接地知道轉向力的大小。

在線圈的U、T兩端施加連續的脈沖電壓信號Ui，當轉向軸上的轉矩為零時，定子與轉子的相對轉角也為零。這時轉子的縱向對稱面處于定子AC、BD的對稱平面上，每個極靴上的磁通量是相同的。電橋平衡，V、W兩端的電位差U0= 0。

當轉向軸上存在轉矩時，定子與轉子的相對轉角不為零，此時轉子與定子間產生角位移θ。極靴A、D間的磁阻增加，B、C間的磁阻減小，各個極靴的磁阻產生差別，電橋失去平衡，在V、W兩端產生電位差。這個電位差與軸的扭轉角θ和輸入電壓Ui成比例，從而可知道轉向軸的轉矩。

一種實際應用的轉矩傳感器結構如圖4所示，其工作原理與上述基本相同，優點是便于安裝。

圖4 實際應用的轉矩傳感器

②電動機、電磁離合器與減速機構

電動機、電磁離合器和減速機構組成的整體稱為電機組件，其結構如圖5所示。

圖5 電機組件

a.電動機

轉向助力電動機就是一般的永磁電動機(原理不再敘述)，電動機的輸出轉矩控制是通過控制其輸入電流來實現，而電動機的正轉和反轉則是由電子控制單元輸出的正反轉觸發脈沖控制。圖6是一種比較簡單實用的正反轉控制電路。a1 、a2為觸發信號端。從電子控制單元得到的直流信號輸入到a1、a2端，用以觸發電動機產生正反轉。當a1端得到輸入信號時，晶體管T3導通，T2管得到基極電流而導通，電流經T2管的發射極和集電極、電動機M、T3管的集電極和發射極搭鐵，電動機有電流通過而正轉。當a2端得到輸入信號時，晶體管T4導通，T1管得到基極電流而導通，電流經過T1管的發射極和集電極、電動機M、T4管的集電極和發射極搭鐵，電動機有反向電流通過而反轉。控制觸發信號端的電流大小，就可以控制電動機通過電流的大小。

圖6 電動機正反轉控制電路

b.離合器

一般使用干式單片電磁離合器，其結構如圖7所示。工作電壓為12V、額定轉速時傳遞的轉矩為15 N m，線圈電阻(20℃時)為19.5Ω。

其工作原理是：當電流通過滑環進人離合器線圈時，主動輪產生電磁吸力，帶花鍵的壓板被吸引與主動輪壓緊，電動機的動力經過軸、主動輪、壓板、花鍵、從動軸傳給執行機構。

由于轉向助力的工作范圍限定在一定速度區域內，所以離合器一般設定一個速度范圍，如當車速超過30km/h時，離合器便分離，電動機也停止工作，這時就沒有轉向助力的作用。當電動機停止工作時，為了不使電動機及離合器的慣性影響轉向系的工作，離合器也應及時分離，以切斷輔助動力。當系統中電動機等發生故障時，離合器會自動分離，這是仍可恢復手動控制轉向。

圖7 電磁離合器的結構

c.減速機構

目前使用的減速機構有多種組合方式，一般采用渦輪蝸桿與轉向軸驅動組合式；也有的采用兩級行星齒輪與傳動齒輪組合式，如圖8所示。

圖8 雙級行星齒輪減速機構

圖5是渦輪與斜齒輪組合方式。渦輪與固定在轉向輸出軸上的斜齒輪相嚙合，它把電機的回轉運動減速后傳遞到輸出軸上。為了抑制噪聲和提高耐久性，減速機構中的齒輪有的采用特殊齒形，有的采用樹脂材料制成。

(4) 控制系統

電動動力轉向的控制系統方框圖如圖9所示。該系統的核心是一個有4KROM和256 RAM的8位微機。

圖9 電子助力轉向系的控制系統

轉向盤轉矩信號和車速信號經過輸入接口送人微機，隨著車速的升高，微機控制相應地降低助力電動機電流，以減少助力轉矩。發動機轉速信號也被送人微機，當發動機處于怠速時，由于供電不足，助力電動機和離合器不工作。因此，電動動力轉向工作時，電子控制單元必須控制發動機處于高怠速工作狀態。點火開關的通斷(ON/OFF)信號經A/D轉換接口送入微機。當點火開關斷開時，電動機和離合器不工作。微機輸出控制指令經D/A轉換接口送人電動機和離合器的驅動放大電路中，控制電動機的旋轉轉向和離合器的離合。電動機的電流經驅動放大回路、電流表A/D轉換接口反饋給微機，即電動機的實際電流與按微機指令應給的電流相比較，調節電動機的實際電流，使兩者接近一致。

三菱“米尼卡”車的電子助力轉向系如圖10所示，控制系統簡圖如圖11所示。

由圖10和11可知：交流發電機的“L”端子可視為向電子控制單元輸入信號的一個傳感器，利用交流發電機的“L”端子電壓可以判斷發動機是否轉動。當發動機還未發動時，該系統不能工作。

電動機和離合器接受電子控制單元輸出的控制電流，產生助力轉矩，經傳動齒輪減速后，再經過小齒輪實現動力轉向，電動機的動力是通過行星齒輪機構傳遞的。離合器是由電磁鐵和彈簧等組成的電磁離合器。

(作者趙寶平、劉曉雪、鄧飛虎單位：金肯職業技術學院)