汽車電動助力轉向系統的發展

何琳

摘要：隨著汽車安全性、舒適性、節能性和環保性要求的提高，電動助力轉向系統在汽車中得到廣泛應用。為了解決新車開發早期電動助力轉向系統的選擇和設計問題，分析了不同類型和結構電動助力轉向系統的特點和應用，闡述了電動助力轉向系統的關鍵技術和發展趨勢。

關鍵詞：汽車；轉向系統；電動助力

汽車轉向系統大致經歷了無助力的純機械轉向（MS）、有液壓助力的液壓助力轉向（HPS）、隨車速改變助力大小的電控液壓助力轉向（ECHPS）、由電動機直接驅動轉向油泵的電動液壓助力轉向（EHPS）、純粹靠電動機提供助力的電動助力轉向（EPS）、可變傳動比轉向系統（VGRS）等發展歷程。專家們預測，未來汽車轉向系統的發展趨勢是線控轉向（SBW），即取消方向盤與轉向車輪之間原有的機械連接，而改用控制信號代替的一種電動轉向系統。本文探討EPS的發展及原理等。

1電動助力式轉向系統概述

電動助力式轉向系統是轉向系統發展中一項重要的技術。它將電子技術與汽車機械技術良好地結合，完成了許多以前看來不可能的任務，例如簡化系統、性能優良、側面影響小和花費低，是一種直接依靠電力、不需要液壓系統就能提供輔助扭矩的助力轉向系統。該系統主要由扭矩傳感器、轉角傳感器、車速傳（可與其它系統共用）、電動機、減速機構和電子控制單元ECU等組成，助力大小由ECU控制。裝在轉向器上的轉角傳感器和扭矩傳感器測得轉向盤的角位移和作用于其上的力矩，ECU根據這2個信號，并結合車速信息，按照一定的算法，控制電動機產生相應的力矩，來輔助駕駛員轉動轉向盤。

2 EPS的工作原理及分類

2.1基本結構與工作原理

EPS是一種直接依靠電機提供輔助扭矩的動力轉向系統。不同類型的EPS基本原理是相同的：扭矩傳感器與轉向軸（小齒輪軸）連接一起，當轉向軸轉動時，扭矩傳感器開始工作，把輸入軸和輸出軸在扭桿作用下產生的相對轉動位移變成電信號傳給ECU，ECU根據車速傳感器和扭矩傳感器的信號決定電動機的旋轉方向和助力電流的大小，從而完成實時控制助力轉向。

2.2 EPS的分類

根據電動機安裝位置不同可將EPS分為三類：轉向柱助力式、齒輪助力式、齒條助力式。轉向柱助力式EPS的電動機固定在轉向柱一側，通過減速機構與轉向軸相連，直接驅動轉向軸轉向。齒輪助力式EPS的電動機和減速機構與小齒輪相連，直驅動齒輪轉向。齒條助力式EPS的電動機和減速機構安裝在齒條處直接驅動齒條提供助力。

3 EPS的特點

（1）具有隨車速變化的最佳助力效果。將不同車輛的助力特性曲線做成數據表格存入ECU的ROM，工作時，ECU根據扭矩和車速信號快速查閱該表，得出電動機所需助力電流，加以修正后得目標電流，用來控制電動機的助力大小，且由電流傳感器進行反饋控制，控制效果精確。二次設計開發時，只需修改程序，就能滿足新的要求，所以可大大縮短研發周期。

（2）節約能源，保護環境。EPS是按需工作型的轉向系統，電動機只在需要時才工作。由于沒有液壓回路，與EHPS相比，EPS避免了液壓損失、泄漏和液壓油對環境的污染，其節能性能、環保性能都比EHPS好。

（3）零件簡化。只靠電動機直接提供助力，取消了油泵、皮帶、皮帶輪、液壓管路、液壓油和密封件等，可靠性增加。沒有液壓油，且低溫工作性能好。電氣元件的檢測維修、更換方便。

（4）EPS采用機械連接，路感真實、直接、可靠，系統發生故障時，機械部分仍能可靠操縱轉向，不需要另設計一套應急轉向系統。但汽車碰撞時，方向盤對駕駛員的傷害較大，且一般的EPS都沒有改變轉向傳動比，沒有解決低速時轉向靈活性、機動性（要求傳動比小）與高速時方向穩定性、安全性（要求傳動比大）的矛盾。

4 EPS的關鍵技術

4.1控制器硬件開發

控制器是EPS系統核心部件，控制器硬件直接影響到汽車EPS系統可靠性和汽車安全。EPS控制器對工作環境要求較高，尤其是布置在發動機艙內的控制器必須保證在-40～130℃甚至更高的溫度下穩定工作；同時控制器要求具有較高的密封和振動特性；另外，EPS在工作的過程中會產生較大的電流突變，并且EPS工作在較高電磁干擾環境.

4.2控制策略開發

EPS系統是一個非線性和多輸入多輸出控制系統，其控制策略設計要求：1）對駕駛員操縱扭矩快速精確跟蹤，實現基本助力特性；2）良好的路感；3）有效抑制助力電機扭矩波動；4）減小路面干擾和傳動系誤差等對系統性能的影響；5）控制系統的魯棒性。

4.3助力電機

助力電機對EPS性能影響很大，是EPS的關鍵部件之一，所以EPS對助力電機有很高的要求。隨著EPS逐漸在中高級轎車上的運用，要求助力電機具備低轉速大扭矩、慣量小、扭矩波動小、體積小及噪聲小等性能要求.

4.4減速傳動機構

助力電機為高速低扭矩輸出，因此EPS必須對其進行減速增扭處理。目前EPS中常見的減速機構為蝸輪蝸桿，蝸輪蝸桿減速機構由于其體積小和減速比大，在EPS上得到廣泛運用，但其傳動效率較低和磨損嚴重等因素成為影響EPS性能的重要因素.

5 EPS未來的發展趨勢

（1）控制性能的加強。EPS能否獲得滿意的性能，除了應有好的硬件保證外，還必須有良好的控制軟件做支撐。隨著智能控制技術的進一步發展，智能控制技術必將應用于EPS的開發。

（2）合理助力特性的確定。助力特性的好壞取決于轉向的輕便性和路感。對于路感問題國內外還沒有成熟的理論研究結果，研究手段還以試驗為主。

（3）電動機性能的改善。電動機的性能是影響控制系統性能的主要因素，電動機本身的性能及其與EPS的匹配都將影響轉向操縱力、轉向路感等重要問題。

（4）系統可靠性的提高。EPS通過采用電動機和計算機控制系統，部分地將轉向操作獨立于駕駛員的控制.

6結束語

電動助力轉向系統的應用已經成為助力轉向系統的一個轉折點和總趨勢。以電力為驅動輔助力的能源，完全避免了傳統助力系統和電控液壓助力系統的缺點，符合“綠色、環保、熟練”的時代潮流，必將成為未來助力系統發展的中流砥柱。

參考文獻：

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[2]左麗，李夏青，吳文江.電動助力轉向系統穩定性分析[J].北京汽車，2006，03：20-23.

（作者單位：奇瑞商用車（安徽）有限公司）