淺談汽車機(jī)械電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

英凱

摘要：汽車的轉(zhuǎn)向從機(jī)械式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)到液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)再到電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不斷改進(jìn)，使得汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在駕 駛和能耗方面都有大的飛躍。本文闡述了電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理與分類，結(jié)合電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理 的介紹，我們提出了電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：汽車;機(jī)械電子;助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

一、引言

近幾年，隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)汽車駕駛過程中

舒適性和敏捷性要求也不斷增加。因而，汽車廠家逐步改進(jìn)汽車 的性能。其中，比較明顯的一個(gè)改變是汽車的轉(zhuǎn)向，從機(jī)械式助

力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)到液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)再到電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)不斷改進(jìn)，使得汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在駕駛和能耗方面都有大的飛

躍。電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了車輛在任何情況都可以 輕松轉(zhuǎn)動(dòng)，操作穩(wěn)定性強(qiáng)，使得駕駛汽車的安全度得到了提升。

二、電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用

日本的鈴木早在 1988 之前就投入了對(duì)電子控制電動(dòng)助力轉(zhuǎn)

向系統(tǒng)的研究工作。很快，隨著新一代產(chǎn)品的推出，傳統(tǒng)的液壓 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)很快在世界范圍內(nèi)被淘汰。由于優(yōu)異的的動(dòng)力性

能，電子助力系統(tǒng)在 1993 年用在了愛克 NSX 跑車上，同時(shí)其它 先進(jìn)的車型也都選擇裝載電子助力系統(tǒng)。兩種系統(tǒng)是不同的助力

方式，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作的過程中，就能耗而言，明顯液壓系統(tǒng)的能 耗遠(yuǎn)大于電子助力系統(tǒng)。在汽車工業(yè)快速發(fā)展的進(jìn)程中，由于電

子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)越的性能，眾多的汽車廠家紛紛投 入大量的人力、物力和財(cái)力來研究電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系 統(tǒng)，進(jìn)而推動(dòng)了助力系統(tǒng)的升級(jí)換代。

三、電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理與分類

1.電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理

電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上發(fā) 展起來的，在原先的系統(tǒng)上加上電子控制單元和轉(zhuǎn)向傳感裝置。

汽車在轉(zhuǎn)向的時(shí)候，首先會(huì)被方向盤扭矩傳感器檢測(cè)到，進(jìn)而接 受到指令后傳遞給控制單元，然后控制單元根據(jù)當(dāng)前車輛速度、 轉(zhuǎn)向幅度并發(fā)出對(duì)電機(jī)的指令，電動(dòng)機(jī)再次發(fā)電。不轉(zhuǎn)向時(shí)，電

機(jī)不需要工作。 2.電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分類

電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是根據(jù)電動(dòng)機(jī)的不同部件分 類驅(qū)動(dòng)的，分為小齒輪助力型、轉(zhuǎn)向軸助力型和齒條輔助式三種

不同的類型。小齒輪助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)矩傳感器、 轉(zhuǎn)向助力結(jié)構(gòu)和離合器是一體的。這種小齒輪助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使

得該系統(tǒng)各部件的配置較為合理，但是當(dāng)轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向器之間存 在萬向傳動(dòng)裝置時(shí)，難以保證準(zhǔn)確的助力控制特性。轉(zhuǎn)向軸助力

式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向助力結(jié)構(gòu)和離合器也是一體的。這種 類型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)配置比較緊湊，轉(zhuǎn)矩傳感器所測(cè)得的信

號(hào)和電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的助力之間的相應(yīng)良好，所以多配備在小轎車 上。齒條式動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種比較特殊的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在小齒輪

上會(huì)安裝性能優(yōu)異的扭矩傳感器，設(shè)計(jì)者將其它機(jī)構(gòu)安裝另一 側(cè)，便于能夠直接提供動(dòng)力。根據(jù)減速傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的不同可以將齒

條助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為電動(dòng)機(jī)作為中空的和電動(dòng)機(jī)與齒條的殼 體相互獨(dú)立兩種類型。電機(jī)作為中空時(shí)，齒條會(huì)通過機(jī)架的中空 部分，這種結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng);電機(jī)外殼與機(jī)架相互獨(dú)

立，因其批量生產(chǎn)更加容易，逐漸代替了傳統(tǒng)的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

四、電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)基礎(chǔ) 上，增加信號(hào)傳感裝置、電子控制裝置和轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)。它是利

用電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力來幫助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向。不轉(zhuǎn)向時(shí)，電動(dòng)機(jī) 不工作;轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器檢測(cè)到的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)方向信 號(hào)輸送給控制單元，控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)矩大小及其方向和從車速傳

感器傳來的車速信號(hào)向電動(dòng)機(jī)發(fā)出指令，電動(dòng)機(jī)輸出相應(yīng)大小及 方向的轉(zhuǎn)矩以產(chǎn)生助力。

1.電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分類 根據(jù)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部位的不同，將電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為三類：

轉(zhuǎn)向軸助力式、轉(zhuǎn)向器小齒輪助力式和齒條助力式。 其轉(zhuǎn)矩傳感器、電動(dòng)機(jī)、離合器和轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)組成一體，

安裝在轉(zhuǎn)向柱上。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、所測(cè)取的轉(zhuǎn)矩信號(hào)與控制 直流電機(jī)助力的響應(yīng)性較好。這種類型一般在轎車上使用。小齒

輪助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳感器、電動(dòng)機(jī)、離合器和轉(zhuǎn)向助力機(jī)

構(gòu)仍為一體，只是整體安裝在轉(zhuǎn)向小齒輪處，直接給小齒輪助力， 可獲得較大的轉(zhuǎn)向力。該型式可使各部件布置更方便，但當(dāng)轉(zhuǎn)向 盤與轉(zhuǎn)向器之間裝有萬向傳動(dòng)裝置時(shí)，轉(zhuǎn)矩信號(hào)的取得與助力車 輪部分不在同一直線上，其助力控制特性難以保證準(zhǔn)確。齒條助 力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳感器單獨(dú)地安裝在小齒輪處，電動(dòng)機(jī)與轉(zhuǎn) 向助力機(jī)構(gòu)一起安裝在小齒輪另一端的齒條處，用以給齒條助 力。該類型又根據(jù)減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的不同可分為兩種：一種是電動(dòng) 機(jī)作成中空的，齒條從中穿過，電動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)一對(duì)斜齒輪和螺桿 螺母?jìng)鲃?dòng)副以及與螺母制成一體的鉸接塊傳給齒條。這種結(jié)構(gòu)是 第一代電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由于電動(dòng)機(jī)位于齒條殼體內(nèi)，結(jié)構(gòu)復(fù) 雜、價(jià)格高、維修也很困難。另一種是電動(dòng)機(jī)與齒條的殼體相互 獨(dú)立，電動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)另一小齒輪傳給齒條，由于易于制造和維修， 成本低，已取代了第一代產(chǎn)品。因?yàn)辇X條由一個(gè)獨(dú)立的齒輪驅(qū)動(dòng)， 可給系統(tǒng)較大的助力，主要用于重型汽車。

2.轉(zhuǎn)矩傳感器 轉(zhuǎn)矩傳感器用來檢測(cè)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)矩和方向，采用電位計(jì)式傳

感器。它輸出兩個(gè)彼此獨(dú)立的電壓信號(hào)：主信號(hào)和副信號(hào)，控制單 元用副信號(hào)來檢查主信號(hào)是否正確。電控助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳 感器主要有三種形式：擺動(dòng)桿式、雙行星齒輪式和扭桿式。擺動(dòng)

桿式是通過測(cè)量由轉(zhuǎn)向器小齒輪軸反作用力矩引起的擺桿位移 量得到轉(zhuǎn)向力矩的。雙行星齒輪式是通過測(cè)量與扭桿相連的兩套

行星齒輪的相對(duì)位移得到轉(zhuǎn)向力矩信號(hào)值，扭桿位于轉(zhuǎn)向輸入軸 和輸出軸之間，行星齒輪機(jī)構(gòu)也兼起減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用。扭桿

式是通過扭桿直接測(cè)量輸入軸和輸出軸的相對(duì)位移，從而測(cè)得轉(zhuǎn) 向力矩

五、電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展了近 30 年的時(shí)間，在降 低系統(tǒng)自重、減少能量消耗、降低系統(tǒng)摩擦力以及減少內(nèi)部系統(tǒng)

產(chǎn)生的熱量等方面都取得了很大的進(jìn)步。由于電子控制式電動(dòng)助 力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在舒適、節(jié)能、安全等方面有其獨(dú)特的優(yōu)越性，其未

來的發(fā)展趨勢(shì)是非?？捎^的。

①在控制方面進(jìn)一步改善，使之能夠消除由于巨大慣性和摩 擦力所導(dǎo)致的路感不足的缺點(diǎn)，并能將之運(yùn)用在重型貨車上;②

將電子控制式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與其他單元之間聯(lián)系在一起，向控制

系統(tǒng)一體化發(fā)展;③提高系統(tǒng)各元部件的可靠性，使整個(gè)系統(tǒng)變 得更為可靠;④簡(jiǎn)化電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，減少占用體

積和生產(chǎn)成本。

六、結(jié)語

電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車市場(chǎng)上得到了極大的 關(guān)注，在滿足人們對(duì)于操作性能、安全、節(jié)能、節(jié)約成本等方面

的要求。世界各汽車公司都對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了不斷的完善，從而滿 足人們更高的需求。但是從其發(fā)展前景上來看，電子控制式電動(dòng) 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還有著很大的發(fā)展空間，比如應(yīng)用在重型卡車時(shí)，

系統(tǒng)的可靠性能夠明顯增大。但還是需要不斷降低生產(chǎn)成本，使 其更容易生產(chǎn)，進(jìn)而能夠使得電控制電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)得到更廣

泛的應(yīng)用。

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