基于汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理研究

陳 強(qiáng)，高天智，何宛芯，胡澤華，陸健發(fā)

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222）

關(guān)鍵字：工作原理；基本組成；性能優(yōu)勢；系統(tǒng)類型；控制技術(shù)；未來趨勢

前言

隨著科技的進(jìn)步，各類汽車產(chǎn)品的更新迭代，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取得了不錯的成就。生活品質(zhì)的提升使得人們越來越注重汽車的安全性、舒適性、便捷性和可靠性。而汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車主動安全性能的一個代表性操作系統(tǒng)，更是行車安全中的重中之重[1]。所以，我們對汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究是十分有必要的。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是否良好，是衡量一輛汽車的主動安全性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，怎樣設(shè)計(jì)好汽車的轉(zhuǎn)向性能和操作穩(wěn)定性能，是現(xiàn)今有關(guān)車輛行駛過程中轉(zhuǎn)向的重要研究課題。在汽車行駛過程中，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）能很大程度地提升汽車行駛中駕駛?cè)藛T的舒適性、平穩(wěn)性與安全性，是目前各大汽車公司重點(diǎn)的研究對象之一。

1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是通過系統(tǒng)中配置的電動機(jī)來為汽車轉(zhuǎn)向提供輔助力的一種動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[2]。該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和傳統(tǒng)的機(jī)械式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比較，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有更好的性能和優(yōu)勢。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理是通過傳感器測量采集作用在輸入軸的力矩大小，然后電子控制單元（ECU）根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器與車速傳感器采集過來的有關(guān)信號去控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)向和助力電機(jī)的助力電流大小。最后電動機(jī)的力矩通過減速機(jī)構(gòu)和離合器等作用到小齒輪中去，從而達(dá)到為汽車駕駛員提供車輛轉(zhuǎn)向助力的效果，實(shí)現(xiàn)車輛電動助力轉(zhuǎn)向。讓汽車的變向和行駛更加輕松省力。并且電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)會通過ECU進(jìn)行實(shí)時分析控制，車速變低的時候它的助力就會增加，車速變高的時候助力就會減少[3]。并且當(dāng)車輛的行駛速度超過規(guī)定范圍的數(shù)值時，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就會關(guān)閉電動助力，并通過控制電動機(jī)來反向制動汽車。從而使汽車在較高車速下行駛的過程中能增加車輛駕駛員操作方向盤的手感，確保車輛在行駛過程中的行車安全。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)本身是一個較為復(fù)雜的系統(tǒng)，很容易受到多個方面的影響。例如車速傳感器與轉(zhuǎn)矩傳感器等采集傳輸?shù)臄?shù)據(jù)精度和數(shù)據(jù)傳輸速度。車輛行駛過程中的路面情況等各方面因素都會在一定程度上影響到汽車上的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，所以電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對傳感器采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時性和準(zhǔn)確性的要求相較于傳統(tǒng)的機(jī)械式助力轉(zhuǎn)向，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來說要求會更加嚴(yán)格精細(xì)。

2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本構(gòu)成

目前汽車的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的機(jī)械助力轉(zhuǎn)向和液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展而來的。該系統(tǒng)利用電動機(jī)產(chǎn)生的動力來協(xié)助汽車駕駛員進(jìn)行車輛轉(zhuǎn)向的相關(guān)操作[4]。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由三大部分組成：信號采集傳感部分、轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)部分、電子控制部分。

其一為信號傳感裝置，該部分包括了扭矩傳感器、車速傳感器與轉(zhuǎn)角傳感器；其二為轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)，這部分是由電動機(jī)、離合器和減速傳動機(jī)構(gòu)組成；其三為電子控制部分，值得注意的是，系統(tǒng)的電動機(jī)只有在車輛需要轉(zhuǎn)向助力時才進(jìn)行工作，車輛駕駛員在控制方向盤時，扭矩傳感器和轉(zhuǎn)角傳感器根據(jù)方向盤傳遞過來的扭矩大小和轉(zhuǎn)向的角度來產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號。車速傳感器實(shí)時測量傳遞相關(guān)的車速信號給電子控制部分，電子控制單元根據(jù)傳遞過來的電壓大小和車速信號，給出對應(yīng)的控制命令來使電動機(jī)轉(zhuǎn)動，從而為駕駛員提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)向助力。

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要的傳感器有扭矩、車速和轉(zhuǎn)角這三個，它們在系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的信息采集與傳遞功能。

扭矩傳感器：是通過對車輛駕駛?cè)藛T施加到方向盤傳感器的力矩大小計(jì)算出具體需要提供多大的轉(zhuǎn)向助力力矩，采集記錄有關(guān)數(shù)據(jù)并提供給電子控制單元。

車速傳感器：是用來測量車輛行駛時的車速，并將測量到的有關(guān)車速數(shù)據(jù)信號準(zhǔn)確而迅速地傳遞到汽車的電子控制單元，進(jìn)而分析車輛目前是否需要助力的傳感器。

轉(zhuǎn)角傳感器：轉(zhuǎn)角傳感器是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一個關(guān)鍵傳感器，它不僅需要實(shí)時的檢測方向盤的具體轉(zhuǎn)動角度，準(zhǔn)確記錄并快速傳遞給控制單元，為控制單元提供采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)并和其他傳感器傳遞過來的信號一起作為電子控制單元控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)提供對象。

電動機(jī)：為車輛轉(zhuǎn)向提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)向動力，并且它只在車輛需要助力的時候才進(jìn)行工作，根據(jù)電子控制單元發(fā)出的命令來工作，提供轉(zhuǎn)向助力。

減速機(jī)構(gòu)：其具有減速和增加轉(zhuǎn)矩的相關(guān)功能，降低車輛行駛速度并增加輸出的扭矩大小，為電動機(jī)輸出的動力提供一定的控制，輔助電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力。

電子控制單元：電子控制單元是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件[5]，通過各個傳感器傳遞過來的數(shù)據(jù)信號，來進(jìn)行分析、計(jì)算和控制，從而使電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)向助力的功用。

3 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)勢

（1）只有在車輛進(jìn)行轉(zhuǎn)向的時候電動機(jī)才進(jìn)行轉(zhuǎn)向助力，在很大程度上降低了車輛燃油的消耗。

（2）提供的助力大小可以進(jìn)行實(shí)時對的調(diào)控，能夠?qū)囕v高低速行駛的不同狀況進(jìn)行分析控制，有效提高車輛轉(zhuǎn)向便捷性和穩(wěn)定性。

（3）結(jié)構(gòu)布置更為緊湊，質(zhì)量更小，且性能更高，易于拆裝維護(hù)保養(yǎng)。

（4）更容易和不同的車型進(jìn)行配對，大為縮短產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)周期，且提高了轉(zhuǎn)向的性能。

4 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型發(fā)展比較完善的有機(jī)械式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電子液壓式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三種類型。機(jī)械式和液壓式性能相交于電動助力的來說要弱一些，所以目前采用的多為電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[6]。

4.1 機(jī)械助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

機(jī)械助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是通過車輛駕駛者自身的力量作為轉(zhuǎn)向的動力來源，所有的部件都是機(jī)械結(jié)構(gòu)形式，在液壓和電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)前使用廣泛，長時間的駕駛對車輛駕駛?cè)藛T負(fù)擔(dān)較大。

4.2 電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向泵是由電動機(jī)來進(jìn)行驅(qū)動的，同樣使用電子控制，其轉(zhuǎn)向輔助力的大小和方向盤轉(zhuǎn)過的角度、車輛的速度都有關(guān)聯(lián)。該轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)加裝了液壓裝置，它和純機(jī)械式的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對比來說是提高了不少的性能，相對省力。

4.3 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在車輛行駛過程中提供實(shí)時迅速改變的助力，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正在成為當(dāng)代汽車的一個主流助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是不用發(fā)動機(jī)的動力的，和機(jī)械助力、液壓助力相比較，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)減輕了整個系統(tǒng)的質(zhì)量、減少了汽車燃油的消耗、降低了制造成本，并且使維修保養(yǎng)更加便捷省時。

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)目前主要發(fā)展以下三種類型，分別為轉(zhuǎn)向軸助力式、齒輪助力式和齒條助力式，分類如圖1所示。

圖1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

4.3.1 轉(zhuǎn)向軸助力式

轉(zhuǎn)向軸助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各個機(jī)構(gòu)都安裝在它的轉(zhuǎn)向軸上。結(jié)構(gòu)更加緊湊，助力的速度更快。只是其電動機(jī)的體積會更小一些，輸出的扭矩不大，一般情況下用在偏小型的車輛上。

4.3.2 齒輪助力式

齒輪助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)整體布置在小齒輪處，直接為小齒輪提供助力，因此會有更大的轉(zhuǎn)向動力。它通常用在中型的車輛之中。它的布置方式更加簡單，方便維修養(yǎng)護(hù)。

4.3.3 齒條助力式

齒條助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向軸式、齒輪助力式的不同之處在于它的轉(zhuǎn)矩傳感器是單獨(dú)放置在小齒輪處，電動機(jī)和助力機(jī)構(gòu)則安放在其小齒輪另一邊的齒條處，用來對齒條進(jìn)行轉(zhuǎn)向助力。齒條助力式的布置方式更加簡單，在車輛中布置起來十分便捷。和其他的助力系統(tǒng)來對比，其能提供較大的轉(zhuǎn)向助力，所以主要應(yīng)用在大型車輛之中。

5 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制技術(shù)

工作期間，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)會受到多方因素影響：環(huán)境對其造成的干擾較大，路面，電磁干擾等都會使傳感器采集到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差，從而使助力效果與預(yù)期狀態(tài)產(chǎn)生出入。這些問題使得EPS控制技術(shù)需要不斷發(fā)展提高，控制技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，EPS相關(guān)控制策略的選擇也會越來越嚴(yán)格。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的相關(guān)控制技術(shù)也會愈加成熟。程序流程圖如圖2所示。

圖2 程序流程圖

6 未來發(fā)展趨勢

EPS的成本高于傳統(tǒng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，但安全性、舒適性、可靠性也更加優(yōu)秀，加上各大車企都制定了對應(yīng)的規(guī)定和措施，使得電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車行業(yè)中具備自己相應(yīng)的價值。在將來會有越來越多的汽車使用電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)向助力，該系統(tǒng)也會經(jīng)由各個方面的先進(jìn)技術(shù)不斷促進(jìn)自身發(fā)展。

7 結(jié)束語

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在不同車速狀態(tài)下通過電子控制單元計(jì)算分析并控制電動機(jī)產(chǎn)生對應(yīng)的轉(zhuǎn)向助力，使車輛在行駛過程中能讓駕駛?cè)藛T更加輕松省力的控制方向。因此可以有效提高汽車安全性，舒適性，進(jìn)而得到一個更好的駕駛體驗(yàn)。本文旨在研究電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理特性，對其的分析設(shè)計(jì)具有一定參考價值。