电动助力转向系统

第1章绪论
1.1电动助力转向系统概述
随着科学技术的飞速发展，汽车各方面的性能都有了很大的发展，但同时人们对汽车的性能也有了更高的要求。

为了取得更好的汽车性能，充分利用机械和电子两方面的优势，提供机电一体化的解决方案，日益被业界人士推崇为有效的应对策略。

虽然汽车是机械技术的完美再现，但是由于机械技术在短期内不会再有很大的突破，而电子技术正越来越体现出其相对而言更优越的地方，所以研制机、电相结合的汽车相关部件正成为当前的主要趋势。

转向系统作为汽车的一个重要组成部分，也同样顺应这样的发展趋势。

就目前而言，应当说也已经找到了比较完美的解决方案。

汽车助力转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构。

其作用是使汽车在行驶过程中能够按照驾驶员的意图，适时地改变其行驶方向，能与行驶系统配合共同保持汽车持续稳定地行驶。

汽车方向盘助力系统经历了从机械助力到液压助力(hydraulic Power steering HPS)再到电子液压助力系统(electric hydraulic power steering EHPS)这三个阶段的演变。

经过多年的探索，电动助力转向（Electric Power Steering ，简称EPS）作为一种全新的动力转向模式走入了业界的视野，并且很快成为动力转向系统研究与开发的的热点。

由于电动助力转向系统相对于液压动力转向系统有着诸多的优点，因此电动助力转向系统及其相关配套的部件的研究与开发正愈来愈备受各主要汽车生产企业的青睐。

电动助力转向系统（EPS，Electric Power Steering）是未来转向系统的发展方向。

该系统由电动助力机直接提供转向助力，省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮，既节省能量，又保护了环境。

另外，电动助力转向系统还具有调整简单、装配灵活以及在多种状况下都能提供转向助力的特点。

正是因为由于有了这些优点，电动助力转向系统作为一种新的转向技术，部分取代了液压动力转向系统(Hydraulic Power Steering，简称HPS)。

电子控制技术在汽车动力转向系统中的应用，使汽车的驾驶性能达到令人满意的程度。

电动助力转向系统(EPS)在汽车低速行驶转向时减轻转向力使转向轻便、灵活；在汽车
高速行驶转向时，适当加重转向力，从而提高了高速行驶时的操纵稳定性，增强了“路感”。

不仅如此，EPS的能耗是HPS能耗的1／3以下，且前者比后者使整车油耗下降可达3％—5％。

因而，EPS将成为汽车传统转向系统想的升级换代产品。

1.2 电动助力转向系统（EPS）的特点
1.2.1助力特性
早期的EPS在车速高于设定值时，EPS停止工作，属于低速型。

现在研究多的是在全速型的EPS，它在任何车速下都提供助力，既兼顾了低速时的操纵灵活性，也实现了高速时的操纵稳定性，但系统控制算法相对复杂。

由于电动机具有弹簧阻尼的效果，EPS能减少路面不平对转向盘的冲击力和车轮质量不平衡引起的振动，故EPS能够更好的抑止路面的冲击。

另外，EPS还能提高停车泊位时的助力跟随特性，电动机在起动时力矩最大，然后逐渐降低，这一特性非常符合汽车从静止到起动过程的转向力变化。

1.2.2 操纵灵活性与稳定性
汽车驾驶操作灵活性与稳定性体现在停车泊位、低速行驶以及高速行驶时的转向性能。

以前，人们常将转向系统设计成变传动比，在转向盘小转角时以灵位主，在转向盘大转角时以轻为主，但灵的范围只在转向盘之间位置附件，仅对高速行驶有意义，并且传动比不能随车速变化，因此，这种方法不能从根本上解决这一矛盾。

EPS的引入可以较好的解决上述矛盾，在EPS控制系统中，可以通过完善控制算法在不同工况下提供相应的助力特性，并且具有较大的灵活性，能通过修改相应控制参数达到调整修改控制输出特性。

图1-1所示为Alto汽车有EPS和无EPS时的原地转向曲线，转向系统为柱助力式，前轴负荷为4kN，电动机最大电路为20A。

由图知装配EPS后，原地转向力矩下降了40％。

图1-1 Alto汽车有EPS和无EPS时的原地转向曲线
1.2.3 增强了转向跟随性
在电动助力转向系统中，电动机与助力机构直接相连可以使其能量直接用于车轮
的转向。

该系统利用惯性减振器的作用，使车轮的反转和转向前轮摆振大大减小，因此转向系统的抗扰动能力大大增强，和液压助力转向系统相比，旋转力矩产生于电动机，没有液压助力系统的转向迟滞效应，增强了转向车轮对转向盘的跟随性能。

1.2.4 节能环保
试验表明，EPS还具有高效节能和环保的优点。

与传统的液压助力转向系统相比，没有系统要求的常运转转向油泵，而且电动机只是在需要转向时才接通电源，所以动力消耗和燃油消耗均可降到最低，还消除了由于转向油泵带来的噪音污染。

在不转向情况下，装有EPS的汽车燃油消耗降低了2.5％，在使用转向情况下，降低了5.5％。

有研究表明，由同一驾驶员操作1．6L前轮驱动分别装备EPS和HPS的轿车，行驶路况以郊区道路为主，以市区、山区等道路为辅，平均行驶速度在40km／h情况下，EPS比HPS 节省燃料5.5％。

此外，EPS的重复利用率高，组件的95％可以再回收利用，而传统的液压助力转向系统的回收利用率却只有85％。

1.2.5 安全性
EPS系统控制的核心ECU具有故障自诊断功能，当ECU检测到某一组件工作异常，如系统各传感器、电动机、电磁离合器、电源系统及汽车点火系统等，便能立即控制电磁离合器分离，停止助力，显示相应故障代码，转为手动转向，按普通转向控制方式工作，以确保行车安全可靠。

1.3 课题的目的及意义
本论文的目的在与通过研究电动助力转向系统的基本组成和工作的原理，旨在能够解决EPS系统的转向性能，能够简化汽车的转向系统、使其结构更紧凑、同时削除减速齿轮、电机等使转向系的惯性力及摩擦力，降低成本减少对环境的污染。

汽车转向性能是汽车的主要性能之一，转向系统的性能直接影响到汽车的操纵稳定性，它对于确保车辆的安全行驶，减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全和改善驾驶员的工作条件都起着极其重要的作用。

本课题研究的汽车助力转向系统就是一种直接依靠电动机提供辅助转矩的助力转向系统。

它提高了汽车的安全性能，减轻了驾驶者的操纵里，降低了驾驶员的驾驶负担，同时也提高了汽车的安全性。

电动主力转向系统在发展初期，只是作为液压助力转向的替代品，应用在减少油耗并难以安装液压助力转向系统的微型车上。

自1988年2月开始，由日本铃木公司首次在起Cervo车上装备，在此之后，电动转向技术就得到了迅速的发展。

经过近几20年的研究，现在EPS技术已经日趋完善。

其应用范围已经从最初的微型轿车向更大型轿车
和商用客车方向发展，EPS的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也进一步增强。

新一代的EPS则不仅在低速和停车时提供动力，而且还能在高速时提高汽车的操纵的稳定性。

电动助力转向系统自从20世纪80年代中期提出後，作为今后汽车转向系统的发展方向，必将取代现有的机械转向系统和液压助力转向系统。

现在国际上各大的汽车零部件公司，都将对它的研究作为研究开啊工作的重点。

EPS具有非常广阔的市场前景，据专家预测，EPS的年产量正以10%的速度递增，到2009年预计将达到3000万套，安此速度发展，EPS不久将占领去不轿车市场。

目前，国外电动助力转向的研究已经体现出实际的应用价值，在部分中高档轿车和高级轿车上已经得到应用，在中型车辆和重型车辆的应用也处于研究阶段。

1.4 国内外的研究现状分析
电动助力转向系统是于20世纪80年代中期提出来的。

由于电动助力转向系统具有很多优点，国外许多汽车及零部件生产厂商纷纷致力于该技术的研究。

1988年2月日本铃木公司首次在其Cervo车上装备电动助力转向(EPS)，随后还用在了其Alto车上。

在此之后，电动助力转向技术如雨后春笋般得到迅速发展。

1993年，本田汽车公司首次将电动助力转向系统装备于大批量生产的，在国际市场上同法拉力和波尔舍竞争的NSX 跑车上。

同时在欧美市场上，美国的Delphi汽车公司、德国的ZF汽车公司等，都相继推出了各自的电动助力转向系统。

如今，大发汽车公司的Mira车、三菱汽车公司的Minica车、大众的Polo,欧宝的3181以及菲亚特的Punt。

都装备了电动助力转向系统。

随着高级轿车对转向器提出的性能上的更高要求，近几年国外开发出了更为成熟的电动式动力转向器，凌志、皇冠等高档轿车，已经使用了电动助力转向系统，该装置优于普通的动力转向器，在不同车速下可通过转向ECU自动调节转向盘的操作力，在低速行驶或车辆就位时，驾驶员只需用较小的操作力就能灵活进行转向;而在高速行驶时，则自动控制使操作力逐渐增大，实现操纵的稳定性。

德尔福汽车系统公司，1998年开发了全新的电动式转向器系统，它可分别在齿条、齿轮或转向轴上施加助力。

英国汽车制造商Lucas公司，1998年研制的电动式转向器投入批量生产，该装置最大优点是燃油附加损耗极低，只有手动式的0.5%，相比之下，电动液压助力系统的损耗为2%，全液压助力系统损耗为8%。

与国外相比，我国的电动助力转向研究还是空白，自2000年昌河北斗星装备EPS之后，掀开了国内汽车转向器历史上新的一页，带动了国内电动助力转向系统的研究开发的热潮，目前国内已经有几十家大专院校和国营、民营企业开发改产品，并取得了一定的进展。

但由于国外对该项技术的技术封锁且对转向速度、横向加速度等技术关联控制方面的问题尚需解决与改善，国内对EPS的研究主要是对国外EPS样件的实验摸索
中进行防止与确认，虽然各方面对电动助力转向的研究大量投入，已经部分产品已经开始装车调试，单由于对于该项技术的控制理论和控制原理并未完全掌握，因此EPS 研制的工作尚需进行实验确认，EPS的批量国产化生产的工作还有一个摸索的过程。

因此我们还应加大对EPS的研究。

1.5 本论文的主要研究内容
本论文通过对汽车电动助力转向系统的研究，分析了EPS的基本结构组成以及其工作原理，并对其基本结构进行分析，研究EPS的关键零部件以及主要的功能机构，从而对EPS的总体方案进行设计，并对其的关键部位进行了设计与计算。

主要的研究内容如下：
1、分析EPS的基本结构组成、工作原理，及其关键技术
2、对EPS的受力进行分析及其助力分析
2、进行EPS总体方案进行设计、比较、优化
3、进行结构设计，参数计算和关键零部件的设计与计算
第2章电动助力转向系统（EPS）的结构及受力分析
2.1 电动助力转向系统的结构及关键部件
2.1.1 EPS的主要结构
EPS的组成包括以下5个部分，如图2-1所示。

a．转矩传感器和车速传感器转矩传感器用来测量驾驶员作用在转向盘上的力矩大小与方向，以及转向盘转角的大小和方向，输出为0-5 V的模拟电压信号。

转向盘在中间位置时输出2．5 V电压，转向盘向右转输出电压为2．5～5 V，转向盘向左转输出电压为0-2．5 V。

车速传感器用来测量汽车行驶速，输出为数字电压信号。

b．永磁同步电动机根据电子控制单元的指令输出适宜的辅助转矩，是EPS的动力源。

例如，用于1．6 L以下汽车的电动机，功率：300 W ；助力转矩：1～25 Nm (最大输出电流35 A)。

用于2．0L汽车的电动机，功率：400 W；助力转矩： 1-32 Nm(最大输出电流45 A)。

c．减速机构减速机构通过离合器与电动机相连，起减速增矩作用，常采用蜗轮蜗杆机构，也有采用行星齿轮机构，离合器装在减速机构一侧是为了保证EPS只在预先设定的车速(如：0-45 km／h)范围内起作用。

d．电子控制单元(ECU) ECU的功能是根据转矩传感器信号和车速传感器信号，进行逻辑分析与计算后发出指令，控制电动机和离合器的动作。

此外，ECU还有安全保护和自我诊断功能。

e．蓄电池电源给整个EPS提供电力。

图2-1 EPS的组成框图
2.1.2 EPS的工作原理
电动助力转向系统是在传统机械转向机构基础上，增加信号传感器装置、电子制装置和转向助力机构等构成的。

电动助力转向系统的功能着眼点是使用电力驱动执行机构实现在不同的驾驶条件下为驾驶人员提供适宜的辅助力。

系统主要由以下几个部分组成：电子控制单元（ECU）、车速传感器和扭矩传感器、伺服电动机、变速机构和转向柱总成等。

具体的工作情形是：汽车处于起动或者低速行驶状态时，操纵方向盘转向，装在转向柱上的扭矩传感器不断检测作用于转向柱扭杆上的扭矩，并将此信号与车速信号同时输入电子控制器，处理器对输入信号进行运算处理，确定助力扭矩的大小和方向，从而控制电动机的电流和转向，电动机经离合器及减速机构将扭矩传递给牵引前轮转向的横拉杆，最终起到为驾驶人员提供辅助转向力的功效；当车速超过一定的临界值或者出现故障时，EPAS系统退出助力工作模式，转向系统转入手动转向模式。

不转向的情况下，电动机不工作。

电动助力转向系统很容易实现在不同的车速下实时的为汽车转向提供不同的助力效果，保证汽车在低速行驶时轻便灵活，高速行驶时稳定可靠。

2.1.3 EPS的关键部件介绍
EPS系统的关键部件包括：扭矩传感器、车速传感器、助力电动机、电磁离合器、减速机构和电子控制单元等。

1、扭矩传感器和车速传感
扭矩传感器的作用就是测量转向盘与转向器之间的相对扭矩，以作为电动助力的依据之一。

车速传感器的功能是测量汽车的行驶速度。

这些信号都是EPS的控制信号。

扭矩测量系统比较复杂且成本较高，所以精确、可靠、低成本的扭矩传感器是决定EPS 能否占领市场的关键因素之一。

电控助力转向系统的扭矩传感器主要有三种形式：摆动杆式、双行星齿轮式和扭杆式。

摆动杆式是通过测量由转向器小齿轮轴反作用力矩引起的摆杆位移量得到转向力矩的。

双行星齿轮式是通过测量与扭杆相连的两套行星齿轮的相对位移得到转向力矩信号值，扭杆位于转向输入轴和输出轴之间，行星齿轮机构也兼起减速传动机构的作用。

扭杆式是通过扭杆直接测量输入轴和输出轴的相对位移从而测得转向力矩。

除了上述形式的扭矩传安琪外，也有采用非接触式扭矩传感器。

非接触式扭矩器种类比较多，汽车上常用除了上述形式的扭矩传感器以外传感器中有一对磁极环，其原理是：当输入轴与输出轴之间发生相对扭转位移时，磁极环之间的空气间隙发生变化，从而引起电磁感应系数变化。

非接触式扭矩传感器体积小，精度高，但成本较高。

实验中通过力矩传感器获得方向盘作用力的大小和方向的电压信号，并把它输送到ECU。

车速传感器主要用来检测汽车的行驶速度，车速传感车速传感器是电磁感应式
传感器，安装在变速箱上。

该传感器根据车速的变化，把脉冲信号传送给ECU，ECU 根据单位时间内测量到的脉冲数目来计算出汽车车轮的旋转速度，从而根据汽车车轮的半径、车轮的气压等参数计算出汽车前进的速度。

2、助力电动机
EPS的电动机的功能是根据电子控制单元的指令输出适宜的辅助扭矩，是EPS的动力源，多采用无刷永磁式直流电动机。

电动机对EPS的性能有很大的影响，是EPS 的关键部件之一，所以EPS对电动机有很高的要求，不仅要求低转速大扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻、而且要求可靠性高、易控制。

为了改善操纵感、降低噪声和减少振动，设计时常针对EPS的特点，对电动机的结构做一些特殊的处理，如：沿转子的表面开出斜槽或螺旋槽，定子此帖设计成不等厚等。

3、减速机构
EPS的减速机构与电动机相连，它的作用是降低转速增加扭矩。

减速比的大小和电动机的功率、转动惯量和前桥载荷有关。

常采用蜗轮蜗杆机构，也有采用行星齿轮机构。

有的EPS还配用离合器，装在减速机构一侧，是为了保证EPS只在预先设定的车速行驶范围内起作用。

当车速达到某一值时，离合器分离，电动机停止工作，转向系统转为手动转向。

另外，当系统出现故障时，电磁离合器断开，切断了动力传递路线，此时机械式转向方式无需带电机转向，既保证了安全，又不使转向费力。

4、电磁离合器
电动式EPS中的电磁离合器主要起到安全保护的作用，当EPS系统发生故障、助力电动机工作电流过大等情况下，电磁离合器会及时切断，汽车仍可以以传统的机械转向装置进行工作，以保证整个系统和行车的安全。

为了不使电动机和电磁离合器的惯性映像转向系的工作，离合器应及时分离，以切断辅助动力。

5、电子控制单元（ECU）
电子控制单元（ECU）的功能是根据扭矩传感器和车速传感器的信号，进行逻辑分析与计算，发出指令，控制电动机和离合器的动作。

因此，控制系统和控制算法是电动助力转向系统的关键之一。

控制系统应有强抗干扰能力，以适应汽车多变的行驶环境，控制算法应快速正确，满足实时控制的要求，并能有效地实现理想的转向助力。

2.1.4 EPS的关键技术
EPS的关键技术既有硬件方面也有软件方面，硬件是其骨架，软件是灵魂。

在硬件方面，高度可靠、价格便宜且精度又满足要求的转矩传感器是一项关键技术，因为在目前阶段，转矩传感器在各种EPS中都是必须的，它不仅要在EPS正常工作时能准确测量驾驶员施加的转矩，而且在EPS失效时也不因为驾驶员施加的转矩增大而损坏；
另一项关键技术是提供助力的电动机，因为在不同情况下转向盘的转动速度相差很大，电动机要能够实现助力，其转速范围也要很大，响应快，而且在堵转时也要能够提供助力作用，对于大型车辆，甚至要求电动机能够提供与转动方向相反的主力转矩。

所以电动机也是限制EPS在大型车辆上应用的主要原因之一。

因此在硬件的应用层面上，EPS仍有一部分关键技术需要研究：
（1）性能
通过EPS来降低转向力，这与电机的尺寸，电机的电力以及减速比有关，而这些因素又涉及其他领域，如：重量、成本、产生的热量、电流消耗、惯性力及摩擦力等。

因此EPS的设计不能仅考虑降低转向力，应进一步考虑与整车性能如何协调的问题。

（2）对转向系的不良影响
减速齿轮、电机等使转向系的惯性力及摩擦增大，从而影响转向性能，有可能引起过多转向或影响回正能力及阻尼特性，这些都是在设计控制策略时须认真考虑的。

（3）转向手感
当一辆汽车仅带有低速范围助力装置时，那么在两个不同车速范围内，会有不同的转向手感，即：带助力和不带助力两种不同的手感。

特别时，当车速刚好是在助力装置工作或脱离的状态下，那转向手感可能是非常微妙的，这些是在设计助力装置时所必须考虑的问题。

2.2 电动助力转向系统的分类
电动助力转向系统根据安装位置的不同可以分为三类：齿条助力式、小齿轮助力式和转向柱助力式。

图2-2为三类转向系统的图例。

图2-2 电动助力转向系统类型
齿条助力式EPS系统的电动机和减速机构安装在齿条处，直接驱动齿条提供助力，其中扭矩传感器单独地安装在小齿轮处，电动机与转向助力机构一起安装在小齿轮另一端的齿条处，用以给齿条助力。

该类型又根据减速传动机构的不同可分为两种类型：一种是电动机做成中空的，齿条从中穿过，电动机提供的第二章电动助力转向系统的
总体设计辅助力经一对斜齿轮和螺杆螺母传动副以及与螺母制成一体的铰接块传给齿条。

这种结构是第一代电动助力转向系统，由于电动机位于齿条壳体内，结构复杂、价格比较高、维修也相当困难。

另一种是电动机与齿条的壳体相互独立。

电动机动力经另一小齿轮传给齿条，由于易于制造和维修，成本较低，已经取代了第一代产品。

因此，齿条由一个独立的齿轮驱动，可给系统较大的助力，主要用于重型汽车。

小齿轮助力式EPS系统的电动机和减速机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮转向。

小齿轮助力式转向系统的转矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构仍为一体，只要整体安装在转向齿轮处，直接给齿轮助力，可获得较大的转向力。

该类型可使各部件布置更方便，但当转向盘与转向器之间装有万向传动装置时，转矩信号的取得与助力车轮部分不在同一直线上，其助力控制特性难以保证准确。

转向助力式EPS的电动机固定在转向柱一侧，通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴转向。

其转矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构组成一体，安装在转向柱上。

其特点是结构紧凑、所测取的转矩信号与控制直流电机助力的响应性较好。

这种类型一般在轿车上使用。

目前合作的项目的最终应用车型是轻型车，所以系统也是采用转向柱助力式转向系统。

2.3 EPS的受力介绍
EPS系统所受的力主要有驾驶员作用在方向盘的操纵力、电动机的助力矩和整个转向系统所受的阻力矩，驾驶员在转向时作用在方向盘的操纵力同时在EPS系统的电动机助力下，通过转向机构客服转向阻力矩，从而实现对汽车的转向。

转向时驾驶员作用在方向盘的作用力以及电动机作用的助力矩大小与汽车整个转向系统所受的阻力矩有关。

2.3.1 驾驶员的操纵力
在汽车曲线运动中，由驾驶员通过作用在方向盘的切向力对汽车进行操纵。

一般驾驶员都希望转向时能操作轻便，在告诉时仍能保持稳定，且具有良好的“路感”。

因此驾驶员对汽车的操纵力分成两种情况：
①改变汽车行驶方向时驾驶员作用在转向盘上的切向力;
②保持汽车行驶方向不变（包括直线运动和固定某个方向的运动）时驾驶员保持方向盘不动的力。

这种在车轮转向角位置保持不变行车时，驾驶员作用在转向盘的力称为方向盘把持力。

2.3.2 EPS的阻力矩
按产生的来源不同，EPS的阻力矩大体上可分为“绕主销的阻力矩”和“转向系的阻力矩”两大部分组成。

这些转向阻力矩的各组成部分都随转向盘转角、车速、轮。